DE3317065C2

DE3317065C2 -

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Publication number: DE3317065C2
Application number: DE19833317065
Authority: DE
Inventors: Fritz Peter Dr. Dipl.-Phys. Schaefer; Sandor Dr. Dipl.-Phys. Szatmari; Zsolt Dipl.-Phys. Dr. 3400 Goettingen De Bor
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1983-05-10
Filing date: 1983-05-10
Publication date: 1989-12-21
Also published as: DE3317065A1

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren mit dem im Oberbegriff des Patentanspruches 1 als bekannt vorausgesetzten Merkmalen und von einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahren mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 2 als bekannt voraus gesetzten Merkmalen.The present invention is based on a method with the known in the preamble of claim 1 required features and from a Device for carrying out such a method with the in the preamble of claim 2 as known presupposed characteristics.

Es gibt bereits eine Reihe von Verfahren zur Erzeugung kurzer Laserimpulse, die zusätzlich zum aktiven Medium und Resonator des Lasers weitere technische Vorrichtun gen, wie z. B. Kerr-Zellen, Pockels-Zellen, Küvetten mit Farbstofflösungen, akusto-optische Deflektoren oder rotierende Prismen oder Spiegel erfordern und daher recht aufwendig sind. Bei anderen Verfahren, z. B. beim sogenannten synchronen Pumpen, zur Erzeugung ultrakur zer Impulse im Pikosekundenbereich ist zwar kein weiterer Aufwand im Laser zu betreiben, der die kurzen Pulse erzeugt, dafür aber ein erheblicher Aufwand in Pumplaser, der seinerseits bereits kurze Impulse, wenn auch nur von einigen hundert Pikosekunden Halbwerts dauer, erzeugen muß.There are already a number of production methods short laser pulses in addition to the active medium and resonator of the laser further technical devices conditions such. B. Kerr cells, Pockels cells, cuvettes with dye solutions, acousto-optical deflectors or require rotating prisms or mirrors and therefore are quite expensive. In other processes, e.g. B. at so-called synchronous pumps, for generating ultra-cure zer impulses in the picosecond range is not further effort in the laser to operate the short Pulse generated, but a lot of effort in Pump laser, which in turn already gives short impulses when even of a few hundred picoseconds half-value duration, must generate.

Aus der Veröffentlichung von D. Roess: Giant Pulse Shortening by Resonator Transients - J. Appl. Phys. 37, 2004-2006 (1966), ist ein Verfahren zur Erzeugung kurzer Laserimpulse bekannt, bei dem ein Laser durch einen anderen gepulsten Laser transient gepumpt wird und dabei Relaxationsschwingungen erzeugt werden, deren zeit licher Verlauf aus dem zeitlichen Verlauf des Pumpim pulses, den optischen und geometrischen Daten des akti ven Mediums sowie den Resonatordaten mit Hilfe der sogenannten Ratengleichungen berechnet werden kann. Diese Gleichungen sind zwei gekoppelte nichtlineare Differentialgleichungen, von denen die erste die zeit liche Änderung der Inversion des aktiven Mediums und die zweite die zeitliche Änderung der Photonendichte im Resonator (der die Ausgangsleistung proportional ist) beschreibt.From the publication by D. Roess: Giant Pulse Shortening by Resonator Transients - J. Appl. Phys. 37, 2004-2006 (1966) is a process for production known short laser pulses, in which a laser passes through another pulsed laser is pumped transiently and relaxation vibrations are generated, their time course from the time course of the Pumpim pulses, the optical and geometric data of the acti medium and the resonator data using the so-called rate equations can be calculated. These equations are two coupled non-linear ones Differential equations, the first of which is time change the inversion of the active medium and the second is the change in the photon density in the Resonator (which is proportional to the output power) describes.

Eine typische Lösung dieser Gleichungen für ein will kürlich herausgegriffenes Beispiel und eine bestimmte Pumpimpulsamplitude ist in Fig. 1 dargestellt. Darin sind von oben nach unten zunächst der zeitliche Verlauf des Pumpimpulses (Kurve A), dann der Verlauf der Inversion im aktiven Medium (Kurve B) und schließlich die Photonendichte im Resonator (Kurve C) dargestellt. Man sieht, daß (als Folge der starken Nichtlineraritä ten des Vorganges) die Photonendichte die Form einer Reihe von getrennten Impulsen von abnehmender Amplitude annimmt. Erniedrigt man nun die Pumplichtamplitude, so erniedrigt sich auch die Amplitude der erzeugten Relaxationsimpulse, bis schließlich nur noch der erste übrigbleibt, während die nachfolgenden nicht mehr erscheinen, da die hierfür notwendige Schwellinversion im weiteren Verlauf des Pumpimpulses nicht mehr er reicht wird.A typical solution of these equations for an example which is chosen briefly and a specific pump pulse amplitude is shown in FIG. 1. It shows from top to bottom the time course of the pump pulse (curve A), then the course of the inversion in the active medium (curve B) and finally the photon density in the resonator (curve C). It can be seen that (as a result of the strong non-linearities of the process) the photon density takes the form of a series of separate pulses of decreasing amplitude. If the pump light amplitude is now reduced, the amplitude of the relaxation pulses generated also decreases until finally only the first remains, while the following ones no longer appear, since the swell inversion required for this is no longer achieved in the further course of the pump pulse.

