DE3851522T2

DE3851522T2 - Laser und optische Verstärker mit Frequenz-Addition.

Info

Publication number: DE3851522T2
Application number: DE3851522T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Alan Goldstone
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1988-01-11
Filing date: 1988-04-06
Publication date: 1995-03-30
Anticipated expiration: 2008-04-07
Also published as: JP2588926B2; DE3851522D1; US4807240A; JPH01179478A; EP0324049A3; EP0324049B1; CA1292546C; EP0324049A2

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft kohärent strahlende Bauelemente, und spezieller betrifft sie optisch gepumpte Laser, optische Verstärker, optische Strahlreinigungs-Bauelemente, optische Strahlenkombinier-Bauelement sowie Frequenzhochsetz-Bauelemente mit Eingangs- und Ausgangsstrahlen im Wellenlängenbereich von Zentimeter bis Nanometer.

2. Beschreibung des Standes der Technik

MASER, LASER UND OPTISCHE VERSTÄRKER

Das Grunderfordernis zum Herstellen eines Lasers oder eines optischen Verstärkers ist dasjenige, daß das Laser- oder Verstärkermedium invertiert werden kann. Dies bedeutet, daß hinsichtlich des interessierenden Übergangs im oberen Quantenzustand eine größere Besetzungsdichte von Atomen oder Molekülen vorliegt als im unteren Quantenzustand. Derartige Medien zeigen negative Absorption oder Verstärkung. Eine Vielzahl von Verfahren wird dazu verwendet, für Besetzungsumkehrung zu sorgen. 1954 wurde der erste Mikrowellenlaser (Maser) entwickelt (J.P. Gordon, H.J. Zeiger und C.H. Townes, "The Maser-A Type of Microwave Amplifier, Frequency Standard, and Spectrometer", Phys. Rev. 99, 1264-1274, August 1955), bei dem Besetzungsumkehr in Ammoniakgas durch räumliche Trennung von Energiezuständen erzielt wurde. 1958 wurde der optische Maser oder Laser vorgeschlagen (A.L. Schawlow und C.H. Townes, "Infrared and Optical Masers", Phys. Rev., 112, 1940-1949, Dezember 1958), und 1960 lief der erste Laser (T.H. Maiman, "Stimulated Optical Radiation in Ruby Masers", Nature, 187, 493-494, August 1960).
Allen Lasern und Masern sind drei Merkmale gemeinsam (R.H. Pantell and H.E. Puthoff, Fundamentals of Quantum Electronics, John Wiley and Sons, Inc., New York (1969), S. 101-103):
l. Ein Anregungsmechanismus. Dieser Mechanismus kann in elektromagnetischer Strahlung, Strahlen aus geladenen Teilchen oder Strömen, chemischen Reaktionen usw. bestehen. Der Zweck des Mechanismus ist der, das Verstärkungsmedium zu invertieren, so daß die Inversionsenergie durch einen kohärenten elektromagnetischen Strahl entnommen werden kann.
2. Ein aktives Medium. Dieses Medium kann ein Gas, eine Flüssigkeit, ein fester Körper oder ein Plasma sein, das die Besetzungsumkehr aufrechterhält.
3. Ein Resonatorkreis. Elektromagnetische Strahlung vom aktiven Medium wird durch einen Resonatorkreis an die Umgebung gekoppelt. Bei Frequenzen im Infraroten oder optischen Bereich ist der Resonatorkreis im allgemeinen ein Interferrometerresonator, und vom Maser wird ein Hohlraumresonator verwendet.
Optische Verstärker erfordern die Merkmale (1) und (2), jedoch nicht das Merkmal (3). Anstelle des Resonatorkreises wird ein kleiner Eingangsstrahl verwendet, der bei seinem Durchlaufen durch das invertierte Medium verstärkt wird, wobei er dem Medium gespeicherte Energie entzieht.
Fig. 1 stellt ein typisches Besetzungsumkehrschema dar. Ein Pumpquant überführt das System vom Niveau 1 auf das Niveau 4. Das System (Atom, Molekül usw.) zeigt dann ein Abklingen aufgrund irgendeiner Anzahl von Mechanismen (spontane Emission, Stoßverlust usw.) vom Niveau 4 auf das Niveau 3. Die Abklingrate in das Niveau 3 (oberes Niveau des invertierten Niveaupaars) ist größer als die Abklingrate aus diesem Niveau. Dies führt dazu, daß sich im Niveau 3 eine Besetzungsdichte aufbaut, die dann, wenn sie die Besetzungsdichte im Niveau 2 überschreitet (unteres Niveau des invertierten Niveaupaars), eine optische Verstärkung durch stimulierte Emission ermöglicht. Es wurde eine Anzahl anderer Pumpschemata vorgeschlagen und demonstriert. Allen ist ein wesentliches Merkmal gemeinsam. Bei derzeitigen Pumptechniken für Laser, Maser und optische Verstärkung enthält das Pumpquant (optisch, chemisch, mechanisch usw.), das zum Anregen des Verstärkungsmediums verwendet wird, mehr Energie als das lasernde oder verstärkte Quant. Dies wiederum bewirkt, daß optisch gepumpte Laser, Maser und optische Verstärker frequenzherabsetzende Bauelemente sind.

