DE3111805A1

DE3111805A1 - Verfahren und einrichtung zum erzeugen von vorimpulsfreien, glatten laserstrahlungsimpulsen veraenderbarer impulsdauer

Info

Publication number: DE3111805A1
Application number: DE19813111805
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr. 8046 Garching Fill; Walter Dr. 8042 Oberschleißheim Scrlac; Klaus J. Dr. 8000 München Witte
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1981-03-25
Filing date: 1981-03-25
Publication date: 1982-10-14
Also published as: FR2502856B1; GB2095463B; FR2502856A1; GB2095463A; US4514848A

Description

1 0973 Dr.v.B/Schä

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., Bunsenstrasse 10, 3400 Göttingen

Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen von vorimpulsfreien, glatten Laserstrahlungsimpulsen veränderbarer Impulsdauer

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von vorimpulsfreien, glatten und keine wesentliche zeitliche Substruktur aufweisenden Laserstrahlungsimpulsen, deren Dauer zwischen etwa 400 Picosekunden und etwa 20 Nanosekunden einstellbar ist, mittels eines Lasers, welcher einen optischen Resonator, ein in diesem angeordnetes, stimulierbares Lasermedium mit einem oberen und einem unteren Niveau, und eine Anregungsvorrichtung zur Besetzung des oberen Niveaus des Lasermediums enthält und welcher den folgenden Bedingungen genügt:

a) Die (volle) Halbwertbreite Δν der stimuliert emittierten Laserstrahlungslinie ist höchstens 10 GHz (höchstens 1/3 Wellenzahl) und wird über Druck und/oder Temperatur so eingestellt, daß die Bedingungen hv=' c/2L erfüllt ist, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und L die Länge des optischen Resonators bedeuten;

b) die Lebensdauer des oberen Laserniveaus (Quenschzeit) ist größer als die Dauer von etwa 30 Umläufen der Strahlung.

c) die Lebensdauer des oberen Niveaus infolge spontaner Emission ist größer als 100 Nanosekunden (entsprechend einem Einstein-Koeffizienten kleiner als 7 — 1

10 s ). Ferner betrifft die Erfindung einen Jodlaser zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Für viele Zwecke werden vorimpulsfreie, glatte Laserimpulse, ohne Substruktur benötigt, deren Dauer in einem gewissen Bereich frei wählbar sein soll. Zum Beispiel wird als Eingangsimpulse für eine Jodlaser-Verstärkerkette ein Jodlaserimpuls ( λ = 1,315 μΐη) mit glattem Verlauf und ohne Vorimpuls benötigt, wobei die Impulsdauer zwischen 0,4 ns und 20 ns kontinuierlich einstellbar sein soll, um mit dem durch die Jodlaser-Verstärkerkette verstärkten Impuls Experimente machen zu können, die zur Energieerzeugung durch Kernverschmelzung führen sollen. Eine andere Anwendung solcher Impulse ist die Messung schneller Relaxationszeiten in Flüssigkeiten oder die Entfernungsmessung.

Üblicherweise können Impulse mit einer Dauer im Bereich 1 ns und darunter durch die Technik des Mode-lockens erzeugt werjen. Diese Technik versagt jedoch bei Impulsdauern oberhalb etwa 2 ns.

