DE3851407T3 - Resonator mit einer Intrakavitäts-Ramanzelle. - Google Patents

Description

1. Technisches Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft Lasersysteme, die eine Raman- Zelle verwenden, um (1) die Laserfrequenz zu verschieben und (2) die Dauer der Laserpulse zu verkürzen.
2. Diskussion
• Im folgenden werden zwei Bezugsdokumente diskutiert, die Experimente beschreiben, die von zwei Forschungsgruppen unter Verwendung von resonatorinternen Raman- Oszillatoren durchgeführt worden sind. Das erste Bezugsdokument von F. deRougmont, Ding Kong Xian, R. Frey und F. Pradere, vergleiche "High Efficiency Pulse Compression With Externally Pumped Intracavity Raman Oscillators", Optics Letters, Band 9, Nr. 10, Seite 460, 1984 diskutiert das in Fig. 1 dargestellte System. In dieser Figur sind drei Lichtfrequenzen mit drei unterschiedlichen Typen von Zeichnungslinien dargestellt. Der Pumplaserstrahl, der eine Frequenz von 14.404 cm&supmin;¹ aufweist, ist durch die durchgezogene Linie 3 dargestellt. Der 1.-te Stokesstrahl mit 10.249 cm&supmin;¹ ist durch die strichpunktierte Linie 6 dargestellt. Der 2.-te Stokesstrahl mit 6.094 cm&supmin;¹ ist durch die gestrichelte Linie 9 dargestellt. Spiegel 12 und 15 definieren die Enden eines resonanten Resonators, der bei der 1.-ten Stokes-Frequenz resonant ist. Ein Raman- Medium 18, das in der Form von gasförmigem Wasserstoff mit einem Druck von 40 Atmosphären vorliegt, wird innerhalb des resonanten Resonators angeordnet.
• Spiegel 21 und 24, die innerhalb des resonanten Resonators enthalten sind, sind bei der 1.-ten Stokes-Frequenz reflektierend, jedoch bei sowohl der Pumpfrequenz als auch der 2.-ten Stokes-Frequenz transmittierend, wie durch den Hindurchtritt der durchgezogenen Linie 3 und der gestrichelten Linie 9 durch die Spiegel 21 und 24 angedeutet. Andere Spiegel und Detektoren, die verwendet werden, um die drei Lichtstrahlen zu messen, sind in Fig. 1 nicht dargestellt.
• In Fig. 1 treten in dem Raman Medium 18 zwei unterschiedliche Typen von Anregung auf. Gemäß dem einem Typ erzeugt ein Rubinlaser 27 einen Pumppuls, der in den resonanten Resonator injiziert wird, wie durch den Pfeil 30 angedeutet. Gemäß dem zweiten Typ von Anregung wird ein zweiter Injektionspuls (mit einer Energie von drei Millijoule, einer Dauer von drei Nanosekunden und bei der 1.-ten Stokes-Frequenz), der mit dem Pfeil 33 angedeutet ist, gleichfalls in den Resonator injiziert, und zwar unmittelbar vor der Injektion des Pumppulses 30. Der injizierte Puls 33 wird von dem Pumppuls mittels der Vorrichtung abgeleitet, die durch den Kasten 36 angedeutet ist, welcher den Injektionspuls von dem Pumppuls abspaltet, ihn formt und verstärkt.
• Die experimentellen Ergebnisse, die von diesen vier Forschern erhalten worden sind, sind in Fig. 2 illustriert. Die Fig. 2A-D, die die linke Seite der Figuren bilden, illustrieren graphische Darstellungen der Intensität gegen die Zeit von den drei Laserstrahlen aus Fig. 1, wobei sowohl der Pumppuls 30 als auch die durch den Pfeil 33 in Fig. 1 dargestellte Injektion auftreten. Die rechte Spalte, die die Fig. 2A'-D' enthält, illustriert vergleichbare graphische Darstellungen, allerdings nur mit dem Pumpen (d. h. ohne Injektion). Im einzelnen illustrieren die Fig. 2A und A' das Intensitäts gegen-Zeitverhalten des Pumppulses 30, und zwar ungefähr bei dem Punkt 39 in Fig. 1 bemessen. Darüberhinaus ist die Messung in beiden Fällen mit von der Raman- Zelle 18 abwesendem Wasserstoff durchgeführt worden. Der Leser wird feststellen, das die graphischen Darstellungen der Fig. 2A und A' virtuell identisch sind, was mit der Abwesenheit der Raman Streuung infolge der Abwesenheit des Wasserstoffes konsistent ist.
