DE3835347C2

DE3835347C2 -

Info

Publication number: DE3835347C2
Application number: DE19883835347
Authority: DE
Inventors: Chen Jun; Hans-Joachim Prof. Dr. 1000 Berlin De Eichler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-10-17
Filing date: 1988-10-17
Publication date: 1991-08-29
Also published as: DE3835347A1

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Zelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Solche Zelle ist bekannt z. B. aus "Laser Handbook", Vol. 2, North-Holland Publ. Comp., 1972, ed. F. T. Arecchi, E. O. Schulz-DuBois, S. 1100, Fig. 6 und S. 1126, Fig. 17 sowie aus B. Ya Zel'dovich, N. R. Pilipetsky, Y. Y. Shkunow "Principles of Phase Conjugation" Springer-Verlag, S. 13, Fig. 1.11 und S. 128, Fig. 5.4. Diese bekannten Zellen besitzen ebene Eintrittsfenster. Da die Schwellwerte für das Auftreten von stimulierten Streuprozessen in Flüssigkeiten im Bereich von einigen GW/cm² (Gigawatt pro cm²) liegen, müssen die verwendeten Laserstrahlen z. B. durch Sammellinsen in die Flüssigkeiten fokussiert werden, um stimulierte Streuung zu erreichen. Derartige Anordnungen haben folgende Nachteile:

1) An den Oberflächen von Linsen und Zellenfenstern treten 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.

Eine weitere Ausführungsform einer optischen Flüssigkeitszelle ist bekannt aus S. A. Lesnik, M. S. Soskin und A. I. Khizhnyk, Sov. Phys. Techn. Phys. 24, 1249 (1980). Dabei werden als Eintritts- und Austrittsfenster je eine Glaslinse verwendet. Durch die Eintrittslinse wird die Strahlung in die Flüssigkeit fokussiert. Wegen der verringerten Zahl der optischen Grenzflächen sind die Verluste geringer als bei den oben beschriebenen Zellen, jedoch kann auch hier durch die fokussierende Wirkung der ersten Linsenoberfläche die Eintrittslinse selbst zerstört werden. Außerdem sind derartige Zellen schwierig herzustellen, da die Verbindung zwischen Linsen und Zellenmantel so zu gestalten ist, daß sie durch die verwendeten Flüssigkeiten Halogen-Kohlenwasserstoffe (z. B. Aceton, Alkohole) nicht gelöst werden.

Eine andere Ausführungsform einer Flüssigkeitszelle ist aus DE 26 11 383 C2 bekannt. Dort wird ein zylindrisches Gefäß aus lichtdurchlässigem Material verwendet, das mit einer Meßflüssigkeit gefüllt ist. Das gefüllte Gefäß wirkt als zylindrische Sammellinse in einer optischen Meßanordnung. Eine derartige Zelle ist jedoch für die Anregung stimulierter Streuprozesse und die in den Ansprüchen 3 und 4 angegebenen Verwendungen nicht geeignet, da damit die einfallenden Lichtstrahlen nicht in einen Brennpunkt innerhalb der Flüssigkeit fokussiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Zelle zu konstruieren, die mit Flüssigkeit gefüllt werden kann und einen einfallenden Laserstrahl in die Flüssigkeit fokussiert, so daß stimulierte Streuprozesse auftreten. Die Zelle soll geringe optische Verluste besitzen und einfallende Strahlung mit hoher Leistung verarbeiten können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Diese neuartige Zelle besitzt ein kugelschalenförmiges Eintrittsfenster, wobei die Dicke der Glaskugelschale gleichmäßig ausgeführt ist. Das halbkugelförmige durchsichtige Fenster bildet mit der Flüssigkeit eine Sammellinse, deren Brennweite von der Brechzahl der Flüssigkeit n₁ und dem Krümmungsradius R der Wand abhängig ist. Aus der geometrischen Optik in der paraxialen Nährung ergibt sich die Brennweite der Flüssigkeitslinse nach L. Bergmann, C. Schaefer "Lehrbuch der Experimentalphysik" Band III, Optik, Walter de Gruyter-Verlag Berlin, 1987, 8. Auflage, S. 71, Gl. 1.17b zu:

Dabei ist n₀ die Brechzahl der Umgebung, z. B. Luft. Die Länge der Zelle wird größer als die Brennweite f gewählt, so daß parallel einfallende Strahlung in die Zelle fokussiert wird.

