DE2944043A1

DE2944043A1 - Wellenleiterverstaerker

Info

Publication number: DE2944043A1
Application number: DE19792944043
Authority: DE
Inventors: Norman Alan Kurnit
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1978-11-03
Filing date: 1979-10-31
Publication date: 1980-05-08
Also published as: US4224577A; JPS5563897A; FR2440634B1; CA1131741A; GB2034962A; FR2440634A1; GB2034962B

Description

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79-R-3741

We lienleiterVerstärker

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Infrarotlaser und Verstärker und insbesondere auf die stimulierte Raman-Streuung unter Verwendung von Rotationsübergängen in einem zweiatomigen Molekulargas. Die Erfindung ist eine Verbesserung derjenigen Erfindungen, die in den folgenden U.S.-Anmeldungen beschrieben wurden: ü.S.-Ser.No. 802, 400 mit dem Titel "Shifting of CO₂ Laser Radiation Using Rotational Raman Resonances", eingereicht am 1. Juni 1977, von Norman A. Kurnit und U.S.-Ser.No. 948,267 mit dem Titel "Stokes Injected Raman Waveguide Amplifier", eingereicht am 3. Oktober 197, von Norman A. Kurnit. In diesen Anmeldungen ist die stimulierte Raman-Streuung in einem kapillaren Wellenleiter, sowie die Verstärkung einer externen Stokes-Injektionsquelle in einem Raman-Kapillar-Wellenleiterverstärker beschrieben.

Die Erfindung sieht einen mehrstufigen stokes-injizierten Raman-Kapillar-Wellenleiterverstärker vor. Eine Vielzahl von optisch gekoppelten Kapillar-Wellenleiterverstärkern wird mit einer externen Quelle von COp-Laserstrahlung zur Verbesserung der Raman-Verstärkung injiziert. Fortlaufend größere Kapillardurchmesser in aufeinanderfolgenden Stufen sehen eine größere Ausgangsleistung des verstärkten Stokes-Signals vor.

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Zusätzlich können Mehrfachstufen verwendet werden, um ein hochverstärktes Stokes-Signal zu erzeugen für die Injektion in eine Multifokus-Raman-Verstärkungszelle zur weiteren Erhöhung der Ausgangsleistung.

Eine oder mehrere Stufen des kapillaren Wellenleiterverstärkers können die regenerative Verstärkung verwenden. Zudem kann das kapillare Wellenleitermaterial über die Stufen hinweg verändert werden, um_fdie Fortpflanzung der CO₂-Strahlung zu erhöhen und um die Verstärkung in frühen Stufen und die Fortpflanzung der Stokes-Strahlung zu erhöhen, um die Ausgangsleistung in den letzten Stufen zu vergrößern.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, einen mehrstufigen stokes-injizierten Raman-Kapillar-Wellenleiterverstärker vorzusehen. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen mehrstufigen stokes-injizierten Raman-Wellenleiterverstärker in Verbindung mit einer Multifokus-Raman-Verstärkungszelle vorzusehen, um hohe Ausgangsleistungen zu erzeugen. Ferner hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, einen mehrstufigen stokes-injizierten Raman-Kapillar-Wellenleiterverstärker vorzusehen, um Stokes-Signale mit hoher Ausgangsleistung zu erzeugen. Die Erfindung sieht ferner einen mehrstufigen stokes-injizierten Raman-Kapillar-Wellenleiterverstärker vor, der im Betrieb außerordentlich effizient ist.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines mehrstufigen stokesinjizierten Raman-Kapillar-Wellenleiterverstärkers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines mehrstufigen stokesinjizierten Raman-Kapillar-Wellenleiterverstärkers in Verbindung mit einer Multifokus-Raman-Verstärkungszelle;

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Fig. 3 eine schematische Darstellung einer reflektierenden