Um einen solchen einzelnen Impuls möglichst kurzer Halbwertsdauer zu erhalten, ist es notwendig, eine Resonatorlebensdauer zu verwenden, die kurz gegenüber der Pumppulsdauer ist. Ferner darf keine zu hohe Pump pulsamplitude verwendet werden, da dann die Gefahr besteht, daß sich bereits ein zweiter Relaxations-Os zillationsimpuls ausbilden kann. Die optimale Wahl der verschiedenen Parameter zur Erzielung eines möglichst kurzen Einzelimpulses bei vorgegebener Impuls halbwertsbreite ist aus der Veröffentlichung von J.Q. Yao: Optimum Operational Parameters of the Ultrashort Cavity Laser - Appl. Phys. Lett. 41, 136-138 (1982) bekannt. Man kann im allgemeinen mit diesem Verfahren Impulse erzielen, die gegenüber dem Pumppuls bis zu einem Faktor 10 verkürzt sind. Dabei muß besonders sorgfältig darauf geachtet werden, daß die Pump pulsamplitude nicht über den Schwellenwert für die Erzeugung des zweiten Relaxationsimpulses ansteigt, siehe auch Chinlon Lin: Studies of Relaxation Oscilla tions in Organic Dye Lasers - IEEE Journ. Quant. Electronics Vol. QE 11 No. 8, August 1975, 602-609.In order to obtain such an individual pulse with the shortest possible half-life, it is necessary to use a resonator life that is short compared to the pump pulse duration. Furthermore, too high a pump pulse amplitude must not be used, since there is then the risk that a second relaxation oscillation pulse can form. The optimal choice of the various parameters to achieve the shortest possible individual pulse with a given pulse half width is from the publication of JQ Yao: Optimum Operational Parameters of the Ultrashort Cavity Laser - Appl. Phys. Lett. 41, 136-138 (1982). In general, this method can be used to achieve pulses which are shortened by a factor of 10 compared to the pump pulse. Particular care must be taken to ensure that the pump pulse amplitude does not rise above the threshold value for the generation of the second relaxation pulse, see also Chinlon Lin: Studies of Relaxation Oscilla tions in Organic Dye Lasers - IEEE Journ. Quant. Electronics Vol. QE 11 No. August 8, 1975, 602-609.

Ein gattungsgemäßes Verfahren, vergl. den im folgenden genannten Aufsatz von A. Eraniar et al, um einen Laserimpuls in seiner Dauer zu verkürzen, besteht darin, daß man durch das aktive Medium dieses Lasers während des Impulses einen anderen Laserstrahl in anderer Richtung hindurchsendet, dessen Intensität wesentlich stärker ist und der damit die Inversion des aktiven Mediums schnell abbaut, so daß die ursprüngliche Laseremission nicht mehr weiter aufrechterhalten werden kann und dieser ursprüngliche Laserimpuls abbricht. Die Erzeugung des zweiten, den ersten unterdrückenden Laserstrahl, kann auf verschie dene Weise erfolgen; z. B. dadurch, daß man einen zweiten Resonator aufbaut, der mit dem ersten Resonator ein gemeinsames aktives Medium hat. Wenn der zweite Resonator eine höhere Güte besitzt als der erste, so wird die Photonenzahl im zweiten Resonator im allge meinen zu einem bestimmten Zeitpunkt über die im ersten Resonator anwachsen und damit in der Lage sein, die Inversion im gemeinsamen aktiven Medium schneller abzubauen als der im ersten Resonator erzeugte Laser strahl. Dieses sowie verschiedene andere Verfahren, mit denen Laserstrahlungsimpulse bis zu einer Halbwerts breite von etwas unter 1 ns erzeugt wurden, sind in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben:A generic method, cf. the article by A. Eraniar et al mentioned below for a laser pulse in his Shortening the duration consists in the fact that through the active medium of this laser during the pulse one sends another laser beam in a different direction, whose intensity is much stronger and the one with it the inversion of the active medium breaks down quickly, so that the original laser emission no longer continues can be maintained and this original Laser pulse breaks off. The creation of the second, the first suppressive laser beam, can be different that way; e.g. B. by one second resonator that builds with the first resonator has a common active medium. If the second Resonator has a higher quality than the first, see above the number of photons in the second resonator in general mean at some point about that in the first Grow resonator and thus be able to Inversion in the shared active medium faster to degrade than the laser generated in the first resonator beam. This as well as various other procedures with which laser radiation pulses up to a half value widths of just under 1 ns are generated in the described the following publications:

A. Anreoni, P. Benetti, and C.A. Sacchi: Subnanosecond Pulses from a Single-Cavity Dye Laser - Appl. Phys. 7, 61-64 (1975);
A. Eranian, P. Dezauzier, and O. De Witte: 2-nsec Pulses from Double Cavity Dye Laser. - Opt. Commun. 7, 150-154 (1973);
H. Inomata and A. I. Carswell: Simultaneous Tunable Two-Wavelength Ultraviolet Dye Laser. - Opt. Commun. 22, 278-282 (1977);
H. Lotem and R.T. Lynch, Jr.: Double-Wavelength Laser. - Appl. Phys. Lett. 27, 344-346 (1975) beschrieben.A. Anreoni, P. Benetti, and CA Sacchi: Subnanosecond Pulses from a Single-Cavity Dye Laser - Appl. Phys. 7: 61-64 (1975);
A. Eranian, P. Dezauzier, and O. De Witte: 2-nsec Pulses from Double Cavity Dye Laser. - Opt. Commun. 7: 150-154 (1973);
H. Inomata and AI Carswell: Simultaneous Tunable Two-Wavelength Ultraviolet Dye Laser. - Opt. Commun. 22: 278-282 (1977);
H. Lotem and RT Lynch, Jr .: Double-Wavelength Laser. - Appl. Phys. Lett. 27, 344-346 (1975).

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren anzugeben, mit dem Einzelimpulse erzeugt werden können, die unabhängig von der Länge des Pumppulses eine in weiten Grenzen frei wählbare Impulsdauer aufweisen. Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßem Verfahren durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Kombination von Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen. It is the object of the invention to provide a simple method specify with which individual pulses can be generated, which is one in regardless of the length of the pump pulse freely selectable pulse duration. This task is carried out in a generic method by the in the characterizing part of claim 1 specified combination of measures solved. Advantageous devices for Implementation of this procedure is the subject of subclaims.

