DE2548877A1

DE2548877A1 - Laserverstaerker

Info

Publication number: DE2548877A1
Application number: DE19752548877
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Current assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Priority date: 1974-11-01
Filing date: 1975-10-31
Publication date: 1976-05-20
Also published as: CH618048A5; IL48359A; AU8606575A; JPS5169390A; NL7512858A; SE7512221L; ES442275A1; US3944947A; GB1512798A; CA1045234A; FR2290061A1; IT1048037B; IL48359A0; SE414252B; BE834998A

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserverstärker mit einem Laseroszillator stabilisierter Ausgangsfrequenz.

Bei der Laseranreicherung (vgl. z. B. US-PS 3 772 519 und DT-OS 2 420 530) wird gepulste Laserstrahlung zur isotopenselektiven Anregung eines Urandampfstromes verwendet. Um eine erhöhte Impulsfrequenz in der einwirkenden Laserstrahlung für einen höheren Wirkungsgrad der Anordnung zu erzielen, wurde bereits angeregt (vgl. DT-OS 2 502 688),
ein System mit einer Dreh-Optik vorzusehen, um in einer
zeitlich abgestimmten Folge oder Steuerung die Strahlungsimpulse von mehreren Strahlungswegen auf einen einzigen
zusammengefaßten Strahlungsweg erhöhter Impulsfrequenz zu vereinigen. Bei diesem System sollte ein Gerät zum Erzeugen mehrerer Kanäle gepulster Laserstrahlung verwendet

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werden, wobei die Impulse für jeden Kanal in einer vorbestimmten zeitlichen Beziehung sind, und wobei eine gute Stabilität und spektrale Konsistenz in der Laserstrahlung jedes Kanals aufrechterhalten werden, so daß der vereinigte Strahl für eine leistungsfähige, isotopenselektive Photoanregung geeignet ist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel· der Erfindung sieht ein System zum Erzeugen mehrerer getrennter Wege gepulster Laserstrahlung geeignet hoher Intensität und spektraler Reinheit für eine leistungsfähige Laseranreicherung vor. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel· wird ein einziger niederenergetischer gepulster oder Dauerstrich-Farbstoff laser mit einem Ausgangsstrahl· stabiiisierter Laserstrahiung verwendet, der eine Absorptionslinie für ein Isotop in der bestrahlten Umgebung einschließt, ohne entsprechend eine Absorptionsiinie für jede andere Isotopenart zu umfassen. Das stabiiisierte Laseroszillator-Ausgangssignal· wird paraliel· in mehrere transversal·e gepumpte Farbstoffzellenverstärker geführt, die die Frequenz des LaserosZi^ators verstärken. Die Verstärker haben einen iänglichen Bereich transversal gepumpter Farbstofflösung deiner Querschnittsfläche für eine erhöhte Verstärkung. Die transversal gepumpte FarbstoffZe^e wird frei von frequenzbestimmenden Bauteiien sowie von Rückkoppiungs-Refl·exionen gehaiten, damit keine Frequenzänderung oder Instabiiitat auf bzw. in der Verstärkungsl·änge der Farbstoffzelle übertragen wird, die sonst die spektraie Einheitiichkeit zerstören würde, die durch die Verwendung eines einzigen LaserosZi^ators erreicht wird.

Die mehreren Farbstoffzellen auf den paral·l·el·en Laser-Verstärkungswegen werden durch mehrere Pun^aser so in einer Steuerung bzw. Foige p^sangeregt, daß ein gl·ei-

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eher Abstand zwischen den Impulsen von jeder Farbstoffzelle erzielt wird, wobei die Impulse von allen übrigen Farbstoffzellen so gegeneinander versetzt sind, daß ein folgendes optisches Vereinigen der Impulse von den mehreren Farbstoffzellen in einen Strahl vereinigter Laserimpulse gleichen ImpulsabStandes und erhöhter Impulsfrequenz möglich ist.

Vor der Einwirkung der Impulse der verstärkten Laserstrahlung von jeder Farbstoffzelle auf die Strahlvereinigungs-Optik kann jeder verstärkte Impuls für einen maximalen Wirkungsgrad des Anreicherungssystems zeitlich gedehnt werden.

Die Erfindung sieht also einen Laserverstärker mit mehreren parallelen Wegen zur Verstärkung der Laserstrahlung von einem einzigen stabilen Laseroszillator vor. Die mehreren Wege der Laserverstärkung werden angeregt, um zeitlich gesteuerte bzw. eine Folge von Impulsen verstärkter Ausgangsstrahlung zu erzeugen, die durch eine Vereinigungs-Optik überlappt werden, um einen einzigen Weg verstärkter, gepulster Strahlung erhöhter Folgefrequenz zu bilden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf von Signalen zur Erläuterung der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Laserverstärkungssystems;

Fig. 3 und 4 Abbildungen eines stabilisierten Laseroszillators, der bei der Erfindung verwendbar ist;

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Fig. 5 und 6 um 90° versetzte Ansichten eines von mehreren Farbstoffzellenverstärkern für die Erfindung;

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Laserimpuls-Dehnungssystems, das bei der Erfindung einsetzbar ist, und

Fig. 8 eine Laserstrahl-Vereinigungsoptik, die bei der Erfindung verwendbar ist.