OPTISCHE STRAHLREINIGUNGS-BAUELEMENTE

Um kohärente elektromagnetische Energie von ihrer Erzeugungsquelle genau und wirkungsvoll an einen gewünschten Ort zu übertragen, ist es erforderlich, daß über den Strahl eine wohldefinierte (im allgemeinen flache) Phase vorliegt. Es wird angegeben, daß optische Strahlen mit flacher Phasenfront gute Strahlqualität aufweisen. In Laser-, Maser- und optischen Verstärker-Bauelementen existieren viele Prozesse, die dazu neigen, diese Phase zu verzerren und demgemäß die Qualität der Strahlen dieser Bauelemente zu verschlechtern. Es wurde eine Anzahl mechanischer und nichtlinearer optischer Techniken vorgeschlagen und demonstriert, die für ein gewisses Maß an Korrektur sorgen. Die zwei Hauptmaßnahmen, die derzeit verwendet werden, sind die folgenden:
1. Reinigung der Phasenfront über mechanische Bauelemente wie verformbare Spiegel und nichtlineare optische Techniken wie optische Phasenkonjugation (siehe z. B. R.A. Fisher (Herausgeber), Optical Phase Conjugation, Academic Press, New York (1983), S. 1-22). Diese Bauelemente können Teil des Strahlerzeugungs-Bauelements sein oder außerhalb desselben liegen. Verformbare Spiegel können nur Phasenungenauigkeiten korrigieren, deren Abmessung nicht kleiner als der Abstand zwischen den als Stellglieder wirkenden Spiegeln ist. Nichtlineare optische Phasenkonjugation erfordert hohe Intensitäten (im allgemeinen MW/cm² oder mehr).
2. Energieübertragung von einem Strahl mit schlechter Strahlqualität auf einen anderen Strahl, der gute Strahlqualität beibehält. Typischerweise wird ein nichtlinearer optischer Prozeß verwendet, was hohe Intensitäten erfordert (oft MW/cm² oder mehr). Bei derartigen Intensitäten treten häufig andere parasitäre nichtlineare optische Prozesse auf. Zu diesem Zweck wurde intensiv stimulierte Ramanstreuung untersucht (siehe z. B. A. Penzkofer, A. Laubereau und W. Kaiser, "High Intensity Raman Interactions", Prog. Quant. Electr., 6, 55-140, 1980, S. 56-57), wie auch andere parametrische Wellenmischprozesse (siehe z. B. J.F. Reintjes, Nonlinear Optical Parametric Processes in Liquids and Gases, Academic Press, Inc., New York, 1984, S. 1-30), wie Mehrwellenmischung und optische, parametrische Verstärkung. Diese Prozesse erfordern im allgemeinen eine genaue Phasenanpassung der Eingangsstrahlen, was seinerseits die Anwendbarkeit dieser Prozesse auf viele Anwendungen beschränkt.

FREQUENZHOCHSETZ-BAUELEMENTE

Es wurde eine Anzahl nichtlinearer optischer Techniken verwertet, um kohärente elektromagnetische Strahlungen aufwärts zu wandeln. Typischerweise beinhaltet dies phasenangepaßtes, parametrisches Wellenlängenmischen bei hoher Intensität (MW/cm²), wie Oberwellenerzeugung (siehe z. B. Y.R. Shen, Principles of Nonlinear Optics, Academic Press, New York, 19 ? ?, S. 86-107) oder Anti-Stokes - Raman-Erzeugung (siehe z. B. A. Penzkofer, A. Laubereau und W. Kaiser, "High Intensity Raman Interactions", Prog. Quant. Electr. 6, 55-140, 1980, S. 56-57).

OPTISCHE STRAHLENKOMBINIER-BAUELEMENTE

Es ist nicht möglich, Laser auf beliebige Größe und Leistung zu vergrößern oder zu verkleinern. Infolgedessen wurde eine Anzahl von Bauelementen vorgeschlagen und/oder demonstriert, die es ermöglichen, daß eine Anzahl von Laserstrahlen zu einem leistungsstärkeren Strahl kombiniert wird. Das wesentliche Erfordernis ist, daß die einzelnen Laserstrahlen kohärent kombiniert werden, d. h., daß die Intensität einer Kombination von N Strahlen, die N²-fache Stärke der einzelnen kombinierten Strahlen aufweist. Es wurde eine Anzahl von Methoden vorgeschlagen und/oder demonstriert, die unter bestimmten Bedingungen für Strahlkombination sorgen:
1. Phasenjustierte Arrays. Diese Bauelemente stellen im allgemeinen die Länge des optischen Pfads, den Strahlen von verschiedenen Lasern durchlaufen müssen, so ein, daß die Wellenfronten der Strahlen von jedem Laser zu denen von den anderen Lasern passen. Dies erfordert eine Pfadeinstellung besser als eine Wellenlänge (typischerweise 300 bis 1500 Nanometer), und im allgemeinen in der Größenordnung von einem Zehntel bis einem Fünfzigstel einer Wellenlänge. Schwierigkeiten treten bei großen Lasersystemen auf, wo typischerweise starke mechanische Schwingungen und häufig Modenbetrieb in vielen Achsen auftritt, was eine Pfadanpassung für alle axialen Moden der kombinierten Laser verhindert.
2. Gekoppelte Resonatoren, Hauptoszillator/Leistungsverstärker (MOPA = Master-Oscillator-Power-Amplifiers)-Konfigurationen. Wenn einem oder mehreren anderen Lasern Leistung von einem Laser zugeführt wird, ist es unter bestimmten Bedingungen möglich, die Phasen einer Anzahl von Lasern miteinander einzurasten (M. Sargent III, M.O. Scully, W.E. Lamb Jr., Laser Physics, Addison-Wesley, Reading Massachusetts, 1974, S. 45-54, M.B. Spencer and W.E. Lamb, Jr, Phys. Rev. A 5, 884-892, 1972). Im allgemeinen gelten auch hier die Schwierigkeiten, auf die man beim direkt vorstehend angegebenen Punkt (1) trifft.
3. Nichtlineares Kombinieren optischer Strahlen. Zu diesen Techniken gehören stimulierte Brillioun-Streuung (siehe z. B. Y.R. Shen, Principles of Nonlinear Optics, John Wiley, New York, 1984, S. 187-192), stimulierte Ramanstreuung, optische Phasenkonjugation und andere parametrische Wellenmischtechniken. Wie oben angegeben, sind Strahlen hoher Intensität und Phasenanpassungsbedingungen erforderlich.

