DE2429551B2

DE2429551B2 - Optische Vorrichtung zur Formung optischer Impulse

Info

Publication number: DE2429551B2
Application number: DE2429551A
Authority: DE
Inventors: Carlton Eugene Ann Arbor Mich. Thomas (V.St.A.)
Original assignee: KMS Industries Inc
Current assignee: KMS Industries Inc
Priority date: 1973-06-21
Filing date: 1974-06-20
Publication date: 1978-06-08
Also published as: ES427452A1; US3879109A; FR2234684B1; IL44644A0; DK331774A; DE2429551C3; NL7407959A; JPS5037450A; SE7408188L; BE816491A; DE2429551A1; FR2234684A1; JPS5632605B2; AU6810674A; NO742253L; IT1014911B; ZA742486B; BR7404501D0; GB1440538A; IL44644A

Description

zur Erzeugung von Interferenzen mittels eines Dauerstrichlasers beschrieben, die ebenfalls zwei Strahlteiler und zwei dahinterliegende Spiegel aufweist. Bei dieser Anordnung werden jedoch Teilstralilen zusammengefaßt, die in den beiden Laufzeitgiiedern denselben Weg zurückgelegt haben. Man erhält eine Vielzahl gegeneinander phasenverschobener einzelner Ausgangsimpulse zur Erzeugung des Interferenzmusters. Bei der dor», beschriebenen Vorrichtung kann auch bei anderer Auskopplung des Ausgangsstrahles keine Impulsformung erhalten werden, da die dort ankommenden Teilstrahlen stets den gleichen Weg zurückgelegt haben. Die FR-PS 13 61 121 beschreibt die Führung einer elektromagnetischen Welle in einem angeregten Medium derart, daß die Welle den gesamten vom Medium erfüllten Raum genau einmal durchsetzt und nicht ein zweites Mal durch schon entleerte Bereiche geführt wird. Hier wird auf die Erzeugung eines Maser- oder Laserstrahles abgehoben, nicht aber auf eine Verzögerung oder Impulsformung eines solchen Strahles.

Durch die Erfindung soll eine Vorrichtung der eingangs genannten Art geschaffen werden, mit der sich eine bestimmte, für Laserfusionsexperimente gut geeignete Länge und Form des Ausgangsimpulses vorgeben läßt

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Teilstrahlen in den beiden Laufzeitgliedern verschieden stark verzögert; auf diese Weise kann der zeitliche Verlauf des aus den Teilstrahlern räumlich wieder zusammengesetzten, geformten Ausgangsir ipubes in weiten Grenzen verändert werden. Insbesondere kann die Anstiegsflanke des Ausgangsimpulses in der gewünschten Weise geformt werden. Durch den verschieden großen Anstellwinkel der Spiegel/Strahlteilereinheiten zur Einfallsrichtung des zu formenden Impulses ist sichergestellt, daß die von den Spiegel/ Strahlteilereinheiten erzeugten Teilstrahlen auch wieder richtig räumlich zusammengefaßt werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung in Rückwärtsrichtung durch einen voll reflektierenden Spiegel abgeschlossen ist. Sie vereint somit die Vorteile freier Formbarkeit des Impulses mii denen geringen Energieverlustes.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 die Form eines eingegebenen Pulses, F i g. 3 die Form eines erfindungsgemäß zusammengesetzten Ausgangspulses, F i g. 4 eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Die die bevorzugte Ausführungsform darstellende F i g. 1 zeigt eine erste Spiegel-Strahlteilereinheit, bestehend aus einem Strahlteiler U und einem Spiegel 12, welche parallel zueinander auf einer Befestigungsfläehe (nicht gezeigt) angeordnet sind und bezüglich des Weges 13 des von der Energiequelle 14 herkommenden Lichtes einen Winkel ö aufweisen. Obwohl die Quelle für die einfallende Energie bei der bevorzugten Ausführungsform als modengekoppelter Laser gezeigt b5 ist, kann die Erfindung natürlich bei anderen Anwendungen mit jeder beliebigen Quelle elektromagnetischer Strahlung verwendet werden, welche einen geeigneten Eingabepuls liefert. Ein Strahlteiler 15 mit einem Reflexions/Transmissionsverhältnis, welches gleich dem des Strahlteilers 11 ist, und ein Spiegel 16, die parallel zueinander angeordnet sind, bilden eine zweite Spiegel-Strahlteilereinheit und weisen bezüglich des Weges 13 des einfallenden Lichtes einen Winkel Φ auf. In der nicht dargestellten Richtung, d. h. senkrecht zur Zeichenebene, verlaufen die Strahlteiler 11 und 15 parallel zueinander. Abschwächer 17 bis 22 stehen jeweils senkrecht auf Lichtwegen 23 bis 28 und schneiden diese. Ein Spiegel 29 ist so angeordnet, daß er den Teil des auf dem Lichtweg 23 sich ausbreitenden, pulsförmigen Lichtstrahles abfängt und reflektiert, welcher vom Strahlteiler 15 reflektiert wird. Der Spiegel 29 ist unter einem für die nachstehend beschriebene Verwendung geeigneten Winkel aufgestellt.

