DE2418981A1 - Verfahren und einrichtung zum verringern der zeitlichen schwankungen beim anschwingen eines passiv phasengekoppelten und guetegeschalteten lasers - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum verringern der zeitlichen schwankungen beim anschwingen eines passiv phasengekoppelten und guetegeschalteten lasers

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Description

10 April 19 74
9 341-74 Dr.v.li/I·:
Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. 3400 Göttingen, Bunsenstraße 10
Verfahren und Einrichtung ^um_^^rri_ngern_de_r zeitlichen Schwankungen beim Anschwingen eines passiv phasengekoppelten und gütegeschalteten Lasers
Laser mit passiver Phasenkopplung und Güteschaltung zeichnen durch einen einfachen Aufbau und Betrieb sowie durch die Fähigkeit aus, sehr kurze Strahlungsimpulse bis herunter in den Picosekundenbereich erzeugen zu können. Mit abnehmender Impulsdauer wird es bei solchen Lasern jedoch immer schwieriger, den Zeitpunkt des Anschwingens, also des Auftretens eines Strahlungsimpulses genau steuern zu können. Für viele Zwecke-ist jedoch eine möglichst gut definierte zeitliche Beziehung zv/ischen einem Referenz Zeitpunkt und dem Auftreten der Strahlungsimpulse eines passiv phasengekoppelten und gütegeschalteten Lasers erforderlich, z.B. bei der Laserblitzspektroskopie (siehe z.B. J.Chem. Phys. AT_, 3075 (1967)).
Zur Synchronisierung eines passiv phasengekoppelten Neodymglaslasers mit anderen Ereignissen ist es bereits bekannt, einen steuerbaren, aktiven Güteschalter zu verwenden,
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dor mit einer kapazitiven Gasentladung in Caesiunidnmpf arbeitet
Ks i5;t ferner bekannt, daß mit einem durch iilitzlanpen optisch gepumpten Laser hohe Spitzenwerte der Ausganosleistung ohne Gefahr einer überlastung der Blitzlampen durch kurze Entladungen hoher Energie erzeugt werden können, indem man den Laser durch Doppelimpulse pumpt (Λρρί. Phys .Lett.2^, 2Ο4 (1963)). Das Pumpen eines Lasers mit Doppelstrahlungsimpulsen von einer Blitzlampe dient im bekannten Falle jedoch nur dazu, die Ausgangsleistung eines Lasers ohne Überlastung der Blitzlampen zu erhöhen und die Energie der einzelnen Strahlungsimpulse wird so groß gemacht, wie es ohne Gefährdung der Blitzlampen möglich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Verringern der zeitlichen Schwankungen zwischen dem Anschwingen eines-passiv phasengekoppelten und gütegeschalteten Lasers und einem Referenzzeitpunkt, der seinerseits auf einen Pumpenergieimpuls bezogen ist, anzugeben, die einfacher and als das oben genannte bekannte Verfahren und die zu seiner Realisierung verwendete Einrichtung sowie außerdem eine weitere Einengung der Zeitunsicherheit des Auftretens.der Laserimpulse gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung sind einfach, betriebssicher und lassen sich ohne großen apparativen Aufwand realisieren. Auch bei Laserimpulsen im
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Ficosekundenbereich ist eine Synchronisierung mit kleiner zeitlicher Unsicherheit möglich.
Im folgenden wird ein Ausführungsbcispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens gernäß der Erfindung zeigt.
In der Zeichnung ist als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein optisch gepumpter Rubinlaser dargestellt, der als stimulierbares Medium einen Rubinstab 10 enthält, dessen Endflächen im Brewster-Winkel bezüglich der Stabachse geschnitten sind. Der Rubinstab kann z.B. einen Durchmesser von etwa 6,3mm und eine in Achsrichtung gemssene Länge von 100 mm haben. Er ist von einer wendeiförmigen Xenon-Blitzröhre (z.B. Wingent-Typ 029) umgeben und mit dieser in einem nicht dargestellten Reflektor aus poliertem Aluminiumblech angeordnet.