Die Erfindung betrifft ein System zum Erzeugen mehrerer Laserstrahlen gepulster Laserstrahlung mit einer Stärke, Stabilität und konsistentem spektralem Inhalt zur isotopenselektiven Anregung der Teilchen in einer strömenden Umgebung. Die mehreren Strahlen der gepulsten Laserstrahlung werden vereinigt oder gemischt oder zusammengefaßt, um eine höhere Impulsfrequenz für eine vollständigere Anregung der Teilchen in der strömenden Umgebung zu ermöglichen.

Der zeitliche Verlauf der Impulse in den mehreren getrennten Wegen und dem einzigen vereinigten Weg soll anhand der Fig. 1 erläutert werden, die den zeitlichen Verlauf von Laserimpulsen zeigt. Mehrere Strahlen von Laserimpulsen bis hinauf zu einem merklichen Bruchteil einer μβ Zeitdauer sind durch Signale 12, 14, 16 und 18 dargestellt, die bei der Erfindung durch jeden von mehreren Laserverstärkern erzeugt werden. Die Impulse von jedem Verstärker, die durch die Signale 12 bis 18 dargestellt sind, werden vereinigt, um einen zusammengesetzten Ausgangsstrahl zu bilden, der durch ein Signal 20 gezeigt ist, das aus einer Folge gleich beabstandeter Laserimpulse mit einer Folgefrequenz besteht, die um einen der Anzahl der getrennten Verstärkerwege gleichen Faktor größer ist als die Frequenz

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jedes einzelnen Verstärkers 12 bis 18. Mittels der bekannten optischen Vereinigungstechnik (vgl. DT-OS 2 502 688) können Folgefrequenzen im vereinigten Ausgangsstrahl, der durch das Signal 20 gezeigt ist, mit einigen 10 kHz erreicht werden, was für eine leistungsfähige Isotopentrennung bei der Urananreicherung angestrebt wird.

Der durch das Signal 20 dargestellte vereinigte Strahl erfordert, daß jeder Impuls im wesentlichen die gleichen spektralen Eigenschaften aufweist, d. h. Stabilität, Mittenfrequenz und Frequenzstreuung, um zu gewährleisten, daß eine hochleistungsfähige isotopenselektive Anregung mit der Laserstrahlung vom vereinigten Strahl erreicht wird. Demgemäß ist es erforderlich, daß keine kleinen Frequenzverschiebungen oder andere Störungen in den mehreren Verstärkerkanälen auftreten, die zum Erzeugen der Folgen getrennter verstärkter Impulse erforderlich sind, die durch die Signale 12, 14, 16 und 18 gezeigt sind.

Ein Gerät, das diese spektrale Gleichartigkeit gewährleistet, ist in der Fig. 2 gezeigt. Es handelt sich um das Blockschaltbild eines Laseroszillators und mehrerer paralleler Verstärkersysteme zum Bilden einer Folge oder eines Satzes verstärkter Laserstrahlen der durch die Signale 12 bis 18 gezeigten Art und weiterhin um ein Gerät zum Dehnen der Impulsdauer und zum Vereinigen der Impulswege, um den zusammengesetzten Strahl von Impulsen zu erreichen, der durch das Signal 20 gezeigt ist.

Wie in der Fig. 2 dargestellt ist, wird ein Dauerstrich- bzw. CW-Farbstofflaser-Oszillator 22 durch einen Argonlaser 24 angeregt, vorzugsweise zu einer Dauerstrichbzw, kontinuierlichen Laserstrahlerzeugung bei einer genau festgelegten Frequenz und Bandbreite für eine isotopenselektive Anregung des U₂₃₅-IsOtOpS. Eine Frequenz im rot-

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orangen Teil des sichtbaren Spektrums wird vorzugsweise für die Ausgangsfrequenz dieses Oszillators dann gewählt, wenn drei Energiestufen zur isotopenselektiven Photoanregung angestrebt werden. Ein System der in der Fig. 2 gezeigten Art kann für eine oder mehrere Energiestufen eingesetzt werden. Der Argon-Anregungsoszillator 24 kann abhängig von den Leistungsanforderungen ein Spectra-Physics-Model 165 oder Model 170 sein.

Der Dauerstrich-Farbstofflaser-Oszillator 22 hat vorzugsweise eine Ausgangsleistung von ca. 10 bis 100 mW je Kanal der Laserverstärkung, auf den er einwirkt. Während ein Dauerstrich-Farbstofflaser für den Hauptoszillator 22 vorteilhaft ist, können andere Laser einschließlich gepulster Laser verwendet werden, die eine Ausgangsimpulsfrequenz aufweisen, die mindestens derjenigen des Signals 20 entspricht.

