DE2319083A1

DE2319083A1 - Frequenzgesteuerter laser in passiver q-schaltung

Info

Publication number: DE2319083A1
Application number: DE2319083A
Authority: DE
Inventors: Carl James Buczek; Michael Leonhard Skolnick
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1972-04-26
Filing date: 1973-04-16
Publication date: 1973-11-15
Also published as: FR2182240A1; IL41734A; IL41734A0; FR2182240B3; IT984039B; GB1401380A; CA990842A; US3764937A

Description

United Aircraft Corporation

400 Main Street . -

East Hartford,Conn.06108 -

FREQUENZGESTEUERTER LASER IN PASSIVER Q-SCHALTUNG.

Die Erfindung betrifft einen Laser in passiver Q-Schaltung, und insbesondere die Steuerung der Trägerfrequenz und der Folgefrequenz der Q-Schaltung in einem Laser in passiver Q-Schaltung mit sättigbarem Niederdruckgasabsorber. .

In letzter Zeit beschäftigte man sich immer mehr mit der Anwendung der Lasertechnologie in der Nachrichtenübertragung und der Radarüberwachung, welche bis jetzt durch die Millimeter- und Mikrowellentechnik erfasst wurden. So sind z.B. digitale Datenübertragungen mit Pulskodemodulation im Millimeter- und Mikrowellenbereich bekannt, und wurden sehr hoch entwickelt. Jedoch, ist das zur Verfügung stehende Frequenzspektrum, welches den vielen privaten und öffentlichen Nachrichtenübertragungssystemen zugeteilt wird, in manchen Gegenden zu diesem Zwecke überlastet und in grossen Städten vollkommen gesättigt. So hat man sich ausgedacht, dass die Lösung darin läge, die Frequenz noch höher zu treiben, zu den optischen und fast optischen Frequenzen und insbesondere zu den infraroten Frequenzen, welche mit Lasern, wie etwa den bekannten 10,6 Mikron-CC^-Lasern leicht erzeugt werden

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können. Dies ist insbesondere vorteilhaft wegen der relativ Obertragungseigenschaften um 10,6 Mikron in der Atmosphäre. Auch ist es schon lange bekannt, dass die Auflösung von Gegenständen bei der Anwendung von Mikrowellenradaren in Bezug auf kleine öder sehr nahe aneinander liegenden Gegenständen extrem begrenzt'., ist. Dies ist primär bedingt durch die Unmöglichkeit einen Strahl mit geeigneter kleiner Breite zu erzeugen, und durch die Unmöglichkeit des Empfangsgerätes auf Reflektionen anzusprechen, welche nahe-am Radarsystem auftreten. Obwohl diese Nachteile beim Millimeterradar weniger bedeutsam sind, lässt die Anwendung heutiger bekannter Techniken beim Aufbau eines geeigneten Millimeterwellenradars viel zu wünschen übrig. Hier nimmt man an, dass der Laser Vorteile gegenüber den bekannten Vorrichtungen bringt."

Es ist somit vorrangig notwendig geworden, geeignete Impulslaser bereitzustellen. Wegen der hohen Energiemenge kann das Pulsieren typisch durch Q-Schaltung (Die im Lasermedium gespeicherte Energie wird periodisch abgezogen) vorgenommen werden, sodass Energieimpulse in einer Weise erzeugt werden, welche eine kontinuierliche Erregung des Lasermediums benutzt (anstatt einfach Zerhacken um Impulse aus einer kontinuierlichen Welle zu erzeugen und dadurch nur einen Bruchteil der Erregungsenergie zu benutzen). Q-Schal— ten ist mit Hilfe rotierender Spiegel und Impulsentladungen erzeugt worden, während die passive. Q-Schaltung durch die Anwendung sättigbarer Absorber im Laserhohlraum selbst vorgenommen wird. Die beiden ersten Verfahren beschränken die Folgefrequenzen und sind schwer Steuer- und durchführbar und im allgemeinen für die Zwecke bei denen komplizierte, Impulsiaser angewandt werden, wie etwa Radarsysteme mit höher Impulsfolgefrequenz nicht geeignet. Desweitern, ist die maximale eindeutige Reichweite eines Radars der . Impulsfolgefrequenz umgekehrt proportional (weil man reflektierte Signale eines Impulses von denjenigen eines anderen Impulses trennen muss). In Mikrowellensendern wird dieses Problem dadurch gelöst, dass man die Impulsfolgefrequenz sehr gross verändert, ebenso die Verzögerungszeit der Bereichstore, sodass jeder von einem Zielpunkt reflektierte Impuls in Abhängigkeit von der Reichweite bei verschiedenen Impulsfolgefrequenzen durch die Tore hindurchkann um die Eindeutigkeit der Reichweite zu liefern. Wegen der mechanischen Trägheit ist das schnelle Ferändern der- Impuls-

folgefrequenz eines Lasersenders mit' rotierenden Spiegeln fast unmöglich.