Aufgaben der Erfindung

Hauptaufgabe der Erfindung ist es daher, Besetzungsumkehr zur Verwendung bei Bauelementen mit stimulierter Emission auf solche Weise zu schaffen, daß es möglich ist, daß der Ausgangsstrahl dieser Bauelemente frequenzmäßig nahe bei der Frequenz der Eingangsstrahlen oder über dieser liegt.
Eine andere Aufgabe ist es, eine Einrichtung für optisch gepumpte Laser, Maser und optische Verstärker zum Erzeugen kohärenter Strahlung mit Wellenlängen kürzer als die Pumpwellenlängen zu schaffen.
Eine andere Aufgabe ist es, eine Einrichtung zum Verbessern der Strahlqualität von Laserbauelementen zu schaffen, die keine hohen Intensitäten oder mechanische Vorrichtungen wie verformbare Spiegel benötigt.
Noch eine andere Aufgabe ist es, eine Einrichtung zur Frequenzhochsetzung kohärenter elektromagnetischer Strahlung ohne hohe Intensitäten und Phasenanpassungsanforderungen bei parametrischem Wellenmischen oder anderen nichtlinearen optischen Prozessen zu schaffen.
Noch eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Kombination der Strahlen von mehreren kohärenten Strahlungsquellen zu schaffen und einen Ausgangsstrahl zu schaffen, dessen Frequenz nahezu dieselbe ist wie diejenige der Pumpfelder, oder der eine Frequenz größer als diejenige der Pumpfelder aufweist, ohne daß hohe Intensitäten für nichtlineare optische Techniken oder Pfadlängeneinstellung, wie für mechanische Techniken erforderlich, erforderlich sind.
Andere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung derselben deutlich, wenn eine Betrachtung in Verbindung mit den beigefügten Figuren erfolgt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Erzeugen von Besetzungsumkehrungen zur Verwendung bei Vorrichtungen mit stimulierter Emission, die Strahlen kombinieren, Strahlen reinigen oder elektromagnetische Strahlung in der Frequenz heraufsetzen, umfassend:
(a) Bereitstellen eines Mediums mit mehreren Quantenniveaus;
(b) Bereitstellen von Pumpstrahlen für nahezu resonant verstärktes Mehrphotonenpumpen des Mediums mit mehreren Quantenniveaus, das Atome oder Moleküle mit drei oder mehr Energieniveaus aufweist, deren Übergangsenergien nahezu resonant mit den Pumpstrahlen sind, wobei das nahezu resonant verstärkte Mehrphotonenpumpen so festgelegt ist, daß die Photonenenergie jedes Pumpstrahls dicht bei der Übergangsenergie zwischen zwei Energieniveaus des Mediums mit den mehreren Quantenniveaus liegt, dieser jedoch nicht gleich ist, um so für kleine Einzelphotonenverstimmungen zwischen den Pumpstrahlen und den Energieniveaus zu sorgen, wobei diese kleinen Einzelphotonenverstimmungen wechselwirkende Energieniveaus des Mediums mit mehreren Quantenniveaus festlegen;
(c) Richten von Pumpstrahlen in das Medium mit mehreren Quantenniveaus, das für ein Energiezwischenniveau größere Abklingraten als aus diesem Energiezwischenniveau heraus aufweist, wobei das Energiezwischenniveau zwischen dem untersten und höchsten der wechselwirkenden Energieniveaus liegt, wobei die Pumpstrahlen Intensitäten und Frequenzen aufweisen, die den folgenden Beschränkungen genügen:
(1) die Rabi-Frequenzen sind mindestens eine Größenordnung größer als die Abklingraten zwischen den Energieniveaus des Quantenmediums, wobei die Rabi-Frequenzen für jedes wechselwirkende Niveaupaar zu Ω = uE/2n definiert sind, wobei u die Größe des Dipolmoments des energetisch wechselwirkenden Niveaupaars ist, E die Stärke des elektrischen Felds des Pumpstrahls ist und n die durch 2π geteilte Plancksche Konstante ist;
(2) der maximale Besetzungszyklus zwischen dem untersten und höchsten wechselwirkenden Energieniveau des Quantenmediums wird unter der Bedingung erzeugt, daß dieser Maximalzyklus aus einer Analyse der Dichtematrixgleichungen bestimmt wird, die die Wechselwirkung der Pumpstrahlen mit dem System mit mehreren Quantenniveaus beschreiben; und
(3) es wird eine Mehrphotonen-Verstimmung mit einem Wert erzeugt, der mindestens um eine Größenordnung kleiner ist als jede der Einzelphotonenverstimmungen, wobei die Mehrphotonenverstimmung der Differenz zwischen der Summe der Pumpstrahlen-Photonenenergien und der Gesamtübergangsenergie zwischen dem niedrigsten und höchsten der wechselwirkenden Energieniveaus geteilt durch die Plancksche Konstante entspricht;
- wobei jeder der Pumpstrahlen mit einem Paar Energieniveaus des Quantenmediums wechselwirkt, wobei die Paare der Energieniveaus des Mediums mit mehreren Quantenniveaus stufenweise so miteinander verbunden sind, daß das oberste Energieniveau in einem Energieniveaupaar auch das unterste Energieniveau des nächsten Energieniveaupaars ist, wodurch ein durch das Pumpen betriebener Besetzungszyklus zwischen dem untersten und höchsten der wechselwirkenden Energieniveaus des Mediums mit mehreren Quantenniveaus geschaffen wird, wobei die Abklingraten eine größere Rate der Besetzungsübertragung in das Zwischenniveau als aus dem Zwischenniveau erzeugen, was zum Aufbau einer Besetzung im Zwischenniveau führt und dadurch eine stationäre Besetzungsumkehr im Medium mit mehreren Quantenniveaus schafft.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 enthält ein Energieniveaudiagramm für ein typisches bekanntes System mit vier Quantenniveaus, bei dem das Pumpen zwischen dem Niveau 1 und dem Niveau 4 auftritt und der Laservorgang zwischen dem Niveau 3 und dem Niveau 2 erfolgt.
Fig. 2 enthält ein Energieniveaudiagramm für ein erfindungsgemäßes System mit mehreren Quantenniveaus, mit N aktiven Niveaus, die von M Pumpstrahlen bedient werden.
Fig. 3 zeigt einen Rabi-Zyklus für die Dämpfungsgrenze Null für ein System mit drei Niveaus, wenn die Niveauübergangsbedingung vom Maximalniveau 1 zum Niveau 3 gewählt ist. Die Niveaubesetzungswahrscheinlichkeiten n1, n2 und n3 ändern sich zeitlich unter dem Einfluß der zwei Pumpfelder. In Fig. 3a befindet sich die Gesamtbesetzung bei t = 0 im Niveau 1.
In Fig. 3b befindet sich die Gesamtbesetzung bei t = 0 im Niveau 2.
Fig. 4a zeigt die Energieniveaustruktur von Natrium.
Fig. 4b veranschaulicht die wichtigen Energieniveaus, den Einsteinkoeffizienten A sowie die Pump- und Laserwellenlängen für Natrium.
Fig. 5a veranschaulicht das Gleichgewichtszustandsverhältnis der Besetzungsumkehr 4P zu 3S als Funktion der Verstimmung durch ein Photon oder zwei, bei den in den Fig. 4a und 4b beschriebenen Bedingungen. Die Verstimmung 1 ist eine Verstimmung 3S nach 3P (ein Photon), die zwischen 0,2 und 20 GHz läuft. Die Verstimmung 2 ist eine (zwei Photonen-) Verstimmung von 3S nach 4D, die von 0,01 bis 1 GHz läuft.
Fig. 5b-5f veranschaulichen jeweils die Gleichgewichtszustandsbesetzungen N1-N5 unter den für Fig. 5a beschriebenen Bedingungen.
Fig. 6a ist eine schematische Veranschaulichung eines frequenzhochsetzenden Lasers.
Fig. 6b ist eine schematische Veranschaulichung eines frequenzhochsetzenden optischen Verstärkers.
Fig. 7a ist eine schematische Veranschaulichung eines phasenunempfindlichen, optischen Strahlkombinier-Bauelements unter Verwendung eines optischen Resonatorkreises (Etalon).
Fig. 7b ist eine schematische Veranschaulichung eines phasenunempfindlichen, optischen Strahlkombinier-Bauelements unter Verwendung einer Verstärkerkonfiguration.
In allen Figuren der Zeichnungen sind dieselben Elemente oder Teile mit denselben Bezugszeichen versehen, während entsprechende Elemente durch ein Apostroph spezifiziert sind.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Das vorliegende Bauelement kann auf vier verschiedene, jedoch miteinander verbundene Arten betrieben werden. Bei einer ersten Art arbeitet das Bauelement als optisch gepumpter Laser, Maser oder optischer Verstärker. Bei einer zweiten Art arbeitet das Bauelement als optisches Strahlreinigungs-Bauelement. Bei einer dritten Art arbeitet das Bauelement als frequenzhochsetzendes Bauelement. Bei einer vierten Art arbeitet das Bauelement als optisches Strahlkombinier- Bauelement. Jede Art hängt vom Inversionsmechanismus ab, was im folgenden Unterabschnitt zu theoretischen Überlegungen im einzelnen beschrieben wird. Folgend auf diesen Unterabschnitt wird jede Betriebsart beschrieben.

