DE2731112B2

DE2731112B2 - Anordnung zur Erzeugung von zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge

Info

Publication number: DE2731112B2
Application number: DE19772731112
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 7830 Emmendingen Jantz; P. Dr.-Phys. 7809 Denzlingen Koidl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1977-07-09
Filing date: 1977-07-09
Publication date: 1979-11-15
Also published as: DE2731112C3; DE2731112A1

Description

Die Erfindung bclrifli eine Anordnung sjemäß Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2, wie sie aus der US-PS !8 42 ί84 bekannt ist, unter Verwendung eines bekannten Güteschalter.

Stand der Technik

I. /ur laschen und zuverlässigen Γ!ηΙfcrnimjrstncssiiii;; werden in neuerer Zeit häufig Laser eingesetzt, die durch eine besondere Vorrichtung, die sogenannte Giitcschaltung des Resonators, in der Lage sind, sehr kurze und intensive Lichtpulsc aus/iiscnden (F. T. Arecchi, Laser Handbook. Amsterdam 1972, Vol. 2. Seile 1745 bis 1804) Diese liiipiilse werden von dem Objekt reflektiert. Jessen FjiH-jrnunu /■" sieh aus der I aiifzeii I,- bis zum

Empfang des reflektierten Signals gemäß

errechnet (c= Lichtgeschwindigkeit).

Für diese Aufgabe wird derzeit vorzugsweise der Nd: YAG Laser verwendet, weil ,.γ die zur Messung weit entfernter und schlecht reflektierender Objekte erforderliche hohe Lichtleistung liefert und sehr zuverlässig mit hoher Effizienz arbeitet.

2. Ein gravierender Nachteil dieses Lasers in Verbindung mit der genannten Anwendung ist jedoch seine große Augenschädlichkeit. Seine auf das Auge einwirkende 1,06 μΓΤΐ-Strahlung wird nahezu ungeschwächt auf die Retina fokussiert; ihre Leistungsdichte steigt dadurch auf das 10⁶fache und verursacht schon bei sehr geringer primärer Strahlungsleistung Verbrennungen des Augenhintergrundes. Gleiches gilt natürlich auch für alle sichtbaren Laserwellenlängen (z. B. den Rubinlaser). Entfernungsmesser, die solche Laser einsetzen, sind deshalb nur sehr eingeschränkt verwendbar.

3. Dementsprechend werden seit einiger Zeit große Anstrengungen unternommen, ein leistungsfähiges Lasersystem zu entwickeln, weiches eine Wellenlänge λ\ emittiert, die bereits in der Augenkammer absorbiert wird, wodurch die Fokussierung auf die Retina unterbleibt. Um diesen Effekt zu erzielen, muß Ai > ί,4 μ sein, was auch in den einschlägigen Sicherheitsbestimmungen zum Ausdruck kommt. (Verwaltungsberufsgenossenschaft, Unfall verhüttingsvorschrift. 25 Laserstrahlen [VBG 93], 1973). Ein aussichtsreicher Kandidat ist z. B. das mit Erbium dotierte Y.trium-Aluminat (Er: YAP-Laser) mit λ, = 1,66 μπί; J.-Appl. Phys. Bd. 42 (1971), S. 301 bis 305.

Dem Vorteil einer um ca. 6 Größenordnungen gesteigerten Augensichcrhcii steht jedoch der Nachteil gegenüber, daß Wellenlängen Ai > 1.4 μιη schlecht zu detektieren sind. Weder die Silicium-Diode noch irgendein Photomultiplier sind für solche Strahlung empfindlich. Es bietet sich demnach an. das in den letzten |ahren intensiv erforschte Verfahren der Frequenzwandlung mittels nichtlinear-optischer Summenbildung einzusetzen, das in Fig. I skizziert ist. Zu diesem Zweck wird die nachzuweisende Strahlung der Frequenz <di=2;tc/Ai in einem geeigneten nichtlinearen Medium mit einer zweiten, der sogenannten Pumpstrahlungo); gemischt wodurch gemäß

