DE3879821T2

DE3879821T2 - Hauptoszillator-leistungsverstaerker-lasersystem.

Info

Publication number: DE3879821T2
Application number: DE8888902633T
Authority: DE
Inventors: R O'meara
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1987-03-26
Filing date: 1988-01-25
Publication date: 1993-07-08
Anticipated expiration: 2008-01-26
Also published as: IL85467A; WO1988007778A1; EP0306512B1; DE3879821D1; EP0306512A1; JPH01502869A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Lasersysteme im allgemeinen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Leistungsverstärker des Steueroszillators für Lasersysteme, welche verzerrungskompensierte phasenkonjugierende Spiegel aufweisen.
Ein Hochleistungslaserstrahl kann erhalten werden, indem man ein Lasersystem mit einem Leistungsverstärker für einen Steueroszillator (Master-Oscillator Power-Amplifier, "MOPA") verwendet, welcher einen Oszillator aufweist, um einen Laserstrahl bereitzustellen und einen Leistungsverstärker, um den Strahl zu verstärken. Indessen führt ein derartiger Verstärker während er verstärkt Verzerrungen ein und es wird nötig, diese Verzerrungen zu kompensieren, um einen Ausgangsstrahl von akzeptabler hoher Qualität zu erhalten. Ein Weg, um derartige Verzerrungen zu kompensieren, liegt in der Verwendung von phasenkonjugierenden Vorrichtungen wie beispielsweise einem phasenkonjugierenden Spiegel.
Ein phasenkonjugierender Spiegel empfängt einen Eingangslaserstrahl und stellt einen "reflektierten" Strahl bereit, welcher eine Konjugierte des empfangenen Strahles ist. Wenn der empfangene Strahl während seiner Ausbreitung durch ein verzerrendes Medium auf seinem Weg zu dem phasenkonjugierenden Spiegel verzerrt worden ist, und wenn der "reflektierte" konjugierte Strahl dann durch das verzerrende Medium zurückgeführt wird, verschwindet ein erheblicher Teil der Verzerrung, und der konjugierte Strahl tritt, im wesentlichen verzerrungsfrei, aus dem verzerrenden Medium aus.
Ein Hochleistungslasersystem, welches Phasenkonjugation verwendet, um Verstärkerverzerrungen zu kompensieren, umfaßt einen Laseroszillator, um einen Laserstrahl bereitzustellen, einen Leistungsverstärker, einen Strahlteiler, um einen Teil des Strahles von dem Oszillator in den Verstärker zu reflektieren, und einen phasenkonjugierenden Spiegel, um den verstärkten Strahl von dem Verstärker zu empfangen und um einen konjugierten Strahl zurück durch den Verstärker zu reflektieren. Wenn der konjugierte Strahl durch den Verstärker zurückwandert wird er weiter verstärkt und tritt dann durch den Strahlteiler hindurch, um einen Ausgangslaserstrahl mit hoher Leistung bereitzustellen. Jede Verzerrung, welche in dem Laserstrahl während seiner Verstärkung eingeführt wurde, wird entfernt, wenn der konjugierte Strahl durch den Verstärker zurückläuft, und demnach wird der Ausgangslaserstrahl virtuell verzerrungsfrei.
Der Laseroszillator, welcher den Eingangsstrahl bereitstellt, umfaßt ein verstärkendes Medium, welches zwischen einem Reflektor und einem gegenüberliegenden Teilreflektor angeordnet ist. Der Eingangsstrahl tritt von dem Teilreflektor aus und wandert von dort in Richtung des Strahlteilers.
Der phasenkonjugierende Spiegel kann aus einem Stimulierten- Brillouin-Streuungs("SBS")-Spiegel bestehen. Im Gegensatz zu anderen Arten von phasenkonjugierenden Spiegeln benötigen SBS-Spiegel keine "Pumpen" oder andere externe Leistungsversorgungen und sind daher vergleichsweise effizient. Indessen reflektiert ein typischer SBS-Spiegel nicht mehr als 60 % bis 80% der von ihm empfangenen Leistung und es wird daher nötig, Verstärker mit einer sehr hohen Leistung zu verwenden, um diese Verluste auszugleichen und um den gewünschten Hochleistungsausgangsstrahl bereitszustellen. Aus diesen Gründen kann ein Verstärker mit einer Verstärkung von 200 oder mehr benötigt werden.
Obgleich ein MOPA-Lasersystem, wie das zuvor beschriebene, welches einen Hochleistungsverstärker enthält, um die Verluste in dem SBS-Spiegel auszugleichen, einen gut kompensierten Hochleistungslaserstrahl bereitstellen kann, kann ein derartiges System unstabil werden. Diese Unstabilität rührt aus der Tatsache, daß der Strahlteiler nicht den gesamten verstärkten konjugierten Strahl an den Ausgang weiterleitet. Stattdessen wird ein Teil dieses verstärkten Strahles in Richtung des Teilreflektors des Oszillators zurückreflektiert, wodurch der Strahl durch den Teiler in Richtung des Verstärkers für einen zweiten Umlauf durch den Verstärker und den SBS-Spiegel zurückreflektiert wird. In anderen Worten bildet die Kombination aus dem Verstärker, dem SBS-Spiegel und dem Teilreflektor einen Oszillator. Wenn die Umlaufverstärkung (round trip gain) durch diese Kombination Eins überschreitet, treten Oszillationen auf, und wenn die Verstärkung des Verstärkers hoch genug ist, hindert diese unerwünschte Oszillation nicht nur das System daran, wie gewünscht zu arbeiten, sondern es kann auch einige der Komponenten physikalisch zerstören.
Diese ungewünschte Oszillation kann theoretisch durch die Verwendung von Polarisationseinrichtungen verhindert werden. In einer derartigen Polarisationseinrichtung wird der Eingangsstrahl mittels Brewster-Fenstern in dem Laseroszillator polarisiert, und der polarisierte Strahl wird dann in eine gewünschte Orientierung mittels einer λ/2-Platte orientiert. Ein polarisationstrennender Strahlteiler empfängt den polarisierten Strahl von der λ/2-Platte und führt ihn in den Verstärker. Eine λ/4-Platte, welche zwischen dem Verstärker und dem SBS-Spiegel angeordnet ist, dreht die Polarisation des Strahles, wenn er zwischen dem Verstärker und dem SBS-Spiegel hindurchtritt derart, daß, nach dem Umkehrdurchlauf durch den Verstärker, der verstärkte konjugierte Strahl bezüglich dem Eingangsstrahl orthogonal polarisiert ist. Der polarisationstrennende Strahlteiler führt dann den verstärkten Strahl zum Ausgang.