• Die Fig. 2B und B' illustrieren die Intensität des Pumppulses 30, und zwar erneut bei dem Punkt 39, jedoch in der Anwesenheit von Wasserstoff in der Raman Zelle unter einem Druck von 40 Atmosphären. Wie die Fig. 2B andeutet, bedingt die Anwesenheit des Wasserstoffes eine Entleerung in dem Pumppuls (beispielsweise in einem Bereich 42), und weiterhin wird eine größere Entleerung in der Anwesenheit des injizierten Pulses 33 aus Fig. 1 erhalten, wie in Fig. 2B illustriert.
• Die Fig. 2C und C' illustrieren die Intensität bei der 1.-ten Stokes-Frequenz, und zwar ungefähr in einem Bereich 45 in Fig. 1 gemessen. Die Fig. 2D und D' illustrieren die Intensität der 2.-ten Stokes-Frequenz, und zwar ungefähr in einem Bereich 48 in Fig. 1 bemessen. In diesen letzten zwei Figuren beträgt die Dauer des 2.-ten Stokes- Pulses ungefähr zwei Nanosekunden.
• Daher kann diese Referenz derart betrachtet werden, als das sie die Verwendung von Wasserstoff als Raman Medium illustriert, wobei das Medium innerhalb eines Resonators enthalten ist, der bei der 1.-ten Stokes-Frequenz für Wasserstoff resonant ist und mit dem die folgende Verschiebung der Wellenlänge und die folgende Kompression erhalten wird: ein Pumppuls, der eine Halbhöhen- Spitzenbreite von 25 Nanosekunden und eine Frequenz von 14,404 cm&supmin;¹ aufweist, wird in einen 2.-ten Stokespuls verschoben und komprimiert, der eine Dauer von ungefähr 2 Nanosekunden aufweist, mit einer Frequenz von 6.094 cm &supmin;¹. Der Erstere ist in den Fig. 2A und A' dargestellt, während der Letztere in den Fig. 2D und D' dargestellt ist.
• Das zweite Bezugsdokument ist das von R. Frey, A. deMartino und F. Pradere, vergleiche "High Efficiency Pulse Compression with Intracavity Raman Oscillators", Optics Letters, Band 8, Nr. 8, Seite 437, 1983. In diesem Bezugsdokument wird die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung diskutiert. Spiegel 50 und 53 definieren die Enden eines Resonators, der bei der Pumpfrequenz resonant ist, die die gleiche Frequenz aufweist wie die in dem zuvor diskutierten Bezugsdokument, nämlich 14,404 cm &supmin;¹. Ein Rubinlaser 56 injiziert optische Energie in diesen resonanen Resonator. Ein Q- Schalter 59 verschlechtert den Q- Wert des resonanten Resonators. In diesem resonanten Resonator ist ein Paar aus Raman- Zellen 62 und 64 enthalten, die unter Druck stehenden Wasserstoff enthalten. Spiegel 67 und 70 sind bei der Pumpfrequenz reflektierend, wie durch die Reflexion eines Lasestrahles 73 angedeutet, sie sind jedoch bei der 1.-ten Stokes-Frequenz transmittierend, wie durch die strichpunktierte Linie 76 illustriert.
• Ein zweiter Resonator, der als ein Stokes-Resonator bezeichnet wird, wird durch Spiegel 79 und 82 gebildet. Der Spiegel 82 ist bei der 1.-ten Stokes-Frequenz (die wie in dem Fall des ersten Bezugsdokumentes 10.249 cm&supmin;¹ beträgt) 100% - tig reflektierend, während der Spiegel 79 eine Reflektivität von 4% bei der 1.-ten Stokes-Frequenz aufweist, wodurch er bei dieser Frequenz sehr transmittierend wird.
• Fig. 4 illustriert die drei Pulsprofile, die bei den Pump- und Stokes-Frequenzen erhalten werden. Fig. 4A illustriert ein Intensität-gegen-Zeit- Profil des Pumppulses, wobei die Spiegel 79 und 82 entfernt worden sind. Die Intensität ist ungefähr bei einem Punkt 85 in Fig. 3 gemessen worden. Fig. 4B illustriert die Intensität des Pumppulses, allerdings mit installierten Spiegeln 79 und 82, so daß zwischen ihnen ein Stokes- Resonator gebildet wird. Fig. 4C illustriert den Ausgang bei der 1.-ten Stokes-Frequenz, und zwar ungefähr gemessen in bei einem Bereich 88 in Fig. 3. In Fig. 4 ist eine Zeitskalierung von zehn Nanosekunden angedeutet.