Impulse im Bereich 1 - 20 ns können durch Herausschneiden aus einem längeren Impuls erzeugt werden. Meist werden dazu elektrooptische Methoden verwendet. Dieses Verfahren ist jedoch relativ aufwendig und führt außerdem zu kleinen Impulsenergien und schlechten Wirkungsgraden, da nur ein kleiner Teil eines längeren Impulses verwendet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Laserstrahlungsimpuls mit glattem Verlauf, d.h. ohne wesentliche zeitliche Substruktur, und ohne Vorimpulse ohne Verwendung von frequenzselektiven oder aktiven elektro-optischen Elementen im optischen Resonator des Lasers erzeugt werden kann, wobei die Impulsdauer zwischen etwa 0,4 ns und 20 ns kontinuierlich veränderbar sein soll.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Anregungsdauer kürzer ist als die Aufbauzeit eines von den angeregten Jodatomen stimuliert emittierten Jodlaserimpulses.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Dauer des Impulses primär durch die Resonatorlänge des Lasers bestimmt. In geringerem Maße kann die Impulsdauer auch durch Veränderung des Verhältnisses von Anregungsenergie ("Pumpenergie") zur Schwellenenergie des Lasers beeinflußt werden ("harte bzw. "weiche Anregung"). Wenn man also die Anregungsdauer, d.h. die Dauer der Pumpstrahlung, kürzer als die Aufbaüzeit des emittierten Laserstrahlungsimpulses wählt, die ungefähr 30 bis 40 Resonatorumläufen entspricht, ist die Dauer des emittierten Impulses also hauptsächlich durch die Resonatorlänge bestimmt, sie ist insbesondere etwa gleich der drei- bis fünffachen Länge der Umlaufzeit der Strahlung im Resonator. Hierdurch kann die Impulsdauer je nach Resonatorlänge zwischen etwa 400 ps und 20 ns variiert werden.

Die an den Laser gestellten Bedingungen a) bis c) werden z.B. von einem Jodlaser erfüllt, dessen Lasermedium ein Alkyljodid,z.B. CF-I, 1-C-F₇I oder n-C_F₇I enthalten kann. Als Anregungsstrahlungsquelle eignen sich besonders Exzimerlaser, z.B. ein KrF-Laser oder ein XeCl-Laser, dessen Strahlungsdauer kleiner als 100 ns ist.

Neben dem wesentlichen Vorteil der leichten Variierbarkeit der Impulsdauer hat das erfindungsgemäße Verfahren noch eine Reihe von weiteren Vorteilen:

- vorimpulsfreier Anstieg des Laserimpulses bis zum Maximum;

Austausch des Lasergases zwischen zwei Impulsen ("Schüssen") ist nicht notwendig;

- hohe Impulswiederholungsfrequenz (Repetitionsrate) ;

Schaltelemente zur Isolierung zwischen einem Laseroszillator und einer Laser-Verstärkerkette zwecks Vermeidung parasitärer Oszillationen sind nicht notwendig.

Inv folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das mit transversaler Einstrahlung der anregenden Strahlung arbeitet;

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Fig. 2 eine Darstellung eines Teiles einer zweiten Einrichtung zur,Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, das mit longitudinaler Einstrahlung der anregenden Strahlung arbeitet; und

Fig. 3 eine Abwandlung der Einrichtung gemäß Fig. 2.

Die in Figur 1 dargestellte Einrichtung enthält eine Laserküvette LK, die an den Enden durch Brewster-Fenster abgeschlossen ist. Die Laserküvette LK dient zur Aufnahme eines Lasergases / das eine Jodverbindung enthält, aus der durch Photodissoziation angeregte Jodatome erzeugt werden können, die einer stimulierten Emission (Laseremission) fähig sind. Das Lasergas besteht vorteilhafterweise im wesentlichen aus Argon und einem Perfluoralkyljodid, z.B. CF_I, oder n-C-,F₇I oder i-CJF_I. Die Laserküvette LK ist in einem optischen Resonator angeordnet, der durch zwei Spiegel M1 und M2 begrenzt ist, wobei der eine Spiegel M1 eine möglichst hohe Reflexion bei der Emissionswellenlänge (1,315 um) des Jodlasers hat und ein Konkavspiegel sein kann, während der andere Spiegel M2 eine gewisse Transmission aufweist, so daß die Strahlung aus dem Resonator ausgekoppelt werden kann.

Der Abstand der Spiegel M1 und M2 ist durch eine nicht dargestellte Vorrichtung üblicher Konstruktion, z.B. eine Mikrometerschraubenspindel, verstellbar. Der Verstellbereich ist im Gegensatz .zu dem der üblichen Spiegel-Justiervorrichtungen relativ groß, im allgemeinen größer als 25 cm, er kann bis zu etwa 100 cm betragen, und insbesondere von etwa 4 cm bis 100 cm reichen.

—Q-.