THEORETISCHE ÜBERLEGUNGEN

Wie vorstehend angegeben, erfordern es aktuelle Pumptechniken für Laser, Maser und optische Verstärkung, daß die Eingangsquanten (Photonen zum optischen Pumpen) mehr Energie pro Quant enthalten als die Ausgangsquanten. Dies folgt aus den unvermeidlichen Verlusten (wegen spontaner Emission, Verlustwärme usw.) bei Übergängen vom Niveau 4 auf das Niveau 3 und vom Niveau 2 auf das Niveau 1, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Photonenenergie und die Frequenz sind durch E = hf miteinander verknüpft, wobei E die Photonenenergie, h die Plancksche Konstante und f die optische Frequenz sind. Ferner sind die Photonenwellenlänge und die Frequenz durch λ = c/(nf) miteinander verknüpft, wobei c die Lichtgeschwindigkeit, n der Brechungsindex des Mediums und f die optische Frequenz sind. Hieraus folgt, daß bekannte optisch gepumpte Laser, Maser und optische Verstärker Frequenzherabsetzer in dem Sinn sind, daß das Ausgangsfeld eine geringere Frequenz (und größere Wellenlänge) als das Pumpfeld (die Pumpfelder) aufweist. Die Erfindung arbeitet genau in umgekehrter Richtung, d. h. so, daß das Ausgangsfeld des Bauelements eine höhere Frequenz (kürzere Wellenlänge) aufweisen kann als eines der Pumpfelder oder alle.
Fig. 2 zeigt ein repräsentatives System mit mehreren Quantenniveaus gemäß den Lehren der Erfindung, bei dem N > = 3 Niveaus durch M kohärente elektromagnetische Quellen gepumpt werden (M < = N-1). Die M Pumpquellen können einen beliebigen Satz Niveaupaare miteinander verbinden, für den ein optischer Übergang besteht (die Energieniveaus, Pump- und Laserübergänge in Fig. 2 sollen nur ein repräsentatives Beispiel darstellen). Jede der M Pumpquellen ist gegenüber ihrem jeweiligen Übergang um den Wert Δ&ijlig; verstimmt, wobei i das untere der zwei Niveaus und j das obere der zwei Niveaus ist. Die M Pumpquellen sind um den Wert Δ1N gegenüber der M-Photonen-Resonanz zwischen den Niveaus 1 und N verstimmt. Wie in Fig. 2 dargestellt, sind Resonanzen für ein Photon bis M-1 Photonen auf analoge Weise definiert. Die N Niveaus sind über Abklingkonstanten miteinander verbunden, die z. B. durch die Lebensdauern bei spontaner Emission oder durch Stoßlöschung bestimmt sind.
Unter geeigneten Bedingungen können stationäre Besetzungsumkehrzustände geschaffen werden. Wenn Übergänge zwischen diesen invertierten Niveaus bestehen, kann ein Rückkopplungsmechanismus wie ein solcher durch einen Laser- oder Mikrowellen-Resonator oder ein eingegebener Keimstrahl (bei einem optischen Verstärker) dazu verwendet werden, die im invertierten Medium abgespeicherte Energie zu entnehmen. Wenn Inversion zwischen nicht benachbarten Niveaus vorliegt, für die ein elektromagnetischer Übergang existiert, kann die entnommene Energie eine höhere Frequenz (kürzere Wellenlänge) aufweisen als es diejenige eines oder mehrerer der Pumpstrahlen ist. Wenn Inversion zwischen benachbarten Pumpniveaus existiert, kann Energie mit derselben Frequenz (oder in deren Nähe) entnommen werden, wie sie einer der Pumpstrahlen aufweist.
Der Anmelder hat detaillierte numerische und analytische Modelle für diese Prozesse unter Verwendung der halbklassischen Dichtematrixformulierung aus der Quantenmechanik entwickelt (siehe z. B. M. Sargent III, M.O. Scully und W.E. Lamb Jr., Laser Physics, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1974). Bei dieser Formulierung wird das Medium quantenmechanisch beschrieben, während die elektromagnetischen Felder klassisch behandelt werden. Diese gemeinsame Formulierung gilt immer dann, wenn die Anzahl von Photonen (Photonenbesetzungszahl) groß ist, wie dies hier der Fall ist. Ergebnisse dieser Modelle, wie sie nachfolgend wiedergegeben werden, zeigen, daß Inversion unter vernünftigen Bedingungen erzielt werden kann. Zunächst wird mit einer intuitiven Beschreibung des Inversionsprozesses begonnen.
Die Rabi-Frequenz Ω wird für jede Pumpquelle wie folgt definiert:
Ω = u E/(2n) (1)
wobei u = < iu j> das Dipolmatrixelement ist, das die zwei fraglichen Niveaus miteinander verbindet, E die elektrische Feldamplitude des elektromagnetischen Felds ist und n die durch 2π geteilte Plancksche Konstante ist. Die Rabi-Frequenz ist ein Maß für die Kopplungsstärke zwischen dem elektromagnetischen Feld und dem Niveaupaar. Bei einem einfachen Zweiniveausystem ist es die Frequenz der Sinusschwingung der Besetzung zwischen den zwei Niveaus, wenn die Photonenenergie an die Energielücke zwischen den zwei Niveaus angepaßt ist.
Wenn vorerst die Wirkung des Dämpfungsmechanismus innerhalb des Mehrniveausystems vernachlässigt wird, stellt sich durch geeignetes Wählen der Verstimmungen der Energien für 1 Photon bis M Photonen für die Niveaus 1 bis N heraus, daß es möglich ist, einen Zyklus hinsichtlich einer tatsächlichen Gesamtbesetzung zwischen den Niveaus 1 und N zu erzielen, bei dem sich praktisch keine Besetzung in den Niveaus 2 bis N-1 befindet. Der Einfachheit halber betrachten wir zunächst N=3 und M=2. Die Bedingung für maximale Übertragung für dieses System kann wie folgt geschrieben werden (D.M. Larsen and N. Bloembergen, Optics Commun. 17, 254, Juni 1976):
Δ13 = (Ω2/23 - Ω2/23)/Δ23 (2).
Der Besetzungsübertragungsprozeß ist in den Fig. 3a und 3b für N=3 und N=2 dargestellt, wobei n&sub1;(t), n&sub2;(t) und n&sub3;(t) die zeitabhängigen Besetzungswahrscheinlichkeiten für die Niveaus 1, 2 bzw. 3 sind. In Fig. 3a liegt bei t=0 die Gesamtbesetzung im Niveau 1 vor. In Fig. 3b liegt zum Zeitpunkt t0= die Gesamtbesetzung im Niveau 2 vor. Diese Figuren zeigen, daß die Pumpfelder Besetzung aus dem Niveau 2 weder entnehmen noch in dieses eingeben. Allgemeiner konnten wir zeigen, daß bei einem Rabi-Zyklus mit N Niveaus, wie im dargestellten Fall mit 3 Niveaus, die Pumpfelder die Besetzungen zwischen den Niveaus 1 und N übertragen, jedoch keine Besetzung in die inneren Niveaus 2 bis N-1, einschließlich, übertragen oder daraus entnehmen.