Koppelvorrichtung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer dichroischen Spiegelkopplungsvorrichtung zum Injizieren einer

externen CO₂-Strahlungsquelle;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Prismenkoppelvorrichtung zum Injizieren einer externen Quelle von CO₂~Strahlung;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Gitterkopplungsvorrichtung zum Injizieren einer externen CO_-Strahlungs-

quelle;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Ge-Brewster-Plattenkoppelvorrichtung zum Injizieren einer externen CO₂-

Strahlung;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer reflektierenden Koppelvorrichtung unter Verwendung eines CO₂~Verstärkers.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines mehrstufigen stokes-injizierten Raman-Kapillar-Wellenleiterverstärkers gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Erfindungsgemäß wird eine externe Quelle von Stokes-Strahlung von der Stokes-Injektionsquelle 10 kombiniert mit der C0₂~Laserstrahlung von CO₂-Laserquelle 20 und zirkulär polarisiert in entgegengesetzten Zirkularrichtungen. Diese Strahlungssignale werden auf einen Kapillarwellenleiter in der Weise aufgebracht, wie dies in der obengenannten U.S.-Ser.No. 948,267 beschrieben ist. Der Kapillarwellenleiterverstärker 36 weist einen Kapillarwellenleiter, angeordnet innerhalb einer Raman-Verstärkungszelle derart auf, daß das Raman-VerStärkungsmedium, welches H₂, D₂, HD, HT, DT oder T₂ enthält, über die Kapillare hinweg enthalten ist. Zusätzlich wird die Kapillare auf cryogene Temperaturen durch flüssigen Stickstoff oder ein anderes Kühlmedium abgekühlt. Partiell reflektierende Spiegel 32 und 34, wie .sie in den obengenannten U.S.-Patentanmeldungen beschrieben sind, können in einer oder in mehreren Stufen verwendet werden, um einen regenerativen Verstärker zur Erhöhung der Raman-Verstärkung zu schaffen. Dies ist besonders zweckmäßig in Niedrigleistungsstufen, wo eine größere Raman-Verstärkung wichtig ist.

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Die Koppelvorrichtung 40 koppelt die Stokes-Strahlung, erzeugt durch den Kapillarwellenleiterverstärker 36 mit einer zusätzlichen kapillaren Wellenleiterverstärkerstufe 46. Die durch die CO₂-Laserquelle 20 erzeugte CO₂-Strahlung kann über eine Koppelvorrichtung 40 gekoppelt werden, oder kann alternativ durch eine optische CO₂-Eingangslaserquelle 42 vorgesehen werden. Natürlich kann die CO₂-Laserstrahlung von C0₂~Laserquelle 20 aufgespalten werden und an die Kopplungsvorrichtung 40 angelegt werden, um zusätzliche C0₂-Laser 42, 52 und zu eliminieren. Jede der Koppelvorrichtungen 40, 50 und kann irgendeine der in den Figuren 3 bis 8 gezeigten Vorrichtungen aufweisen. Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, daß jede Quelle von CO₂-Laserstrahlung einen Mehrfachfrequenzstrahl aufweisen kann, um die Erzeugung eines Mehrfachfrequenz-Stokes-Ausgangssignals zu vergrößern. Mehrere Stokes-Injektionsfrequenzen entsprechend den mehreren CO₂~Frequenzen können notwendig sein, um eine hinreichende Verstärkung auf jeder der Stokes-Ausgangswellenlängen vorzusehen. Wenn jedoch eine ausreichende Verstärkung auf einer einzigen Stokes-Frequenz, für die ein hinreichend i'ntensives Stokes-Injektionssignal vorgesehen ist, erzeugt wird, so werden andere Ausgangs-Stokes-Wellenlängen durch einen Vierwellen-Mischprozeß erzeugt.

