DE3835347A1

DE3835347A1 - Fluessigkeitszelle mit fokussierenden fenstern

Info

Publication number: DE3835347A1
Application number: DE19883835347
Authority: DE
Inventors: Chen Jun; Hans-Joachim Prof Dr Eichler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-10-17
Filing date: 1988-10-17
Publication date: 1990-04-19
Also published as: DE3835347C2

Description

Die Erfindung betrifft eine fokussierende Flüssigkeitszelle in einer Konstruktion, die einfach herzustellen ist, geringe optische Verluste besitzt und mit Licht hoher Leistung durchgestrahlt werden kann, ohne daß die Ein- und Austrittsfenster beschädigt werden.

Die Zelle kann zur Frequenzkonversion von Laserstrahlung durch stimulierte Streuprozesse, z. B. Raman-, Brillouin- und Rayleighstreuung verwendet werden 1, 2, 3. Weitere Einsatzmöglichkeiten, die ebenfalls auf stimulierten Streuprozessen beruhen, sind Phasenkonjugation und Impulskompression von Laserstrahlung.

Als phasenkonjugierender Spiegel kann die Zelle z. B. zum Aufbau doppeltdurchstrahlter Laserverstärker verwendet werden 4. Auch für Laserresonatoren mit phasenkonjugierenden Spiegeln und zur Impulsverkürzung sowie als passive Güteschalter 5 sind derartige Zellen geeignet.

Da die Schwellwerte für das Auftreten von stimulierten Streuprozessen in Flüssigkeiten im Bereich von einigen GW/cm² (Gigawatt pro cm²) liegen 6, müssen die verwendeten Laserstrahlen z. B. durch Sammellinsen in die Flüssigkeiten fokussiert werden, um stimulierte Streuung zu erreichen. Die bisher für stimulierte Streuprozesse verwendeten Anordnungen bestehen aus einer Zelle und einer oder zwei Glaslinsen.

Bei der Ausnutzung von stimulierten Streuprozessen zur Reflexion bzw. Rückstreuung von Laserstrahlen z. B. zum Aufbau von doppelt durchstrahlten Laserverstärkern werden Anordnungen (Fig. 1a) verwendet, die aus einer Linse und einer rohrförmigen Zelle mit zwei Fenstern bestehen 4.

Bei Anwendungen, die stimulierte Streuprozesse in Vorwärtsrichtung ausnutzen, werden auch Anordnungen nach Fig. 1b und 1c eingesetzt. Derartige Anordnungen können auch innerhalb von Laserresonatoren eingesetzt werden. Die in Fig. 1b gezeigte Anordnung besteht aus einer rohrförmigen Zelle und zwei getrennten Sammellinsen 5, 7, 8. Bei der Anordnung in Fig. 1c bilden zwei Sammellinsen gleichzeitig die Fenster der Zellen 9.

Die in Fig. 1 dargestellten Anordnungen haben folgende Nachteile:

1) An den Oberflächen von Linsen und Zellenfenstern treten große Leistungsverluste des Laserstrahls durch Reflexionen auf. Um kleine Verluste zu erhalten, muß man entspiegelte optische Bauelemente benutzen, was zusätzlichen Aufwand bei der Herstellung der Anordnungen bedeutet.
2) Durch die fokussierende Wirkung der Eintrittslinse wird der Strahldurchmesser an dem Fenster relativ klein, wodurch das Fenster beschädigt werden kann. Auch in der Anordnung Fig. 1c kann durch die fokussierende Wirkung der linken Linsenoberfläche die Eintrittslinse selbst zerstört werden.
3) Für Zellen, die mit Lösungsmitteln, Säuren und anderen aggressiven Flüssigkeiten gefüllt werden sollen, ist die Verbindung zwischen dem Rohr und den Fenstern so zu gestalten, daß die Dichtung durch die Flüssigkeit nicht gelöst wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zelle zu konstruieren, die die oben angegebenen Nachteile 1) bis 3) der bisherigen Anordnungen vermeidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Fig. 2 angegebene Zelle gelöst. Diese neuartige Zelle besteht aus einem Glasrohr, dessen Eintrittsfenster kugelförmig geformt ist (Fig. 2). Dabei muß die Dicke der Glaskugelschale gleichmäßig ausgeführt werden. Bei Verwendung als Phasenkonjugator sind jedoch Dickeschwankungen erlaubt. Phasenstörungen, die dadurch in der durchtretenden Lichtwelle auftreten, werden in der reflektierten Welle durch den Phasenkonjutationsprozeß eliminiert. Die Halbkugel kann deshalb z. B. durch Glasblasen hergestellt werden. Die halbkugelförmige Wand bildet mit der Flüssigkeit eine Sammellinse, deren Brennweite von der Brechzahl der Flüssigkeit n₁ und vom Krümmungsradius R der Wand abhängig ist. Aus der geometrischen Optik in der paraxialen Nährung ergibt sich die Brennweite der Flüssigkeitslinse zu 10:

Dabei ist n₀ die Brechzahl aus der Umbebung.