Ein Beispiel für die Form eines auf die erfindungsgemäße Vorrichtung einfallenden Pulses ist in Fig.2 gezeigt. Es ist dies die Form des pulsförmigen Lichtstrahles, welcher auf dem Weg 13 von der Energiequelle 14 herkommt.

Der zusammengesetzte, pulsförmige Ausgangsstrahl, welcher in Fi g. 3 gezeigt ist, dient nur zur Erläuterung. Wie noch gezeigt werden wird, hat der Benutzer einen weiten Spielraum bei der Wahl der Form der Ausgangspulse, um sie seinen Zwecken anzupassen. Der zusammengesetzte Ausgangsstrahl 30 weist eine Form auf, welche die Summe einzelner Ausgangsstrahlen 23' bis 28' ist.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung arbeitet wie folgt. Von einer geeigneten Quelle für elektromagnetische Energie 14 wird unter Verwendung herkömmlicher Mittel ein einzelner Puls erzeugt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel erzeugt ein modengekoppelter Laser 14 einen Puls von größenordnungsmäßig 20 bis 30 Picosekunden. Der Puls wird längs eines Weges 13 auf einen Strahlteiler 11 zugeführt, wo ein Teil der Energie durch den Strahlteiler hindurch auf den Lichtweg 23 durchgelassen wird, während der Rest zum Spiegel 12 hin reflektiert wird, um wieder auf den Strahlteiler U reflektiert zu werden. Ein Teil dieser zweimal reflektierten Energie wird durch den Strahlteiler hindurch auf den Lichtweg 24 gelangen, während der Rest wieder zu dem Spiegel 12 reflektiert wird. Der sich auf dem Lichtweg 24 ausbreitende Energiepuls ist parallel zu dem, welcher sich auf dem Lichtweg 23 ausbreitet, jedoch zeitlich verzögert um

C '

wobei Cdie Lichtgeschwindigkeit ist und L\ die Länge des Lichtweges vom Strahlteiler 11 zum Spiegel 12, welche durch die Gleichung

L_x =

gegeben ist,

wobei Lo der Abstand zwischen dem Spiegel 12 und dem

Strahlteiler 11 ist.

Aus dem einfallenden Puls und 5 Reflexionen ergeben sich 6 parallele, pulsförmige Lichtstrahlen, welche zeitlich und räumlich gleich voneinander getrennt sind

und sich auf den Lichtwegen 23 bis 28 ausbreiten. Diese Pulse können nun jeder für sich in ihrer Intensität durch Abschwächer 17 bis 22 geändert werden.

Der Strahlteiler 15 und der Spiegel 16 vereinigen die parallelen Strahlen auf den Lichtwegen 23 bis 28, um einen einzigen Ausgangsstrahl 30 zu bilden. Der Abstand der beiden Reflexionsflächen 15, 16 der zweiten Spiegel-Strahlteilereinheit ist jedoch kleiner als der der ersten, da sich die Verzögerungen gegenseitig aufheben würden und die multiplizierten Pulse alle zu gleicher Zeit die Vorrichtung verlassen wurden, wenn die Reflexionsflächen 15,16 der zweiten Spiegel-Strahlteilereinheit denselben Abstand aufwiesen wie die ersten Reflexionsflächen 11,12. Der Abstand zwischen dem zweiten Strahlteiler 15 und dem zweiten Spiegel 16 wird daher so gewählt, daß der Unterschied zwischen den beiden zeitlichen Verzögerungen der gewünschten Trennung zwischen den Pulsen entspricht:

wobei L₂ der Lichtweg zwischen dem Strahlteiler 15 und dem Spiegel 16 ist. Der Winkel zwischen dem zweiten Spiegel 16 und dem zweiten Strahlteiler 15 zum Weg 13 des einfallenden Lichtes ist kleiner, so daß die Pulse räumlich wieder vereinigt werden, um einen einzigen Strahl zu bilden.