Wenn die Polarisation des verstärkten Strahl perfekt orthogonal bezüglich der Polarisation des Eingangsstrahls gehalten wird, können keine unerwünschten Oszillationen auftreten, da nur ein sehr kleiner Prozentanteil des verstärkten Strahles zurück in Richtung des Teilreflektors des Oszillators reflektiert wird, sofern Polarisatoren mit hoher Qualität verwendet werden. Indessen kann selbst eine sehr leichte Doppelbrechung in dem Verstärker oder in anderen Systemelementen zu einer Depolarisierung des Strahles führen, welche ausreichend ist, um zu Oszillationen zu führen. Eine Depolarisation, die so klein ist wie 1%, kann in einem System mit einem Verstärker, welcher eine Verstärkung von 200 aufweist, zu unerwünschten Oszillationen führen.
Ein anderes Problem tritt infolge der verstärkten spontanen Emission ("ASE") auf, die von dem Verstärker ausgeht und von ihm verstärkt wird, und die von dem SBS-Spiegel reflektiert wird und die dann, während sie erneut durch den Verstärker hindurchtritt, weiter verstärkt wird. Da die ASE anfangs unpolarisiert ist, wird ungefähr die Hälfte der ASE von dem Strahlteiler in Richtung des Oszillators geführt werden. Jede ASE, welche den Oszillator betritt, kann die Leistungsfähigkeit des Oszillators vermindern und sogar den Oszillator vollständig "quenchen".
Aus dem "Soviet Journal of Quantum Electronics", Band 17, Nr. 1, Januar 1987, ist ein Verfahren bekannt, um einen Leistungsverstärker von dem rücklaufenden Licht zu entkoppeln, das von einem wellenfront-umkehrenden Spiegel reflektiert und durch einen Verstärker transmittiert wurde. Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine Rückkopplung in dem Laserresonator zwischen der eigentlichen Laserstrahlung und der entgegengesetzten Welle eingeführt, welche den Resonator kreuzt. Dies wird erreicht, indem ein Leistungsverstärker in der Form eines Lasers mit einem unstabilen Ringresonator verwendet wird, welcher in dem Wanderwellenbetrieb arbeitet. Vergleichbare Laserresonator-Konfigurationen sind früher beispielsweise für "Self-Mode-Locked Lasers" verwendet worden. Die unstabile Resonator-Konfiguration, welche einen Einrichtungs-Laserbetrieb des oszillierenden Ringresonators sichert, wird mittels einer thermischen Linse eingerichtet, die in dem aktiven Element induziert wird. Der ausgekoppelte Strahl wird dann durch eine STBS-Zelle geführt und wird dann mittels eines wellenfront-umkehrenden Spiegels reflektiert. Das zurückgestreute Licht betritt den Ringresonator erneut, tritt durch das verstärkende Medium des Oszillatorsystemes hindurch und wird dann mittels eines Strahlteilers ausgekoppelt, welcher innerhalb des Ringresonator-Hohlraumes angeordnet ist.
Wie aus dem zuvor Gesagten deutlich wird, besteht ein Bedarf an einer Vorrichtung, welche unerwünschte Oszillationen in einem MOPA-Lasersystem verhindert, das einen verzerrungskompensierenden phasenkonjugierenden Spiegel aufweist, und welche jede ASE, die in dem Ausgang eines derartigen Systemes anwesend sein kann, daran hindert, den Systemoszillator zu verschlechtern.
Diese Aufgabe wird durch einen Leistungsverstärker eines Steueroszillators (MOPA) gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Im einzelnen stellt die vorliegende Erfindung ein stabiles phasenkonjugierendes Lasersystem mit einem Leistungsverstärker für den Steueroszillator (MOPA) bereit, welcher einen verzerrungsfreien Hochleistungslaser-Ausgangsstrahl bereitstellt. Die Stabilität wird erreicht, indem eine Rückkopplung zwischen dem Leistungsverstärker und dem Oszillator verhindert wird. Zusätzlich wird die Einführung von verstärkten spontanen Emissionen (ASE) gehemmt, wodurch eine Verschlechterung des Oszillators verhindert wird. Ein MOPA-System gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei einem sehr hohen Leistungspegel betrieben werden, ohne unter sowohl Instabilitäten und daraus herrührenden unerwünschten Oszillationen, als auch unter ASE-induzierten Oszillatorverschlechterungen zu leiden.
Die vorliegende Erfindung besteht aus einem verbesserten MOPA-Lasersystem, welches einen optischen Oszillator enthält, um einen Eingangslaserstrahl bereitzustellen, welcher eine vorherbestimmte Frequenz hat, sowie einen Strahlteiler, um den Strahl von dem Oszillator zu empfangen, einen Leistungsverstärker, um einen Teil des Strahles von dem Strahlteiler zu empfangen und den Strahl zu verstärken und einen phasenkonjugierenden Reflektor, wie beispielsweise einen SBS-Spiegel, um den verstärkten Teil des Strahles durch den Leistungsverstärker und dann durch den Strahlteiler zurückzureflektieren, um so einen verstärkten Ausgangsstrahl bereitzustellen. Die verbesserte Oszillatorvorrichtung dieser Erfindung verhindert eine unerwünschte destabilisierende Kopplung, indem all das vom Ausgangsstrahl zurückgewiesen wird, was sich zurück in Richtung der Oszillatorvorrichtung ausbreitet. ASE-induzierte Oszillatorverschlechterungen werden mittels einer Dämpfungsvorrichtung verhindert, welche alle ASE dämpft, die von dem Verstärker zurück zu dem Oszillator transmittiert werden kann.