Zur Einschränkung der Laseremission auf den niedrigsten transversalen Schwingungstyp (TEM_QO) ist im Resonator, vorzugsweise vor dem Spiegel M1, eine Blende P angeordnet.

Die Photodissoziation der Jodverbindung in der Laserküvette LK wird durch eine optische Strahlung von einer Anregungsstrahlungsquelle SQ bewirkt. Eine wesentliche Bedingung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Anregung des Lasers, also die Photodissoziation der Jodverbindung, extrem schnell erfolgt. Dies läßt sich dadurch bewirken, daß als Anregungsstrahlungsquelle SQ ein Exzimer-Laser, z.B. ein KrF-Laser oder ein XeCl-Laser verwendet werden.

Die(volle) Halbwertsbreite Λν der Laserstrahlungslinie muß wenigstens annähernd der folgenden Bedingung genügen:

Δν = c/2 L

wobei c die Lichtgeschwindigkeit und

L die Länge des optischen Resonators des Lasers bedeuten. Die Einstellung der Halbwertsbreite auf den durch diese Bedingung geforderten Wert kann über den Druck des Lasergases leicht bewirkt werden. Auch die Temperatur hat einen gewissen Einfluß auf die Linienbreite. Die Einstellung des Druckes des Lasergases kann auf bekannte Weise erfolgen, die hierfür erforderlichen Vorrichtungen und Anschlüsse der Laserküvette sind in der Zeichnung der Einfachheit halber nicht dargestellt,

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Bei der Einrichtung gemäß Fig. 1 wird die anregende Strahlung (Pumpstrahlung) von der Anregungsstrahlungsquelle SQ transversal zur optischen Achse des eigentlichen Jodlasers eingestrahlt. Die von der Anregungsstrahlungsquelle SQ emittierte Strahlung wird hierfür mit einer Zylinderlinse ZL in die Laserküvette LK fokussiert, die das Jodid enthält. Die in Fig. 1 dargestellte transversale Geometrie zeichnet sich durch große Einfachheit aus.

In den Figuren 2 und 3 sind Ausführungsbeispiele von Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei denen die anregende Strahlung (Pumpstrahlung)

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longitudinal in den Laserresonator eingestrahlt wird. Die Anregungsstrahlungsquelle ist nicht dargestellt, sie besteht wie bei der Einrichtung gemäß Fig. 1 auch hier vorzugsweise aus einem Exzimer-Laser.

Bei der Einrichtung gemäß Fig. 2 wird die anregende Strahlung vom Exzimer-Laser durch eine sphärische Linse SL fokussiert/ und über eine unverspiegelte Quarzscheibe F1 in die Jodlaserküvette LK eingekoppelt. Die Quarzscheibe F1 wirkt gleichzeitig als Endspiegel für den optischen Resonator des Jod- *~s lasers. Auf der anderen Seite ist die Küvette mit einem Brewster-Fenster F2 versehen. Der optische Resonator des Jodlasers wird durch die Quarzscheibe F1 und einen Auskoppelspiegel M2 begrenzt, dessen Transmission frei wählbar ist. Die Jodlaserküvette LK kann als Lichtleiter ausgebildet sein, um eine homogene Verteilung der anregenden Strahlung zu gewährleisten. Auch diese Einrichtung ist relativ einfach, sie hat jedoch den Nachteil, daß nur ein Bruchteil der Jodlaserstrahlung als Nutzstrahlung ausgekoppelt werden kann.

Bei der Einrichtung gemäß Fig. 3 wird die Anregungsstrahlung durch eine Sammellinse SL fokussiert und dann über eine Strahlteilerplatte SP longitudinal in die Laserküvette LK des Jodlasers eingespiegelt. Die Strahlteilerplatte SP soll eine möglichst hohe Reflexion für die anregende Strahlung bei 45° Einfallswinkel haben und eine möglichst hohe Transmismission für das Jodlaserlicht von 1,315 μπι. Es kann auch eine Strahlteilerplatte mit einem Loch von etwa 2 mm Durchmesser verwendet werden, dann muß die Reflexion nur für die anregende Strahlung groß sein. Der Jodlaserresonator wird durch einen konkaven Endspiegel M1, der die Laserstrahlung möglichst vollständig reflektieren soll, und einen Auskoppelspiegel M2, der teildurchlässig ist, begrenzt.