Der Ausgangsstrahl 30 ist in F i g. 3 als zeitliche Überlagerung von Strahlen 23' bis 28' gezeigt. Der Strahl 23' ist der Teil des sich auf dem Lichtweg 23 ausbreitenden Strahles, welcher durch den Strahlteiler 15 hindurchgelassen wird und zwischen dem Spiegel 16 und dem Strahlteiler 15 hin und her reflektiert wird bis zum Weg des Ausgangsstrahles. Aus der Geometrie der Anordnung ergibt sich sofort, daß dieser »Abkömmling« des sich auf dem Lichtweg 23 ausbreitenden Strahles die Vorrichtung als erster verläßt, wobei Strahlen auf den nachfolgenden Lichtwegen nachfolgen. Hieraus ergibt sich, daß eine getrennte Schwächung der sich auf den Lichtwegen 23 bis 28 ausbreitenden Strahlen zu praktisch jeder gewünschten Form des pulsförmigen Ausgangsstrahles führt.

Zum Beispiel führt eine Verwendung der Vorrichtung gemäß F i g. 1 ohne die Abschwächer 17 bis 22 oder mit Abschwächern gleicher Abschwächeigenschaften dazu, daß die Strahlen 23' bis 28' gleiche Amplitude aufweisen. Der zusammengesetzte Ausgangsstrahl hat daher in etwa die Form einer Stufenkurve. Durch Auswahl von Abschwächern mit vom Abschwächer 17 zum Abschwächer 22 linear abnehmender Abschwächung erhält man einen zusammengesetzten Ausgangsstrahl annähernd in Sägezahnform. Somit hat die Vorrichtung gemäß F i g. 1 vielfältige Einsatzmuglichkeiten, und sie läßt sich leicht anpassen. Der Ausgangsstrahl kann noch weiter zeitlich verlängert und geformt werden, indem die Strahlteiler 11 und 15 und die Spiegel 12 und 16 verlängert werden, so daß die Zahl der parallelen und wieder miteinander /u vereinigenden Lichtstrahlen vermehrt wird. Der Ausgangsstrahl kann auch in periodischen Abständen geliefert werden, indem die Energiequelle 14 in geeigneten Absländen angeregt wird.

Die vom .Strahlteiler 15 reflektierten Pulse werden nicht zur Bildung des Ausgangsstrahles verwendet. I i g. I /cigt eine Anordnung, bei der der erste vom Strahlieilcr 15 und dem Spiegel 29 zurückgeworfene Strahl als Referenzimpuls verwendet werden kanr Dieser zurückgeworfene Lichtpuls kann wegen seine kurzen Dauer zum Auslösen einer Meß- ode Steuervorrichtung verwendet werden. Bei einem Ver such des Erfinders wurde der Referenzpuls al »Blitzlampe« verwendet, um die rasch ablaufende) Vorgänge zu beleuchten, so daß sie während eine thermonuklearen Reaktion fotografiert werden konn ten.

ίο Fig.4 zeigt eine zweite Ausführungsform de Erfindung, wobei die gleichen Bezugszeichen für solch* Teile verwendet wurden, welche schon bei der in F i g. gezeigten bevorzugten Ausführungsform gezeigt wur den. Der von einer Energiequelle 14 herkommend!

Eingangsstrahl fällt auf einen Strahlteiler 31, wo er it zwei Energiestrahlen geteilt wird:(1) den reflektiertei Strahl, welcher auf einem ersten Weg auf den Spiegel 1: zuläuft und (2) den hindurchgelassenen Strahl, welche auf einem zweiten Weg 23 auf einen zweiten Strahlteile 32 zuläuft. Das durch den Strahlteiler 32 hindurchtreten de Licht fällt auf den zweiten Spiegel 16. Die Anordnung des Spiegels 12 bezüglich des Strahlteilers 31 und de: Spiegels 16 bezüglich des Strahlteilers 32 ist dieselbe wie die der Spiegel-Strahlteilereinheiten von F i g. 1 Ebenso ist die Anordnung der Spiegel-Strahlteilerein heiten von Fig.4 zueinander und bezüglich dei Energiequelle dieselbe wie bei der bevorzugter Ausführungsform. Die in Fig.4 gezeigte zweit« Ausführungsform arbeitet ähnlich wie die bevorzugt« Ausführungsform mit einem feinen Unterschied, daß di< beiden Strahlteiler verschiedene Reflexions/Transmis sionsverhäitnisse aufweisen. In diesem Falle, insbeson dere wenn das Reflexions/Transmissionsverhältnis de: ersten Strahlteilers 31 höher als das des zweiter Strahlteilers 32 ist, hat die EinhüUendc des zusammen gesetzten, pulsförmigen Ausgangsstrahles die Form:

wobei

a = NInR^fR₂,

R\ = Reflexionsvermögen

des ersten Strahlteilers,
R₂ = Reflexionsvermögen

des zweiten Strahlteilers,
N = Zahl der kleineren Pulse

im zusammengesetzten Ausgangspuls,
T = Länge des zusammengesetzten Pulses,
Po = Amplitude des einfallenden Pulses.