Bei dem vorliegenden Verfahren werden also die beiden oben erwähnten alternativen Verfahren in nicht naheliegender Weise kombiniert, es findet nämlich die gleichzeitige Aus nutzung von Relaxationsimpulsen durch das Einschwingen eines kurzen optischen Resonators und das Unterdrücken aller weiteren Relaxationsimpulse nach dem ersten durch einen zweiten, gekoppelten Resonator statt. Durch diese Kombination lassen sich überraschenderweise einzelne, sehr kurze Laserstrahlungsimpulse erzeugen.In the present method, therefore, the two mentioned above are used alternative procedures in a non-obvious way combined, namely it finds the simultaneous end use of relaxation impulses by the settling of a short optical resonator and suppressing of all further relaxation impulses after the first a second, coupled resonator instead. Through this Combination surprisingly, individual, generate very short laser radiation pulses.

Das erfindungsgemäße Verfahren, bei welchem dem zwei Resonatoren gemeinsamen stimulierbaren Lasermedium mit tels eines ersten Relaxationsvorganges vorgegebenen Schwellenwertes, relativ kurzer Zeitkonstante und rela tiv kleiner Güte Energie aus dem ersten Resonator in Form des gewünschten einzelnen kurzen Laserstrahlungs impulse entnommen wird und anschließend die Inversion im Lasermedium durch einen zweiten Relaxationsvorgang relativ langer Zeitkonstante und relativ hoher Güte im zweiten, mit dem ersten gekoppelten Resonator unter dem vorgegebenen Schwellenwert des ersten Resonators gehal ten wird, und die angegebenen Vorrichtungen sind allgemein bei solchen Lasern anwendbar, die ihrerseits von gepulsten Lasern gepumpt werden. Das Verfahren zeichnet sich durch konzeptionelle Ein fachheit aus und die Vorrichtungen zur Realisation des Verfahrens erfordern einen besonders geringen tech nischen Aufwand.The method according to the invention, in which the two Resonators shared with stimulable laser medium given a first relaxation process Threshold, relatively short time constant and rela tiv small quality energy from the first resonator in Shape of the desired single short laser radiation impulse and then the inversion in the laser medium through a second relaxation process relatively long time constant and relatively high quality in second, coupled to the first resonator under the predetermined threshold of the first resonator gehal ten, and the specified devices are generally applicable to such lasers, which in turn are pumped by pulsed lasers. The procedure is characterized by conceptual one expertise and the devices for realizing the Process require a particularly low tech African effort.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.The following are exemplary embodiments of the invention explained in more detail with reference to the figures.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 ein Diagramm, auf das oben bereits Bezug genom men wurde; Fig. 1 is a diagram to which reference has already above men genome;

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung; Fig. 2 is a schematic diagram for explaining the principle of the invention;

Fig. 3 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufes eines Stimulier- oder Pumpstrahlungsimpulses; Fig. 3 is a diagram of the temporal course of a Stimulier- or pump radiation pulse;

Fig. 4 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufes eines Ausgangsstrahlungsimpulses eines Lagers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 4 is a diagram of the timing of an output radiation pulse of a bearing according to an embodiment of the invention, and

Fig. 5, 6 und 7 schematische Darstellungen von bevor zugten Ausführungsbeispielen von Vorrichtungen zur Durchführung des Volumens gemäß der Erfindung. Fig. 5, 6 and 7 are schematic representations of prior ferred embodiments of devices for carrying out the volume according to the invention.

Das vorliegende Verfahren zur Erzeugung kurzer einzel ner kohärenter Strahlungsimpulse ist so allgemeiner Natur, daß es prinzipell für alle Laserarten einsetz bar ist, der Einfachheit halber soll jedoch zuerst ein ganz spezielles Beispiel für den sichtbaren Spek tralbereich besprochen werden, das besonders einfach zu durchschauen und für die Anwendung von besonderer Bedeutung ist. Fig. 2 zeigt schematisch eine Laserein richtung, die eine Farbstoffküvette mit quadratischem Querschnitt von 1 mm Kantenlänge enthält. Diese Küvet te ist auf zwei aneinanderstoßenden Flächen mit Ver spiegelungen M₁ und M₂ versehen und auf einer dritten Fläche mit einer Antireflexbeschichtung A _R. Parallel zur Spiegelfläche M₁ steht im Abstand von einigen Zentimetern ein Spiegel M₃. Die drei Spiegel M₁, M₂, M₃ sollen möglichst hohe Reflexionsfaktoren im sichtbaren Spektralbereich aufweisen, also beispiels weise aus dicken Silberschichten oder noch besser wegen der höheren Belastbarkeit aus dielektrischen Vielfachschichten bestehen. Die Küvette wird in einer Richtung senkrecht zur Papierebene von einer als sti mulierbares, aktives Lasermedium LM dienenden Farb stofflösung durchflossen, z. B. von einer Rhodamin-6G- Lösung von passender Konzentration, beispielsweise 10^-3 Mol/l. Diese Lösung wird durch die Strahlung eines Pumplasers P gepumpt, beispielsweise indem der Pumplaserstrahl PS so durch eine Zylinderlinse C in eine Brennlinie fokussiert wird, die in der Papierebene liegt und etwa längs der Diagonalen verläuft, die von den Durchstoßpunkten der entfernten Kanten der Spiegel M₁ und M₂ durch die Papierebene aufgespannt wird. Als Pumplaser möge beispielsweise ein Xenon-Chlorid-Excimerlaser verwandt werden, dessen Ausgangsstrahlungsimpulse den im Oszillogramm der Fig. 3 wiedergegebenen Verlauf haben.The present method for generating short individual coherent radiation pulses is so general in nature that it can be used in principle for all types of lasers, but for the sake of simplicity, a very specific example for the visible spectral range will be discussed first, which is particularly easy to see through and for the application is of particular importance. Fig. 2 shows schematically a Laserein direction, which contains a dye cell with a square cross section of 1 mm edge length. This cuvette is provided on two abutting surfaces with reflections M ₁ and M ₂ and on a third surface with an anti-reflective coating A _R. Parallel to the mirror surface M ₁ is a mirror M ₃ at a distance of a few centimeters. The three mirrors M ₁, M ₂, M ₃ should have the highest possible reflection factors in the visible spectral range, for example, consist of thick silver layers or even better because of the higher load capacity of dielectric multilayers. The cuvette is flowed through in a direction perpendicular to the paper plane by a dye solution serving as a stimulable, active laser medium LM , e.g. B. from a rhodamine 6G solution of appropriate concentration, for example 10 ^-3 mol / l. This solution is pumped by the radiation of a pump laser P , for example by the pump laser beam PS is thus focused through a cylindrical lens C into a focal line which lies in the plane of the paper and runs approximately along the diagonal line which passes from the penetration points of the distant edges of the mirrors M 1 and M ₂ is spanned by the plane of the paper. For example, a xenon chloride excimer laser may be used as the pump laser, the output radiation pulses of which have the course shown in the oscillogram of FIG. 3.