Der optische Resonator des Lasers wird durch zwei Spiegel 14, 16 gebildet. Der Spiegel 14 ist mit einer nur schematisch angedeuteten Durchflußfarbstoffzelle 18 kombiniert, durch die im Betrieb kontinuierlich eine Lösung aus 3,3'-Diäthylthiodicarbonyaniniodid (siehe z.B.Z. Naturf. 19a 1019 (1964)) strömt.Die Durchflußfarbstoffzelle arbeitet in bekannter Weise als Phasenkpppler und Güteschalter. Der Spiegel 14, der ein möglichst hohes Reflexionsvermögen hat, ist eben und bildet die Rückwand der Durchflußfarbstoffzelle 18. Die Vorderwand der eine etwa 1 mm dicke Kammer bildenden Durchflußfarbstoffzelle 18 wird durch ein Fenster 20 aus Glas oder Quarz gebildet, das eine ebenef^äie Farbstofflösung angrenzende Rückseite und eine im Brewster-Winkel verlaufende Vorderseite hat. Der Strömungskreislauf für die Durchflußfarbstoffzelle 18 ist der Einfachheit halber nicht dargestellt.
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Der andere Spiegel 16, der ein Reflexionsvermögen von 555 hat und als Ausgangskoppler für die Laserstrahlung dient, enthält eine schwach keilförmige Platte aus Glas oder tmarz (Keilwinkel z.B. etwa 3°).
Der Rubinstab IO wird vorzugsweise durch eine nicht dargestellte Kühlvorrichtung gekühlt, z.B. mit Wasser von 17 C.
Die Xenon-Blitzröhre 12 ist mit einer als ganzes mit 22 bezeichneten elektrischen Energieversorgungseinhoit verbunden, die einen länger dauernden Uauptimpuls 24 (siehe das Diagramm rechts oben in der Zeichnung) sowie einen diesem überlagerten, kurzen Hilfsimpuls 26, dessen Energieinhalt im Vergleich zu dem des Ilauptimpulses verhältnismäßig gering ist, zu erzeugen gestattet.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Energieversorgungseinheit 22 einen Kondensator 28, der als Energiespeicher für den Hauptimpuls 24 dient, sowie einen zweiten Kondensator 30, der als Energiespeicher für den Hilfsimpuls dient. Der Kondensator 28 hat eine Kapazität von 250 yF und wird von einer nicht dargestellten Spannungsquelle auf eine Spannung V- 4,0 kV aufgeladen. Die Energie der Hauptentladung beträgt also etwa 2kJ. Die Auslösung der Hauptentladung erfolgt durch einen Zündimpuls, der durch eine Zündimpulsquelle 32 erzeugt und über einen Impulstransformator 34 in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise in den den Kondensator 28 enthaltenden Hauptentladungskreis eingekoppelt wird.
Der zur Erzeugung des Hilfsimpulses dienende Kondensator 30 hat bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kapazität von 1 yF und wird von einer nicht dargestellten Spannungsquelle auf eine Spannung V.. =16,2 kV aufgeladen. Der Kondensator 30 ist über eine steuerbare Schaltfunkenstrecke 36
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an die Xcnon-Blitzröhro 12 angeschlossen, z.H. .so, ν;in ο:; aun clt-T i'.eichnung ersichtlich ist. Din i'chaltfunkenr; trecke 36 wird durch cine «undfunkenstrecke 38 gezündet, dor ein Zündii.ipuls von der Zündimpulsquolle 32 über eine vorzugsweise e Lnstcllbaro Verzögerungseinheit 40 zuführbar ist. Der Knorgieinhalt des Hilfsimpulses betrug bei dein dargestellten Ausführungsbeispiel etv/a 130 J.
Der Zündimpuls wird durch einen nur schematisch dargestellten Schalter 42 in einen gewünschten Zeitpunkt T ausgelöst, der um die durch die Verzögerungseinheit 40 eingeführte Verzögerungsdauer T1 vor dem· Zeitpunkt liegt, in der der erste Strahlungsimpuls des Lasers auftreten soll.
Im Betrieb werden die Kondensatoren 2 8 und 30 auf ihre vorgesehenen Betriebsspannungen aufgeladen und dann wird der llauptimpuls durch Schließen des Schalters 42 ausgelöst. Mach einer vorgegebenen Verzögerungsdauer T- wird dem llauptimpuls 24 der im Vergleich zu ihm sehr kurze Hilfsimpuls 26 überlagert. Die Verzögerungsdauer T1 ist so gewählt/ daß die Besetzungsinversion im Rubinstab 10 beim Auftreten des Hilfsimpulses 26 noch etx^as unter dem Schwellwert liegt, bei dem der Laser anzuschwingen beginnt.