Die neuartige Zelle hat drei wesentliche Vorteile:

1. In dieser Zelle ist nur eine geringe Zahl von Grenzflächen vorhanden, so daß die Reflexionsverluste klein sind, ähnlich wie bei der Anordnung in Fig. 1c.
2. Da die Sammellinse und die Flüssigkeit eine Einheit bilden, zwischen denen keine Grenzfläche existiert, kann diese auch nicht beschädigt werden. Die Zelle kann daher im Vergleich zu den Anordnungen 1 a-1 c mit höheren Leistungen betrieben werden.
3. Da die Zelle aus einem einheitlichen Material hergestellt werden kann, z. B. durch Glasblasen, treten keine Dichtungsprobleme an den Fenstern auf.

Die neuartige Zelle kann auch als teleskopisches System ausgeführt werden. Dabei wird die Länge L der Zelle gleich der Summe der Brennweiten der beiden halbkugelförmigen Enden gewählt:

L = f′ + f′′ (2)

Ein paralleler Strahl wird nach Durchgang durch die Zelle wieder parallel sein. In Fig. 3 ist eine derartige teleskopische Zelle mit zwei Fenstern gleicher Krümmung dargestellt. Bei der Herstellung der Zelle dient Gl. 2 als Abschätzung. Zur genauen Festlegung der Länge L und der Brennweite f′ und f′′ sollten diese gemessen werden.

Durch Entspiegelung der Eintritts- und Austrittsfenster können die Reflexionsverluste der Zellen weiter verringert werden.

Als Beispiel wurde die neuartige Zelle mit Aceton als phasenkonjugierender Spiegel benutzt. Die technische Anordnung ist in Fig. 4 schematisch gezeigt. Ein Nd : YAG-Laserstrahl mit einer Pulsdauer von 15 ns wird in die neuartige Zelle fokussiert. Bei einer Intensität über einem Schwellwert, der z. B. für Aceton 2,6 GW/cm² beträgt 11, tritt stimulierte Brillouin- Rückstreuung (SBS) auf. Eine λ/4-Platte und ein Mehrschichtpolarisator bilden einen optischen Isolator für den Schutz des Lasers gegen die Rückstreuung der SBS-Zelle. Der gemessene Reflexionsgrad der Zelle, der als Verhältnis der rückgestreuten Energie E _R zur einfallenden Energie E _o definiert ist, ist als Funktion der eingestrahlten Energie in Fig. 5 dargestellt. Zum Vergleich sind auch Meßergebnisse für herkömmliche Brillouinzellen, wie in Fig. 1a dargestellt, angegeben. Mit der neuartigen Zelle erhöht sich der Reflexionsgrad im Vergleich zur herkömmlichen Zelle auf etwa den doppelten Wert.

Die Betriebsenergien der Zellen sind durch lichtinduzierte Blasenbildung begrenzt. Die dafür erforderlichen Schwellenergien können durch Überdruck oder Flüssigkeitsumwälzung heraufgesetzt werden.