Im folgenden soll nur eine qualitative Funktionsbe trachtung gegeben werden, die aber durch Aufstellen der entsprechenden Ratengleichungen und Lösen dersel ben mit Hilfe von Digitalrechnern quantitativ detail liert verifiziert wurde. Das aktive Lasermedium LM, in diesem Falle also die Rhodamin-6G-Lösung, ist von zwei gekreuzten Laserresonatoren umgeben. Der erste, lange Resonator wird von den Spiegelflächen M₁ und M₃ gebildet, während der zweite kurze Resonator von dem Spiegel M₂ und der gegenüberliegenden, nicht beschich teten Glas-Luft-Grenzfläche M₄ der Küvette gebildet wird. Letztere hat im sichtbaren Spektralbereich einen Fresnelschen Reflexionsfaktor von ungefähr 0,04, wenn normales optisches Glas bzw. Quarzglas für die Küvettenwände benutzt wird.In the following, only a qualitative consideration of the function is to be given, but this has been verified quantitatively in detail by setting up the corresponding rate equations and solving them with the aid of digital computers. The active laser medium LM , in this case the rhodamine 6G solution, is surrounded by two crossed laser resonators. The first, long resonator is formed by the mirror surfaces M ₁ and M ₃, while the second short resonator is formed by the mirror M ₂ and the opposite, uncoated glass-air interface M ₄ of the cuvette. The latter has a Fresnel reflection factor of approximately 0.04 in the visible spectral range if normal optical glass or quartz glass is used for the cell walls.

Wenn nun die Farbstofflösung in der Küvette mit einem intensiven, steil an steigenden Pumpimpuls bestrahlt wird, so entsteht, eine entsprechende Pumppulsamplitude vorausgesetzt, schon im ansteigenden Teil des Pumpimpulses eine Laseroszil lation im kurzen Resonator, der wegen der kurzen Resonatorlänge von nur wenig mehr als 1 mm sehr schnell in den stationären Zustand einschwingt und dadurch einen ersten, sehr kurzen Relaxationspuls ausbildet, der als aus der Küvette austretender Laserstrahl mit einer Photodiode P oder einem anderen geeigneten Meßinstrument zur Untersuchung des zeitlichen Impuls verlaufs, beispielsweise mit einer Streak-Kamera, nach gewiesen werden kann.If the dye solution in the cuvette is now irradiated with an intense, steeply increasing pump pulse, a corresponding pump pulse amplitude creates a laser oscillation in the short resonator in the rising part of the pump pulse, which due to the short resonator length of only a little more than 1 mm swings very quickly into the steady state and thereby forms a first, very short relaxation pulse, which is detected as a laser beam emerging from the cuvette with a photodiode P or another suitable measuring instrument for examining the temporal pulse course, for example with a streak camera can be.

Im langen Resonator dagegen wird die Laserschwelle erst sehr viel später erreicht, da hier eine Resonatorlänge von einigen Zentimetern benutzt wird, also einige Male dem Zehnfachen der Resonatorlänge des kurzen Resonators entsprechend. Erfindungsgemäß wird nun die Länge dieses zweiten Resonators so eingestellt, daß der in diesem Resonator entstehende erste Relaxationsimpuls gerade dann auftritt, wenn der erste Relaxationsimpuls aus dem kurzen Resonator beendet ist und der zweite Relaxa tionsimpuls des kurzen Resonators noch nicht ange schwungen ist. Mit anderen Worten gesagt, beginnt der Relaxationsimpuls im langen Resonator in der Zeitspanne zwischen dem Ende des ersten Relaxationsimpuls im kurzen Resonator und dem Zeitpunkt, an dem der nächste Relaxationsimpuls im kurzen Resonator beginnen würde, also in Fig. 1 in der Zeitspanne zwischen etwa 5 und 6 ns. Der erste Relaxationsimpuls des langen Resonators baut nun die Inversion des Mediums bis unter die dem Laserschwellenwert des kurzen Resonators entsprechende kritische Inversion ab. Sie wird auch danach nicht mehr wesentlich über diesen Wert ansteigen und damit immer wesentlich unter dem Schwellenwert des kurzen Resona tors bleiben, der wegen der hohen Auskoppelverluste von 96% durch die unbeschichtete Küvettenfläche einen sehr hohen Schwellenwert hat, im Gegensatz zu dem langen Resonator, der sehr geringe Verluste durch die maximal reflektierenden Spiegel M₁ und M₃ aufweist. Es wird somit für die ganze restliche Dauer des Pumpimpulses zwar eine Laseroszillation im langen Resonator auftre ten, jedoch keine im kurzen Resonator, so daß das Ziel erreicht ist, bei beliebig langen Pumpimpulsen nur einen einzelnen kurzen Laserimpuls zu erzeugen, der aus der unverspiegelten Wand der Küvette austritt.In the long resonator, on the other hand, the laser threshold is only reached much later, since a resonator length of a few centimeters is used here, that is to say a few times the resonator length of the short resonator. According to the invention, the length of this second resonator is now set such that the first relaxation pulse arising in this resonator occurs precisely when the first relaxation pulse from the short resonator has ended and the second relaxation pulse of the short resonator has not yet swung. In other words, the relaxation pulse in the long resonator begins in the period between the end of the first relaxation pulse in the short resonator and the point in time at which the next relaxation pulse in the short resonator would begin, i.e. in FIG. 1 in the period between about 5 and 6 ns. The first relaxation pulse of the long resonator now reduces the inversion of the medium to below the critical inversion corresponding to the laser threshold value of the short resonator. Even after that, it will no longer rise significantly above this value and thus always remain significantly below the threshold value of the short resonator, which has a very high threshold value due to the high coupling loss of 96% due to the uncoated cell area, in contrast to the long resonator, which very low losses due to the maximum reflecting mirrors M ₁ and M ₃. It is thus for the entire remaining duration of the pump pulse that laser oscillation occurs in the long resonator, but none in the short resonator, so that the goal is achieved to generate only a single short laser pulse at any length of the pump pulse, which from the non-mirrored wall of the Cuvette emerges.