Die longitudinalen Anordnungen gemäß Fig. 2 und 3 haben beide den Vorteil, daß das angeregte Lasergasvolumen an das Volumen des niedrigsten transversalen Schwingungstyps angepaßt werden

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kann, wobei die Notwendigkeit einer Blende im Resonator entfällt. Außerdem wird bei einer Küvettenlänge über 10 cm fast die gesamte anregende Strahlung im Lasermedium absorbiert, was eine gute Ausnutzung der anregenden Strahlung ergibt.

Die beschriebenen, durch einen Exzimer-Laser gepumpten Jodlaser haben unabhängig von der Einstrahlungsrichtung der anregenden Strahlung gegenüber herkömmlichen, mit Blitzlampen angeregten Jodlasern eine Reihe von wesentlichen Vorteilen:

Die Impulsdauer kann durch Verändern der Resonatorlänge im Bereich von 400 ps bis 20 ns beliebig eingestellt werden. Dabei muß zur Erzielung eines Impulses ohne Substruktur der Druck in der Laserküvette an die Resonatorlänge angepaßt werden, d.h. je länger die zu erzeugenden Impulse sind, um so · niedriger muß der Druck sein, um die Bandbreite der Verstärkung und damit die Bandbreite des· zu erzeugenden Impulses zu begrenzen. Die Abhängigkeit der Verstärkungsbandbreite vom Druck des Lasergases ist im Prinzip aus der DE-PS 24 09 940 bekannt.

Bei Verwendung einer Gasmischung aus Argon und einer der oben angegebenen Jodverbindungen als Lasergas beträgt der Druck

bei einer Resonatorlänge von 2 cm etwa 4 ·10 Pa und verringert sich bis 1 m zunehmender Resonatorlänge auf etwa 3 - H)³ Pa.

Die Intensität des Impulses steigt monoton bis zum Impulsmaximum an und ist frei von sekundären Maxima (Vorimpulsen) vor dem Hauptmaximum. Dadurch wird ein vorimpulsfreier Einzelimpuls auf einfache Weise und ohne zusätzliche aktive oder passive Elemente gewährleistet.

Ein Austausch dos Lasermediums (Jodids) zwischen zwei Impulsen ist nicht erforderlich, da durch schnelle Aufbauzeit des

Impulses bis zum Einsetzen der Laseremission keine Löschung des angeregten Zustandes durch Verunreinigung oder photolytisch erzeugtes I₂ auftritt.

Nach einer größeren Anzahl von Impulsen ist selbstverständlich ein Ersatz des Lasermediums erforderlich, da es infolae von irreversiblen Prozessen verbraucht wird.

Die Impulswiederholungsfrequenz (Repetitionsrate) des Lasers ist im wesentlichen durch die Impulswiederholungsfrequenz der Anregungsstrahlungsquelle (Exzimerlaser) gegeben, was ¹^" beim derzeitigen Stand der Technologie eine wesentlich höhere Impulswiederholungsfrequenz ergibt als bei Verwendung von Xenon-Blitzlampen als Anregungsstrahlungsquelle.

Energie und Loisjtuny des durch Exziiuor-1 laserstrahlung erzeugten Jodlaserimpulses sind wesentlich höher als die entsprechenden Werte bei durch Xenon-Blitzlampenlicht erzeugten Impulsen.

Die Erfindung ist nicht auf Jodlaser beschränkt, sondern kann z.B. auch in entsprechender Weise bei einem CO^-Laser Anwendung finden. Auch hier ist die Einjustierung der Linien-""""*' breite durch Druck und/oder Temperatur des Lasergases möglich. Auch mit einem Rubinlaser u.a. kann die Erfindung realisiert werden. Hier kann die Einstellung der Linienbreite über die Temperatur erfolgen. Der Rubinstab wird bei einer Temperatur unter 70 K