Als zweites Beispiel wurde die neuartige Zelle bei einem Nd : YAG-Laser als phasenkonjugierender Spiegel und gleichzeitig als passiver Güteschalter verwendet. Der Aufbau ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Zwei Mehrschichtenspiegel M₁ und M₂ bauen einen konventionellen Resonator auf. Ein Nd : YAG-Stab wird im Resonator durch eine Xenon-Blitzlampe gepumpt. Zwischen dem Mehrschichtpolarisator und M₂ befindet sich die neuartige SBS-Zelle gefüllt mit Aceton. Am Anfang reicht die Laserintensität für SBS in Aceton nicht aus. Lasertätigkeit beginnt zwischen den Spiegeln M₁ und M₂. Wenn die Strahlintensität den Schwellwert erreicht, tritt die stimulierte Brillouin-Streuung auf. Der Reflexionsgrad der Zelle kann dann bis zu 80% betragen. Es wird somit ein neuer Resonator aus dem Spiegel M₁ und der SBS-Zelle mit geringen Verlusten aufgebaut, und die Laserintensität wächst auf einen sehr hohen Wert an. Es wird ein kurzer Laserimpuls mit einigen Nanosekunden Pulsdauer emittiert. Die Zelle spielt die Rolle eines Güteschalters und auch eines Resonatorspiegels. Das Oszillogram in Fig. 6 zeigt den Zeitverlauf der Laseremission. Die Pulsdauer beträgt 5 ns. Wegen der phasenkonjugierenden Eigenschaft der SBS ist der Laser mit der Zelle unempfindlich gegen innere Phasenstörungen. Wenn z. B. eine Streuscheibe S in den Strahlgang geschoben wird, bleibt das Strahlprofil ungeändert, im Gegensatz zu dem Verhalten eines Lasers ohne innere SBS-Zelle. Mit der herkömmlichen Küvette nach Fig. 1b war bei den in Fig. 6 angegebenen Parametern kein stabiler Laserbetrieb möglich.

Der Laser mit der neuartigen Flüssigkeitszelle als phasenkonjugierender Spiegel besitzt also ein Strahlprofil, das gegen innere Phasenstörungen stabil ist. Die Flüssigkeitszelle wirkt gleichzeitig als Güteschalter, so daß ein kurzer Lichtimpuls emittiert wird.

Fig. 1 Bisher benutzte Anordnungen aus Linsen und mit Flüssigkeit gefüllten Zellen für stimulierte Streuprozesse.

Fig. 2 Die neuartige Zelle.

Fig. 3 Neue Zelle als teleskopisches System.

Fig. 4 Anwendung einer SBS-Zelle als phasenkonjugierender Spiegel unter Ausnutzung der Brillouin-Rückstreuung.

Fig. 5 Reflexionsgrad von SBS-Zellen gefüllt mit Aceton als Funktion der einfallenden Pulsenergie.

Fig. 6 Laserresonator mit SBS-Zelle (Krümmungsradius der Fenster 13 mm; Glaswandstärke 1,5 mm; Acetonfüllung mit Brechzahl 1,36; Brennweite f′=f′′=49 mm; Länge 98 mm).

Literatur

1) W. Kaiser, M. Maier
"Stimulated Rayleigh, Brillouin and Raman Spectroscopy", in "Laser Handbook", Vol. 2, ed. by F. T. Arecchi and E. O. Schulz-DuBois
2) C. White
"Stimulated Raman Scattering", in "Tunable Lasers", ed by L. F. Mollenauer and J. C. White, Springer Verlag (1987)
3) B. Ya, Zel'dovich et al.,
JETP Lett. 15, 108 (1972).
4) D. M. Pepper, D. A. Rocknell. H. W. Brensselbach
Photonics spectra, p. 95, August (1986)
5) D. Pohl
Phys. Lett. 24A, 239 (1976)
6) V. I. Bezrodnyi et al.
Sov. J. Quantum Electr. 10, 382 (1980)
7) M. M. Deanriez-Roberge, G. Giuliani
Opt. Lett. 7, 339 (1981)
8) N. N. Il'ichev et al.
Sov. J. Quantum Electr. 12, 1161 (1982)
9) S. A. Lesnik, M. S. Soskin and A. I. Khizhnyak
Sov. Phys. Tech. Phys. 24, 1249 (1980)
10) Bergman, Schaefer
"Lehrbuch der Experimentalphysik" Band III, Optik, 8. Auflage (1987)
11) H. J. Eichler, Chen Jun and K. Richter
"Phase-Conjugation Using Nd : YAG-Lasers" in Proceedings of the 8th International Congress Laser, Springer-Verlag (1987)

Claims

1. Zelle zur Beobachtung von stimulierten Streuprozessen in Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß gekrümmte Eintrittsfenser verwendet werden, so daß durch das gekrümmte Flüssigkeitsvolumen eine Fokussierung der einfallenden Strahlung erfolgt.

2. Zelle mit gekrümmten Eintritts- und Austrittsfenster, so daß in einem teleskopischen Strahlengang das austretende Strahlenbündel parallel ist, wenn das einfallende Strahlenbündel parallel ist.

3. Zelle nach 1. oder 2. zur Anwendung als phasenkonjugierenden Spiegel unter Ausnutzung stimulierter Streuprozesse.

4. Zelle nach 1. oder 2. zur Anwendung als passiver Güteschalter für einen Laser unter Ausnutzung stimulierter Streuprozesse.