In Fig. 4 ist im oberen Teil der auf dieser Art und Weise erzeugte Impuls wiedergegeben, wie er mit einer Streak-Kamera aufgenommen wurde. Die erzielte Impuls halbwertsbreite ist 120 ps. Im unteren Teil dagegen ist ein Relaxationsimpulszug aus dem kurzen Resonator wiedergegeben, wie er entsteht, wenn der Spiegel M₃ entfernt oder zwischen die Küvette und den Spiegel M₃ ein Stück Papier gestellt wird, um die Laseroszillation im langen Resonator zu unterdrücken. Man erkennt sehr klar die durch die Wirkung des langen Resonators er zeugte Unterdrückung des zweiten und aller folgenden Relaxationsimpulse im kurzen Resonator. Eine Untersu chung der Polarisation des Laserstrahls aus dem kurzen Resonator ergab, daß bei unpolarisierter Pumpstrah lung der erste Relaxationsimpuls völlig linear polari siert war, wobei der elektrische Vektor parallel zur Papierebene lag, während die späteren Relaxationsim pulse nur teilweise polarisiert waren bzw. aus Über lagerung von zwei senkrecht zueinander polarisierten Impulsen bestanden, was die unregelmäßige Folge der späteren Relaxationsimpulse bei entferntem oder blockiertem Spiegel M₃ erklärt. Diese Polarisation des ersten Impulses läßt sich aus der orthogonal zuein anderstehenden Lage der Übergangsmomente des emittie renden und absorbierenden Dipols im gewählten Farbstoff molekül erklären. Bei anderen Farbstoffmolekülen, deren beide Dipole parallel zueinander sind, ergäbe sich eine senkrecht dazu liegende Polarisation des ersten Impulses. Die später auftretenden Relaxationsim pulse anderer Polarisation bei blockiertem Spiegel M₃ lassen sich erklären durch die Rotation der angeregten Farbstoffmoleküle in der Lösung.The upper part of FIG. 4 shows the pulse generated in this way, as was recorded with a streak camera. The pulse half-width achieved is 120 ps. In the lower part, on the other hand, a relaxation pulse train is reproduced from the short resonator as it arises when the mirror M ₃ is removed or a piece of paper is placed between the cuvette and the mirror M ₃ in order to suppress the laser oscillation in the long resonator. One recognizes very clearly the suppression of the second and all subsequent relaxation impulses in the short resonator, which is generated by the effect of the long resonator. An investigation of the polarization of the laser beam from the short resonator showed that in the case of unpolarized pump radiation, the first relaxation pulse was completely linearly polarized, the electrical vector lying parallel to the paper plane, while the later relaxation pulses were only partially polarized or from superimposition consisted of two mutually polarized pulses, which explains the irregular sequence of the later relaxation pulses when the mirror M ₃ is removed or blocked. This polarization of the first pulse can be explained from the orthogonal to each other position of the transition moments of the emitting and absorbing dipole in the chosen dye molecule. With other dye molecules, the two dipoles of which are parallel to one another, the polarization of the first pulse would be perpendicular to this. The later-occurring Relaxationsim pulse of other polarization with blocked mirror M ₃ can be explained by the rotation of the excited dye molecules in the solution.

Eine genauere Analyse der Ratengleichungen zeigt, daß bei höherer Pumpimpulsamplitude, wie auch bereits schon in der unteren Hälfte von Fig. 4 angedeutet, zwischen dem ersten und zweiten Relaxationsimpuls die Laserlei stung nicht mehr ganz auf Null heruntergeht. Trotzdem kann man bei entsprechender Längenjustierung des zwei ten Resonators stets die weitere Emission aus dem kurzen Resonator völlig unterdrücken.A more precise analysis of the rate equations shows that at higher pump pulse amplitudes, as already indicated in the lower half of FIG. 4, the laser line power no longer drops completely to zero between the first and second relaxation pulses. Nevertheless, you can always completely suppress the further emission from the short resonator with appropriate length adjustment of the two resonators.