• Die aktuellen numerischen Daten, die in diesem Bezugsdokument veröffentlicht sind, deuten an, daß ein Pumppuls mit einer Dauer von 40 Nanosekunden und einer Energie von 260 Millijoule zu einem 1.-ten Stokes-Frequenzpuls verschoben und komprimiert wird, der in Fig. 4C dargestellt ist und der eine Dauer von 6 Nanosekunden und einer Energie von 162 Millijoule hat. Demnach lehrt dieses Bezugsdokument die Verwendung eines resonanten Resonators, der bei der Pumpfrequenz resonant ist und der ein Raman- Medium in der Form von unter Druck stehendem gasförmigen Wasserstoff enthält, um einen frequenzveschobenen komprimierten Puls bei der 1.-ten Stokes-Frequenz des Rahmenmediums bereitzustellen.
• Im Gegensatz hierzu diskutiert das erste Bezugsdokument einen resonanten Resonator, der bei der 1.-ten Stokes- Frequenz für Wasserstoff resonant ist und der einen komprimierten Puls bei der 2.-ten Stokes-Frequenz erzeugt.
• Das "Journal of Applied Physics, Band 48, Nr. 5, Seiten 1973 bis 75 beschreibt eine Raman- Laservorrichtung, die als ein optischer Wellenlängenschieber und Pulskompressor wirkt, wobei ein Stokes-Resonator, der das Ra man- Medium enthält, vollständig innerhalb eines Resonators enthalten ist, der gleichfalls einen Q-Schalter und ein lasendes Medium enthält, und der bei der Pumpffrequenz resonant ist. Die den Rahmenresonator definierenden Spiegel können so ausgewählt werden, daß sie den 1.- ten oder 2.-ten Stokesausgang unterstützen.
• Das US Patent Nr. 3 668 420 beschreibt eine Raman- Laservorrichtung, die zwei diskrete Oszillator-Resonatoren aufweist, nämlich einen Laser- Resonator und einen Raman- Resonator, die in Reihe angeordnet sind. Gemäß diesem Dokument können konkave Spiegel oder konvergierende Linsen um das Raman- Medium herum vorgesehen werden, um darin das Laserlicht zu fokussieren.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten optischen Frequenzschieber und Pulskompressor bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung stellt einen optischen Wellenlängenschieber und Pulskompressor gemäß dem Anspruch 1 bereit.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
• Es zeigt:
• Fig. 1 einen 1.-ten Typ einer experimentellen Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
• Fig. 2 Graphische Darstellungen der Intensität-gegendie Zeit bei ausgewählten Frequenzen, die in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 erhalten werden;
• Fig. 3 einen 2.-ten Typ einer experimentellen Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
• Fig. 4 Graphische Darstellungen der Intensität-gegendie Zeit bei ausgewählten Frequenzen, die in der Vorrichtung aus Fig. 3 erhalten werden;
• Fig. 5 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 6 eine graphische Darstellung der Intensitätgegen-die Zeit des 1.-ten Stokes-Frequenzausganges der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 7 die Empfindlichkeit des 1.-ten Stokes-Frequenzausganges im Hinblick auf Fehlausrichtungen des Spiegels 110 in Fig. 5.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführuncrsform
• Fig. 5 illustriert eine Ausführungform der vorliegenden Erfindung. Ein Laser 90 besteht aus einem Nd(YAG)- Stab mit 4,3 · 45 Millimetern, der eine Oberfläche 92 aufweist, die mit einer hochreflektierenden Beschichtung bei einer Wellenlänge von 1,06 um versehen ist. Als nächstes im optischen Pfad folgend befindet sich ein Farbstoff-Q-Schalter 94, der unter 45 Grad zur optischen Achse 96 orientiert ist. Eine 10 Meter Brennlinse 98 geht einem Spiegel 101 auf dem optischen Pfad voran. Der Spiegel 101 ist bei 1,54 um hoch reflektierend beschichtet und er weist bei 1,06 um eine 43%- ige Reflektivität auf. Dies bedeutet, daß der Spiegel 101 bei der Pumpwellenlänge von 1,06 um zu 60% transmittierend ist, und das er bei der 1.-ten Stokes-Wellenlänge von 1,54 um reflektierend ist. Eine Linse 104 mit einer Brennweite von +63 Millimetern geht einer Raman Zelle 106 voran, die gasförmiges Methan bei 1.000 PSIG. enthält. Der Raman- Zelle folgt eine Linse 107 mit einer Brennweite von +63 Millimetern, der ihrerseits ein Ausgangsspiegel 110 folgt, der bei der Pumpfrequenz von 1,06 um reflektierend und bei der 1.-ten Stokes- Wellenlänge von 1,54 um transmittierend (d. h. zu 12% reflektierend) ist.