ein wesentlich höhcrfrequentes Signal wi erzeugt wird, dessen Intensität dem primären Signal ω ι proportional ist: vgl. A. Yariv, Quantum Electronics, 2. Aufl.. New York 1975. S. 454 bis 460. Bei geeigneter Wahl der Pumpfrequenz <dj fällt (»,dann in einen Spcklrnlbcrcich. tier den Einsatz hochcmp= findlicher Detektoren, vorzugsweise des S 20 Photomultipliers. erlaubt. Es konnte kürzlieh gezeigt werden, daß die Frequenzwandlung, die außer dem genannten Vorteil noch eine Reihe anderer Vorzüge aufweist, mit hoher Quanteneffizicnz durchführbar ist; vgl. Applied Physics Letters Bd. 31(1977), Nr. 2. S. 99 bis 101

4. Dem Vorteil einer wesentlich gesteigerten Empfindlichkeit dieses Verfahrens steht der beträchtliche apparative Aufwand gegenüber, der sich insbesondere durch den zusätzlich erforderlichen Pumplaser (Wellenlänge Ai) ergibt. Er muß hohe Leistung während der Zeit

' ~ '-max Ίπ/π

abgeben, wobei t„„_n und t„,_JX die minimale bzw. maximale Laufzeit des Laserpulses sind. Hohe Leistung ist erforderlich, weil von ihr die Effizienz der Konversion abhängt.

5. Weiterhin sind Laser beschrieben (US-PS 34 82 184 und DT-OS 21 20 429), die jeweils zwei Strahlen erzeugen. Bei beiden Lasern kann jedoch das Zeitverhalten nicht gesteuert werden, da die beiden Teilstrahlen gleichzeitig emittiert werden. Zum anderen sind die wählbaren Frequenzen eng benachbart; sie liegen innerhalb der Linienbreite des Laserübergangs. Somit ist diese Anordnung nicht geeignet, die Signal- und Purnnstrahlüng in der erforderlichen Zeitfolge zu erzeugen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung gemäß Oberbegriff so auszugestalten, daß die Verzögerung und die Pulsbreite des zweiten Laserpulses genau einstellbar ist. Weiterhin soll der für die Erzeugung des Signalpulses ω ι bereits vorhandene Laser durch einfache Zusatzbausteine und eine geeignete elekcronische Steuerung so ausgestaltet werden, daß er in der Lage ist nacheinander, und zwar genau in ein τ steuerbaren zeitlichen Reihenfolge, nicht nur das Signal Wi, sondern auch die Pumpstrahlung α>ι zu emittieren.

Diese Aufgaben werden bei einer Anordnung zur Erzeugung von zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge gemäß Oberbegriff der Ansprüche I und 2 erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 2 enthaltenen Merkmale gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung eier Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 3.

Durch diesen vergleichsweise geringfügigen Aufwand ist es möglich, den für die Frequenzwandlung der nachzuweisenden Strahlung bisher erforderlichen zweiten Laser einzusparen.

Aiisführungsbeispiclc der E-findung werden im folgenden im Vergleich zum Stand der Technik an Hand der F i g. 1 — 6 erläutert, es zeigt

F i g. I Schema des bekannten Verfahrens der optischen Summcnfiequenzbildung

F i:'. 2 Schema eines gütcgcschalteten Lasers

I i g. 3 Schema eines Lasers, bei dem die Güteschaltung in bekannter Weise durch eine Pockelszellc realisiert ist

F i g. 4 Das zur Lösung der gestellten Aufgabe erforderliche zeitliche Verhalten der Lnscremission mit den Frequenzenwi und w>

1·' i g. 4b Zeitliche Ansteuerung der Pockelszellcn zur Kivielung des gewünschten Zeitvcrhaltcns bei Realisierung der Erfindung nach Anspruch 1 und 3 oder 2 und 3

F i g. ) Ausfiihriingsbeispiel der Erfindung nach Anspruch I und 3

F i g. b Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 2 und 3

Da es sich bei der Erfindung, wie sie in den Patentanspriicheii beschrieben ist. um eine Funktionserwcitcrung des für dir Erzeugung des kurzen Sendepulses vorhandenen püiegcschaltcten Lasers (giant pulse laser) handelt, ist in Fig. 2 zunächst diese Anordnung schematisch dargestellt.
Es bedeuten:

1 a 100% Resonatorspiegel

1 b Auskoppelspiegel, ca. 50% Reflexion

2 a Aktives Lasermaterial, z. B. Er : YAP

2 b Energiequelle zur Erzeugung der

Besetzungsinversion

3 Güteschalter

Im allgemeinen wird die Güteschaltung durch eine Pockelszelle und einen Polarisator realisiert, wie in Fig. 3 dargestellt.