Bei Berücksichtigung des Dämpfungsmechanismus des Systems hat der Anmelder herausgefunden, daß dann, wenn eine höhere Abklingrate in ein Zwischenniveau als aus dem Niveau existiert (z. B. für das Niveau N-1 in Fig. 2) ein Flaschenhals für die Besetzung entsteht. Dies führt zu Inversionen zwischen diesem Niveau und Niveaus die Niveauleiter herunter. Ferner konnte der Anmelder zeigen, daß es durch Erhöhen des Kopplungsgrades zwischen dem oberen Inversionsniveau und einem über diesem liegenden Niveau möglich ist, weitere Paare mit Besetzungsumkehr innerhalb des Niveausystems zu schaffen. In Fig. 2 würde dies bedeuten, ein Pumpfeld hinzuzufügen, das mit dem Niveaupaar N-1 nach N gekoppelt ist, das dann Besetzung vom Niveau N-1 in das Niveau N zieht.
Um zu zeigen, daß ein derartiger Inversionsprozeß bei tatsächlichen Materialien ausführbar ist, hat der Anmelder eine Anzahl spezieller Systeme als Modell verwendet. Ein solches System ist Natriumdampf geringer Dichte (< = einige wenige Torr). Die Energieniveaustruktur für Natrium ist in Fig. 4a dargestellt. Die maßgeblichen Energieniveaus, Pumpwellenlängen, Einsteinkoeffizienten A (Dämpfungsraten für spontane Emission) und Laserwellenlängen sind in Fig. 4b dargestellt. Lösungen der vollständigen Dichtematrixgleichungen für dieses Material sind in den Fig. 5a-5f dargestellt, wobei das Besetzungsinversionsverhältnis 4P/3S und die einzelnen Niveaubesetzungen als Funktionen einer (Einphotonen-) Verstimmung 3S-3P und einer (Zweiphotonen-) Verstimmung 3S-4D dargestellt sind. Hierdurch wird die kritische Natur für die Verstimmungs- und Pumpintensitäts-Verhältnisse dargestellt. Die Besetzungsumkehr entspricht einem optischen Übergang von 330 Nanometer, wohingegen die Pumpfelder 589 Nanometer und 569 Nanometer haben. Demgemäß ergibt sich, wenn Inversionsenergie über einen Prozeß mit stimulierter Emission entnommen wird, eine Frequenzhochsetzung, die nicht auf einem standardmäßigen, nichtlinearen, parametrischen Mischprozeß beruht.
Die detaillierten theoretischen Darlegungen des Anmelders zu diesen Systemen beinhalten auch:
(1) Resonatorrückkopplungsgleichungen für frequenzaddierende Laser, die einen starken Entnahmewirkungsgrad zeigen; und
(2) Pumpbandbreiten-Studien, die anzeigen, daß stationäre Phasenbeziehungen zwischen den Pumpquellen den Pumpwirkungsgrad nicht beeinflussen, sondern daß dynamische Änderungen der Phasenbeziehungen der Pumpquellen den Pumpwirkungsgrad verschlechtern. Bei praktischen Systemen, wie dem vorstehend beschriebenen Natriumdampfsystem, liegen hinnehmbare Bandbreiten für die Pumpquellen in der Größenordnung von weniger als 10 GHz bis 100 GHz bei vernünftigen Pumpintensitäten von 10 W/cm² bis 100 kW/cm². Die hinnehmbare Bandbreite der Pumpquellen ändert sich mit der Quadratwurzel der Pumpintensität.
Es folgt eine kurze Beschreibung der formellen Theorie für nahezu resonant geförderte, induzierte Mehrphotonen-Besetzungsumkehr:
Der Pumpprozeß wird durch einen Satz von Dichtematrixgleichungen wie folgt bestimmt:
wobei H der Hamilton-Operator für Felder ist, die mit einem N-Niveau-System wechselwirken, D die Dämpfungsmatrix (N² · N²) (die aus Relaxationskonstanten vom Typ T&sub1; und T&sub2; besteht) ist und p die Dichtematrix ist.
Die Terme im Hamilton-Operator bestehen aus den Energien der isolierten Atome
Hii = Ei (4)
und den Wechselwirkungstermen mit den verschiedenen Feldern. Zu Beginn des Analysierens eines speziellen Atomsystems werden mögliche Felder gewählt, um Resonanz mit verschiedenen zulässigen Übergängen zu erzielen, wobei gilt:
hχk Ei-Ej (5)
Das Dipolmatrixelement u&ijlig; zwischen den Niveaus entspricht Termen der Form
wobei die Werte u&ijlig; aus den Einsteinkoeffizienten A bestimmt werden. Der Index k markiert die verschiedenen Pumpfelder, und er ist logisch von den Indizes i und j für die Atomniveaus unabhängig. Wir ordnen jedoch in der Praxis jedem Feld ein resonantes Niveaupaar oder mehrere zu, weswegen sich das Folgende als geeignet definieren läßt:
A&ijlig; Ak
Φ&ijlig; Φk
χi←j = χk Ei < Ej
χi←j = - χk Ei > Ej (7)
wobei Ak, Φk und χk die Amplitude, Phase und Frequenz der jeweiligen Felder sind. Die in Gleichung (7) definierten positiven und negativen Übergangsfrequenzen hängen von der zugeordneten Reihenfolge der Energieniveaus ab (d. h. χi←j=-χj←i), und dies erlaubt es uns, für jedes beliebige Niveaupaar, das mit den gepumpten Übergängen direkt oder indirekt gekoppelt ist, den folgenden Wert zu definieren:
Dieser Wert ist eine Aufsummierung von Photonenenergien, wenn das System Übergänge entlang irgendeines Pfades vom Niveau m zum Niveau n ausführt. Hierbei definieren die Werte αi(i = 2, 1) Zwischenzustände entlang dem Pfad.
Bei unserer Analyse verwenden wir die Näherung einer rotierenden Welle, was es uns ermöglicht, die sinusförmige Zeitabhängigkeit in den Feldern herauszutransformieren. Zu diesem Zweck müssen die Felder dergestalt sein, daß die aufsummierten Photonenenergien in Gleichung (8) vom Pfad unabhängig sind. Demgemäß können wir σnm ohne die Werte αi schreiben.
Nun kann mit dieser Definition und der Transformation
gezeigt werden, daß
Hierbei sind die Werte Ω die komplexen Rabi-Frequenzen, die wie folgt gegeben sind:
Die üblichen Rabi-Frequenzen sind nur αβ .
Wir merken an, daß gemäß den obigen Definitionen folgendes gilt:
βα = αβ* (11).
Schließlich berücksichtigen wir die Relaxationsterme in der Dämpfungsmatrix D, die aus Relaxationen der Typen T&sub1; und T&sub2; besteht:
Für Dämpfung bei spontaner Emission gilt:
Das Zusammenfassen von Teilen der Dämpfungsterme und des restlichen Terms führt zur endgültigen Form
wobei Q die folgende komplexe Matrix ist:
Q&ijlig; = (1/T&sub2;)&ijlig; + (σ&ijlig; + ωi - ωj) (15)
Die Pumpfelder für den Prozeß werden für die interessierenden Systeme auf solche Weise gewählt, daß zwischen bestimmten Niveaupaaren Besetzungsumkehr erzielt wird. Bei der standardmäßigen Lasertheorie werden im allgemeinen Ratengleichungen dazu verwendet, den Pumpprozeß zu beschreiben, jedoch können wegen der Art des Prozesses, der hier für die Umkehr sorgt, Ratengleichungen nicht verwendet werden, um die dem Grunde nach kohärente Wirkung der Pumpquellen zu beschreiben, wenn die Dämpfung auf der Zeitskala des Rabi-Zyklus gering ist.