Auch ist es wegen den benutzten hohen Leistungen schwierig die Frequenz der Impulsentladungen in einem für einen Radarsender geeigneten Hochleistungsimpulslaser zu ändern. -

Das Schrifttum ist voll von Berichten über das Verhalten von Lasern in passiver Q-Schaltung. Ein Grundproblem, welches hervorsticht, ist die unrege!massige Impulsfolgefrequenz der Laser, welche mit einem sättigbarem Niederdruckabsorber in Q-Schaltung betrieben werden. Die Impulsfolgefrequenz verändert sich auf zufälliger Basis und unterliegt Schwankungen als Folge von kleinen Veränderungen anderer Parameter des Lasersystems und es war bisher nicht möglich die Impulsfrequenz spezifisch zu steuern, vielmehr wurden einfach Laserimpulse mit angesteuerter, undefinierbarer, veränderlicher Impulsfolgefrequenz gegeben.

Die Aufgabe der Erfindung ist es einen Laser in passiver Q-Schaltung mit gesteuerter Impulsfolgefrequenz bereitzustellen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Frequenz der Q-Schaltung in einem Laser _t welcher mittels eines nicht sattigbaren Niederdruckgasabsorbers in Q-Schaltung betrieben wJrd, vom Verhältnis zwischen der Kennlinie der Laserverstärkung als Funktion der Frequenz und der Absorptionskennlinie als Funktion der Frequenz abhängig ist. Deshalb steuert die Steuerung der Resonanzfrequenz des Laserhohlraumes für irgendeinen gegebenen Parametersatz nicht nur die Trägerfrequenz des Lasers, aber definiert in einzigartiger Weise die impulsfolgefrequenz der Q-Schaltung. Somit wird die Steuerung der Hohlraumresonanz,als Funktion der Impulsfolgefrequenz die Impulsfolgefrequenz in einzigartiger Weise definieren, ebenso wie die Laserträgerfrequenz.

Nach der Erfindung ist ein zerstreuenderLaserhohlraum, welcher ein Laserverstarkungsmedium und einen sä.ttigbaren Niederdruckgäsabsorber mit einer sättigbaren Absorptionskennlinie bei einer optischen Frequenz im nutzbaren Frequenzbereich des Lasers aufweist, mit M.itteIn zum Steuern der Resonanzfrequenz des Lasers versehen, derart, dass in Verbindung mit der Impulsfolgefrequenz der Q-Schaltung des Lasers, die Q-Schaltung des Lasers in der gewünschten Weise erfolgt. Desweitern kann nach der Erfindung die

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Hohlraumlänge gesteuert. In Übereinstimmung mit der Erfindung, . wird eine Steuerspannung, welche mit der gewünschten Impulsfolgefrequenz verwandte Eigenschaften hat, benutzt, um einen an_; einem schwingenden Spiegel des Laserhohlraumes befestigten Wandler zu steuern, wodurch die Resonanzfrequenz des Hohlraumes verändert wird. In weiterer Übereinstimmung mit der Erfindung wird die. Impulsfolgefrequenz des Lasers mit einer Bezugsgrösse verglichen und der festgestellte Unterschied wird dazu benutzt den Übertrager welcher seinerseits die Resonanzfrequenz des Laserhohlraumes verändert, zu steuern. Desweitern kann in Übereinstimmung mit der Erfindung eine offene oder eine geschlossene Steuerschleife benutzt werden, und die Spannung kann im wesentlichen konstant oder "zeitabhängig sein, um so eine gewünschte Wirkung zu erzeugen, wie etwa Kipp- oder Stufenfunktionsänderunge.n in der Impulsfolgefrequenz, der Trägerfrequenz oder beiden Frequenzen, weil diese von einander abhängig sind. Ausserdem kann in Übereinstimmung mit der Erfindung die Impulsfolgefrequenz des Lasers mit einem Frequenznormal verglichen werden und der Frequenzunterschied -kann in eine Steuerspannung für eine geschlossene Steuerschleife für die Resonanzfrequenz des Laserhohlraumes umgewandelt werden, wodurch die Trägerfrequenz und die Impulsfolgefrequenz des Lasers in passiver Q-Schaltung im wesentlichen konstant gehalten werden. Immer in Übereinstimmung mit der Erfindung kann die Impulsfolgefrequenz am Laserausgang in eine Spannung umgewandelt werden, welche mit einer Bezügespannung verglichen wird, und dazu benutzt wird, um die Hohlraumlänge zu steuern, um so die Trägerfrequenz ' und die Impulsfolgefrequenz des Lasers in passiver Q-Schaltung im wesentlichen konstant zu halten. .