Vom Dauerstrich-Farbstofflaser 22 wird ein Ausgangsstrahl 26 erzeugt, der eine hochstabilisierte genaue spektrale Kennlinie hat. Ein besonderer, stabilisierter Farbstofflaser für den Oszillator 22 ist bereits entwickelt worden (vgl. DT-OS 2 501 422). Die Einzelheiten eines derartigen Systems werden anhand der Fig. 3 und 4 erläutert und umfassen vorzugsweise einen abstimmbaren Farbstofflaser und einen Resonanz- bzw. Hohlraum zusammen mit einem Rückkopplungs-Stabilisiersystem für die Laserstrahlung. Insbesondere enthält eine Farbstoffzelle 30 eine Farbstofflösung, die das Lasermedium bildet und einem Hohlraum und einem Abstimmglied zugeordnet ist, um die Laserfrequenz zu steuern. Die Farbstoffzelle 30 ist in Einzelheiten in der Fig. 4 gezeigt und umfaßt ein erstes und ein zweites Zellenfenster 32 und 3 4 mit bei der Frequenz der gewünschten Laserstrahlung antireflektierenden Beschichtungen, wobei die Fenster durch Druckplatten 36 und 38 und O-Ringdich-

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tungen 40 zusammengehalten werden. Die in der Farbstoffzelle 30 als Lasermedium verwendete Farbstofflösung tritt inbzw. aus dem Bereich zwischen den Platten 32 und 34 in einem kontinuierlichen Strom von einer Pumpe zu einem Vorrat (nicht dargestellt) durch jeweilige Leitungen 42 und 44 ein bzw. aus.

In der Fig. 3 hat der Laserhohlraum zusätzlich zur Farbstoffzelle 30 einen Ausgangsspiegel 46 mit einer teilweise reflektierenden konkaven Fläche 48 und einer konvexen äußeren Linse 50 zur Divergenzsteuerung des Laserstrahles. Auf der anderen Seite der Zelle 30 ist auch eine Linse 51 im Laserstrahlweg vorgesehen, um die Strahlung von der Zelle 30 wieder auf den Weg 52 zur Reflexion durch den Hohlraum zu kollimieren. Ein dichroitischer Spiegel 54 liegt im Hohlraum und reflektiert die wieder kollimierte Strahlung durch ein gesteuertes Fabry-Perot-Etalon-Filter 56, das vorzugsweise um eine Mittelachse 58 drehbar und in seiner Drehung durch ein piezoelektrisches Bauelement 30 abhängig von einem Signal auf einer Leitung 62 gesteuert ist. Das Fabry-Perot-Filter hat vorzugsweise eine Folge bzw. einen Satz geschmolzener Quarzfenster, die zum Festlegen eines Hohlraumes parallel angeordnet sind, wobei die Durchlässigkeit an den Resonanzpunkten des Hohlraumes zunimmt. Die durch das Fabry-Perot-Filter 56 verlaufende Strahlung wird frequenzmäßig fein entsprechend dem Winkel des Etalon-Filters 56 abgestimmt, wie dies weiter unten näher erläutert wird. Der Hohlraum hat weiterhin ein Prisma 64 auf der vom Filter 56 entfernten Seite und einen vollständig reflektierenden Spiegel 66, die zusammen eine grobe Festlegung der Frequenz der Laserstrahlung von der Farbstoffzelle 30 ermöglichen.

Vom Argonlaser 24 wird über den dichroitischen Spiegel 54 auf dem Weg 52 eine anregende Strahlung erzeugt,

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um den Energie-Besetzungszustand im Farbstoff in der Zelle 12 zu einem Laserbetrieb umzukehren. Die überlagerte Argonlaserstrahlung regt das Farbstoffmedium in der Zelle in einen angeregten Energiezustand an. Der bestimmte übergang zu einem engen Bereich von einem oder mehreren niederen Niveauzuständen ist durch die Frequenz festgelegt, auf die der Hohlraum abgestimmt ist und die vorzugsweise entsprechend der U₃₃,--Isotopenabsorptionslinie für die Urananreicherung ausgewählt ist. Entsprechend diesem System ist die Laserfrequenz eng festgelegt und entspricht einer bestimmten Absorptionslinie für das gewünschte Isotop, ohne entsprechend eine benachbarte Absorptionslinie für andere Isotopenarten einzuschließen. Für diesen Zweck geeignete Uranabsorptionslinien können aus veröffentlichten Tabellenwerken oder den Grundlagen der Spektroskopie im rot-orangen Teil des sichtbaren Spektrums entnommen werden. Insbesondere kann die Differenz zwischen den Absorptionslinien für das U„_3C.- und das U_-.g-Isotop in diesem Teil des sichtbaren Spektrums so klein wie ein Bruchteil einer Wellenzahl (cm" ) sein.

Ein Strahlteiler 68 zweigt einen kleinen Teil, insbesondere einen kleinen Prozentsatz, der Strahlung im Ausgangsstrahl 26 ab und richtet ihn durch ein stabiles Fabry-Perot-Etalon-Filter 70. Das Filter 70 hat ein Temperatursteuergehäuse 72, das über eine Leitung 74 von ainem Temperatursteuerbad 76 versorgt wird. Das Bad ist so eingestellt, daß es die Etalon-Filter-Temperatur vorzugsweise innerhalb einer Temperaturänderung von 0,1 c ⁰C steuert.

Das Etalon-Filter 70 hat vorzugsweise einen Abstandshalter zwischen Filterspiegeln oder - allgemeiner - Fenstern. Der Abstandshalter besteht vorzugsweise aus einem Titansilikat sehr geringer Ausdehnung, das im Handel mit einem Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 3-10 /⁰C

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bei Raumtemperatur erhältlich ist. Wenn eine Temperatursteuerung von 0,1 ⁰C erreicht ist, wird die Stabilität besser als 1 : 10 oder 6 · 10 Ä im ungefähren Bereich von 6000 Ä.