Die neuartige Zelle hat drei wesentliche Vorteile:

1. In dieser Zelle ist in Einstrahlrichtung nur eine geringe Zahl von Grenzflächen vorhanden, so daß die Reflexionsverluste klein sind.
2. Der größte Strahlquerschnitt tritt an der Stelle des Eintrittsfensters auf. Dort ist die Leistungsdichte der einfallenden, nahezu parallelen Laserstrahlung am geringsten, so daß Beschädigungen dieses Fensters im Vergleich zu bisher verwendeten Konstruktionen erst bei höheren einfallenden Leistungen auftreten. Die Zelle kann also mit höheren Leistungen als bisherige Konstruktionen betrieben werden.
3. Da die Zelle aus einem einheitlichen Material hergestellt werden kann, treten keine Dichtungsprobleme an den Fenstern auf.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist Gegenstand des Unteranspruches 2. Dieser beschreibt die Ausfüllung der neuartigen Zelle als teleskopisches System. 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. Bei der Herstellung der Zelle dient Gl. 2 als Abschätzung. Zur genauen Festlegung der Länge L sollten die Brennweiten f′ und f′′ gemessen werden.

Verwendung der neuartigen Zellen ist Gegenstand des Unteranspruches 3. Diese können vorteilhaft als phasenkonjugierende Spiegel unter Ausnutzung stimulierter Streuprozesse eingesetzt werden. Die Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten derartiger Spiegel oder Phasenkonjugatoren werden von D. M. Pepper, D. A. Rockwell, H. W. Brensselbach, in Photonics Spectra, August 1986, Seite 95 ff. beschrieben.

Eine weitere Verwendung ist Gegenstand des Unteranspruches 4. Die Zelle kann als passiver Güteschalter zur Erzeugung von Riesenimpulsen in Lasern verwendet werden. Bisher wurden dafür z. B. von D. Pohl in Phys. Lett. 24 A (1976) S. 239 ff, Zellen mit ebenen Eintrittsfenstern und zusätzlichen Fokussierungslinsen verwendet. Wegen der dargestellten Nachteile der bisherigen Zellen ist es vorteilhaft, die neuartigen Zellen einzusetzen.

Die Zellen nach Anspruch 1 und 2 können auch vorteilhaft zur Frequenzkonversion von Laserstrahlung durch stimulierte Streuprozesse, z. B. Raman-, Brillouin- und Rayleighstreuung verwendet werden. Derartige Anwendungen werden beschrieben von 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, North-Holland Publishing Comp. (1972) und C. White "Stimulated Raman Scattering", in "Tunable Lasers", ed. by L. F. Mollenauer and J. C. White, Springer Verlag (1987). Die Zelle nach Anspruch 1 eignet sich zur Frequenzkonversion in Rückwärtsrichtung bezogen auf die einfallende Strahlung, während die Zelle nach Anspruch 2 für stimulierte Streuprozesse sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung einsetzbar ist. Gegenüber bisher verwendeten Zellen, die in Fig. 1a bis c dargestellt sind, ergeben sich höhere Wirkungsgrade für die Frequenzkonversion, da die optischen Verluste geringer sind und da höhere Leistungen eingestrahlt werden können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen erläutert, wobei auch die Unterschiede zu anderen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik näher dargestellt sind. Es zeigt

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).