Die Zusammensetzung des Wellenleitermaterials kann in aufeinanderfolgenden Stufen verändert werden, um die Erzeugung des gewünschten Signals zu vergrößern. Beispielsweise können die Anfangsstufen, wie beispielsweise 36 und 46 Kapillare aufweisen, und zwar hergestellt aus BeO, die niedrige Wellenleiterverluste für CO₂~Laserstrahlung im 10 μπι-Spektralbereich besitzen. Obwohl BeO Stokes-Strahlung nicht so gut wie Al₃O₃ überträgt, sehen die hohen Transmissionseigenschaften der CO₂~Strahlung hohe Verstärkung vor, was irgendwelche Verluste infolge von niedrigerer Ubertragungseigenschaften der eine relativ niedrige Leistung aufweisenden Stokes-Signale in den Anfangsstufen mehr als ausgleicht. In den letzten Stufen, wo jedoch das Stokes-Signal eine relativ hohe Leistungsgröße besitzt, ist die Kapillare aus Al₃O₃ oder einem ähnlichen Material aufgebaut, welches niedrige Wellenleiterverluste bei der Stokes-Frequenz besitzt. Obwohl dies weniger Verstär-

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kung infolge der niedrigeren Transmissionseigenschaften der CO₂~Strahlung erzeugt, ist eine geringere Verstärkung in den Leistungsstufen erforderlich verglichen mit der Zweckmäßigkeit der übertragung der maximalen Größe der Stokes-Frequenzstrahlung, was besonders wichtig ist, da die Wellenleiterverluste proportional zu Λ. sind. In ähnlicher Weise kann der Kapillarwellenleiterdurchmesser und die Länge in aufeinanderfolgenden Stufen vergrößert werden, um eine größere Leistungshandhabungsfähigkeit zu erzeugen, und zwar durch Lieferung einer größeren Mengen an Raman-Verstärkungsmedium, um so die gewünschten Ausgangsleistungspegel zu erzeugen. Natürlich sind die Fokussieroptik-Vorrichtungen 44 und 54 derart konstruiert, daß sie aufeinanderfolgend größere Fokal-Gebiete vorsehen, so daß die ZusammenbruchsschwelIe des Raman-Mediums nicht überschritten wird.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die eine Multifokus-Raman-Verstärkungszelle in der Ausgangsleistungsverstärkungsstufe verwendet.

Ein Beispiel einer Multifokus-Verstärkungszelle 72 ist in dem folgenden Artikel beschrieben: "Tunable, Millijoule Radiation Extending to the 16 μπι Region" von Robert Frey et al., in Optics Communications, 22^, Seite 355 (1977). Eine alternative Multidurchgangs-Raman-Verstärkungszelle zur Verwendung im Ausführungsbeispiel der Fig. 2, verwendet das sphärische Interferometer, beschrieben in dem folgenden Artikel: "Off Axis Paths in Spherical Mirror Interferometers", von D. Herriott et al., in Applied Optics 3, Seite 523 (1964), und zwar zusammen mit einem geeigneten Raumtemperatur-Raman-Verstärkungsmedium, wie beispielsweise H₂, wie dies von Robert L. Byer und W.R. Trutna auf der folgenden Konferenz vorgeschlagen wurde: Tenth International Quantum Electronics Conference, 31. Mai 1978 in Atlanta, Georgia. Wiederum können die in Fig. 1 gezeigten Verfahren zum Erhalt eines geeigneten Stokes-Signals verwendet werden, und zwar für die Injektion

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in eine Multifokus-Raman-Verstärkungszelle 72.