Die abgezweigte Strahlung erzeugt nach dem Durchgang durch das Etalon ein Interferenzmuster an einem Brennfleck zwischen zwei Photodetektoren 80 und 82, wenn sie durch ein Teleskop oder Fernrohr 78 betrachtet wird.

Das Fabry-Perot-Etalon-Filter 70 hat eine maximale Durchlässigkeit bei der Frequenz und dem Übertragungsoder Durchgangswinkel, für die eine ganze Zahl halber Wellenlängen zwischen die Filterfenster paßt. Demgemäß erzeugen einige bestimmte Winkel eine maximale Durchlässigkeit bei jeder gegebenen Frequenz, was zu einem Muster aus Ringen führt. Wenn sich die Frequenz der einfallenden Strahlung ändert, verändert sich die Lage der Ringe radial aufgrund verschiedener bestimmter Winkel, bei denen die maximale Durchlässigkeit auftritt. Das Blickfeld der Linse 78 wählt einen kurzen Linienabschnitt, einen Fleck oder Punkt, eines Ringes aus, um ihn auf einen Punkt zwischen Photodetektoren 80 und 82 zu fokussieren. Die Photodetektoren sind vorzugsweise entlang einer radialen Linie des Musters aus Ringen getrennt.

Das Ausgangssignal der Detektoren 80 und 82 wird über jeweilige Eingangswiderstände 84 und 86 zu einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 88 gespeist, der eine oder mehrere Verstärkungsstufne haben kann. Der nichtinvertierende Eingang ist über einen Widerstand 90 mit Masse verbunden (vorgespannt) , während der invertierende Eingang ein weiteres Signal von einer Rückkopplungsschleife aus einem den Verstärkungsfaktor bestimmenden Widerstand 92 parallel zu einem

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frequenzstabilisierenden Kondensator 94 empfängt.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 88 wird zum piezoelektrischen Antriebs- oder Steuerglied 60 auf der Leitung 62 gespeist. Ein Dreharm 96 am Etalon-Filter 58 ist gegen eine mechanische Abtriebsstange 98 vom piezoelektrischen Antriebsglied 60 gerichtet und kann federnd gegen dieses durch eine Feder 100 gedrückt sein. Diese Rückkopplungssteuerung über den Winkel des Filters 58 erzeugt die gewünschte Frequenzstabilisierung für den Ausgangsstrahl 26, der durch das in der Fig. 2 gezeigte System geführt ist.

In der Fig. 2 wird der Ausgangsstrahl 26 vom Dauerstrich-Farbstoff laser 22 durch einen Spiegel 102 zu einem ersten Strahlteiler 104 reflektiert, der einen Teil der Strahlung im Strahl 26 über eine Linse 106 zu einer Farbstoff zelle 108 richtet, die als nichtresonanter Laserverstärker arbeitet. Die Farbstoffzelle 108 wird durch Strahlungsimpulse von einem Stickstofflaser 110 über eine Zylinder-Fokussierlinse 112 impulsangeregt, was eine Anregung zu transversalen Impulsen eines länglichen Teils des Farbstoffmediums in der Zelle 108 bewirkt. Der impulsverstärkte Strahl der Laserstrahlung von der Farbstoffzelle 108 wird über eine Linse 114, ein wahlweises Filter 116 zum Begrenzen der Überhelligkeit im Ausgangsstrahl 118 von der Farbstoffzelle 108 zu einem Strahlteiler 120 geführt, der einen Teil eines Impulsdehners 122 bildet. Der gedehnte Impuls der Strahlung im Strahl 18 wird vom Strahlteiler 120 reflektiert und zu einer Vereinigungs-Optik geführt (vgl. DT-OS 2 502 688).

Zusätzliche Laserverstärkungskanäle empfangen weitere Strahlung vom Strahl 26, wie dies mit dem Strahlteiler 104¹ der Linse 106" und anderen Bauteilen angedeutet ist, die im allgemeinen zu den weiter unten beschriebenen identisch

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sind und in der Fig. 2 mit einem Strich gekennzeichnet werden. Es können so viele getrennte parallele Laserverstärkungskanäle verwendet werden, wie dies zum Vereinigen durch die Vereinigungs-Optik 124 wünschenswert oder erforderlich ist, um die gewünschte Impulsfolgefrequenz zu erreichen, und wie dies durch die verfügbare Leistung im Ausgangsstrahl 26 vom Dauerstrich-Farbstofflaser 22 ermöglicht wird.

Die Linsen 106 oder 106¹ fokussieren die Strahlung im Strahl 26 auf einen schmalen Querschnitt im länglichen Bereich der Farbstoffzelle 108. Um dies deutlicher zu zeigen, ist die Farbstoffzelle 108 in den Fig. 5 und 6 in Einzelheiten dargestellt. In der Fig. 5 hat die Farbstoffzelle einen Laserstrahlweg 126 zwischen Glas-Seitenfenstern 128 und 130. Der Laserweg 126 ist zu den Fenstern 128 und 130 gewinkelt, um Strahlungsreflexionen zu vermeiden, die die Frequenzstabilität der verstärkten Strahlung stören könnten. Wie im Schnitt in der Fig. 6 gezeigt ist, hat der Laserweg 126 eine kleine Fläche entsprechend ca. 1 mm². Die Linse 106 fokussiert die vom Strahl 26 abgezweigte Strahlung auf diese kleine Querschnittsfläche, um den Verstärkungseffekt mit einer kleineren angeregten Strahlungsfläche zu erhöhen. Auf ähnliche Weise fokussiert die Zylinderlinse 112 die gepulste Anregung (Strahlung) vom Stickstofflaser 110 auf eine entsprechend kleine Querschnittsfläche der angeregten Strahlung, ungefähr 0,1 mm · 1,0 mm. Die Länge des Laserweges 126 beträgt vorzugsweise 5 cm, wobei abhängig von der gewünschten Verstärkung verschiedene Längen verwendbar sind. Vorzugsweise erzeugt eine Länge von 5 cm einen Ausgangsimpuls einiger ms Zeitdauer und einer 5-kW-Spitzenleistung für die Laseranreicherung. Da keine reflektierenden Bauteile zur Festlegung eines Hohlraumes für die Farbstoffzelle 108 vorgesehen sind, treten keine Einwirkungen auf die hochstabile Strahlung von der