Die Erfindung liefert eine grosse Beweglichkeit in der Steuerung von Lasern in passiver Q-Schaltung. Die Trägerfrequenz und die Ilapulsfolgefrequenz können konstant gehalten oder um eine Mittenfrequenz verändert oder stufenweise verändert werden,um irgendein gewünschtes Resultat zu erreichen. Das gewünschte Resultat kann sich auf die Steuerung der Trägerfrequenz oder auf die Steuerung der Impulsfolgefrequenz eines Lasers in passiver Q-Schaltung be- -ziehen, weil diese Frequenzen voneinander abhängig sind. Die vorliegende Erfindung kann mit leicht zur Verfugung stehenden Techniken durchgeführt werden und kann sehr genau funktionieren.

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Die Erfindung wird nun an Hand der beiliegenden Zeichnungen, welche bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen, näher beschrieben. Darin sind:

Figur 1 eine vereinfachte Darstellung des Zusammenhangs zwischen Laserverstärkung und Absorption als Funktion der optischen Laserfrequenz; -

Figur 2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung mit Rückkopplungssteuerung;

Figur 3 eine vereinfachte schematische Teildarstellung einer Abwandlung der Ausführungsform d=r Erfindung} '; ..

Figur 4 eine vereinfachte schematische Darstellung einer offenen Ausführungsform der Erfindung; und . ■

Figur 5 eine vereinfachte Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Impulsfolgefrequenz und der Steuerspannung in der Ausführungsform der Figur 2. .·

In der Figur 1 ist eine Kurve 10 der Laserverstärkung eines Lasers als Funktion der Wellenlänge und einer Kurve 12 der Absorptionsfunktion eines sättigbaren Niederdruckgasabsorbers als Funktion der Wellenlänge ausgestellt. In den spezifischen Ausführungsformen,
welche weiter unten in Bezugnahme auf die Figuren 1-5 beschrieben werden, wird angenommen, dass das Laserverstärkungsmedium Kohlenstoffdioxyd und der sättigbare Absorber Schwefelhexafluorid enthalten. Obschon die Kurve 12 in der Figur 1 die Absorption des
sättigbaren Absorbers darstellt, soll nicht vergessen werden,
dass der sättigbare Absorber eine veränderliche Absorptionskennlinie hat, welche sich dem Wert Null ,nähert, wenn der Absorber
gesättigt ist. Somit kann die Kurve 12 die ungesättigte oder mittlere Absorption darstellen, wobei es unwichtig in der vorliegenden Beschreibung ist, welche von beiden gemeint ist. Bei einer gegebenen optischen Frequenz V besteht ein eindeutiger Zusammenhang
zwischen der Verstärkung 10 und der Absorption 12. Wegen der
Form der Verstärkungskennlinie und der Absorptionskennlinie ist
dieser Zusammenhang von Frequenz zu Frequenz verschieden* obwohl er für zwei oder mehr unterschiedliche optische Frequenzen der
gleiche sein kann. So ist z*B. bei einer ersten Frequenz, welche durch die Linie 14 gekennzeichnet ist, der Zusammenhang Verstär-