Der verbesserte Oszillator kann einen Ringoszillator umfassen, welcher ein verstärkendes Medium mit einem Eingang aufweist, um einen Laserstrahl zu empfangen, sowie eine Mehrzahl von Reflektoren, um den Strahl entlang eines Ringpfades um das Medium zwecks weiterer Verstärkung zu reflektieren. Einer der Reflektoren stellt den Eingangsstrahl bereit, in dem ein Teil des Strahles aus dem Ringpfad und entlang eines Eingangspfades in Richtung des Strahlteilers transmittiert wird, und dieser Reflektor wird orientiert, um den Teil des Ausgangsstrahles fortzureflektieren, der sich entlang des Eingangspfades zurück in Richtung des Oszillators ausbreiten könnte. Ein optischer Isolator, wie beispielsweise ein Bragg- Zellen-Isolator oder ein magneto-optischer "Faraday"-Isolator, kann entlang des Ringpfades in dem Oszillator angeordnet werden, um den Teil des Ausgangsstrahles zu dämpfen, der den Oszillator betreten könnte und der sich entlang dem Ringpfad rückwärts ausbreitet.
Ein MOPA-System kann eine Polarisationsvorrichtung enthalten, um den Eingangsstrahl zu polarisieren, sowie Polarisations- Rotationsvorrichtungen, welche zwischen dem Leistungsverstärker und dem Reflektor angeordnet sind, um die Polarität des Strahles zu drehen, so daß die Polarität des Ausgangsstrahles orthogonal zu der des Eingangsstrahles ist. Der Strahlteiler in einem derartigen System enthält einen polarisationstrennenden Strahlteiler. In einem MOPA-System, das derartige polarisierende Merkmale aufweist und das gemäß der vorliegenden Erfindung verbessert worden ist, enthält der verbesserte Oszillator Vorrichtungen zum Polarisieren des Eingangsstrahles, um mit dem polarisationstrennenden Strahlteiler und der Polarisations-Rotationsvorrichtung zu kooperieren, wodurch die Verschlechterung des Oszillators infolge eines Auftreffens von unerwünschter Strahlung auf den Oszillator im wesentlichen verhindert wird.
ASE, die in dem Verstärker entsteht, wird von dem SBS-Spiegel zusammen mit dem verstärkten Oszillatorstrahl reflektiert und wird auf ihrem Rückweg durch den Verstärker weiter verstärkt. Da die ASE nicht polarisiert ist, wird selbst ein polarisationstrennender Strahlteiler einen Teil der ASE zurück in Richtung des Oszillators reflektieren, und wenn die ASE den Oszillator betritt, vermindert sie die Leistungsfähigkeit des Oszillators. Die Dämpfungsvorrichtung vermindert eine derartige Verschlechterung, indem sie die ASE dämpft.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Dämpfungsvorrichtung einen Ortsfilter (spatial filter) enthalten, wie beispielsweise einen Filter, der zwei Linsen und eine Appertur umfaßt, wobei der Filter entlang dem Eingangspfad angeordnet ist und betrieben wird, um die ASE zu dämpfen.
Die Dämpfungsvorrichtung kann auch einen optischen Isolator enthalten, um die ASE zu dämpfen. Der Isolator kann einen Filter umfassen, wie beispielsweise einen Bandpaßfilter, einen Kerbfilter oder einen Hochpaßfilter, welche zwischen dem Oszillator und dem Strahlteiler angeordnet sind, oder einen Filter, wie einen Bandpaßfilter, welcher zwischen dem Leistungsverstärker und dem Reflektor angeordnet ist.
In einem MOPA-System, welches einen SBS-Spiegel aufweist, kann die Funktion des optischen Isolators verbessert werden, indem man die Frequenzverschiebung ausnutzt, die mittels eines derartigen Spiegels eingeführt wird. Ein SBS-Spiegel stellt in Antwort auf einen einfallenden Strahl einer bestimmten Frequenz einen konjugierten Strahl bereit, welcher eine Frequenz aufweist, die von der des einfallenden Stahles um einen vorherbestimmten Betrag verschieden ist. In einem MOPA-System bedeutet dies, daß der von dem SBS-Spiegel bereitgestellte konjugierte Strahl eine Frequenz aufweist, welche von der Frequenz des Oszillators um den zuvor erwähnten vorherbestimmten Betrag verschieden ist. Da alle ASE, die in dem Verstärker erzeugt worden sind, ein Frequenzband belegen, das um die Oszillatorfrequenz zentriert ist, werden auch die ASE-Frequenzen von dem SBS-Spiegel zu einem neuen Band verschoben, das um die Frequenz des konjugierten Strahles zentriert ist. Ein Isolator, welcher zwischen dem Oszillator und dem Leistungsverstärker angeordnet ist, kann diese Frequenzverschiebung vorteilhaft ausnutzen und die ASE entfernen, ohne den Oszillatorstrahl zu stören.
Genauer gesagt, enthält ein verbessertes MOPA-System gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung einen Isolator, welcher betrieben wird, um einen Strahl zu transmittieren, welcher eine Frequenz aufweist, die gleich der des Eingangsstrahles ist, und um einen Strahl zu dämpfen, welcher eine Frequenz hat, die gleich der des konjugierten Strahles ist. Dieser Isolator umfaßt einen Filter, welcher zwischen dem Oszillator und dem Verstärker angeordnet ist. Der Oszillatorstrahl tritt durch den Filter mit geringer oder keiner Dämpfung hindurch, jedoch wird jegliches ASE, welches von dem Verstärker zurück in Richtung des Oszillators reflektiert wird, gedämpft, da die Frequenzen der ASE alle von dem SBS-Spiegel in ein Band verschoben worden sind, das um die Frequenz des konjugierten Strahles zentriert ist. Ein zweiter Filter, der zwischen dem Verstärker und dem SBS-Spiegel angeordnet ist, dämpft die ASE weiter.
Wie sich aus dem zuvor Gesagten ergibt, stellt die vorliegende Erfindung eine signifikante Verbesserung in dem Feld der Hochleistungslasersysteme dar. Die Erfindung stellt ein stabiles phasenkonjugierendes MOPA-System bereit, welches einen Hochleistungslaser-Ausgangsstrahl mit geringen Verzerrungen ausgibt. Das System enthält einen verbesserten Oszillator, der keinen Rückkopplungspfad zwischen dem Oszillator und dem Leistungsverstärker bereitstellt und ist keiner Verschlechterung durch ASE ausgesetzt.
Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Zuhilfenahme der folgenden detaillierten Beschreibung klar, die, wenn sie zusammen mit der beigefügten Zeichnung berücksichtigt wird, in Form eines Beispiels die Prinzipien der vorliegenden Erfindung illustriert. Es zeigt:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines zugrundeliegenden kompensierten Lasersystems mit einem Leistungsverstärker für einen Steueroszillator;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines verbesserten kompensierten Lasersystems mit einem Leistungsverstärker für einen Steueroszillator gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Verteilung der verstärkten stimulierten Emissionen als eine Funktion der Frequenz in einem Laserstrahl dargestellt ist, nachdem der Strahl verstärkt worden ist, aber bevor er den Phasenkonjugator von Fig. 1 betreten hat (durchgezogene Kurve), und nachdem die Frequenz des Strahles als ein Ergebnis des Durchtritts durch den Phasenkonjugator verschoben worden ist (gestrichelte Linie);
Fig. 4 einen Graph, in dem die Dämpfung als eine Funktion der Frequenz bei einem Bandpaßfilter dargestellt ist, der für die optische Isolierung in der Ausführungsform von Fig. 2 verwendet werden kann;
Fig. 5 einen Graph, in dem die Dämpfung als eine Funktion der Frequenz von einem Kerbfilter dargestellt ist, der für die optische Isolierung in der Ausführungsform von Fig. 2 verwendet werden kann.
Fig. 6 einen Graph, in dem die Dämpfung als eine Funktion der Frequenz von einem Hochpaßfilter dargestellt ist, welcher für die optische Isolation in der Ausführungsform von Fig. 2 verwendet werden kann.
Existierende phasenkonjugierende Lasersysteme mit Leistungsverstärkern für den Steueroszillator unterliegen unerwünschten Oszillationen als ein Ergebnis der Rückkopplung zwischen dem Oszillator und dem Leistungsverstärker, und Oszillatorverschlechterungen als ein Ergebnis von verstärkten spontanen Emissionen ("ASE"), welche in den Oszillator reflektiert werden. Die vorliegende Erfindung stellt ein stabiles phasenkonjugierendes MOPA-System bereit, das einen Hochleistungslaserstrahl mit geringen Verzerrungen bereitstellt und das unerwünschten Oszillationen oder ASE-induzierten Oszillatorverschlechterungen nicht unterliegt.
Fig. 1 ist eine Illustration eines grundlegenden MOPA-Systemes, in dem die Pfade der Lichtenergie und der grundlegenden Komponenten dargestellt sind. Diese Komponenten schließen eine Oszillatorvorrichtung 11 ein, um entlang eines Eingangspfades 13 einen Eingangslaserstrahl einer vorherbestimmten Frequenz bereitzustellen, sowie einen Strahlteiler 15, um den Strahl von der Oszillatorvorrichtung 11 zu empfangen, einen Leistungsverstärker 17, um den Strahl von dem Strahlteiler 15 zu empfangen und um den Strahl zu verstärken, und einen Reflektor 18, welcher aus einem SBS-Spiegel 19 oder aus einer anderen Art eines phasenkonjugierenden Reflektors bestehen kann, wie in Fig. 1 gezeigt. Der Reflektor 19 reflektiert den Strahl zurück durch den Verstärker 17 und dann anschließend durch den Strahlteiler 15, um einen verstärkten Ausgangsstrahl entlang eines Ausgangspfades 21 bereitzustellen.
Die Oszillatorvorrichtung 11 enthält ein verstärkendes Medium 23, welches zwischen sich gegenüberliegenden Reflektoren 25 und 27 angeordnet ist. Ein Laserstrahl, der in der Oszillatorvorichtung 11 erzeugt worden ist, wird zwischen den Reflektoren 25 und 27 hin- und herreflektiert, wie allgemein durch die Pfeile 29 und 31 angedeutet ist. Der Reflektor 27 ist partiell reflektierend und ist orientiert, um einen Teil des erzeugten Laserstrahles entlang dem Eingangspfad 13 zu transmittieren, um so den Eingangslaserstrahl zu bilden.
Eine Oszillation kann zwischen der Oszillatorvorrichtung 11 und dem Verstärker 17 auftreten, da ein Teil des Ausgangstrahles von dem Strahlteiler zurück entlang dem Eingangspfad 13 reflektiert wird. Dieser reflektierte Strahl wird von dem Spiegel 27 zu dem Verstärker rückreflektiert und auf diese Art und Weise wandert der Strahl zwischen dem Spiegel 27 und dem Reflektor 18 hin und her, wobei er bei jedem Durchgang durch den Verstärker hindurchtritt. Wenn die Verstärkung eines Umlaufes Eins überschreitet, treten Oszillationen auf.
Die Oszillatorvorrichtung 11 kann Brewster-Fenster 33 und 35 benachbart zu sich gegenüberliegenden Enden des Mediums 23 enthalten, um den Eingangstrahl zu polarisieren, wie durch ein Polarisationssymbol 37 dargestellt. Eine λ/2-Platte 39, welche entlang des Eingangspfades 13 angeordnet ist, empfängt des polarisierten Strahl und dreht die Polarisation des Strahles, wie durch ein Polarisationssymbol 41 angezeigt. Der Strahlteiler 15 kann aus einem polarisationstrennenden Strahlteiler bestehen, der den polarisierten Strahl in Richtung des Verstärkers 17 reflektiert, wie durch ein Polarisationssymbol 43 angezeigt ist. Eine polarisationsdrehende Vorrichtung 45, wie beispielsweise eine λ/4-Platte, empfängt den verstärkten Strahl, wie durch ein Polarisationssymbol 47 angedeutet, aus dem Verstärker 17 und dreht die Polarität des verstärkten Strahles.