Um eine möglichst kurze Halbwertsbreite des im kurzen Resonator erzeugten Einzelimpulses zu erzielen, muß man die Resonatorlebensdauer des kurzen Resonators mög lichst klein halten. Die Resonatorlebensdauer oder Zeitkonstante eines Resonators hängt vor allem von der Resonatorlänge, d. h. der Umlaufzeit der Laserstrahlung und außerdem vom Reflexionsfaktor der Resonatorspie gel ab, siehe z. B. OPTICS COMMUNICATIONS 23, No. 3, Dec. 1977, 440-442. Im vorliegenden Falle kann die Resonatorlebensdauer als die Zeitspanne definiert wer den, in der die Photonendichte in einem passiven Resonator (d. h. also einem Resonator, in dem keine Photonen aktiv in einem Lasermedium erzeugt werden) auf 1/e abgesunken ist. Dieses Absinken hat seine Ursache in der Auskopplung der Laserstrahlung, z. B. durch einen teildurchlässigen Spiegel, und anderwei tigen Verlusten, z. B. Beugungsverlusten, Reabsorption im aktiven Medium, Absorption in den Reflektorschichten usw.. Man kann dies alles in einer effektiven Reflektivität R zusammenfassen, und die Resonatorlebensdauer t _c ist dann für den Fall, daß R nicht wesentlich von 1 verschieden ist (d. h. also für den Fall hoher Resona torgüte) wie folgt definiert:In order to achieve the shortest possible half-value width of the single pulse generated in the short resonator, the resonator life of the short resonator must be kept as small as possible. The resonator life or time constant of a resonator depends primarily on the length of the resonator, ie the period of the laser radiation, and also on the reflection factor of the resonator mirror, see, for. B. OPTICS COMMUNICATIONS 23, No. 3, Dec. 1977, 440-442. In the present case, the resonator lifetime can be defined as the time period in which the photon density in a passive resonator (ie, a resonator in which no photons are actively generated in a laser medium) has dropped to 1 / e. This drop has its cause in the decoupling of the laser radiation, for. B. by a semitransparent mirror, and otherwise losses, z. B. diffraction losses, reabsorption in the active medium, absorption in the reflector layers, etc. All of this can be summarized in an effective reflectivity R , and the resonator life t _c is then in the event that R is not significantly different from 1 (ie for the case of high resonance quality) is defined as follows:

t _c=L/[(c(1-R))], t _c = L / [(c (1- R))] ,

wobei L die optische Weglänge im Resonator (einfacher Weg), c die Lichtgeschwindigkeit und R die effektive Reflektivität (im Falle hoher Reflexionsfaktoren R₁, R₂ der beiden Spiegel ist R= bedeuten.where L is the optical path length in the resonator (simple path), c is the speed of light and R is the effective reflectivity (in the case of high reflection factors R ₁, R ₂ of the two mirrors, R = mean.

Eine möglichst kurze Resonatorlebensdauer des kurzen Resonators kann einmal dadurch erreicht werden, daß die optische Länge des Resonators klein gehalten wird, im vorliegenden Fall nur wenige Millimeter (das aktive Medium hat 1 mm Länge, der optische Weg im kurzen Resonator ist daher hier 1 mm multipliziert mit dem Brechungsindex in der Lösung zuzüglich der optischen Weglänge in den beiden Küvettenwänden, die z. B. aus Glas oder Quarzglas bestehen) und daß man weiterhin die Güte des Resonators durch eine hohe Auskopplung gering hält. Ferner zeigt eine genaue Analyse der rechneri schen Lösung der Ratengleichungen, daß es besonders vorteilhaft ist, wenn man den Anteil der spontanen Emission, die in den Raumwinkel des Laserstrahls geht, möglichst niedrig hält, da dieser Anteil der spontanen Emission die Laseroszillation anfacht und ein zunächst langsames Anfachen der Laseroszillation dieselbe verzö gert, bis die Pumpleistung sehr hoch geworden ist und dann ein Relaxationsimpuls mit steilerer Anstiegskante und entsprechend auch steilerer Abfallskante erzeugt werden kann, so daß insgesamt die Halbwertsbreite sehr kurz wird. Man kann dies erreichen, indem man die Querdimensionen des aktiven Mediums höchstens gleich seiner Längsdimension wählt, wie es hier geschehen ist, vorteilhafterweise jedoch noch geringer. Man könnte beispielsweise auch statt der Reflexion an der unver spiegelten Fläche der Küvette einen externen Spiegel verwenden, der kleine Dimensionen hat und in einem gewissen Abstand von der Küvette parallel zu der dann zu entspiegelnden Küvettenwand aufgestellt wird. In diesem Fall kann man auch noch durch spektrale Selek tion mittels Filter, Prisma oder Gitter den für die Anfachung der Laseroszillation in Frage kommenden Bruchteil der spontanen Emission noch weiter herunter drücken, um den ersten Relaxationsimpuls noch weiter zu verkürzen. Stets ist für die minimal erreichbare Halbwertsbreite die Anstiegsgeschwindigkeit des Pump lichtimpulses wesentlich. Diese kann man z. B. dadurch erhöhen, daß man den Pumplichtimpuls aufsteilt, indem man ihn zunächst durch einen sättigbaren Absorber gehen läßt, der in bekannter Art und Weise die niedrige Anfangsintensität des Pumplichtimpulses weitgehend un terdrückt und nur die hohe Intensität der Pulsspitze praktisch ungeschwächt hindurchläßt.The shortest possible resonator life of the short one Resonators can be achieved in that the optical length of the resonator is kept small, in the present case only a few millimeters (the active one Medium has a length of 1 mm, the optical path in short The resonator is therefore 1 mm multiplied by the Refractive index in the solution plus the optical Path length in the two cell walls, the z. B. from Glass or quartz glass) and that you can continue the The quality of the resonator is low due to high coupling-out holds. It also shows a precise analysis of the calculations solution of the rate equations that special is advantageous if you consider the percentage of spontaneous Emission that goes into the solid angle of the laser beam, as low as possible, because this percentage of spontaneous Emission which stimulates laser oscillation and an initially slowly fanning the laser oscillation delays it until the pump power has become very high and then a relaxation impulse with a steeper rising edge and correspondingly generated steeper waste edge can be, so that overall the half-width very becomes short. You can do this by using the Cross dimensions of the active medium at most equal its longitudinal dimension, as it happened here, but advantageously even less. You could for example, instead of reflecting on the un mirrored surface of the cuvette an external mirror use that has small dimensions and in one certain distance from the cuvette parallel to that then is set up to the anti-reflective cell wall. In in this case you can also use spectral selek tion by means of filters, prisms or gratings for the Enhancing laser oscillation in question Fraction of the spontaneous emission even further down Press to continue the first relaxation pulse shorten. Is always for the minimally attainable Half-width the pump's slew rate light pulse essential. This can be done e.g. B. thereby increase that the pump light pulse is divided by you first go through a saturable absorber lets the low in a known manner Initial intensity of the pump light pulse largely un suppressed and only the high intensity of the pulse peak lets through practically un weakened.