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kung/Absorption durch den Pfeil 16 gekennzeichnet. Bei einer Frequenz, welche durch eine Linie 1.8 gekennzeichnet ist, ist der Zusammenhang Verstärkung/Absorption durch den Pfeil 20 angedeutet und bei einer Frequenz, welche durch die Linie 22 gekennzeichnet ist, ist der Zusammenhang Verstärkung/Absorption durch den Pfeil 24 dargestellt» Die Verhältnisse 16,20,24 sind voneinander verschieden, jedoch besteht eine direkte Abhängigkeit zwischen der Folgefrequenz der passiven Q-Schaltung und den Verhältnissen 16, 20,24; d.h. die Impuls-folgefrequenz wird die.gleiche sein für identische Verhältnisse, wobei angenommen wird, dass ■ alle anderen Parameter des Systems konstant bleiben, aber die Impulsfolgefrequenz ist für verschiedene Verhältnisse 16,20,24 verschieden. Somit ist die Impulsfolgefrequenz eine Funktion der optischen Frequenz d5s Lasers selbst und,die Impulsfolgefrequenz kann durch Verändern der Resonanzfrequenz des Laserhohlraumes verändert werden, und gleichzeitig kann die Resonanzfrequenz des Hohlraumes, durch Oberwachen der Impulsfolgefrequenz der Q-Schaltung gesteuert werden. -

In dem Schrifttum ist festgehalten, dass es notwendig ist, einen zerstreuenden,frequenzselektiven HoHraum zu benutzen, um Q-Schaltung mit einem, sättigbaren Absorber zu erzeugen. Dies kommt daher, dass dann, wenn ein nicht zerstreuender Laserhohlraum benutzt wird, das Vorhandensein des Absorbers, selbst eines sättigbaren Absorbers, welcher bei einer gegebenen optischen Hohlraumresonanzfrequenz wirksam ist oder Absorptionseigenschaften zeigt, bewirkt, dass der Laser ein ungedämpftes Ausgangssignal bei einer anderen Hohlraumresonanzfrequenz erzeugt, welche innerhalb einer anderen Linie fällt,welche eine höhere Nettoverstärkung (weniger Verluste) hat, als bei der auf die Frequenz des Absorbers abgestimmten Hohlraumresonanzfrequenz. So würde z.B. bei der Lage nach der Figur 1 der Laser eher bei einer durch die Linie 26 bezeichneten Wellenlänge arbeiten, wei1 dies die Frequenz maximaler Verstärkung (oder minimaler Verluste) in dem gesamten System einschliesslich des Absorbers ist. Weil das System nicht bei einer Frequenz arbeitet, wo der.Absorber wirksam ist, wird der Absorber nicht periodisch gesättigt und bewirkt keine Q-Schaltung des Lasers. Macht man aber den Hohlraum zerstreuend und erreicht man so, dass er nur im ungedämpften Betrieb in einem relativ schmalen Wellenlängenband

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(d.h. einer einfachen. Linie) arbeiten kann, wird das oben genannte Problem vermieden. Dies ist eine erste Eigenschaft der Erfindung.

In der Figur 2 ist eine Art eines zerstreuenden Laserhohlraumes dargestellt, in dem ein sättigbarer Niederdruckgasabsorber angeordnet ist, und Mittel vorgesehen sind, um die Resonanzfrequenz des Hohlraumes zu verändern. Insbesondere weist der Laserhohlraum einen teilweise reflektierenden flachen Spiegel 30, einen teilweise reflektierenden konkaven Spiegel 32, eine das Laserverstärkungsmedium (wie etwa eine Mischung mit Kohlenstoffdioxyd) enthaltende Zelle 34 mit ein elektrisches Feld erzeugenden Elektroden 35 (welche an eine Leistungsquelle 37 angeschlossen sind), eine einen sättigbaren Niederdruckgasabsorber (wie etwr. Schwefelhexafluorid) enthaltende Zelle 36 und mehrere Prismen 38 auf. Die Prismen 38 biegen den Laserstrahl, welcher, durch eine gestrichelte Linie in der Figur 2 dargestellt ist,um einen Betrag, welcher eine kritische Funktion der Wellenlänge des Laserstrahles ist.. D.h. das Licht wird zwischen den Spiegeln 30,32 nur in einem sehr engen Wellenlängenbereich reflektiert und andere Wellenlängen werden von den Prismen in einer solchen Weise zerstreut, dass der Laserhohlraum keine kohärente stimulierte Emission erzeugt. Dies macht den Hohlraum zerstreuend und verhindert das Problem des Lasers dazu zu neigen in einem Zwischenbereich zu funktionieren, welcher verschieden ist, von demjenigen, welcher die charakteristische Absorptionsfrequenzbandbreite des sättigbaren Absorbers enthält. Somit wird der Hohlraum der Figur 2 in Q-Schaltung betrieben bei einer Impulsfolgefrequenz, welche von der genauen Resonanzfrequenz abhängt, welche durch den Gesamtabstand zwischen den Spiegeln 30,32 bestimmt ist. Für den in der Figur 2 gezeigten Hohlraum ist eine Steuerung seiner Resonanzfrequenz mittels eines geeigneten Übertragers vorgesehen, wie etwa ein hohler, zylindrischer, piezoelektrischer Kristall 40 an dem der Spiegel 32 festgemacht ist, wobei das andere Ende des Kristals 40 an einem Element 42 festgemacht ist, welches an dem umgebenden Aufbau, so wie der Spiegel 30 befestigt ist. Legt man eine geeignete Spannung an die Wand des zylindrischen, piezoelektrischen Kristalls 40, so wird die axiale Länge des Kristalls verändert, was seinerseits die Lage des Spiegels 32 bezüglich des Spiegels 30 verändert, wodurch die Resonanzfrequenz des Hohlraumes gesteuert wird. Die Steuerspannung