Der SBS-Spiegel 19 empfängt den gedrehten Strahl, um einen Strahl bereitzustellen, der ein zu ihm Konjugierter ist und der eine Frequenz aufweist, die von der vorherbestimmten Frequenz um einen Verschiebungsbetrag verschoben ist. Der konjugierte Strahl wird zurück durch die Polarisations-Rotationsvorrichtung 45 geführt, wobei seine Polarität weiter gedreht wird, um einen Strahl bereitzustellen, der eine Polarität aufweist, die orthogonal zu der Polarität des Eingangsstrahles ist, wie durch ein Polaritätssymbol 49 dargestellt, und dann zurück durch den Verstärker 17, wie durch ein Polaritätssymbol 51 angezeigt, und durch den Strahlteiler 15, um einen verstärkten Ausgangsstrahl entlang dem Ausgangspfad 21 bereitzustellen, wie durch ein Polaritätssymbol 53 angedeutet.
Ein verbessertes MOPA-Lasersystem gemäß der vorliegenden Erfindung stellt ein stabiles phasenkonjugierendes MOPA-System bereit, das keinen unerwünschten Oszillationen oder einer ASE-induzierten Oszillatorverschlechterung unterliegt, wie in Fig. 2 erläutert. Ein derartig verbessertes Lasersystem ist in einigen Aspekten zu dem zuvor beschriebenen und in Fig. 1 illustrierten System ähnlich, und aus Gründen der Erleichterung sind die Komponenten in Fig. 2, die den Komponenten in Fig. 1 ähnlich sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wohingegen verbesserte oder geänderte Komponenten mit verschiedenen Bezugszeichen versehen sind.
Ein verbessertes MOPA-System gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine verbesserte Oszillatorvorrichtung 55, welche betrieben wird, um eine Rückkopplung zwischen der Oszillatorvorrichtung 55 und dem Leistungsverstärker 17 zu verhindern. Desweiteren sind Dämpfungsvorrichtungen bereitgestellt, welche aus einem Ortsfilter 57 oder einem Filter 59 bestehen können, welche entlang des Eingangspfades 13 angeordnet sind, oder einem Filter 61, der zwischen dem Verstärker 17 und dem Reflektor 18 angeordnet ist, um beliebiges ASE daran zu hindern, die Leistungsfähigkeit der Oszillatorvorrichtung zu verschlechtern. Dieses verbesserte MOPA-System stellt einen Hochleistungs-Ausgangslaserstrahl mit geringeren Verzerrungen ohne Oszillatorverschlechterungen oder unerwünschten Oszillationen zwischen dem Verstärker 17 und der Oszillatorvorrichtung 55 bereit.
Die verbesserte Oszillatorvorrichtung 55 verhindert eine Rückkopplung, indem der Teil des Ausgangstrahles, der zurück entlang des Eingangspfades 13 in Richtung der Oszillatorvorrichtung 55 wandert, zurückgewiesen wird. Genauer gesagt wird in einem MOPA der in Fig. 1 illustrierten Art der Teil des Ausgangsstrahles, der durch den Strahlteiler 15 zurück in Richtung der Oszillatorvorrichtung 11 reflektiert wird, von dem Spiegel 27 in Richtung des Leistungsverstärkers 17 rückreflektiert, wodurch ein Rückkopplungskreis zwischen dem Spiegel 27 und dem Reflektor 18 eingerichtet wird. In einem verbesserten MOPA gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Ausgangsstrahl von der verbesserten Oszillatorvorrichtung 55 nicht in Richtung des Leistungsverstärkers 17 rückreflektiert. Demgemäß existiert kein vergleichbarer Rückkopplungskreis und unerwünschte Oszillationen können nicht auftreten.
Genauer gesagt enthält die verbesserte Oszillatorvorrichtung 55 einen Ringoszillator, der ein verstärkendes Medium 63 umfaßt, das einen Eingang 65 zum Empfang eines sich vorwärts ausbreitenden Laserstrahles aufweist und das betrieben wird, um den empfangenen Strahl zu verstärken; sowie eine Mehrzahl von Reflektorvorrichtungen 67, 69 und 71, welche angeordnet sind, um den verstärkten Strahl aus dem Medium 63 zu empfangen und die betrieben werden, um den Strahl vorwärts entlang eines Ringpfades 73 um das Medium 63 herum und zurück in den Eingang 65 für weitere Verstärkungen zu reflektieren, wobei eine der Reflektorvorrichtungen 67 betrieben wird, um den Eingangsstrahl bereitzustellen, indem ein Teil des verstärkten Strahles entlang dem Eingangspfad 13 in Richtung des Strahlteilers 15 transmittiert wird, und um den Teil des Ausgangsstrahles zurückzuweisen, der sich entlang dem Eingangspfad 13 zurück ausbreitet, indem der Ausgangsstrahl von dem Eingangspfad fortreflektiert wird. Der unerwünschte Ausgangsstrahl kann in ein absorbierendes Kissen (nicht dargestellt) reflektiert werden.
Das Medium 63 kann Polarisationsvorrichtungen, wie beispielsweise Brewster-Fenster 75 und 77 umfassen, um einen polarisierten Strahl bereitszustellen, wie durch das Polarisationssymbol 37 angedeutet. Der Ringoszillator kann desweiteren einen optischen Isolator 79 umfassen, welcher angeordnet ist, um einen Strahl zu empfangen, welcher sich entlang des Ringpfades 73 ausbreitet und welcher betrieben wird, um den Teil des Ausgangsstrahles zu dämpfen, der sich zurück entlang dem Eingangspfad 13 in den Oszillator und daher rückwärts durch den Ringpfad 73 ausbreitet. Der Isolator 79 kann aus einem Bragg-Zellen-Isolator oder einem magneto-optischen "Faraday"- Isolator bestehen.
ASE können in dem Leistungsverstärker 17 entstehen. Diese ASE treten durch den Verstärker 17 hindurch und werden durch den Reflektor 18 zusammen mit dem Eingangsstrahl reflektiert. Die reflektierten ASE werden weiter auf ihrem Umkehrdurchgang durch den Verstärker 17 verstärkt. Da die ASE nicht polarisiert sind, wird der Strahlteiler 15 einen Teil der ASE zurück in Richtung der Oszillatorvorrichtung 55 reflektieren, selbst wenn der Strahlteiler aus einem polarisationstrennenden Strahlteiler besteht. Alle ASE, die die Oszillatorvorrichtung 55 betreten, verschlechtern die Leistungsfähigkeit des Oszillators. Die Dämpfungsvorrichtung, die in einem verbesserten MOPA-System gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, vermindert derartige Verschlechterungen, indem die ASE gedämpft werden, bevor sie die Oszillatorvorrichtung 55 erreichen können.