Die Figuren 3 bis 8 zeigen verschiedene Kopplungsvorrichtungen, die in den Figuren 1 und 2 verwendet werden können. Fig. 3 zeigt eine reflektierende Kopplungsvorrichtung, wo sowohl die Stokes- als auch die CO₂-Strahlung von einer Stufe zur anderen übertragen wird. Diese Art einer reflektierenden Kopplungsvorrichtung ist dann zweckmäßig, wenn hinreichend CO_-Energie über den Kapillar-Wellenleiter zur Erzeugung einer ordnungsgemäßen Verstärkung übertragen wird.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer dichroischen Spiegelkoppelvorrichtung, wo eine zusätzliche CO~-Strahlungsquelle in die aufeinanderfolgende Stufe mittels der dichroischen Optik 76 eingekoppelt wird, die das Stokes-Frequenzsignal total reflektiert und das CO -Eingangsfrequenzsignal überträgt.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Prismenkoppelvorrichtung, wo eine zusätzliche CO₂-Frequenzstrahlung in eine aufeinanderfolgende Kapillarwellenleiterverstärkerstufe eingekoppelt wird durch Verwendung der Brechungseigenschaften des Prismas 78, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer Gitterkoppelvorrichtung, die unterschiedliche Reflexionswinkel verwendet, die von einem Gitter für unterschiedliche Signale erhalten werden können. Zusätzliche CO₂-Eingangssignale werden an das Gitter angelegt, um mit dem reflektierten Stokes-Signal in Ausrichtung zu kommen.

Fig. 7 zeigt schematisch eine Ge-Brewster-Plattenkoppelvorrichtung, die zusätzliche CO_-Strahlung durch eine Ge-Brewster-Platte 82 einkoppelt. Die CO -Stokes-Strahlung erhalten von einer vorhergehenden Stufe wird in einem Fresnel-Rhombus 84 liniear polarisiert. Die Stokes-Strahlung wird axial mit zusätzlicher CO_-Strahlung durch die Ge-Brewster-Platte 82 ausgerichtet. Die zusätzliche CO₂-Strahlung und Stokes-Strahlung werden sodann in entgegengesetzten zirkulären Rich-

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tungen im Fresnel-Rhombus 06 zirkulär polarisiert.

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Kopplungsvorrichtung, die flache Reflektoren 90 und 92 verwendet, um sowohl die Stokes-als auch die CO„-Strahlung von einer Stufe zur anderen zu reflektieren, und zwar in der Weise, wie dies in der Koppelvorrichtung der Fig. 3 beschrieben ist. Zusätzlich ist ein CO₂-Verstärker 94 in der Koppelvorrichtung vorgesehen, um die Verstärkung der CO -Strahlung zu erhöhen, die durch den Kapillarwellenleiter der vorhergehenden Stufe übertragen wurde, um so eine verstärkte CO_-Strahlung für die darauffolgende Stufe vorzusehen. Die Stokes-Strahlung wird ebenfalls durch den C0₂-Verstärker übertragen. Die Stokes-Strahlung wird ohne Absorption übertragen und in eine darauf folgend Verstärkungsstufe gleichzeitig mit der C0_-Strahlung reflektiert. Jede der Koppelvorrichtungen 40, 50 und 60, gezeigt in den Figuren 1 und 2, kann eine Koppelvorrichtung gemäß Fig. 3 aufweisen, um so die Notwendigkeit für irgendeinen der wahlweisen CO₂-Eingänge 42, 52 oder 62 zu eliminieren.

Die Erfindung sieht daher einen mehrstufigen stokes-injizierten Raman-Kapillar-Wellenleiterverstärker vor, der in der Lage ist, Stokes-Signale mit hoher Ausgangsleistung zu erzeugen. Die Verwendung von verschiedenen Koppelvorrichtungen gestattet eine hohe Raman-Verstärkung und hohe Leistungen in einer Reihe von aufeinanderfolgenden Stufen. Die Verwendung von aufeinanderfolgend größer werdenden Kapillar-Wellenleitern und verschiedenen Materialien in der Wellenleiterherstellung gestattet auch eine erhöhte Leistung in aufeinander folgenden Verstärkungsstufen. Die Verwendung einer Mültifokus-Raman-Verstärkungszelle sieht zusätzlich eine hohe Ausgangsleistungsverstärkungsstufe vor, in der, wenn notwendig, ein Gasfluß vorgesehen werden kann, um eine größere Leistungshandhabungsfähigkeit zu erhalten.