Für die Einleitung einer Kernfusion durch einen Lasei ist dieser exponentiell anwachsende Puls sehr vorteil haft. Durch Auswahl verschiedener Reflexionsverhält nisse der Strahlteiler können verschiedene Arter exponentiell anwachsender Pulse zusammengestell werden.

Qualitativ kann die Arbeitsweise dieser Vorrichtunj folgendermaßen verdeutlicht werden:
Der erste Puls des zusammengesetzten Ausgangspul

bo ses ist der, welcher nur einmal durch den erster Strahlteiler 31 hindurchtritt, und dann innerhalt desjenigen Raumes hin und her reflektiert wird, welchei von der zweiten, in geringem Abstand voneinanJe angeordneten, geringes Reflexionsvermögen aufwei

b5 senden Spiegel-Strahlteilereinheit 32,16 begrenzt wird Infolge dieses niederen Reflexionsvermögens erfähr der erste Puls eine starke Abschwächung. Der letzte Puls läuft jedoch ausschließlich in dem hohes Rcflc

7 8

xionsvermögen aufweisenden und großen Abstand Intensität, läuft zu einer Spitze auf und fällt dann rasch

aufweisenden Raum der ersten Spiegel-Strahlteilerein- auf Null ab.

heit 12, 31. Dieser letzte Puls erfährt die größte Wie bei der bevorzugten Ausführungsform reflektiert

Verzögerung und die kleinste Abschwächung. Damit der Spiegel 29 einen Referenzpuls.

beginnt der zusammengesetzte Impuls mit schwacher ^r>

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optische Vorrichtung zur Formung optischer Impulse mittels eines ebene Strahlteiler aufweisenden Laufzeitgliedes, in welchem ein optischer Impuls durch partielle Reflexion in Teilstrahlen zerlegt wird ■> und durch Überlagerung der um unterschiedliche Zeitspannen verzögerten Teilstrahlen der geformte Ausgangsimpuls erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß erstens zwei Spiegelstrahlteiler-Einheiten dadurch gebildet werden, daß in in Einfallsrichtung gesehen vor dem ersten Strahlteiler (11; 31) parallel zu dessen vorderer Oberfläche ein erster Spiegel (12) und Wnter dem zweiten Strahlteiler (15; 32) parallel zu dessen hinterer Oberfläche ein zweiter Spiegel (16) angeordnet ist, daß zweitens die beiden Spiegel (12, 16) einen unterschiedlichen Abstand von den ihnen zugeordneten parallelen Strahlteilern (11, 15; 31, 32) aufweisen und daß drittens die beiden Spiegel-Strahlteiler-Einheiten zur Einfallsrichtung derart unterschiedlich geneigt angeordnet sind, daß die von der ersten Spiegel-Strahlteiler-Einheit (12,11; 12,31) abgegebenen Teilstrahlen nach Durchsetzen des zweiten Strahlteilers (15; 32) kolinear zu den in der zweiten Spiegel-Strahlteiler-Einheit (16, 15; 16, 32) laufenden Teilstrahlen verlaufen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel-Strahlteiler-Einheit mit größerem Abstand zwischen Spiegel (12) und Strahlteiler (11; 31) unter größerem Winkel zur Einfallsrichtung angeordnet ist als die andere Spiegel-Strahlteiler-Einheit(16,15; 16,32).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteiler (11, 15; 31, 32) ein unterschiedliches Reflexions/Transmissions-Verhältnis aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexions/Transmissions-Verhältnis des ersten Strahlteilers (11; 31) größer ist als das des zweiten Strahlteilers (15; 32).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des ersten Spiegels (12) vom ersten Strahlteiler (11; 31) größer ist als der Abstand des zweiten Spiegels (16) vom zweiten Strahlteiler (15; 32).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Strahlteilern (11, 15) in der Bahn mindestens eines der zwischen ihnen laufenden Teilstrahlen (23 bis 28) ein Abschwächerglied (17 bis 22) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bahn der zwischen den Strahlteilern (11, 15) laufenden Teilstrahlen (23 bis 28) Abschwächerglieder (17 bis 22) unterschiedlicher Transmission angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen zwischen den Strahlteilern (11, 15; 31, 32) angeordneten dritten Spiegel (29), der den vom zweiten Strahlteiler (15; 32) reflektierten Anteil eines Teilstrahles ausspiegelt. t>o

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Spiegel (29) so vor dem zweiten Strahlteiler (15; 32) angeordnet ist, daß er den von der hinteren Oberfläche des zweiten Strahlteilers reflektierten Anteil des ersten Teil- b5 Strahles (23) ausspiegelt.