Claims

DR. DIETER V. BEZOLD

DIPL. ING. PETER SCHÜTZ

DIPL. ING.WOLFGANG HEUSLER

MARIA-THERESIA-STRASSE 22 POSTFACH «Λ02 60

D-8OOO MUENCHEN 66

ZUGELASSEN BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANDATAIRES EN BREVETS EUROPEENS

TELEFON 0B9/4 7O6O06 TELEX 523 638 TELEGRAMM SOMBEZ

25 . März 1981 10973 Dr.v.B/hl/E/Schä

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der

Wissenschaften e.V. Bunsenstraße 10 _f 3400 Göttingen

Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen von vorimpulsfreien, glatten Laserstrahlungsimpulsen veränderbarer Impulsdauer

Patentansprüche

Verfahren zum Erzeugen von vorimpulsfreien, glatten und keine wesentliche zeitliche SubStruktur aufweisenden Laserstrahlungsimpulsen, deren Dauer zwischen etwa 400 Picosekunden und etwa 20 Nanosekunden einstellbar ist, mittels eines Lasers, welcher einen optischen Resonator, ein in diesem angeordnetes, stimulierbares Lasermedium mit einem oberen und einem unteren Niveau, und eine Anregungsvorrichtung zur Besetzung des oberen Niveaus des Lasermediums enthält und welcher den folgenden Bedingungen genügt:

a) Die (volle) Halbwertbreite Δν der stimuliert emittierten Laserstrahlungslinie ist höchstens 10 GHz (höchstens 1/3 Wellenzahl) und wird über Druck und/oder Temperatur so eingestellt, daß die Bedingungen Avs c/2L erfüllt ist, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und L die Länge des optischen Resonators bedeuten;

b) die Lebensdauer des oberen Laserniveaus (Quenschzeit) ist größer als die Dauer von etwa 30 Umläufen der Strahlung im optischen Resonator, und

c) die Lebensdauer des oberen Niveaus infolge spontaner Emission ist

größer als 100 Nanosekunden (entsprechend einem Einstein-Koeffizienten kleiner als 10 s ), dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsdauer kürzer als die Aufbauzeit eines vom angereg ten Lasermedium stimuliert emittierten Laserstrahlungsimpulses
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Dauer der Anregung kleiner ist als die Dauer von 30 Umläufen der stimuliert emittierten Strahlung im optischen Resonator.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Jodlaser, welcher einen optischen Resonator, eine in diesem angeordnete Küvette, in der sich ein Lasergas mit einer photodissoziierbaren Jodverbindung befindet, und eine Anregungsstrahlungsquelle zum Erzeugen einer optischen Strahlung, die im Lasergas durch Photodissoziation der Jodverbindung angeregte, einer stimulierten Emission fähige Jodatome erzeugt, enthält, dadurch gekennzeichnet , daß die Anregungsstrahlungsquelle einen Laser enthält, der Strahlungsimpulse liefert, deren Dauer kleiner ist als die Aufbauzeit eines bei der stimulierten Emission der Jodatome erzeugten Ausgangsimpulses des Jodlasers.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Anregungsstrahlungsquelle eine Emissionsdauer pro Strahlungsimpuls aufweist, die kleiner ist als die Dauer von 30 Umläufen der stimuliert emittierten Laserstrahlung im optischen Resonator.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Anregungsstrahlungsquelle einen Exzimerlaser enthält.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Anregungsstrahlungsquelle einen KrF-Laser enthält.
7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Anregungsstrahlungsquelle einen XeCl-Laser enthält.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator eine Länge zwischen 2 cm und 100 cm hat und daß der Druck des Lasergases bei einer Resonatorlänge von 2 cm in der Größenordnung von 4 · 10 Pa liegt und bei Zunahme der Resonatorlänge bis 100 cm auf etwa 3 · 10³ Pa absinkt.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Ändern der Länge des optischen Resonators.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Verstellvorrichtung eine Verstellung der Resonatorlänge um eine Strecke von mindestens 25 cm zuläßt und daß eine Vorrichtung zum Einstellen eines vorgegebenen Gasdruckes in der Laserküvette vorgesehen ist.
11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linienbreite höchstens 10 GHz (1/30 Wellenzahl) beträgt.