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Dauerstrich-Farbstoffzelle 22 beim Durchgang durch die Farbstoffzelle 108 auf außer die Verstärkung.

Der physikalische Aufbau der Farbstoffzelle 108 ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt, wobei der Weg für den strömenden Farbstoff so gezeigt ist, daß er die Zelle von einem Einlaß 132 über einen Turbulenz und Blasen verhindernden Schirm 134 in einen eingeschnürten Durchgang 136 durchquert, wo der Laserweg 126 liegt. Ein rückwärtiges Glied 138, das die Rückwand des eingeschnürten Bereiches 136 bildet, ist vorzugsweise optisch reflektierend, während die gegenüberliegende Wand 140 ein Quarzfenster ist, um die Strahlungsanregungsimpulse vom Stickstoff laser 110 eintreten zu lassen.

In der Fig. 2 ist ein Folgesteuerglied 142 (engl.: sequences) vorgesehen, das Ansteuerimpulse für die Impulsdehner 122 ... 122' erzeugt, die ihrerseits die Laser 110 ... 110' betätigen, um eine gepulste Anregung der Farbstoffzellen 108 ... 108' in der Folge bzw. dem zeitlichen Ablauf zu erzeugen, wie dies mit den Signalen 12 bis 18 in der Fig. 1 gezeigt ist.

Der Impulsdehner 122 ist bereits entwickelt worden, während für die Vereinigungs-Optik 124 ein Strahlenvereiniger für gepulste Strahlung verwendet werden kann (vgl. DT-OS 2 502 688) .

In den Impulsdehnern der Fig. 7 hat der Ausgangsimpuls 144 vom Farbstofflaser 108, der im Block 142 von kurzer Zeitdauer gezeigt ist, nämlich ein 5-ns-Impuls, vorzugsweise einen schmalen Spektralbereich. Der Ausgangsstrahl 144 wird geeignet ausgerichtet, indem der Laser so eingestellt wird, daß er horizontal polarisiert ist, und zu einem Strahlteiler 146 geführt. Der größte Teil der

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Strahlung im Strahl 144 durchläuft den Strahlteiler zu einem Glan-Thompson-Polarisierkristall 148, der so ausgerichtet ist, daß er die Strahlung im Strahl 144 zu einer Farbstoffzelle 150 leitet. Die Zelle 150 erzeugt die Laserverstärkung. Der Strahl 144 wird nach dem Durchgang durch die Farbstoffzelle 150 durch ein λ/4-Verzögerungsplättchen 152 geführt, das vorzugsweise die horizontale Polarisation in eine zirkuläre Polarisation umwandelt. Der Strahl wird dann durch einen 100-%-Reflektierspiegel 154 reflektiert und über das λ/4-Verzögerungsplättchen 152 zur Farbstoffzelle 150 für eine zweite Verstärkung zurückgeführt. In diesem Punkt ist die Strahlung in der Polarisation um 90° verschoben und wird nach dem Verlassen der Farbstoffzelle 150 nach der zweiten Verstärkung durch den Glan-Thompson-Polarisierkristall 148 reflektiert. Diese reflektierte Welle wird zu einem Λ/2-Verzögerungsplättchen 156 geführt, um die horizontale Polarisation wiederherzustellen. Der horizontal polarisierte Strahl kann dann zu einem Brewsterwinkel-Prisma 158 geführt werden, um eine zusätzliche Frequenzselektivität zu erzeugen. Der das Prisma 158 verlassende Strahl wird zu einem 100-%-Reflektierspiegel 160 geführt, der ihn zurück zum Strahlteiler 146 richtet. Der Strahlteiler 146 ist vorzugsweise so ausgewählt, daß er die Strahlung vom Spiegel 160 reflektiert sowie einen vorbestimmten Anteil dieser Strahlung zur Farbstoffzelle 150 über den Kristall 148 in einer rückkoppelnden Schleife zurückführt. Der vorbestimmte Anteil ist vorzugsweise gleich dem Kehrwert der Verstärkung des Strahles bei dessen mehrfachem Durchgang durch die Farbstoffzelle 150 gewählt. Zusätzlich ist der optische Weg für den Strahl 144 bei Rundweg vom Strahlteiler 146 durch die Farbstoffzelle 150 zurück zum Strahlteiler 146 vom Spiegel 160 vorzugsweise so gewählt, daß er mindestens gleich der Breite des Impulses ist, so daß der durch den Spiegel 146 reflektierte vorbestimmte Teil di-

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rekt nach dem vorhergehenden Impuls wieder zur Farbstoffzelle 150 geführt ist, um eine kontinuierliche (zeitliche) Folge von Impulsen gleicher Amplitude zu erzeugen, wie dies durch eine Kurve 162 angedeutet ist. Der dargestellte Aufbau erlaubt ein von der Eingangsstrahlung getrenntes Herausnehmen der verstärkten Impulse aus dem Laserverstärker, so daß keine Ausgangsstrahlung wieder zum Laser 10u zurückgeführt ist, um dessen Betrieb zu stören. Die Zeitdauer der Folge der Impulse wird durch die Periode bestimmt, während der die Farbstoffzelle 150 im Laserzustand ist.