Verschiedene andere Ausführungsformen solcher gekoppelter Resonatoren, in denen in der beschriebenen Art und Weise in einem kurzen Resonator ein erster Relaxationsimpuls erzeugt wird und in einem längeren Resonator höherer Güte dann zu einem späteren Zeitpunkt eine Laseroszillation einsetzt, die alle weiteren Relaxationsoszillationen in dem kurzen Resona tor unterdrückt, sind in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellt.Various other embodiments of such coupled resonators, in which a first relaxation pulse is generated in the manner described in a short resonator and then a laser oscillation is used at a later time in a longer resonator of higher quality, which suppresses all further relaxation oscillations in the short resonator , are shown in Figs. 5, 6 and 7.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 wird der erste, kurze Resonator, in dem der Laserschwellenwert zuerst er reicht wird, durch zwei Wände W₁ und W₂ einer Küvette K gebildet, die als aktives Lasermedium beispielsweise eine geeignete Farbstofflösung enthält. Die eine Wand W₁ ist mit einer dielektrischen Vielfachschicht-Ver spiegelung versehen, die so ausgebildet ist, daß sie für die Pumplaserstrahlung PS einen möglichst kleinen Reflexionsfaktor hat, für die Wellenlänge der Laser strahlung LS jedoch einen möglichst hohen Reflexions faktor. Die andere Wand W₂ hat für die Laserstrah lungswellenlänge einen relativ geringen Reflexionsfaktor von z. B. 10%, und einen entsprechend hohen Trans missionsfaktor. Die Wand W₂ kann so ausgebildet sein, daß sie die Pumpstrahlung möglichst weitgehend in die Küvette reflektiert. Die Verspiegelungen befinden sich vorzugsweise auf den Innenflächen der vorzugsweise aus Glas oder Quarz bestehenden Wänden der Küvette.In the embodiment according to FIG. 5, the first, short resonator, in which the laser threshold value is first reached, is formed by two walls W ₁ and W ₂ of a cuvette K which, for example, contains a suitable dye solution as an active laser medium. One wall W ₁ is provided with a dielectric multi-layer mirroring, which is designed so that it has the smallest possible reflection factor for the pump laser radiation PS , but for the wavelength of the laser radiation LS the highest possible reflection factor. The other wall W ₂ has a relatively low reflection factor of z. B. 10%, and a correspondingly high Trans mission factor. The wall W ₂ can be designed so that it reflects the pump radiation as far as possible into the cuvette. The reflections are preferably located on the inner surfaces of the walls of the cuvette, which are preferably made of glass or quartz.

Der zweite, lange Resonator wird durch zwei Reflektoren M₅, M₆ begrenzt, die die Laserstrahlung möglichst gut reflektieren und so angeordnet sind, daß der Strah lengang zwischen ihnen durch die Wand W₂ geht und an der Wand W₁ reflektiert wird, wie aus Fig. 5 er sichtlich ist.The second, long resonator is limited by two reflectors M ₅, M ₆, which reflect the laser radiation as well as possible and are arranged so that the beam path between them goes through the wall W ₂ and is reflected on the wall W ₁, as from Fig. 5 it is visible.

Die Pumpstrahlung wird durch die Wand W₁ in die Küvette eingestrahlt, die Laserstrahlung tritt in der ent gegengesetzten Richtung durch die Wand W₂ aus.The pump radiation is radiated through the wall W ₁ into the cuvette, the laser radiation emerges in the opposite direction through the wall W ₂.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist die Küvette ähnlich ausgebildet wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5. Der zweite, lange Resonator ist hier jedoch als Ringresonator ausgebildet, der beispielsweise vier Reflektoren M₇ bis M₁₀ möglichst hohen Reflexions faktors für die Laserstrahlung enthalten kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Reflektoren so angeordnet, daß der Strahlengang im Ringresonator axial durch die Küvette geht, also im wesentlichen parallel zu den beiden Wänden W₁ und W₂.In the embodiment according to FIG. 6, the cuvette is designed similarly to the embodiment according to FIG. 5. The second, long resonator is here designed as a ring resonator, for example, which contains four reflectors M ₇ to M ₁₀, the highest possible reflection factor for the laser radiation can. In the illustrated embodiment, reflectors are arranged so that the beam path in the ring resonator goes axially through the cuvette, ie essentially parallel to the two walls W ₁ and W ₂.

Bei den Laservorrichtungen gemäß Fig. 5 und 6 könnte die Pumpstrahlung auch durch eine der in diesen Figuren nicht dargestellten Wände der Küvette eingestrahlt werden, also durch eine, die parallel zur Zeichenebene verläuft. In diesem Falle ist dann der Reflexionsfaktor R der Wand W₁ keinen Einschränkungen hinsichtlich der Pump-Laserwellenlänge unterworfen.In the laser devices according to Fig. 5 and 6, the pumping radiation of the cuvette could be radiated by one of the walls not shown in these figures, that is, by a parallel to the drawing plane. In this case, the reflection factor R of the wall W ₁ is not subject to any restrictions with regard to the pump laser wavelength.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 wird der erste, kurze Resonator durch einen ersten Reflektor M₁₁ und einem zweiten Reflektor M₁₂ begrenzt, die senkrecht zu einer strichpunktiert gezeichneten ersten optischen Achse O₁ und in einem vorgegebenen ersten optischen Abstand längs dieser Achse angeordnet sind. Die Reflek tor M₁₁ hat einen möglichst hohen Reflexionsfaktor für die Laserstrahlung, der zweite Reflektor M₁₂ ist in üblicher Weise teilreflektierend ausgebildet, so daß die Laserstrahlung austreten kann.In the embodiment according to FIG. 7, the first, short resonator is limited by a first reflector M ₁₁ and a second reflector M ₁₂, which are arranged perpendicular to a dash-dot-drawn first optical axis O ₁ and at a predetermined first optical distance along this axis . The reflector gate M ₁₁ has the highest possible reflection factor for the laser radiation, the second reflector M ₁₂ is partially reflective in the usual way so that the laser radiation can escape.