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wird dem Kristall 40 über eine Leitung 44 von einem Verstärker 46 zugeführt, der seinerseits von einer Vorrichtung 48, welche eine Gleichspannung als Funktion des Frequenzunterschiedes zwischen zwei ihm zugeführten Frequenzen erzeugt., gespeistf diese Vorrichtung 48 kann jede bekannte Frequenzvergleichsvorrichtung sein, so etwa diejenigejf welche unter dem Kamen Synchrondemodulator bekannt ist. Dem Synchrondemodulator 48 wird"eine Bezugsfrequenz von einer Quelle 50 und ein elektrisches Signal von einem Photodetektor 52 zugeführt. Es ist wichtig, zu bemerken, dass der Photodetektor 52 nicht die optische Frequenz.des Lasers misst/ d.h. er braucht nicht im Überlagerungsbetrieb zu arbeiten, sondern vielmehr nur den Energiestoss der Impulse f eststellfcj in anderen Worten der Photodetektor 52 braucht nicht auf die Frequenzlaserstrahlung anzusprechen, sondern er braucht nur eine Frequenzgang bis hinauf zur Impulsfolgefrequenz der Q-Schaltung zu haben.

Beim Betrieb erzeugt das Laserverstärkungsmedium in der Zelle 34 durch stimulierte, kohärente Emission elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz, welche durch den Abstand der Spiegel 30,32 bestimmt wird, innerhalb der breiten Verstärkungskennlinie des Mediums in der Zelle 34 und innerhalb des engeren Übertragungsbandes der Prismen 38. Im Fall eines CO^-kasers tritt in bekannter Weise eine Schwingung zwischen 9 und 11 Mikron auf. Wie bekannt ist, hat ein sättigbarer Niederdruckgasabsorber, wie etwa Schwefel hexafluorid, eine Äbsorptionskennlinie, welche umgekehrt proportional zur Intensität der durchlaufenden elektromagnetischen Strahlung ist. In dem Masse wie die Strahlung sich im Hohlraum aufbaut/ absorbiert die Äbsorptionszelle 36 immer eine kleine Menge davon bis sie gesättigt ist, zu welchem Zeitpunkt sie für die Strahlung höherer Intensität durchsichtig wird. Dann tritt ein sehr schnelles Anwachsen der Laserenergie in dem Hohlraum auf, wodurch ein Äusgangsimpuls erzeugt wird. Jedoch beginnt der sättigbar e Absorber, sobald er sich erholt hat, wieder Energie zu absorbierend wodurch die Güte des Systems eventuell zerstört oder die kohärente, stimulierte Emission elektromagnetischer Energie unterdrückt wird, Somit wird die Vorrichtung in Q-Schaltung betrieben bei einer Folgefrequenz, welche eine Funktion des Verhältnisses zwischen der Verstärkungskennlinie des Laserverstärkungsmediums in der Zelle 34 und der Absorptionskennlinie des sättigbaren Ab-