Zu diesem Zweck wird die Farbstoffzelle 150 in einen Laserzustand angeregt, indem durch die Einwirkung einer Anregungsenergie von einer Blitzlampe 164 eine Besetzungsumkehr in den Farbstoffmolekülen erzeugt wird. Die Blitzlampe 164 wird durch eine Spannungsquelle 166 angeregt. Um eine geeignete Synchronisierung zwischen der Erregung der Spannungsquelle 166 und der sich ergebenden Anregungsstrahlung von der Blitzlampe 164 sowie dem Ansteuern bzw. Auslösen des Stickstofflasers 110 für die Farbstoffzelle 108 zu bewirken, ist eine Diode 168 vorgesehen, die die Anregungsbeleuchtung von der Blitzlampe 164 erfaßt und zu einem Schwellenwertdetektor 170 speist. Wahlweise kann ein Signal, das den zur Blitzlampe 164 gespeisten Strom darstellt, durch einen Schalter 172 zur Einspeisung in den Schwellenwertdetektor 170 anstelle des Signales vom Photodetektor 168 ausgewählt werden. Der Schwellenwertdetektor 170 ist durch ein Steuerglied 174 einstellbar, um ein Ausgangssignal über ein Gatter 176 bei einer vorbestimmten Amplitude im erfaßten Photodetektor-Signal oder Blitzlampen-Strom zu erzeugen. Das Gatter 176 ist beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung lediglich während einer kurzen Zeitdauer, die durch ein Monoflop 180 bestimmt ist, geöffnet, um das Signal vom Schwellenwertdetektor 170 zu

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leiten und eine Spannungsquelle 178 für den Laser 110 zu erregen. Das Monoflop 180 wird durch ein Verzögerungsglied 182 angesteuert, dessen Verzögerungszeit durch ein Steuerglied 184 einstellbar ist. Das Verzögerungsglied 182 spricht auf ein Blitzlampen-Erregungssignal von der Spannungsquelle 166 an, und demgemäß ist das Gatter 176 lediglich während einer kurzen Zeitdauer geöffnet, die direkt auf die Erregung der Blitzlampe 40 folgt. Ein durch das Folgesteuerglied 142 angesteuerter Impulsgenerator 186 kann zur periodischen Erregung der Spannunsquelle 166 dienen, um Impulse mit vorbestimmter Folgefrequenz und einem Zeitverlauf zu erzeugen, wie dies in der Fig. 1 gezeigt ist.

Das Einstellen des Schwellenwert-Detektors 170 erfolgt vorzugsweise so, daß der Strahlungsimpuls im Strahl 144 zur Farbstoffzelle 150 in einem Punkt geführt ist, wenn ausreichend Energie in die Farbstoffzelle eingespeist wurde, um eine Laserverstärkung zu bewirken, aber bevor ein selbstoszillierender Zustand für die Farbstoffzelle 150 geschaffen wurde. Dies hält die spektrale Reinheit für z. B. die Anwendung einer selektiven Isotopenabsorption aufrecht. Zusätzliche Abstimmeinheiten können in den Laserstrahlweg eingefügt sein, wenn dies erwünscht ist.

Ein vorzugsweises Vereinigungssystem ist in der Fig. gezeigt, in der eine radiale Anordnung von Laserstrahlen 188 von Impulsdehnern 122 ... 122" auf einen Mittelpunkt gerichtetist. Diesen Mittelpunkt umgibt eine Anordnung fester oder stationärer Spiegel 192, die unter einem Winkel von 45° angeordnet sind, um jeden Folgeimpuls der Strahlung von den Laserstrahlen 188 auf mehreren Wegen 194 koaxial zu einer Mittelachse 196 für die Spiegelanordnung zu richten. Jeder Weg ist gleich von der Achse 196 und gleich um einen imaginären Zylinder um diese Achse beabstandet. Die Anordnung 190 ist für Laseranlagen vorteil-

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haft. Es kann jedoch in gleicher Weise jedes andere System oder jede andere Anordnung verwendet werden, die im Laserstrahlweg eine zylinderförmige oder kegelförmige Symmetrie erzeugt.