Genauer gesagt, umfaßt die Dämpfungsvorrichtung den Ortsfilter 57, der entlang dem Eingangspfad 13 angeordnet ist und der betrieben wird, um die ASE zu dämpfen, bevor sie die Oszillatorvorrichtung 55 erreichen. Der Ortsfilter 57 besteht aus zwei Linsen 81 und 83 sowie aus Aperturvorrichtungen 85, wie beispielsweise aus einer Apertur-Platte, welche in sich eine Appertur 87 aufweist und welche zwischen den Linsen 81 und 83 angeordnet ist, wodurch ein Strahl, der sich entlang dem Eingangspfad 13 ausbreitet, mittels einer der Linsen durch die Apertur 87 fokussiert wird und dann zurück auf den Ausgangspfad durch die andere Linse.
Der Ortsfilter 57 nutzt die Tatsache aus, daß die gesamte von einem gegebenen Querschnittsbereich eingefangene ASE-Leistung proportional zu dem Blickfeld des Bereiches ist, wobei die Linsen 81 und 83 und die Größe der Appertur 87 derart ausgewählt wurden, daß sie die Dämpfung der ASE maximieren, ohne den Eingangsstrahl signifikant zu dämpfen, der durch die Oszillatorvorrichtung 35 bereitgestellt wird.
Die Dämpfungsvorrichtung kann desweiteren einen optischen Isolator enthalten, um die ASE zu dämpfen. Der Isolator kann aus einem Filter 59 bestehen, der zwischen der Oszillatorvorrichtung 55 und dem Strahlteiler 15 angeordnet ist. Der Filter 59 kann aus einem Bandpaßfilter, einem Kerbfilter oder einem Hochpaßfilter bestehen. Alternativerweise kann der Isolator aus dem Filter 61 bestehen, wie beispielsweise aus einem Bandpaßfilter, der zwischen dem Leistungsverstärker 17 und dem Reflektor 18 angeordnet ist. Ein derartiger optischer Isolator dämpft jede ASE, die in Richtung der Oszillatorvorrichtung 55 durch den Strahlteiler 15 reflektiert wird.
Eine Frequenzverschiebung, die von dem SBS-Spiegel 19 eingeführt wurde, kann von dem Filter 59 vorteilhaft verwendet werden, um die ASE zu dämpfen. Ein SBS-Spiegel verschiebt in Antwort auf einen einfallenden Strahl einer bestimmten Frequenz die Frequenz davon als einen Teil seines "Reflexions"- Prozesses, wobei der SBS-Spiegel einen phasenkonjugierten Strahl bereitstellt, welcher eine Frequenz aufweist, die von der Frequenz des einfallenden Strahles um einen vorherbestimmten Betrag verschieden ist. In anderen Worten weist der von dem SBS-Spiegel 19 bereitgestellte konjugierte Strahl eine Frequenz auf, die von der Frequenz des Eingangsstrahles um den zuvor beschriebenen vorherbestimmten Betrag verschieden ist.
Da alle in dem Verstärker 17 erzeugten ASE ein Frequenzband belegen, das um die Frequenz des Eingangsstrahles zentriert ist, wie allgemein durch die durchgezogene Kurve 89 in Fig. 3 dargestellt, verschiebt der SBS-Spiegel 19 die ASE-Frequenzen zusammen mit der Frequenz des Eingangsstrahles. Das Ergebnis hiervon ist ein konjugierter Strahl, welcher eine Frequenz aufweist, die von der Frequenz des Eingangsstrahles um den vorherbestimmten Betrag verschieden ist, sowie ein Satz von konjugierten ASE-Frequenzen, welche ein verschobenes Frequenzband belegen, das um die Frequenz des konjugierten Strahles zentriert ist, wie durch eine gestrichelte Kurve 91 dargestellt. Der Filter 59 nutzt den Vorteil dieser Frequenzverschiebung aus, um die ASE zu dämpfen, ohne den Eingangsstrahl zu verzerren.
Genauer gesagt, wird der Filter 59 betrieben, um einen Strahl zu transmittieren, der eine Frequenz hat, die gleich der des Eingangsstrahles ist und um einen Strahl zu dämpfen, der eine Frequenz hat, die gleich der des konjugierten Strahles ist. Demnach tritt der Eingangsstrahl aus der Oszillatorvorrichtung 55 durch den Filter 59 mit geringer oder keiner Dämpfung hindurch, aber jede ASE, die von dem Verstärker 17 zurück in Richtung der Oszillatorvorrichtung 55 reflektiert wird, wird gedämpft, da die Frequenzen der ASE alle von dem SBS-Spiegel 19 in ein Band verschoben worden sind, das um die Frequenz des konjugierten Strahles herum zentriert ist.
Der Filter 59 kann aus einem Bandpaßfilter bestehen, welcher in der Lage ist, ein enges Band von Frequenzen zu transmittieren, das um die Frequenz des Oszillators zentriert ist, wie in Fig. 4 dargestellt, oder der Filter 59 kann aus einem Kerbfilter bestehen, welcher in der Lage ist, ein Band von Frequenzen zu dämpfen, die den verschobenen Frequenzen der ASE entsprechen, wie in Fig. 5 dargstellt. Wenn die verschobenen ASE-Frequenzen kleiner sind als die Oszillatorfrequenz, kann ein Hochpaßfilter, wie in Fig. 6 gezeigt, mit einem ähnlichen Resultat verwendet werden. Der zwischen dem Verstärker 17 und dem SBS-Spiegel 19 angeordnete Filter 61 dämpft die ASE weiter. Der Filter 61 kann aus einem Breitbandfilter bestehen, der einen kleinen Einfluß auf den Eingangsstrahl oder auf den konjugierten Strahl ausübt, aber der andere Frequenzen dämpft.
Ein verbessertes MOPA-Lasersystem gemäß der vorliegenden Erfindung stellt einen Hochleistungslaserstrahl mit geringen Verzerrungen bereit. Die verbesserte Oszillatorvorrichtung weist den Teil des Ausgangsstrahles zurück, der in Richtung des Oszillators zurückreflektiert werden kann, wodurch unerwünschte Oszillationen verhindert werden. Dämpfungsvorrichtungen verhindern eine Oszillatorverschlechterung, indem alle ASE gedämpft werden, die in dem Leistungsverstärker erzeugt werden können und die in Richtung des Oszillators reflektiert werden können. Demnach stellt die vorliegende Erfindung ein stabiles MOPA-System bereit, das bei sehr hohen Leistungspegeln betrieben werden kann, ohne unter unerwünschten Oszillationen oder Oszillatorverschlechterungen zu leiden, welche gewöhnlich einen derartigen Hochleistungsbetrieb begleiten.