Es bedeuten:

3 Pockelszelle

3' Steuergerät für Pockelszelle

4 Polarisator

An der Pockelszelle (3) liegt zur Herabsetzung der Resondiorgüte die materialabhängige Viertelwellenspannung V/2, die von einem Si.<-uergerät (3') erzeugt wird, d. h. die Polarisationsebene von Licht, welches nach Reflexion an (\b) insgesamt 2mal die Zelle (3) passiert hat, ist um 90° gedreht und k-nn den Polarisator (4) nicht mehr passieren. Zur schnellen Wiederherstellung der Resonatorgüte wird V 2 zur Zeit ίο abgeschaltet, was zur Emission des erwähnten kurzen und intensiven Lichtpulses führt.

Die Güteschaltung ist auch durch eine Kerrzelle oder passive Flüssigkeitsschalter realisierbar. Als Energieversorgung (26Jdient eine Blitzlampe.

Die für die Laufzeitmessung und Aufkonversion des reflektierten Signals erforderlichen Laserstrahlungen sind in F i g. 4a als Zeitdiagramm dargestellt.

Es ist unbedingt erforderlich, daß die Frequenz. w_;. von Wi verschieden ist, weil andernfalls die Signalkonversion O)J = OJ, +H)₂ von der Frequenzverdopplung der Pumpstrahlung überdeckt würde.

Anstatt nun zur Erzeugung des 0)2 Lichtpuii.es einen zweiten Laser bereitzustellen, wird diese Aufgabe von dem vorhandenen Laser zusätzlich wahrgenommen. Hierzu sind folgende apparative Ergänzungen erforderlich, wie in F i g. 5 dargestellt.

Es bedeuten

5 schaltbares polarisationsdrehendt-s Element
5' Steuergerät für 5

6 Glan-Polarisaior

7 Frequenzverdopplcr

8 100% Spiegel

9 Photodetektor

Zur Konkretisierung wird angenommen, daß das schaltbare, polarisaiionsdrchcndc Element (5) eine Pockelszcllc ist. Die zusätzlich in F i g. (5) dargestellten Hauelemente erfüllen folgende Funktionen:

a) An der r'oekelszclie (5) liegt zunächst die llalbwellenspiinnung V. die durch das Steuergerät (5') erzeugt wird, so daß die Polarisationsebene von Licht bei einmaligen Durchgang um 90 gedreht wird.

b) Da der Polarisator (6) relativ zu Polarisator (4) um 90 gedreht angeordnet ist. kann Licht, das durch (4) polarisiert und in (5) in seiner Polarisations! ichtung um 90 gedreht wurde, auch (6) passieren. Solange also Van (5) anliegt, sind die Zusatzelementc (5) und (6) fiinktionslos, so chß die Erzeugung des Sendepulses ω,, wie oben beschrieben, nicht behindert wird.

c) Wird jedoch, und zwar nach der Erzeugung ties Pulses (Di, die Halbwcllcnspannung Van (5) abfi-schal-

tct. kann das von (4) polarisierte Licht (6) nicht mehr passieren. Der Glan-Polarisator wirkt jetzt als Spiegel, der das in (2a) erzeugte l.ascrlicht in Richtung auf den 100% Spiegel (8) umlenkt. Dadurch entsteht ein neuer, durch die Spiegel (IaJ und (8) definierter Kesonator. Da keine Auskopplung vorgesehen ist (2x100% Reflexion), baut sich in diesem neuen Resonator eine hohe Intensität der Frequenz ω, auf.