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sorbers in der Zelle 36 ist. Dieses Verhältnis ist eine Funktion der Resonanzfrequenz des Hohlraumes, welche durch den Abstand.der Spiegel 30,32 unter der Steuerung des Übertragers 40 bestimmt wird. Der Photodetektor 52 misst jeden Impuls und erzeugt einen Impulszug bei einer Frequenz, welche gleich der. Folgefrequenz der Q-Schaltung ist. Durch Vergleich dieser Frequenz mit der Bezugsfrequenz der Quelle 50 erzeugt der Frequenzvergleicher 48-ein Fehlersignal, welches nach Verstärkung den elektrischen Zug am Wandler 40 verändert, um so die Stellung des Spiegels 32 bezüglich derjenigen des Spiegels 30 in einer Weise zu·verändern, dass die Resonanzfrequenz des Hohlraumes konstant bleibt. Somit wird die Ausführungsform der Figur 2 eine sehr stabile Trägerfrequenz des Lasers liefern und gleichzeitig die Impulsfolgefrequenz der Q-Schaltung des Lasers genau steuern. ■ ■ .

Das Frequenznormal der Figur 2 kann eine konstante oder eine veränderliche Frequenz sein. Wenn die Frequenz veränderlich ist, dann werden sich die Impulsfolgefrequenz und die Folge-frequenz des Lasers in Q-Schaltung in gleicher Weise verändern. Das Ausgangssignal des Lasers kann einer kontinuierlichen Frequenzänderung zwischen zwei Frequenzen unterworfen werden, indem eine sägesahnförmige Veränderung der Bezugsfrequenz der Quelle 50 vorgesehen wird. Andere Veränderungen können auch vorgesehen sein.

Anstatt Frequenzen miteinander zu vergleichen, kann das Ausgangssignal des Detektors 52 auch einem Diskriminator 54 zugeführt werden, so wie es in der Figur 3 dargestellt ist, um so eine Gleichspannung auf einer-Leitung 56 zu erzeugen, welche eine Funktion der Impulsfolgefrequenz der Vorrichtung ist. Die Spannung kann mit einer Bezugsspannung auf einer Leitung 58 in einem Differentialverstärker 60 verglichen werden, um so ein Fehlersignal an den Verstärker 46 zu liefern, welches mit dem Signal übereinstimmt, das am Ausgang des Synchrondemodulators 48 der Figur 2 ansteht. Die Bezugsspannung auf der Leitung 58 kann in irgendeiner geeigneten Weise bereitgestellt werden, etwa mit Hilfe eines einfachen Potentiometers 62, das an eine geeignete Gleichspannungsquelle 64 angeschlossen ist. Selbstverständlich können andere Verfahren zum Etzeugen einer Fehlerspannung als Funktion des Frequenzunterschiedes zwischen der Ist-Impuläblgefrequenz und einer gewünschten Impulsfolgefrequenz vom Fachmann ausgedacht wer-

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Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausfuhrungsformen sind solche mit geschlossenem Steuerkreis} d.h. das Ausgangssignal wird überwacht um die Länge des optischen Hohlraumes zu steuern. Andererseits kann die vorliegende Erfindung mit einer passiv stabilen Laserhohlraum in einer offenen Steuerung betrieben werden, falls dies erwünscht ist, um sich verschiedenen Anwendungen derselben anzupassen, so wie es in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist. In der Figur 5 ist der Laseraufbau grundsätzlich derselbe wie derjenige in der Figur 2, mit der Ausnahme, dass keine Prismen 3,8 und kein Detektor 52 vorgesehen sind. Die Prismen 38 sind in 'der Ausführungsform der Figur 4 nicht erforderlich, weil der Hohlraum zum zerstreuenden Hohlraum durch die Anwendung einer Zelle 36 gemacht wurde, welche nicht nur ein sättigbares Absorbergas unter niedrigem Druck enthält, aber ein zusätzliches Gas, wie etwa Chloro-Trifluor-AEthylen (C₂F₃Ce) enthält, welches eine hohe Absorptionseigenschaft bei Frequenzen aufweist, welche von der Frequenz verschieden sind, bei der das Schwefelhexafluorid sättigbare Absorptionseigenschaften aufweist. Somit-wird der Laser eher bei einer Frequenz innerhalb des Absorptionsbandes des Schwefelhexafluorides in Q-Schaltung arbeiten, als in den verlustreicheren, anderen Frequenzen, bei denen das C₃F₃Cl-GaS eine hohe Absorptionsfähigkeit · hat. Auch braucht in der Ausführungsform der Figur 4 das Element 42 nicht hohl zu sein, um den Ausgangsstrahl zum Detektor durchzulassen. In dieser Ausführungsform wird das System in einer offenen Schleife in Abhängigkeit von einer Impulsfolgefrequenzsteuerspannung von einer Quelle 36 betrieben. Die Natur dieser von der Impulsfolgefrequenzsteuerspaünungsquelle 66 bereitgestellte Spannung kann in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung des Lasers in Q-Schaltung verändert werden. So kann z.B. wie weiter oben beschrieben worden ist,das Bereitstellen mehrerer Impulsfolgefrequenzen zum Lösen der mehrdeutigen Reichweiten eines Laserradarentfernungsmesssystems die Zuführung von stufenförmigen Spannungen an den Wandler 40 bedingen. Diese Spannungen können von der in der Figur 5 dargestellten Art sein. Solche Spannungen können in einfacher Weise durch Dekodieren eines mit einer gewünschten Frequenzänderung (grob 1/10 der gewünschten mittleren Impulsfolgefrequenz für die in der Figur 5 dargestellte Wellenform) gesteuerten Flipflops be-