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Abwandlungen der Erfindung sind möglich. Beispielsweise kann die externe Quelle der Stokes-Strahlung eliminiert werden, wenn hinreichend Verstärkung in der Anfangsstufe vorhanden ist, um spontan das Stokes-Frequenzsignal zu erzeugen.

Zusammenfassend sieht die Erfindung somit einen mehrstufigen stokes-injizierten Raman-Kapillar-Wellenleiterverstärker vor, um ein Stokes-Ausgangssignal mit hoher Verstärkung zu erzeugen. Der Verstärker verwendet eine Vielzahl von optisch gekoppelten Kapillar-Wellenleiterverstärkern sowie einen oder mehrere regenerative Verstärker zur Erhöhung der Stokes-Verstärkung auf ein Niveau ausreichend für die Leistungsverstärkung. Die Leistungsverstärkung wird durch eine Multifokus-Raman-Verstärkungszelle oder einen Kapillar-Wellenleiter mit großem Durchmesser vorgesehen. Eine externe Quelle von CO„-Laserstrahlung kann in jede der Kapillar-Wellenleiterverstärkerstufen injiziert oder eingegeben werden, um die Raman-Verstärkung zu erhöhen. Vorrichtungen zum Injizieren oder Eingeben der externen CO₂-Strahlungsquellen sind insbesondere in den Figuren 3 bis 7 gezeigt. Alternativ kann die CO^-Eingangsstrahlung zur ersten Stufe zwischen aufeinander folgenden Stufen eingekoppelt und verstärkt werden.

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Claims

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Ansprüche

1 Λ Stokes-injizierter Raman-Wellenleiterverstärker unter ■—*

Verwendung von Rotationszuständen in einem zweiatomigen Molekulargas, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Kapillar-Wellenleiterverstärkern (36,46,56,66) und durch Mittel zum optischen Koppeln (40,50,60) der Vielzahl von Kapillar-Wellenleiterverstärkern.
2. Stokes-injizierter Raman-Wellenleiterverstärker unter Verwendung der Rotationszustände eines zweiatomatigen Molekulargases, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung einer Quelle von Stokes-Injektionsstrahlung, Mittel zur Erzeugung einer Quelle von (^-Laserstrahlung, Mittel zur Zirkularpolarisierung der Stokes-Injektionsstrahlung und der C0_-Laserstrahlung in entgegengesetzten Zirkularrichtungen, eine Vielzahl, von optisch gekoppelten Kapillar-Wellenleiterverstärkern, und Mittel zum Anlegen der zirkularpolarisierten (^-Laserstrahlung und der zirkularpolarisierten stokes-injizierten Strahlung an die Vielzahl der optisch gekoppelten Wellenleiterverstärker .
3. Stokes-injizierter Raman-Wellenleiterverstärker, gekennzeichnet durch: eine Quelle von CO^-Laserstrahlung, eine Quelle von Stokes-Strahlung, eine Vielzahl von optisch gekoppelten kapillaren Wellenleiterverstärkern, die ein Raman-Mediumgas enthalten, Mittel zum Injizieren der Quelle von CO₂~Laserstrahlung und der Quelle von Stokes-Strahlung in die Vielzahl der optisch gekoppelten Kapillar-Wellenleiterverstärker zur Induzierung der Verstärkung des Stokes-Strahlungssignals durch Raman-Streuung der (^„-Laserstrahlung durch Rotationszustände des Raman-Mediumgases.
4. Raman-Wellenleiterverstärker, gekennzeichnet durch eine Quelle von CO₂-Laserstrahlung, eine Vielzahl von optisch gekoppelten Kapillar-Wellenleiterverstärkern, die ein Raman-Mediumgas enthalten, und Mittel zum Injizieren der Quelle von

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CO₂-Laserstrahlung in die Vielzahl der optisch gekoppelten Kapillar-Wellenleiterverstärker zur Induzierung der Verstärkung eines Stokes-Strahlungssignals durch Raman-Streuung der CO₂-Laserstrahlung durch Rotationszustände des Raman-Medium gases.

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