Detaillierte Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 6a ist eine schematische Veranschaulichung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dieses erste Ausführungsbeispiel ist ein frequenzaddierender Laser oder Maser. Ein Pumpstrahl 10 oder mehrere werden in einen Resonator eingestrahlt, der aus zwei oder mehreren Reflektoren 12, 14 besteht, die bei den Pumpwellenlängen hochreflektierend sind, jedoch bei der Summenfrequenz (oder nahe bei der Summenfrequenz) nicht wesentlich reflektieren. Diese Reflektoren 12, 14 fokussieren die Pumpstrahlen dauernd so, daß sie ihre Intensität beibehalten, wenn sie während der wiederholten Reflexion durch das Laserverstärkungsmedium 16 hindurch absorbiert werden. Bei Festkörper-Bauelementen können diese Reflektoren 12, 14 durch einen optischen Wellenleiter oder einen Lichtleiter ersetzt werden. In jedem Fall wird die Pumpintensität auf einem solchen Wert gehalten, daß die durch die Pumpstrahlung induzierte Rabi-Frequenz im Verstärkungsmedium größer bleibt (um mindestens eine Größenordnung) als der Kehrwert der Lebensdauern der Übergänge zwischen Zwischenniveaus. Diese Bedingung gewährleistet, zusammen mit den vorstehend erörterten zusätzlichen Bedingungen, daß Besetzungsumkehr zwischen einem nicht benachbarten Niveaupaar erzeugt wird.
Ein Pumpquellen-Rückstrahler 18 kann dazu verwendet werden, die erforderliche Intensität nach vielen Pumpdurchläufen durch das Verstärkungsmedium 16 aufrechtzuerhalten und den Wirkungsgrad des Energieübertragungsprozesses zu erhöhen. Ein zweiter Resonator, wie er durch Reflektoren 20, 22 festgelegt wird, wird dazu verwendet, die Energie zu entnehmen, die sie im Paar nicht benachbarter Niveaus durch die im Verstärkungsmedium 16 durch die Pumpstrahlen 10 erzeugte Umkehr abgespeichert ist. Dieser zweite Resonator 20, 22 besteht aus Spiegeln, die nur bei der Summenfrequenz (oder nahe bei der Summenfrequenz) des Resonatorfelds 24 hochreflektierend sind, und demgemäß unterstützt dieser optische oder Mikrowellen-Resonator nur die Summenfrequenzmode. Energie wird dem zweiten Resonator durch einen Summenfrequenz-Ausgangsstrahl 26 über Standardtechniken entnommen, z. B. über einen teilreflektierenden Spiegel oder einen Aufbau mit instabilem Resonator.
Der zweite Resonator kann weggenommen werden, wie dies beim Aufbau eines optischen Verstärkers in Fig. 6b dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Keimstrahl 28 mit geringer Leistung und mit der Summenfrequenz in das invertierte Medium 16' eingestrahlt, und er wird durch stimulierte Emission zu einem Ausgangsstrahl 30 mit hoher Leistung mit der Summenfrequenz verstärkt.
Wie im vorstehenden Abschnitt zu theoretischen Überlegungen erörtert, ist weder räumliche Kohärenz noch Phasenanpassung der Pumpstrahlen erforderlich, um die Umkehr im Medium zu schaffen. Daher können Pumpstrahlen mit schlechter Strahlqualität in Ausgangsstrahlen hoher Qualität dadurch umgesetzt werden, daß Summenfrequenzresonatoren (in Fig. 6a mit 20, 22 bezeichnet) hoher Qualität oder Keimstrahlen (in Fig. 6b mit 28 bezeichnet) guter Strahlqualität verwendet werden. Wenn ein Paar benachbarter Niveaus durch Pumpstrahlen invertiert wird, die denselben Übergang wie der Ausgangsstrahl aufweisen, wirkt der optische Oszillator (wie in Fig. 6a dargestellt) oder der optische Verstärker (wie in Fig. 6b dargestellt) als Strahlreinigungs-Bauelement. Wenn ein Paar nicht benachbarter Niveaus invertiert wird, wirken die in den Fig. 6a und 6b dargestellten Bauelemente als Summenfrequenzgeneratoren. Diese Summenfrequenzgeneratoren erfordern nicht die herkömmliche Phasenanpassung oder strenge Pumpkohärenz standardmäßiger, nichtlinearer, parametrischer Wellenmischtechniken.
Die Fig. 7a und 7b zeigen schematisch Strahlkombinier-Bauelemente auf Grundlage der vorstehend beschriebenen neuartigen Inversionstechnik. Gemäß Fig. 7a werden die Strahlen mehrerer Pumplaser 32, 34, 36, 38 durch eine Übertragungsoptik 42 in das Verstärkungsmedium 40 eingestrahlt. Wenn Pumpquellen-Rückstrahler 44 verwendet werden, sind auch optische Isolatoren 46 vorhanden, um eine Unterbrechung der Arbeit der Pumplaser durch Rückreflexionen zu verhindern. Inversionen von Niveaupaaren werden im Verstärkungsmedium 40 wie bei den Fig. 6a und 6b dadurch erzeugt, daß die Pumpstrahlen 48 unter Verwendung von Pumpstrahlungsreflektoren 50, 52 durch das Verstärkungsmedium 40 reflektiert werden. Die Pumpstrahlen 48 müssen nicht phasenangepaßt sein und nicht einmal zueinander kohärent sein. Die Pumpstrahlungsenergie wird an das Verstärkungsmedium 40 übertragen, durch die Inversion im Medium eingespeichert und durch einen einzigen kohärenten Strahl 54 mittels eines zweiten Resonators entnommen, der aus Spiegeln 56, 58 besteht, die das Resonatorfeld 60 stark reflektieren.
Die Spiegel 56, 58 können weggelassen werden, wie bei dem Aufbau eines optischen Verstärkers von Fig. 7b gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Keimstrahl 62 geringer Leistung in das invertierte Medium 40' eingestrahlt, und dieser wird durch stimulierte Emission in einen Ausgangsstrahl 64 hoher Leistung mit der Summenfrequenz verstärkt.
Offensichtlich sind angesichts der vorstehenden Lehren viele Modifizierungen und Änderungen der Erfindung möglich. Daher ist zu beachten, daß die Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche auf andere Weise ausgeführt werden kann, als dies speziell beschrieben wurde.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen von Besetzungsumkehrungen zur Verwendung bei Vorrichtungen mit stimulierter Emission, die Strahlen kombinieren, Strahlen reinigen oder elektromagnetische Strahlung in der Frequenz heraufsetzen, umfassend:

(a) Bereitstellen eines Mediums mit mehreren Quantenniveaus;

(b) Bereitstellen von Pumpstrahlen für nahezu resonant verstärktes Mehrphotonenpumpen des Mediums mit mehreren Quantenniveaus, das Atome oder Moleküle mit drei oder mehr Energieniveaus aufweist, deren Übergangsenergien nahezu resonant mit den Pumpstrahlen sind, wobei das nahezu resonant verstärkte Mehrphotonenpumpen so festgelegt ist, daß die Photonenenergie jedes Pumpstrahls dicht bei der Übergangsenergie zwischen zwei Energieniveaus des Mediums mit den mehreren Quantenniveaus liegt, dieser jedoch nicht gleich ist, um so für kleine Einzelphotonenverstimmungen zwischen den Pumpstrahlen und den Energieniveaus zu sorgen, wobei diese kleinen Einzelphotonenverstimmungen wechselwirkende Energieniveaus des Mediums mit mehreren Quantenniveaus festlegen;

(c) Richten von Pumpstrahlen in das Medium mit mehreren Quantenniveaus, das für ein Energiezwischenniveau größere Abklingraten als aus diesem Energiezwischenniveau heraus aufweist, wobei das Energiezwischenniveau zwischen dem untersten und höchsten der wechselwirkenden Energieniveaus liegt, wobei die Pumpstrahlen Intensitäten und Frequenzen aufweisen, die den folgenden Beschränkungen genügen:

(1) die Rabi-Frequenzen sind mindestens eine Größenordnung größer als die Abklingraten zwischen den Energieniveaus des Quantenmediums, wobei die Rabi-Frequenzen für jedes wechselwirkende Niveaupaar zu Ω = uE/2n definiert sind, wobei u die Größe des Dipolmoments des energetisch wechselwirkenden Niveaupaars ist, E die Stärke des elektrischen Felds des Pumpstrahls ist und n die durch 2π geteilte Plancksche Konstante ist;

(2) der maximale Besetzungszyklus zwischen dem untersten und höchsten wechselwirkenden Energieniveau des Quantenmediums wird unter der Bedingung erzeugt, daß dieser Maximalzyklus aus einer Analyse der Dichtematrixgleichungen bestimmt wird, die die Wechselwirkung der Pumpstrahlen mit dem System mit mehreren Quantenniveaus beschreiben; und

(3) es wird eine Mehrphotonen-Verstimmung mit einem Wert erzeugt, der mindestens um eine Größenordnung kleiner ist als jede der Einzelphotonenverstimmungen, wobei die Mehrphotonenverstimmung der Differenz zwischen der Summe der Pumpstrahlen-Photonenenergien und der Gesamtübergangsenergie zwischen dem niedrigsten und höchsten der wechselwirkenden Energieniveaus geteilt durch die Plancksche Konstante entspricht;