Claims

1. Ein optisches System mit einem Leistungsverstärker für den Steueroszillator (MOPA), mit:

Oszillatorvorrichtungen (55), um entlang eines Eingangspfades (13) einen Laserstrahl bereitzustellen, welcher eine vorherbestimmte Frequenz aufweist;

einem Strahlteiler (15), um den Strahl aus den Oszillatorvorrichtungen (55) zu empfangen;

einem Leistungsverstärker (17), um den Strahl von dem Strahlteiler zu empfangen und um den Strahl zu verstärken;

einer phasenkonjugierenden Reflektorvorrichtung (18), um den Strahl zurück durch den Verstärker (17) zu reflektieren und dann durch den Strahlteiler (15), um einen verstärkten Ausgangsstrahl entlang eines Ausgangspfades (21) bereitzustellen; dadurch gekennzeichnet, daß es desweiteren aufweist

Dämpfungsvorrichtungen (57, 59, 61), um alle die spontanen Emissionen zu dämpfen, die von dem Leistungsverstärker (17) verstärkt worden sind, wobei die spontanen Emissionen zurück entlang dem Eingangspfad (13) in Richtung der Oszillatorvorrichtungen (55) transmittiert werden können.

2. Ein MOPA-optisches System nach Anspruch 1, in dem die Dämpfungsvorrichtungen (57, 59, 61) einen Ortsfilter (57) umfassen, der entlang dem Eingangspfad (13) angeordnet ist und der betrieben wird, um die spontanen Emissionen zu dämpfen.

3. Ein MOPA-optisches System nach Anspruch 1 oder 2, in dem die Dämpfungsvorrichtungen (57, 59, 61) einen optischen Isolator (59, 61) umfassen, um die verstärkten spontanen Emissionen zu dämpfen.

4. Ein MOPA-optisches System nach Anspruch 3, in dem der optische Isolator (59, 61) einen Filter (59) umfaßt, der zwischen der Oszillatorvorrichtung (55) und dem Strahlteiler (15) angeordnet ist.

5. Ein MOPA-optisches System nach Anspruch 3, in dem der optische Isolator (59, 61) einen Bandpaßfilter (61) umfaßt, der zwischen dem Leistungsverstärker und dem Reflektor (18) angeordnet ist.

6. Ein MOPA-optisches System nach Anspruch 3, in dem der optische Isolator (59, 61) einen Kerbfilter (61) umfaßt, der zwischen dem Leistungsverstärker und dem Reflektor angeordnet ist.