• Der Resonator, der sich von der Oberfläche 92 bis hin zum Spiegel 110 erstreckt, ist bei der Pumpffrequenz resonant (d. h. mit einem hohen Q-Wert ausgestattet), während der Resonator zwischen dem Spiegel 101 und dem Ausgangsspiegel 110 bei der 1.-ten Stokes-Wellenlänge von 1,54 um einen niedrigen Q-Wert aufweist.
• Wenn der Stab 90 unter Verwendung einer Xenon- Blitzlampe gepumpt wird, wird die erste Stokes-Wellenlänge, die durch den Ausgangsspiegel 110 übertragen wird, als eine Funktion der Zeit in Fig. 6 graphisch dargestellt. In dieser Figur weist der Puls 112 eine Halbhöhen-Spitzenbreite von 2,1 Nanosekunden auf. Eine Energie mit dieser Wellenlänge kann sicher auf das menschliche Auge auftreffen, ohne dabei Schäden anzurichten.
• Fig. 7 illustriert den Abfall der 1.-ten Stokes-Ausgangsenergie bei einer Fehlausrichtung des Spiegels 110 in Fig. 5. Das Ausmaß der Fehlausrichtung wird durch einen Winkel 113 angedeutet, der auf der horizontalen Achse in Fig. 7 grafisch dargestellt ist. Der Winkel 113 ist in Fig. 5 illustriert, in der ein gestrichelt dargestellter Spiegel 110A eine Fehlausrichtung (d. h. Drehung des Spiegels 110) illustriert. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung weisen darauf hin, das die Empfindlichkeit im Hinblick auf die Fehlausrichtung, die die vorliegende Erfindung erfährt, erheblich niedriger ist als die, die von üblichen Raman- Resonatoren mit einem Spiegel erfahren wird. Andersherum ausgedrückt toleriert die vorliegende Erfindung größere Spiegelfehlausrichtungen als dies ein einspiegeliger Raman- Resona tor tut und es wird angenommen, daß sie größere Fehlausrichtungen toleriert als die Erfindung, die im obigen zeiten Bezugsdokument beschrieben worden ist.
• Eine Erfindung ist beschrieben worden, in der die Frequenz eines Pumplasers verschoben wird und in der die Pulsdauer der verschobenen Frequenz im Vergleich zu dem Pumppuls komprimiert wird. In einer Richtung betrachtet enthält die vorliegende Erfindung einen ersten Resonator, und zwar zwischen der Oberfläche 92 und dem Spiegel 110 in Fig. 5, der bei der Pumpfrequenz resonant ist. Ein zweiter Resonator, welcher sich zwischen den Spiegeln 101 und 110 befindet, ist vollständig in dem ersten Resonator enthalten, genau wie die Raman- Zelle 106. Wenn die Energie des Pumplaserstrahles den Raman- Streuschwellwert des Raman- Mediums innerhalb der Raman- Zelle 106 überschreitet, dann emittiert das Medium Raman- verschobene Photonen, die durch den Spiegel 110 übertragen werden, der als ein Ausgangskoppler dient.
• Die Linsen 98 und 104 dienen dazu, den Laserstrahl in das Raman- Medium zu fokussieren.
• Die Spiegel 101 und 110 können als Filter betrachtet werden, und zwar in dem Sinn, daß sie selektiv eine Frequenz hindurchlassen und eine andere Frequenz reflektieren. Beispielsweise wirkt der Spiegel 101 als ein Bandpassfilter bei der Laserpumpfrequenz, indem er Pumpstrahlung zu der Ramanzelle 106 hindurchläßt, während er als Abschneidefilter wirkt, der bei der 1.-ten Stokes-Frequenz den Durchtritt blockiert (d. h. er reflektiert). Die abgeblockte Strahlung wird zum Stokes-Resonsator zurückgeführt, der das Raman-Medium enthält.
• Auf ähnliche Weise wirkt der Spiegel 110 als ein Filter, der die Pumpstrahlung reflektiert und eine derartige Strahlung zu dem zweiten Resonator zurückführt (durch den sie sich zu der reflektierenden Oberfläche 92 hin ausbreitet), und er wirkt gleichfalls als ein Bandpassfilter oder Ausgangskoppler, indem er Strahlung bei der 1.-ten Stokes-Frequenz hindurchläßt. Das heißt, daß der Spiegel 110 als Ausgang für Licht bei der 1.-ten Stokes-Frequenz wirkt.