Der zweite, lange Resonator wird durch zwei Reflektoren M₁₃ und M₁₄ begrenzt, die für die Laserstrahlung einen möglichst hohen Reflexionsfaktor haben sollen. Die Reflektoren M₁₃ und M₁₄ sind senkrecht zu einer zweiten optischen Achse O₂ und in einem vorgegebenen zweiten optischen Abstand, der wesentlich größer als der Abstand der Reflektoren M₁₁ und M₁₂ ist, angeordnet. Die optischen Achsen O₁ und O₂ kreuzen sich, d. h. sie verlaufen als Ganzes im wesentlichen senkrecht zueinan der und schneiden sich in einer Küvette K, die das aktive Lasermedium enthält. Die von der Strahlung durchsetzten Wände der Küvette sind vorzugsweise im Brewster-Winkel zumindest bezüglich des Strahlenganges O₂ angeordnet.The second, long resonator is limited by two reflectors M ₁₃ and M ₁₄, which should have the highest possible reflection factor for the laser radiation. The reflectors M ₁₃ and M ₁₄ are perpendicular to a second optical axis O ₂ and at a predetermined second optical distance, which is much larger than the distance of the reflectors M ₁₁ and M ₁₂. The optical axes O ₁ and O ₂ intersect, ie they run as a whole essentially perpendicular to each other and intersect in a cuvette K which contains the active laser medium. The walls of the cuvette penetrated by the radiation are preferably arranged at a Brewster angle at least with respect to the beam path O ₂.

Diese Ausführungsform hat den besonderen Vorteil, daß keine wellenlängenselektiven Spiegel benötigt werden, sie wird daher zumindest derzeit bevorzugt.This embodiment has the particular advantage that no wavelength-selective mirrors are required, it is therefore at least currently preferred.

Claims

1. Method for generating individual short laser pulses, in which

a) a stimulable laser medium, which is common to a first resonator of low quality and a second resonator of high quality, is excited by a pump radiation pulse in order to generate a population inversion above a laser threshold value of the first resonator, and
b) the population inversion after the emission of the short radiation pulse from the first resonator is kept below the laser threshold value of the first resonator until the end of the pump radiation pulse,

characterized by , the combination of measures that

c) the short radiation pulse is generated by a relaxation process of a relatively short time constant in the first resonator, the population inversion being lowered below the laser threshold value of the first resonator, and
d) then, before a further relaxation radiation pulse can form in the first resonator, the population inversion is kept below the laser threshold value of the first resonator by a laser oscillation developing in the second resonator with a relatively long time constant.

2. Device for carrying out the method according to claim 1, with a first, short optical resonator of low quality and a second, long optical resonator of high quality, a laser medium arranged in both resonators and a pump radiation source for generating a population inversion in the laser medium, characterized in that that the optical resonators (M ₁- M ₃; M ₂- M ₄) and the pump radiation source (P) are dimensioned so that in the second long resonator (M ₁- M ₃) a laser oscillation only forms after the first , short resonator (M ₂- M ₄) a first short relaxation radiation pulse has occurred and ended in such a way that the population inversion in the laser medium is kept below the laser threshold value for the generation of a further relaxation radiation pulse in the first, short resonator.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the short resonator (M ₂- M ₄) is formed by two opposite, parallel walls of the stimulable medium (LM) containing the cuvette, the one wall of a highly reflective mirror ( M ₂) has, while the other wall (M ₄) is partially reflective, and that the long resonator through a perpendicular to the first two walls, having a highly reflecting mirror (M ₁) having the third wall of the cuvette and another highly reflecting mirror (M ₃) is formed, which is arranged at a distance from the cuvette on the opposite side of the third wall.

4. The device according to claim 3, characterized in that the fourth wall of the cuvette is designed to be anti-reflective is.

5. The device according to claim 2, characterized in that the short resonator is formed by two parallel walls (W ₁, W ₂) of a cuvette, one of which (W ₁) has a high reflection factor for the laser wavelength and a low reflection factor for the Pump radiation wavelength and the second (W ₂) has a relatively low reflection factor and a relatively high transmission factor for the laser wavelength, and that the long resonator is limited by two highly reflective mirrors (M ₅, M ₆), which are arranged so that the beam path between these mirrors goes through the second wall (W ₂) of the cuvette and is reflected on the first wall (W ₁) ( Fig. 5).

6. The device according to claim 2, characterized in that the short resonator is formed by two parallel walls (W ₁, W ₂) of a cuvette and that the long resonator contains a plurality of highly reflecting mirrors (M ₇ to M ₁₀) which form a ring resonator , the beam path between the two cuvette walls mentioned (W ₁, W ₂) goes through the cuvette ( Fig. 6).

7. The device according to claim 2, characterized in that the short resonator is limited by two reflectors (M ₁₁, M ₁₂) which are net angeord along a first optical axis (O ₁) and at a predetermined first optical distance , wherein the first reflector (M ₁₁) has the highest possible reflection factor for the laser radiation, while the second reflector (M ₁₂) partially reflects the laser radiation, but mostly transmits; that the long resona tor by two reflectors (M ₁₃, M ₁₄) is limited, which is at a predetermined second optical distance, which is much larger than the first distance, along a second optical axis crossing the first axis (O ₂) and perpendicular are arranged to this second axis; and that the active laser medium is arranged at the intersection of the two optical axes ( Fig. 7).

8. The device according to claim 7, characterized in that the active laser medium is arranged in a cuvette, the walls of which are arranged at least with the second optical axis (O ₂) at a Brewster angle.

9. Device according to one of claims 2 to 8, characterized in that the long resonator is at least five times longer than that short.

10. The device according to one of claims 2 to 9, characterized in that the active medium is a dye solution.