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reitgestellt werden, wobei die Ausgänge des Flipflops durch einen Digitalanalogwandler dekodiert werden, welcher diese gestufte Spannungen erzeugt, Auch kann ein Kipposzillator oder ein anderer, eine stufenförmige Spannung erzeugender Generator als Impulsfolgefr eguenzsteuerspannungsquelle 66 benutzt werden» Wie aus Figur 5 erkennbar ist, wird sich die Resonanzfrequenz des Hohlraumes in Abhängigkeit von der Steuerspannung verändern und, so wie es weiter oben beschrieben worden ist, wird sich die Impulsfolgefrequenz ändern (die verschiedenen Impulsfolgefrequeazen sind mit F,, F_ und F, in der Figur 5 bezeichnet). Andererseits kann die Impulsfölgefrequenzsteuerspannungsquelle 66 eine sägezahnförmige Spannung oder eine Spannung anderer Form erzeugen, um so die Trägerfrequenz zwischen zwei Endwerten kontinuierlich zu verändern oder um die Impulsfolgefrequenz in irgendeiner gewünschten Weise zu wqbbeln oder zu verändern. Das gegebene Verhältnis zwischen der Verstärkungskennlinie und der Absorptionskennlinie bei irgendeiner optischen Frequenz des Lasers liegt nur solange fest, wie die anderen Parameter gleich bleiben. Wenn die Verstärkungskennlinie sich verändert, wie etwa durch Verändern des elektrischen Feldes, welches* dem Laserverstärkungsmedium Energie zuführt, wenn der Laser ein Laser mit elektrischer Entladung ist, oder durch Ändern des Druckes der Zusammensetzung des Gases oder anderer Parameter im Falle eines Gasflusslasers , dann wird sich das Verhältnis zwischen der Verstärkung und der Absorption bei irgendeiner gegebenen Frequenz auch verändernIn einem solchen Fall kann die Trägerfrequenz nicht genau durch die Impulsfolgefrequenz gesteuert werden, noch kann die Impulsfolgefrequenz durch Steuern "der Linienfrequenz genau gesteuert werden. Es sei jedoch bemerkt, dass bei vielen Anwendungen die anderen Parameter sehr genau gesteuert werden können, sodass das Verhältnis mit einem ausreichenden Genauigkeitsgrad erreichbar ist, um so Nutzen ans der vorliegenden Erfindung ziehen zu können.

Obwohl hier nur CO₂ als Lasergasmedium erwähnt worden ist, ist es selbstverständlich, dass in einem CO₂-Laser das Gas vorzugsweise eine Mischung aus CO2 und anderen Gasen, welche zur Steuerung der Erregung des CO₂ dienen, wie etwa Stickstoff,Helium, usw., ist. Dies alles ist aus dem Stande der Technik bekannt und bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung. In ähnlicher Weise muss bedacht werden, dass, obwohl ein statischer Laser mit geschlossener Zelle

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in den Figuren 2 bis 4 dargestellt ist, Strömungsgaslaser oder Laser anderer Arten, wie etwa ein Helium-Neon-Laser, benutzt werden können, falls dies erwünscht ist. In ähnlicher Weise können auch dynamische Gaslaser, welche auf dem Einfrieren von Energieniveäus in einer Düse beruhen, benutzt werden, um die vorliegende Erfindung durchzuführen falls dies wünschenswert ist.