7. Ein MOPA-optisches System nach einem der vorigen Ansprüche, in dem die Oszillatorvorrichtungen (55) einen Ringoszillator enthalten, mit:

einem verstärkenden Medium (63), welches einen Eingang (65) für den Empfang eines sich vorwärts ausbreitenden Laserstrahles aufweist, und das betrieben wird, um den empfangenen Strahl zu verstärken; und

einer Mehrzahl von Reflektorvorrichtungen (67, 69, 71), welche angeordnet sind, um den verstärkten Strahl aus dem Medium (63) zu empfangen und welche betrieben werden, um den Strahl vorwärts entlang eines Ringpfades (73) um das Medium (63) herum und zurück in den Eingang (65) für weitere Verstärkungen zu reflektieren, wobei eine der Reflektorvorrichtungen (67) betrieben wird, um den Eingangsstrahl bereitzustellen, in dem ein Teil des verstärkten Strahles entlang dem Eingangspfad (13) in Richtung des Strahlteilers (15) transmittiert wird, und um den Teil des Ausgangsstrahles zurückzuweisen, der sich zurück entlang dem Eingangspfad (13) ausbreitet, in dem der Ausgangsstrahl von dem Eingangspfad (13) fortreflektiert wird.

8. Ein MOPA-optisches System nach Anspruch 7, in dem der Ringoszillator (55) desweiteren einen optischen Isolator (79) umfaßt, welcher angeordnet ist, um einen Strahl zu empfangen, welcher sich entlang dem Ringpfad (73) ausbreitet, und welcher betrieben wird, um den Teil des Ausgangsstrahles zu dämpfen, der sich entlang des Eingangspfades (13) in den Oszillator (59) und dann rückwärts um den Ringpfad (73) herum ausbreitet.

9. Ein MOPA-optisches System nach Anspruch 8, in dem der Isolator (79) einen Bragg-Zellen-Isolator umfaßt.

10. Ein MOPA-optisches System nach Anspruch 8, in dem der Isolator (79) einen magneto-optischen "Faraday"-Isolator umfaßt.

11. Ein MOPA-optisches System nach einem der vorigen Ansprüche, welches desweiteren aufweist:

Polarisationsvorrichtungen (75, 77), um den Eingangsstrahl zu polarisieren; und worin

der Strahlteiler (15) ein polarisationstrennender Strahlteiler ist;

Polarisations-Rotationsvorrichtungen (45), um die Polarität des verstärkten Strahles zu drehen; und worin

die Reflektorvorrichtung (18) ein phasenkonjugierender Reflektor (18) ist, der auf den gedrehten Strahl anspricht, um einen Strahl bereitzustellen, welcher ein konjugierter davon ist, und um den konjugierten Strahl zurück durch die Polarisations-Rotationsvorrichtungen (45) zu führen, wobei er weitergedreht wird, um einen Strahl bereitzustellen, welcher einen Polarität aufweist, die orthogonal zu der Polarität des Eingangsstrahles ist, und zurück durch den Verstärker (17), und dann zurück durch den Strahlteiler (15), um einen verstärkten Ausgangsstrahl entlang eines Ausgangspfades (21) bereitszustellen;

wobei die Oszillatorvorrichtungen (55) Dämpfungsvorrichtungen (79) enthalten, welche betrieben werden, um im wesentlichen den gesamten Ausgangstrahl zurückzuweisen, welcher sich zurück entlang dem Eingangspfad (13) in Richtung der Oszillatorvorrichtungen (55) ausbreitet.

12. Ein MOPa-optisches System nach Anspruch 2, in dem der Ortsfilter (57) faßt:

zwei Linsen (81, 83);

Aperturvorrichtungen (85), welche eine Apertur (87) in sich aufweisen und welche zwischen den Linsen (81, 83) angeordnet sind, wobei ein Strahl, welcher sich entlang des Eingangspfades (13) ausbreitet, durch die Apertur (87) mittels einer (83) der Linsen (81, 83) fokussiert wird, und dann durch die andere Linse (81) zurück auf den Eingangspfad (13).

13. Ein MOPA-optisches System nach Anspruch 4, in dem der Filter (59) den Teil der spontanen Emissionen dämpft, der in Richtung der Oszillatorvorrichtungen (55) von dem Strahlteiler (15) reflektiert worden ist.

14. Ein MOPA-optisches System nach Anspruch 4, in dem der Filter (59) einen Bandpaßfilter umfaßt.

15. Ein MOPA-optisches System nach Anspruch 4, in dem der Filter (59) einen Kerbfilter umfaßt.

16. Ein MOPA-optisches System nach Anspruch 4, in dem der Filter (59) einen Hochpaßfilter umfaßt.

17. Ein MOPA-optisches System nach Anspruch 11, in dem der phasenkonjugierende Reflektor (18) ein SBS-phasenkonjugierender Spiegel ist, der den von den Polarisations- Rotationsvorrichtungen (39, 45) kommenden Strahl derartig reflektiert, daß der reflektierte Strahl eine Frequenz aufweist, die von der vorherbestimmten Frequenz um einen Verschiebungsbetrag verschoben worden ist.

18. Ein MOPA-optisches System nach Anspruch 17, in dem der Filter (59), welcher zwischen den Oszillatorvorrichtungen (55) und dem Strahlteiler (15) angeordnet ist, betrieben wird, um einen Strahl mit einer Frequenz zu transmittieren, die gleich der des Eingangsstrahles ist, und um einen Strahl zu dämpfen, welcher eine Frequenz aufweist, die gleich der des konjugierten Strahles ist.

19. Ein MOPA-optisches System nach Anspruch 17, in dem der Ortsfilter (57), welcher entlang dem Eingangspfad (13) angeordnet ist, betrieben wird, um die verstärkten spontanen Emissionen zu dämpfen.