Die Strahlung in den Wegen 194 wird auf ein sich drehendes rhombisches Festkörper-Prisma 198 gerichtet, das auf entgegengesetzten Seiten eine erste und eine zweite parallele reflektierende Fläche 200 und 202 besitzt. Die erste reflektierende Fläche 200 ist so ausgerichtet, daß sie jeden Impuls der Strahlung von den reflektierenden Flächen 192 aufnimmt. Die Drehachse des Rhombus 198 fällt mit der Achse 196 zusammen und führt durch die zweite reflektierende Fläche 202. Nach der Reflexion des Eingangs-Strahles von den Flächen 200 und 202 wird ein Ausgangsstrahlweg 204 mit gemeinsamer Achse erzeugt. Ein Steueroder Antriebsglied 206 für das rhombische Prisma 198 ist durch das Folgesteuerglied 142 gesteuert, um zu gewährleisten, daß jeder Strahlungsimpuls von jeder reflektierenden Fläche 192 zeitlich geeignet eingestellt ist, um auf die erste reflektierende Fläche 200 im rhombischen Prisma 198 zentriert zu sein. Der sich ergebende gepulste Strahl auf der Achse 204, der den Signalverlauf 20 in Fig. 1 hat, weist eine erhöhte Folgefrequenz auf, während die spektrale Reinheit und Stabilität in der Strahlung jedes Impulses beibehalten wird.

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Claims

Patentansprüche

1^/Laserverstärker mit einem Laseroszillator stabilisierter Ausgangsfrequenz,

gekennzeichnet durch

mehrere Laserverstärkungs-Kanäle (104, 106 ...; 104¹, 106', ...), und

eine Einrichtung, die die Laserstrahlung vom Laseroszillator (24) parallel auf jeden Laserverstärkungs-Kanal (104, 106 ...; 104¹, 106¹, ...) verteilt.
2. Laserverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Laserverstärkungs-Kanäle (104, 106, ...; 104¹, 106¹, ...) eine Einrichtung (22) zum gepulsten Verstärken der Laserstrahlung vom Laseroszillator (24) aufweisen, und

daß eine Einrichtung zum sequentiellen Anregen jedes Laserverstärkungs-Kanales (104, 106, ... 104', 106¹, ...) vorgesehen ist, um ein gleiches Intervall zwischen den durch jeden einzelnen Kanal erzeugten Impulsen zu bilden, und um innerhalb dieses Intervalles Impulse von jedem Kanal zu bilden, die gleichmäßig über das Intervall verteilt sind.
3. Laserverstärker nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (124) zum Vereinigen der Impulse der Laserstrahlung von jedem Kanal (104, 106, ...; 104', 106_, ...) zu einem zusammengesetzten Strahl erhöhter Impulsfolgefrequenz .

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4. Laserverstärker nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Isotopentrennanlage, die auf den zusammengesetzten Strahl für eine isotopenselektive Photoanregung eines Uranisotops anspricht.
5. Laserverstärker nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (122, 122' ...) zum Dehnen der Zeitdauer jedes Impulses der Strahlung in den Impulsen, die durch die Laserverstärkungs-Kanäle (104, 106, ...; 104¹, 106', ...) erzeugt sind.
6. Laserverstärker nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Stabilisierung der Schwingungsfrequenz des Laseroszillators (24).
7. Laserverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserverstärkungs-Kanäle (104, 106, ...; 104', 106', ...) einen transversal gepumpten Laserverstärker aufweisen.
8. Laserverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserverstärkungs-Kanäle (104, 106, ...; 104¹, 106¹, .,.) einen Weg durch reflektierende Zwischenflächen im transversal gepumpten Laser aufweisen, der zu den reflektierenden Zwischenflächen zur Verhinderung einer Änderung der Laserstrahlungsfrequenz geneigt ist.
9. Laserverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserverstärkungs-Kanäle (104, 106, ...; 104', 106', ...) aufweisen:

einen Anregungslaser (22),

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eine Farbstoffzelle (108, 108') mit einem Farbstoffkanal, auf den die Laseranregung auf einem länglichen Bereich schmaler Querschnittsfläche einwirkt, und

eine Einrichtung zum Fokussieren der Strahlung vom Anregungslaser (22) auf den länglichen Bereich der Farbstoffzelle (108, 108¹) .
10. Laserverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Laserverstärkungs-Kanäle (104, 106, ...; 104', 106', ...) aufweisen:

einen Generator zum Erzeugen von Impulsen verstärkter Oszillatorlaserstrahlung, und

einen Impulsdehner (122) zum Dehnen der Zeitdauer der Impulse der verstärkten Laserstrahlung.
11. Laserverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laseroszillator (24) ein CW- bzw. Dauerstrich-Laseroszillator ist.
12. Laserverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserverstärkungs-Kanäle (104, 106, ...; 104', 106', ...) einen Generator zum Erzeugen von Impulsen verstärkter Laseroszillatorstrahlung aufweisen, und daß der Laseroszillator (24) einen gepulsten Laseroszillator aufweist/ dessen Impulsfrequenz wesentlich höher ist als die Frequenz der Impulse in jedem Laserverstärkungs-Kanal (104, 106, ...; 104', 106' ...).