Es zeigt Fig. 1 bisher benutzte Anordnungen aus Linsen und optischen Zellen zur Anregung stimulierter Streuprozesse in Flüssigkeiten. In der Anordnung nach Fig. 1a werden die einfallenden Strahlen durch eine Linse in eine Flüssigkeit fokussiert, die sich in der Zelle befindet. Diese Anordnung dient zur Anregung stimulierter Streuprozesse in Rückwärtsrichtung und wird als phasenkonjugierender Spiegel verwendet. Der Nachteil dieser Zelle ist, daß insgesamt 4 Grenzflächen durchstrahlt werden, ehe das Licht in die Flüssigkeit eintritt. An jeder Grenzfläche treten Reflexionsverluste auf. Wird ein Glas mit einer Brechzahl von 1,5 für Linse und Eintrittsfenster verwendet, so betragen die Reflexionsverluste an den drei Grenzflächen zur Luft jeweils 4% also insgesamt 12%. Der Reflexionsverlust an der Grenzfläche zwischen dem Glasfenster und der Flüssigkeit, z. B. Aceton mit der Brechzahl n=1,36, beträgt nur 0,35% und kann insgesamt vernachlässigt werden.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 1 dargestellt. Die Zelle besteht aus einem Glasrohr, dessen Eintrittsfenster 1 die Form einer Halbkugelschale mit dem Radius R besitzt. Die optische Dicke der Glaskugelschale muß gleichmäßig ohne Schlieren ausgeführt werden. Bei Verwendung als Phasenkonjugator sind jedoch gewisse Dickeschwankungen erlaubt. Phasenstörungen, die dadurch in der in die Flüssigkeit 2 eintretenden Lichtwelle entstehen, werden in der durch stimulierte Streuung reflektierten Welle durch den Phasenkonjugationsprozeß eliminiert. Die geometrische Glaswanddicke beträgt 1 bis 2 mm es sind jedoch auch andere Dicken möglich.

Da nur eine Grenzfläche zwischen Glas und Luft auftritt, betragen die Verluste der neuartigen Zelle nach Fig. 2 nur etwa 4% gegenüber 12% der bisher verwendeten Konstruktion nach Fig. 1a. Durch Entspiegelung der Eintritts- und Austrittsfenster können die Reflexionsverluste der Zelle weiter verringert werden.

Der Krümmungsradius R der Halbkugelschale liegt im Bereich Millimeter bis Zentimeter. Wird z. B. R=13 mm gewählt und eine Acetonfüllung mit n₁=1,36 gewählt sowie n₀≈1 s ergibt sich nach Gl. (1) eine Brennweite f=49 mm. Die Gesamtlänge der Zelle muß größer als diese Brennweite sein und wird z. B zu 80 mm gewählt.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 2 dargestellt. Im Vergleich dazu zeigen Fig. 1b und c bisher verwendete Konstruktionen von teleskopischen Zellen. Bei diesen erzeugt ein einfallendes paralleles Strahlenbündel ein durchtretendes Strahlenbündel, das ebenfalls parallel ist. Die Zelle nach Fig. 1b weist die gleichen Nachteile auf wie die bereits besprochene Zelle nach Fig. 1a. Für durchtretendes Licht erzeugt die mit Aceton gefüllte Zelle nach Fig. 1b große Verluste von etwa 25%. Eine Verringerung der Verluste wird durch die Konstruktion nach Fig. 1c erreicht, indem die Linsen gleichzeitig als Fenster verwendet werden. Hierbei treten jedoch Verbindungs- und Dichtungsprobleme zwischen der Rohrwand und den Linsen auf. Auch in den Konstruktionen nach Fig. 1a und b muß eine geeignete Verbindung und Dichtung zwischen der Rohrwand und dem Fenster vorgesehen werden. Demgegenüber ist die neuartige teleskopische Zelle nach Fig. 3 aus einem einheitlichen Material hergestellt, so daß Dichtungsprobleme bei der Verbindung der Rohrwand mit den halbkugelförmigen Fenstern 1 und 4 entfallen. Die Zelle kann auf einfache Weise durch Glasblasen hergestellt werden.

Ein weiterer Vorteil dieser Zelle gegenüber der Konstruktion in Fig. 1c ist, daß das Eintrittsfenster 1 dünn ausgeführt werden kann. Damit ändert sich der Durchmesser eines einfallenden parallelen Strahlenbündels 3 innerhalb des Fensters nur wenig. Demgegenüber tritt in der Konstruktion nach Fig. 1c innerhalb der Eintrittslinse eine größere Änderung des Strahldurchmessers auf. Dies kann dazu führen, daß an der rechten Seite der Eintrittslinse in Fig. 1c die Strahlungsdichte beträchtlich größer ist als an der linken Seite der Linse. Die große Strahlungsdichte kann zu Beschädigung der rechten Seite der Eintrittslinse führen, während in der neuartigen Zelle nach Fig. 3 derartige Beschädigungen vermieden werden, wenn das Eintrittsfenster 1 hinreichend dünn ausgeführt ist.