Auch kann die Rückkopplung erreicht werden, indem man das Laserausgangssignal, so wie es durch den teilweise durchlässigen Spiegel 30 ausgekoppelt wird, überwacht, anstatt eine separate Auskopplung durch den Spiegel 32 in der Figur 2 vorzusehen.

Somit sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung Jbeschrie- · ben worden, welche einen zerstreuenden-Läserhohlraum haben mit Mitteln zum Steuern der Resonanzfrequenz desselben, wobei in dem Hohlraum ein sättigbarer Niederdruckgasabsorber mit einer sättigbaren Abs orptionske'nnlinie bei einer Frequenz des Lasers, welche innerhalb des Bandes der Betriebsfrequenzen des zerstreuenden Laserhohlraumes liegt, angeordnet ist und mit Mitteln zum Steuern der Hohlraumresonanzfrequenz, etwa durch Steuern der Hohlraumlänge. Die Frequenz könnte auch auf andere Weisen gesteuert werden, wie etwa durch Verändern des Brechungsindexes des Gases in einer Zelle im Hohlraum um so die wirksame optische Länge des Hohlraumes zu verändern. Ein zerstreuender Hohlraum kann entweder durch eine frequenzabhängigen, optischen Weg erzeugt werden, so wie es in der Figur 2 dargestellt ist, oder mit Hilfe eines zusätzlichen Absorbers, so wie es in ö?r Figur 4 dargestellt ist, um ein Beugungsgitter zu liefern, welches nur einen engen Frequenzbereich auf dem gegenüberliegenden Spiegel mittels mehrerer gekoppelter Hohlräume zurücksendet oder durch andere Mittel. In ähnlicher Weise können andere Wandlerarten, wie etwa magnetostriktive Vorrichtungen,Gaszellen veränderlichen Druckes (Brechungsindex), in Übereinstimmung mit den Lehren der Technik benutzt werden. All dies ist nicht Gestand der Erfindung.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Ein bezüglich der Impulsfolgefrequenz und der optischen Trägerfrequenz gesteuerter Laser in passiver Q-Schaltung, gekennzeichnet durch einen zerstreuenden LaserhöhIraum mit mindestens einem Spiegelpaar (30,32) , wovon mindestens einer die Auskopplung der Laserenergie aus dem Hohlraum ermöglicht, eine in dem Laserhohlraum angeordnete, optische Verstarkungsvorrichtung (34), ein im Laserhohlraum angeordneter sättigbarer Niederdruckgasabsorber (36,36a) und Mittel (40) zum Steuern der Resonanzfrequenz des Laserhohlraumes . . ,
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,-dass die Mittel zum Steuern der Resonanzfrequenz des Hohlraumes Mittel zum Steuern der optischen Weglänge des Laserhohlraumes umfassen.
3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Steuern der optischen Weglänge einen an einem der Spiegel befestigten, in Abhängigkeit von zugeführten Signalen •betreibbaren Wandler (40) zum Verändern der Stellung des Spiegels und eine Steuerspannungsquelle zum Bereitstellen des die Verstellung des Spiegels bewirkende Spannung umfassen. :
4. . Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannungsquelle einen auf die aus dem Laserhohlraum ausgekoppelte Laserimpulsleistung ansprechendenoptischen Detektor (52), welcher eine Reihe elektrischer Signale erzeugt, deren Frequenz ein Mass für die Frequenz der Q-Schaltung des Lasers ist, und auf die elektrischen Signale ansprechende Mittel (48) zum Erzeugen einer Steuerspannung für den Wandler (40) umfasst.
5. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannungsquelle eine Bezugssignalquelle (50) und eine auf die aus dem Laserhohlraum ausgekoppelte Laserenergie und die BezugsSpannungsquelle ansprechende Vorrichtung (48) zum Entwickeln einer Steuerspannung für den Wandler (40) umfasst.
6. ' Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannungsquelle eine Gleichspannungsbezugsquelle (62,64), einen Frequenzdiskriminator (54), einen auf die Gleichspannungsbezugsquelle (62,64) und den Frequenzdiskriminator (54)' ansprechenden Differentialverstärker (60) und einen an den Differential-

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Verstärker (60) ansprechenden Treiberverstärker (46) , dessen Ausgang an den Wandler (40) angeschlossen ist, umfasst.

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