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13. Laserverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laseroszillator (24) ein niederenergetischer, hochstabilier Laseroszillator ist, der zur isotopenselektiven Anregung eines Uranisotops abgestimmt ist.
14. Laserverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laseroszillator (24) eine Argonlaser-Anregungsquelle und einen CW- bzw. Dauerstrich-Farbstofflaser (22) aufweist.
15. Laserverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laseroszillator (24) eine Ausgangsleistung von ungefähr 0,01 - 0,1 W je Verstärkungskanal (104, 106, ...; 104', 106', ...)' erzeugt.
16. Laserverstärker nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserverstärkungs-Kanäle (104, 106, ...; 104', 106', .·.) gepulste Laserausgangsstrahlung von wenigstens ca. 5 kW Spitzenleistung erzeugen.
17. Laserverstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine auf die Laserstrahlung von den Laserverstärkungs-Kanälen (104, 106, ...; 104', 106', ...) ansprechende Einrichtung, um deren Strahlung auf einen einzigen Weg zu vereinigen.
18. Laserverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Laserverstärkungs-Kanäle (104, 106, ...; 104', 106', ...) aufweisen:

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einen länglichen, transversal gepumpten aktiven Laserbereich, auf den die Laseroszillatorstrahlung einwirkt, und

eine Linse zum Sammeln der Laserstrahlung vom Laseroszillator (24) auf den entsprechenden schmalen Querschnitt des FarbstoffZellenverstärkers und zum Kollimieren der verstärkten Laserstrahlung vom länglichen aktiven Laserbereich.
19. Laserverstärker,
gekennzeichnet durch

einen Dauerstrich-Farbstofflaser-Oszillator (22, 24), der eine Laserausgangsstrahlung erzeugt, die zur isotopenselektiven Anregung eines Uranisotops abgestimmt ist,

mehrere Laserverstärker mit einem länglichen, transversal gepumpten Laserverstärkungsbereich kleiner Querschnittsfläche,

eine Einrichtung (102), die die Laserstrahlung vom Dauerstrich-Farbstof flaser-Oszillator (22, 24) parallel durch jeden länglichen Laserverstärkungsberexch richtet,

eine Impulsanregungsquelle (110, 110'), die transversal auf den länglichen Laserverstärkungsberexch einwirkt, wodurch mehrere Impulse der verstärkten Laserstrahlung vom Dauerstrich-Farbstofflaser-Oszillator (22, 24) durch jeden länglichen Laserverstärkungsberexch erzeugt werden,

wobei die Impulse von den Bereichen in einer zeitlich gestaffelten Folge vorgesehen sind,

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eine Einrichtung, die auf die verstärkten Impulse der Laserstrahlung von jedem länglichen Laserverstärkungsbereich anspricht, um die Zeitdauer der Laserstrahlungsimpulse zu erhöhen, und

eine Einrichtung, die auf die gedehnten Impulse der Laserstrahlung von jedem länglichen Laserverstärkungsbereich anspricht, um deren Impulse auf einem einzigen Laserstrahlungsweg erhöhter Impulsfrequenz zu vereinigen.
20. Lasersystem zum Erzeugen eines mit hoher Impulsfolgefrequenz versehenen Strahles gepulster Laserstrahlung hoher spektraler Reinheit und begrenzter spektraler Bandbreite,

gekennzeichnet durch

einen Dauerstrich-Farbstofflaser (22, 24), der eine Ausgangslaserstrahlung erzeugt, die zur isotopenselektiven Anregung eines Uranisotops abgestimmt ist,

ein Rückkopplungssystem für den Dauerstrich-Farbstofflaser (22, 24) zum Einstellen von dessen Abstimmung, um eine stabile Frequenz der Ausgangslaserstrahlung bei einer Absorptionsfrequenz für das Uranisotop zu erzeugen, ohne entsprechend eine Absorptionslinie für ein anderes Uranisotop einzuschließen,

mehrere Laserverstärker (108, 108'),

eine Einrichtung, die die Laserstrahlung vom Dauerstrich-Farbstoff-Laseroszillator (22, 24) parallel durch jeden Laserverstärker (108, 108¹) richtet,

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eine Impulsanregungsquelle (110, 110") für jeden Laserverstärker (108, 108')/ um am Ausgang jedes Laserverstärkers (108, 108') einen Strahl verstärkter, gepulster Laserstrahlung zu erzeugen,

eine Einrichtung zum zeitlichen Steuern bzw. Einstellen des Pulsverlaufs der Impulse in den Strahlen von den Laserverstärkern (108, 108'), um ein gleiches Intervall zwischen Impulsen von jedem einzelnen Laserverstärker (108, 108') zu bilden, wobei im Intervall zwischen jedem Impuls hiervon ein Impuls von jedem anderen Laserverstärker erzeugt ist, die gleich über das Intervall verteilt sind,

eine Einrichtung, die auf die verstärkten Impulse der Laserstrahlung von jedem Laserverstärker (108, 108') anspricht, um zu jedem Impuls des Strahles mehrere zusätzliche ähnliche Impulse zu addieren, so daß eine Folge benachbarter Impulse entsteht, wodurch jeder Impuls von den Laserverstärkern (108, 108') gedehnt wird, und

eine Dreh-Optik (190), die zeitlich gesteuert ist, um jeden gedehnten Impuls von jedem Laserverstärker (108, 108') an getrennten Eingangswegen zu empfangen und diese Impulse auf einen einzigen Ausgangsweg zu richten, so daß ein zusammengesetzter Strahl erhöhter Impulsfrequenz entsteht.
21. Verfahren zur Laserverstärkung gekennzeichnet
durch die folgenden Verfahrensschritte:

Erzeugen einer Laserschwingung mit frequenzstabilisierter Ausgangsstrahlung,

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Verteilen der Laserschwingung auf mehrere parallele Laserverstärkungs-Kanäle (104, 106, ...; 104', 106", ...) und

Verstärken der verteilten Strahlung bei aufrechterhaltener spektraler Qualität.

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