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Formung optischer Impulse nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Theoretische Berechnungen einer von einem Laser eingeleiteten Fusionsreaktion haben gezeigt, daß ein hierzu verwendeter Laserpuls in Abhängigkeit von der Zeit eine vorgeschriebene Form aufweisen sollte. Es existiert eine optimale Pulslänge, weiche von der Größe des Brennstoffpellets und der verfübaren Laserenergie abhängt Bei den gegenwärtigen Parametern der lasereingeleiteten Kernfusion liegen die optimalen Pulslängen im Bereich von 10X) bis 800 Picosekunden.

Über die Länge des Pulses hinaus ist auch die Form des Laserpulses für eine erfolgreiche Implosion des Brennstoffpellets wichtig. Die Energie sollte anfänglich gering sein, mit fortschreitender Implosion rasch anwachsen, und dann sehr rasch abfallen, nachdem die Spitzenleistung erreicht worden ist. Eine weitere Zufuhr von Laserenergie hat dann nur geringen Einfluß auf die Reaktion. Die mit den gängigen Methoden und Vorrichtungen erzeugten Laserpulse kommen diesen Bedingungen nicht nahe, und die Länge des Pulses und ihre Form kann nicht leicht eingestellt werden.

Die bekannten Pulslaser hoher Leistung werden durch Änderung der Resonatorgüte Q geschaltet fQ-Schaltung) und liefern Pulslängen von größenordnungsmäßig 30 Nanosekunden. Kürzere Pulse lassen sich dadurch erzeugen, daß der Lasterstrahl durch einen elektrooptischen Verschluß hindurchläuft oder daß mehrere Eigenschwingungen des Lasers gekoppelt werden (Moden-Kopplung).

Die Bandbreite elektrooptischer Verschlüsse ist begrenzt. Die kürzeste gegenwärtig unter Verwendung elektrooptischer Verschlüsse erhaltbare Pulslänge ist größenordnungsmäßig I bis 3 Nanosekunden. Diese Pulslänge ist für die unter optimalen Bedingungen durchgeführten Fusionsexperimente zu lang, und in den nicht verwendeten Teilen des Pulses wird Energie vergeudet. Eine Beeinflussung der Pulsform ist sehr schwierig, da zur Beinflussung derselben eine größere Bandbreite des Modulators erforderlich ist. In Moden-Kopplung lassen sich bekanntlich sehr kurze Pulse (5 bis 10 Picosekunden) dadurch erhalten, daß die Bandbreite herabsetzende optische Bauteile in den Laserresonator eingesetzt werden. Diese Pulse können in die Länge gestreckt werden, so daß ihre Länge in den für die Anwendung erwünschten Bereich von 100 bis 800 Picosekunden fällt. Es ist jedoch kein Verfahren bekannt, die Form dieser durch Moden-Kopplung erhaltenen, verlängerten Impulse zu beeinflussen.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 16 14 647 bekannt. Hier werden optische Impulse dadurch gedehnt, daß sie durch partielle Reflexion in Teilstrahlen zerlegt werden. Nach unterschiedlicher Laufzeit zwischen Strahlteilern werden die Teilstrahlen wieder überlagert. Mit dieser Vorrichtung läßt sich jedoch nur eine einzige Klasse von Intensitätsprofilen erzeugen, nämlich Intensitätsprofile des geformten Impulses, die einem Abklingen gemäß einer Exponentialfunktion entsprechen, wobei durch Abstandsänderung der teildurchlässigen Spiegel (Strahlteiler) nur die Abklingkonstante der Exponentialfunktion verändert werden kann. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Vorrriciitung besteht darin, daß ein erheblicher Teil der Energie des einfallenden Impulses in Rückwärtsrichtung ausgekoppelt wird.

Im »American Journal of Physics«, Bd. 41, Nr. 2, Februar 1973, Seiten 255 und 256 ist eine Vorrichtune