Wenn die Zelle als teleskopisches System wirken soll, müssen die Brennpunkte der rechten und linken Flüssigkeitshalbkugel in einem Punkt F′ zusammenfallen. Werden gleiche Krümmungsradien R und Brennweiten f′=f′′ für die Fenster 1 und 4 gewählt, so ergibt sich mit den bereits oben verwendeten Zahlenwerten R =13 mm usw. L=98 mm.

Die Verwendung der Zellen als phasenkonjugierende Spiegel nach Anspruch 3 ist in Fig. 4 dargestellt. Dafür kann eine mit Aceton gefüllte Zelle verwendet werden. Wird z. B. ein Nd:YAG-Laserstrahl mit einer Pulsdauer von 15 ns wird in die Zelle eingestrahlt, so tritt bei einer Laserstrahlenergie E_O über einem Schwellwert stimulierte Brillouin-Rückstreuung (SBS) auf. Eine λ/4-Platte und ein Polarisator trennen den reflektierten Strahl mit der Energie E_R von dem einfallenden Strahl ab. 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. Auch dafür sind die Zellen nach Anspruch 1 und 2 im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen nach Fig. 1a-c vorteilhaft, da die Druckfestigkeit wegen der fehlenden Dichtung zwischen Fenster und Rohr höher ist. Außerdem können die neuartigen Zellen auch bei hohen und tiefen Temperaturen ohne Probleme verwendet werden, da sie aus einem einheitlichen Material bestehen. Bei herkömmlichen Zellen treten durch Temperaturausdehnung Spannungen in den Verbindungen zwischen Fenstern und Zellmantel auf oder die Verbindungen erweichen bei hohen Temperaturen.

Verwendungen von Flüssigkeitszellen nach Anspruch 3 dienen zur Impulskompression von Laserimpulsen und zum Aufbau doppelt durchstrahlter Laserverstärker wie von D. M. Pepper, D. A. Rockwell, H. W. Brensselbach, Photonics Spectra, p. 95, August (1986) dargestellt.

Ein Ausführungsbeispiel für die Verwendung einer Zelle nach Anspruch 4 ist in Fig. 6 dargestellt. Hier dient die neuartige Zelle nach Fig. 3 als passiver Güteschalter in einem Nd:YAG-Laser und wirkt gleichzeitig als phasenkonjugierender Spiegel, der thermische Linsen im Laserkristall und andere Phasenstörungen im Resonator eliminiert. Der in Fig. 6 dargestellte Aufbau besteht aus zwei dielektrischen Spiegeln M₁ und M₂, die einen konventionellen optischen Resonator bilden.

Ein Nd:YAG-Stab wird im Resonator durch eine Xenon-Blitzlampe gepumpt. Zwischen dem Mehrschichtpolarisator und M₂ befindet sich die neuartige 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 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. Der Laser emittiert daher einen kurzen Impuls mit einigen Nanosekunden Dauer. Das Oszillogramm 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.

Claims

1. Optische Zelle zur Beobachtung von stimulierten Streuprozessen in Flüssigkeiten, bei der wenigstens das Eintrittsfenster gekrümmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Eintrittsfenster annähernd gleichbleibende Wandstärke aufweist bzw. nur geringe fokussierende Wirkung besitzt;
- das Eintrittsfenster derart nach außen gekrümmt ist, daß die von ihm begrenzte Flüssigkeit eine Sammellinse bildet;
- die Länge der Zelle so gewählt ist, daß die Sammellinse parallel einfallende Strahlung innerhalb der Zelle fokussiert.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Austrittsfenster in gleicher Weise wie das Eintrittsfenster aufgebaut ist;
- die Länge der Zelle so gewählt ist, daß zusammen mit den zwei Sammellinsen ein teleskopisches System entsteht.

3. Verwendung einer Zelle nach Anspruch 1 oder 2 als phasenkonjugierender Spiegel unter Ausnutzung stimulierter Streuprozesse.

4. Verwendung einer Zelle nach Anspruch 1 oder als passiver Güteschalter für einen Laser unter Ausnutzung stimulierter Streuprozesse.