Zu diesem Zweck muß natürlich die Blitzlampe (2b) noch aktiv sein.

d) Durch Rinbringen eines frequenzverdoppelnden Mediums (7). wie /. B. die niclitlinear-optischcn Kristalle KDC oder l.iNbO,. kann im Resonator die I. Oberwelle 2 (ii| mit hoher IJmwandlungsrale(sogenannte mtracav itv-Verdopplung) erzeugt werden. Da die Phase na η passung durch Ausgleich der Dispersion durch die Doppelbrechung erzielt wird, ist die Polarisation der Oberwelle 2 ω ι relativ /ur Cirimdwelle O₁ stets um 90 gedreht. Der Polarisator (6) ist somit für die in (7) erzeugte Strahlung durchlässig. Dadurch wird ohne weitere Maßnahmen die Oberwelle aus dem Resonator ausgekoppelt, wie in l·'i g. 5 angedeutet ist. Die'.r Anordnung hut den zusätzlichen Vorteil, daß die 2 (.·) -Strahlung nicht in das aktive Lasermalcrial gelangt, wo sie u. I). absorbiert werden könnte.

e) Die Oberwelle 2 to· kann nun. nach leicht realisierbarer Abfilterung von Restlicht der Frequenz (■»:. als Pumpwelle für die Aufkonversion verwandt werden, d. h. es ist in dieser Anordnung

l-'ür das aufkonvertierle Sitinal '-'lh dann

Für das Beispiel ties Fr : NAP Lasers ergibt sich aus /. - l.bb um die Piimpwcllenlänge z..· n.»j um und sonn '/.· = 0,53 um. im Bereich bester Lmpfindlichkcit des rauscharnien s 20 Photomultipliers.

') Die Dauer der Punipstrahlung cii kann durch entsprechende Ansteuerung der Pockelszelle (5) der gewünschten F.ntfernungstiefe angepaßt werden. Auch die S\ nchronisation von Sende- und Pumpstrahlung, die bei der Verwendung zweier separater Laser schwierig zu realisieren ist. kann nut der vorgeschlagenen Anordnung problemlos bewerkstelligt werden. Das gewünschte /.einerhalten (F i g- -^O ^w irci erreicht, durch den in F ι g. 4b dargestellten zeitlichen Verlaut der Sieuerspannungcn in den Pockelszellen (3) und (5).

g) Um eine gleichmäßige Kanversionseffizienz, zu gewährleisten, muß die Pumpstrahlung während T konstante Intensität haben. Ohne besondere Maßnahmen ist dies im allgemeinen nicht der Fall, vielmehr ist die Strahlung insbesondere von Festkörperlasern im Normalhetricb aufgrund von Relaxationsschwingungen sehr unregelmäßig (sogenanntes spiking). Diese Relaxationsschwingungen müssen — in bekannter Weise — durch negative Rückkopplung (W. Kocchner, Solid State Fnginecring. New York 1970. S. 95) unterdrückt werden, indem die Güte des Resonators bei zunehmender l.ascrlcislung herabgesetzt wird. Diese Aufgabe kann zusätzlich von der /eile (5) wahrgenommen werden. Zu diesem Zweck wird das von dem Spiegel (l/i/cliirchpelassene Resilient von einem Phntndcicktor (9) nachgewiesen, dessen elektrisches Signal, entspre eilend '. ersüirkl der /e!'e ΐ /ii"cft"i!ir! wird

Sie wird dadurch teilweise reaktiviert und koppelt einen von der Intensität abhängigen Teil der l.asersirah lung über Polarisator (fi) aus. Da der Spiegel (\h) nur ca. 50'¹Ii rellektiert. entsteht auf diese Weise ein intensilätsabhängiger Resonators erlust. wodurch die geforderte negative Rückkopplung bewirkt wird. Dieses Verfahren ist bekannt, jedoch ist hier von Bedeutung, daß die Anordnung F i g. 5 diese auch bei einem separaten Pumplasei notwendige Zusatzfunktion mit übernehmen kann. Als echter Aufwand, der dem eingesparten separaten Laser gegenübergestellt werden muß. sind also n· ,r die verlängerte Brenndauer der Blitzlampe (2b). der I equenzverdoppler (7) und der Resonalorspicgel (8) ,πι '.usehen.