Durch die beschriebenen Haßnahmen läßt sich die zeitliche Unsicherheit des Anschwingens des Lasers um mindestens eine Größenordnung gegenüber dem Fall herabsetzen, daß das Anschwingen lediglich durch den etwas energiereicheren llauptimpuls 24 ausgelöst wird. Beim Pumpen mit nur einem einzigen Impuls (der Kondensator 28 wurde dabei auf 4,3 kV aufgeladen) betrug die Standardabweichung des Anschwingzeit- v punktes ί H,90 με bei einer mittleren Verzögerung von 1090,4 4 ys zwischen der Zündung der Blitzlampe und dem Anschwingen des Lasers. Bei dem beschriebenen Doppelimpulspunpen
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mit einem schwachen, relativ lange dauernden ilauptimpuls (Dauer hier ca 1 ms) und einem relativ schwachen, kurz dauernden Hilfsiiupuls (energie ca 5% Jes Ilauptimpulses, Dauer ca lOys) betrug die Standardabweichung nur etwa + 0,53 ys bei einer mittleren Verzierung zwischen der Zündung des Hilfsimpulses und dem Anschwingen des Lasers von 6,15 ys.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel betrug die Verzögerung zwischen der Zündung des Iiauptimpulses und der Zündung des Kilfsimpulses 1140 ys. Die Anstiegszeit des Ililfeimpulses betrug bei der beschrielmen Ausführungsform etwa 2 ys. Durch Verkürzung der Anstiegszeit des Hilfsimpulses läßt sich die zeitliche Unsicherheit des Anschwingens weiter verringern.
Die beschriebenen Maßnahmen lassen sich selbstverständlich auch bei passiv phasengekoppelten Lasern anderen als des beschriebenen Typs anwenden.
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Claims (7)

1/ Verfahren zum Verringern der zeitlichen Schwankungen zwischen dem Anschwingen eines mit passiver Phasenkopplung und Gütcschaltung arbeitenden Lasers und einem Referenzzeitpunkt, der seinerseits auf einen Pumpenergieirnpuls bezogen ist, welcher einem stimulierbaren Medium des Lasers zum Erzeugen einer Desetzungsinversion zugeführt wird und das Anschwingen des Lasers nach Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes der Besetzungsinversion ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pumpenergieimpuls (Ilauptimpuls 24) kurz vor Erreichen des Schwellwertes ein zweiter Pumpenergieimpuls (Hilfsimpuls 26) überlagert wird, dessen Dauer und Energieinhalt klein im Vergleich zu denen des Hauptimpulses ist."
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anstiegsdauer des Hilfsimpulses um mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei Größenordnungen kürzer ist als die des Kauptimpulses.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieinhalt des Hilfsimpulses höchstens 20%, vorzugsweise höchstens 10%, insbesondere etwa 5% des des Hauptimpulses beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Hilfsimpulses um mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei Größenordnungen kürzer^als die des Hauptimpulses.
5. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
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durch eine Pumpenergiequelle (22), die eine Vorrichtung (28, 34) zum Erzeugen· eines Hauptpumpenergieimpulses, dessen Energie im wesentlichen ausreicht, um im stimulierbaren Medium (10) des Lasers eine Besetzungsinversion zu erzeugen, bei der der Laser anschwingt und einen Strahlungsimpuls erzeugt, sowie eine Vorrichtung (30, 36) zum Erzeugen eines dem Ilauptimpuls (24) überlagerten Hilfspumpenergieimpulses (26) , der eine im Vergleich zum Hauptimpuls kleine Dauer und Energie hat, enthält.
6. Einrichtung nach Anspruch 5 bei der die Pumpenergiequelle eine Blitzlampe und eine Energieversorgung für diese enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung (22) der Blitzlampe (12) einen er- · sten Kondensator (28) mit zugehöriger Spannungsquelle (VQ) enthält, die so bemessen sind, daß die in der BLitzlampe erzeugten Entladungen im zulässigen Belastungsbereich der Blitzlampe liegen und im stimulierbaren Medium (10) des Lasers eine Besetzungsinversion zu erzeugen gestattet, die im wesentlichen für ein Anschwingen des Lasers ausreicht; und daß die Energieversorgung außerdem noch einen zweiten Kondensator (30) enthält, der über eine Schaltvorrichtung (36) zu einem vorgegebenen Zeitpunkt an die Blitzlampe (12) anschaltbar und mit einer Spannungsquelle (V-) verbunden ist, die so bemessen sind, daß beim Schließen der Schaltvorrichtung der kurze, dem Hauptimpuls (24) überlagerte Hilfsimpuls (26) entsteht.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Zündimpulsquelle (32) zum Auslösen des Hauptimpulses, die über eine Verzögerungseinrichtung (40) mit einer Vorrichtung (38) zum Auslösen des Hilfsimpulses gekoppelt ist. ■
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