Claims (1)

1. Ein optischer Wellenlängenschieber und Pulskompressor, der die folgenden optischen Elemente umfaßt, die sequentiell auf einem gemeinsamen optischen Pfad angeordnet sind:

a) ein lasendes Medium (90), um Licht bei einer Pumpfrequenz bereitzustellen, wobei das lasende Medium eine Oberfläche (92) an einem Ende aufweist, die für Licht bei der Pumpfrequenz reflektierend ist;

b) einen Q-Schalter (94) zum Übertragen von Licht von dem lasenden Medium (90) bei der Pumpfrequenz;

c) ein Element (101) zum Empfangen des Lichtes von dem Q-Schalter (94), wobei das Element (101) für Licht bei der Pumpfrequenz transmittierend ist, und für Licht bei einer 1.-ten Stokes-Frequenz reflektierend;

d) eine Brennlinse (104) zum Fokussieren des Lichtes von dem Element (101);

e) ein Raman-Medium (106), das bei der 1.-ten Stokes-Frequenz in Antwort auf Licht bei der Pumpfrequenz von der Brennlinse (104) strahlt;

f) einen Ausgangskoppler (110), der Licht von dem Raman-Medium empfängt, wobei der Ausgangskoppler (110) für Licht bei der Pumpfrequenz reflektierend ist, und für Licht bei der 1.-ten Stokes-Frequenz transmittierend,

wobei die optische Distanz zwischen der Oberfläche (92) und dem Ausgangskoppler (110) den optischen Pfad für das lasende Medium (90) definiert, und

worin ein Resonator zwischen dem Element (101) und dem Ausgangskoppler (110) bei der 1.-ten Stokes-Frequenz einen niedrigen Q-Wert aufweist.