Die Erfindung, wie bisher beschrieben, ist mit gängigen optischen und elektrooptischen Bauelementen realisierbar. Fine zusätzliche Vereinfachung, nämlich die Einsparung des Verdopplet (7). ist möglich, wenn im aktiven Lasermaierial (2,·//ein zweiter Obergang <·).■ zu stimulierter !".mission gebracht werden kann, die ,ils Pumpstrahlung geeignet ist. Dies ist z. B. beim F.r : YAP-I.aser der Fall, wobei λ>=Ο.85μπι (IFFT. lournal of Quantum Llectronics QF-9 [197 i], S. 1079 bis 108b). Ls müssen jedoch besondere Vorkehrungen getroffen werden, die bewirken, daß die beiden l.aserfrequen/en entsprechend dem Zcitdiagramm F ι g. 4a emittiert werden und die jeweils nicht benötigte Frequenz unterdrückt wird. Wie F ι g. b zeigt, ist mit geringfügigen Modifikationen tue in Abschnitt 3 beschriebene Anordnung hierfür ebenfalls geeignet. Der Verdoppler fällt weg. Der Spiegel (\b) muß durch geeignete dielektrische Beschichtung die Eigenschaft erhalten, ο w ie bisher zu ca. 50ⁿ< > zu reflektieren, für <■>; jedoch durchlässig zu sein. Alternativ kann em Schniaibandfilter (10). das o; absorbiert, vor (\b) angebracht werden. Dadurch wird verhindert, daß der Laser in eier ersten Arbeitsphase auf (.·>> anschwingt. Entsprechend ist in den zweiten Resonator (1,/-8 ) em Dämpfungsmittel (II) für <■>■ bringen. Die Auskopplung der Pumpstrahlung erfolgt über den jetzt für cj. teildurchlässigen Spiegel (8). Alle sonstigen in Abschnitt 3 beschriebenen Merkmale und Funktionen bleiben erhalten.

Hier/u 5 lilatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erzeugung von zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge mit einem durch ein polarisationsabhängig strahlumlenkendes Element verzweigten Laser und einem im ersten Resonatorzweig eingefügten Güteschalter d a durch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der zeitlichen Aufeinanderfolge der L.aserpulse sowie zur Steuerung der Länge des zweiten Pulses zwischen einem im gemeinsamen Teil des Resonators eingefügten Polarisator (4) und dem polarisationsabhängig strahlumlenkenden Element (6) ein schaltbares polarisaiionsdrehendes Element (5) mit angeschlossenen Steuermitteln (5') angeordnet ist, daß im zweiten Resonatorzweig zur Erzeugung einer zweiten Laserfrequenz ω_· ein Frequenzverdoppler (7) angeordnet und der diesen zweiten Resona'orzweig abschließende Resonatorspiegel (8) hochreiL'ktierend ausgebildet ist.

2. Anordnung zur Erzeugung von zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge mit einem durch ein polarisationsabhängig sirahlum!enkendt:s Element verzweigten Laser und einem im ersten Resonatorzweig eingefügten Güteschalter dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der zeitlichen Aufeinanderfolge der Laserpulse sowie zur Steuerung der Länge des zweiten Pulses zwischen einem im gemeinsamen Teil des Resonators eingefügten Polarisator (4) und dem polarisationsabhängig strahlumlenkcnden Element (6) ein schaltbarcs polarisaiionsdrehcwdes El .neni (5) mil angeschlossenen Steuermitteln (5') angeordnet ist. daß das Lasermaterial (2a) zur stir, iierien Emission von /wci Laserfreqiien/en ι.·)ι. ω> sceignet ist. daß der den zweiten Rcsonatnrzweig abschließende Spiegel (8^r) für die Laserfrequen/. <o: teilweise reflektierend ausgebildet ist und daß im ersten Resonatorzweig Dämpfungsmittel (10) für die Laserfrequenz <η₂- und im /weiten Resonatorzwcig Dämpfungsmittel (11) für die Laserfrequenz wi vorgesehen sind.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schaltbare polarisationsdrehende Element (5) oder der Güteschalter (3) oder beide durch Pockelzellen realisiert sind.