- wobei jeder der Pumpstrahlen mit einem Paar Energieniveaus des Quantenmediums wechselwirkt, wobei die Paare der Energieniveaus des Mediums mit mehreren Quantenniveaus stufenweise so miteinander verbunden sind, daß das oberste Energieniveau in einem Energieniveaupaar auch das unterste Energieniveau des nächsten Energieniveaupaars ist, wodurch ein durch das Pumpen betriebener Besetzungszyklus zwischen dem untersten und höchsten der wechselwirkenden Energieniveaus des Mediums mit mehreren Quantenniveaus geschaffen wird, wobei die Abklingraten eine größere Rate der Besetzungsübertragung in das Zwischenniveau als aus dem Zwischenniveau erzeugen, was zum Aufbau einer Besetzung im Zwischenniveau führt und dadurch eine stationäre Besetzungsumkehr im Medium mit mehreren Quantenniveaus schafft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das resonant verstärkte Mehrphotonenpumpen des Mediums mit mehreren Quantenniveaus eine Besetzungsumkehr im Medium mit mehreren Quantenniveaus zwischen einem Paar Energieniveaus hervorruft, wobei die Energiedifferenz zwischen dem Niveaupaar die einzelnen Pumpphotonenenergien übersteigt, und bei dem das Medium mit mehreren Quantenniveaus in einen optischen Resonatorkreis eingesetzt wird, der für Rückkopplung bei der Energiedifferenz dieses Niveaupaars sorgt, wodurch durch stimulierte Emission von Strahlung ein Laser oder Maser geschaffen wird, bei dem der kohärente Ausgangsstrahl kürzere Wellenlänge als die Pumpstrahlen aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das resonant verstärkte Mehrphotonenpumpen des Mediums mit mehreren Quantenniveaus eine Besetzungsumkehr im Medium mit mehreren Quantenniveaus zwischen einem Paar Energieniveaus hervorruft, wobei die Energiedifferenz zwischen dem Niveaupaar die einzelnen Pumpphotonenenergien übersteigt, und bei dem ein kleiner Keimstrahl mit einer Photonenenergie, die der Energiedifferenz des Niveaupaars entspricht, in das Medium eingestrahlt wird, wobei der kleine Keimstrahl während seines Durchlaufens durch das invertierte Medium durch stimulierte Emission von Strahlung verstärkt wird, um dadurch einen optischen Verstärker zu schaffen, bei dem der kohärente Ausgangsstrahl kürzere Wellenlänge als die Pumpstrahlen aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das resonant verstärkte Mehrphotonenpumpen des Mediums mit mehreren Quantenniveaus durch mehrere Pumpstrahlen eine Besetzungsumkehr im Medium mit mehreren Quantenniveaus zwischen einem Paar Energieniveaus hervorruft, wobei die Inversionsenergie von den mehreren Pumpstrahlen zugeführt wird, und bei dem das invertierte Quantenmedium innerhalb eines optischen Resonatorkreises angeordnet wird, der für Rückkopplung bei der Energiedifferenz des Niveaupaars sorgt und dadurch die Inversionsenergie mit einem einzelnen kohärenten Ausgangsstrahl durch stimulierte Emission von Strahlung entnimmt, um dadurch einen Strahlkombinationslaser oder -maser zu erzeugen, bei dem der einzelne kohärente Ausgangsstrahl die Energie enthält, die dem Medium mit mehreren Quantenniveaus durch die mehreren Pumpstrahlen zugeführt wurde.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das resonant verstärkte Mehrphotonenpumpen des Mediums mit mehreren Quantenniveaus durch mehrere Pumpstrahlen eine Besetzungsumkehr im Medium mit mehreren Quantenniveaus zwischen einem Paar Energieniveaus hervorruft, wobei die Inversionsenergie von den mehreren Pumpstrahlen zugeführt wird, und bei dem ein kleiner Keimstrahl mit einer Photonenenergie, die der Energiedifferenz des Niveaupaars entspricht, in das Medium eingestrahlt wird, wobei der kleine Keimstrahl bei seinem Durchlaufen durch das Medium mit mehreren Quantenniveaus durch stimulierte Emission von Strahlung verstärkt wird, wodurch die Inversionsenergie in einem einzelnen kohärenten Ausgangsstrahl entnommen wird, um dadurch einen strahlkombinierenden, optischen Verstärker zu schaffen, bei dem der einzelne kohärente Ausgangsstrahl die Energie enthält, die dem invertierten Quantenmedium durch die mehreren Pumpstrahlen zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das resonant verstärkte Mehrphotonenpumpen des Mediums mit mehreren Quantenniveaus durch Pumpstrahlen mit schlechter Strahlqualität eine Besetzungsumkehr zwischen Energieniveaus des Mediums mit mehreren Quantenniveaus hervorruft, und bei dem das Medium mit mehreren Quantenniveaus in einem optischen Resonatorkreis hoher Qualität angeordnet wird, der für eine Rückkopplung bei der Energiedifferenz des Niveaupaars sorgt, wobei der optische Resonatorkreis hoher Qualität ein Bauelement ist, dessen kohärenter Ausgangsstrahl gleichmäßige Intensität und Phase über die Strahlfront aufweist, um dadurch einen Laser oder Maser zu schaffen, bei dem der kohärente Ausgangsstrahl eine Qualität aufweist, die durch den optischen Resonatorkreis hoher Qualität bestimmt wird, wodurch eine Strahlreinigungsvorrichtung geschaffen wird, bei der Pumpstrahlen schlechter Strahlqualität in den Ausgangsstrahl guter Strahlqualität umgesetzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das resonant verstärkte Mehrphotonenpumpen des Mediums mit mehreren Quantenniveaus durch Pumpstrahlen mit schlechter Strahlqualität eine Besetzungsumkehr zwischen Energieniveaus des Mediums mit mehreren Quantenniveaus hervorruft, und bei dem ein Keimstrahl hoher Qualität mit einer Photonenenergie, die der Energiedifferenz des Niveaupaars entspricht, in das Medium eingestrahlt wird, wobei der Keimstrahl hoher Qualität als solcher mit geringer Leistung mit gleichmäßiger Intensität und Phase über den Strahl festgelegt ist, wobei dieser Keimstrahl während seines Durchlaufs durch das invertierte Medium durch stimulierte Emission von Strahlung verstärkt wird, wodurch ein optischer Verstärker geschaffen ist, bei dem der kohärente Ausgangsstrahl eine Qualität aufweist, die durch den Keimstrahl hoher Qualität bestimmt wird, und wodurch eine Strahlreinigungsvorrichtung geschaffen ist, bei der Pumpstrahlen schlechter Qualität in den Ausgangsstrahl guter Strahlqualität umgesetzt werden.