DE3919673A1 - Verfahren zur konversion von laserstrahlung in einen anderen wellenlaengenbereich durch ramanstreuung und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konversion von Laser­ strahlung eines Pumplasers in einen anderen Wellenlängenbe­ reich durch stimulierte Ramanstreuung, bei dem die Laserstrah­ lung des Pumplasers durch ein Ramanmedium hindurchgeführt wird, wodurch Stokesstrahlung in dem anderen Wellen­ längenbereich erzeugt wird, sowie eine Anordnung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens.

Ein Verfahren und eine Anordnung dieser Art sind unter dem Ti­ tel "Stimulated rotational Raman scattering from para-H₂ pumped by a CO₂TEA laser" von P. Rabinowitz, A. Stein, R. Brickman und A. Kaldor in der Zeitschrift Optics Letters, Vol. 3, No. 4, Oktober 1978, Seiten 147 bis 148 beschrieben. Dabei wird durch stimulierte Ramanstreuung eines CO₂-Pumplaser­ strahls in para-H₂ Stokesstrahlung im Bereich von 16 µm er­ zeugt, wie sie zur isotopenselektiven Anregung von UF₆-Molekü­ len beim molekularen Laserverfahren benötigt wird.

Bei effektiver Konversion dieser Pumpstrahlung in den Wellen­ längenbereich von 16 µm ist allerdings die erforderliche Spit­ zenleistung der CO₂-Strahlung so hoch, daß die im Laser und der Konversionsapparatur verwendeten optischen Komponenten stark belastet werden. Weiterhin ist bei der hohen Spitzenlei­ stung die Gefahr sehr groß, daß es im Ramanmedium zu strah­ lungsinduzierten Gasdurchbrüchen kommt, die eine Ramankonver­ sion verhindern.

Ein Verfahren und eine Anordnung, die es erlauben, die Spitzenleistung der CO₂-Pumpstrahlung unter Beibehaltung einer guten Konversionseffizienz abzusenken, wird in der Zeitschrift IEEE Journal of Quantum Electronics Vol. QE-19, No. 9, Sep­ tember 1983, Seite 1407 bis 1413 unter dem Titel "Stimulated rotational Raman scattering in CO₂-pumped para-H₂" von J. L. Carlsten und R. G. Wenzel beschrieben. Die Senkung der Spit­ zenleistung wird dadurch erreicht, daß gleichzeitig und kolli­ near mit der Pumpstrahlung Seedstrahlung (Keimstrahlung) eines Seedlasers in die Konversionsapparatur eingestrahlt wird.

Allerdings ist die dabei erforderliche Abstimmung der Wellen­ länge der Strahlung des Seedlasers auf die durch die Wellen­ länge der Pumpstrahlung bestimmte Stokesstrahlung schwierig und aufwendig. Weiterhin ist es nicht einfach, die Seedstrah­ lung mit der Pumpstrahlung zusammenzuführen, zeitlich zu syn­ chronisieren und räumlich hinreichend gut zu überlappen.

Ein Verfahren und eine Anordnung, bei dem die Seedstrahlung nicht von einem Seedlaser geliefert wird, sondern durch die Technik der Vier-Wellen-Mischung erzeugt wird, sind unter dem Titel "16 µm generation by CO₂-pumped rotational Raman scattering in H₂" von R. L. Byer und W. R. Trutna in der Zeit­ schrift Optics Letters, Vol. 3, No. 4, Oktober 1978, Seite 144 bis 146 beschrieben. Bei diesem Verfahren muß gleichzeitig und kollinear mit der Pumpstrahlung die Strahlung eines kurzwelli­ gen Hilfslasers in die Konversionsapparatur eingespiegelt wer­ den. Wegen der bei der kürzeren Wellenlänge höheren Ramanver­ stärkung wird die Strahlung des Hilfslasers unmittelbar nach Eintritt in die Konversionsapparatur durch Ramankonversion um­ gewandelt. In Anwesenheit der Pumpstrahlung wird dabei auch Stokesstrahlung mit der durch die Pumpstrahlung bestimmten Wellenlänge erzeugt, die dann wie Seedstrahlung wirkt.

Die so erzeugte Seedstrahlung hat also automatisch die rich­ tige Wellenlänge. Es bleibt aber die Schwierigkeit, pumpstrah­ lung und Strahlung des Hilfslasers zusammenzuführen, zeitlich zu synchronisieren und räumlich geeignet zu überlappen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der gattungsgemäßen Art so zu gestalten, daß man auch ohne die Verwendung eines zusätzlichen Seedlasers oder Hilfslasers eine effiziente Konversion der Laserstrahlung des Pumplasers in die gewünschte Stokesstrahlung erzielt bei relativ geringer Spitzenleistung des pumplasers.

Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen der Ansprüche 1 bzw. 2 enthaltenen Merkmalen gelöst. Anspruch 3 beinhaltet eine vorteilhafte Ausgestaltung der Maßnahmen nach Anspruch 2.

Bei der Erfindung wird die im ersten, dem Pumplaser nachge­ schalteten Ramanmedium erzeugte Stokesstrahlung als Basis für die Seedstrahlung benutzt. Dabei wird die Spitzenleistung des pumplasers so niedrig gewählt, daß sich die Konversion im Ra­ manmedium vorwiegend im Kleinsignalbereich bewegt. Deshalb wird der Pumppuls durch Reflexionsverluste in der Konversions­ apparatur zwar abgeschwächt, aber in der Pulsform kaum verän­ dert. Die Leistung der simultan und kollinear zur Strahlung des pumplasers in dem Ramanmedium ezeugten Stokesstrahlung wird dennoch, ausgehend von dem durch spontane Ramanstreuung gegebenen Startwert, um mehrere Größenordnungen, typischer­ weise neun bis zwölf, gesteigert.

Der abgeschwächte Pumppuls wird sodann gemeinsam mit der be­ gleitenden Stokesstrahlung in einen Verstärker für die Pump­ strahlung geschickt und dort verstärkt, z. B. auf seinen Aus­ gangswert vor dem Eintritt in das Ramanmedium. Dabei wird die mitlaufende Stokesstrahlung zwar wieder abgeschwächt, aber ty­ pischerweise nur um ein bis zwei Größenordnungen. Man erzielt also einen erheblichen Nettogewinn an Stokesstrahlung. Die so verstärkte Pumpstrahlung wird nun gemeinsam mit der Stokes­ strahlung durch ein weiteres Ramanmedium geführt. Hier findet eine sehr effektive Konversion der Pumpstrahlung in Stokes­ strahlung statt, da die miteingeleitete Stokesstrahlung aus dem Verstärker wie die eingangs erwähnte Seedstrahlung wirkt, wobei jedoch keine Abstimmung der Wellenlänge mehr erforder­ lich ist. Weiterhin ist der optimale räumliche Überlapp von Seedstrahlung und pumpstrahlung automatisch gegeben. Außerdem sind Seedstrahlung und Pumpstrahlung zeitlich synchronisiert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert.

Die Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung.

Die Fig. 2a zeigt in einem Diagramm den Verlauf der Spitzen­ leistung der Laserstrahlung des Pumplasers in MW über dem Weg der Laserstrahlung durch die Anordnung.

Die Fig. 2b zeigt in einem Diagramm den Verlauf der Stokes­ strahlung (log. W) über dem selben Weg durch die Anordnung.

Zur Erzeugung der Pumpstrahlung (durchgezogene Linie 1a) dient ein CO₂-Pumplaser 1 mit einer Pulsspitzenleistung von ca. 20 MW oder weniger, der eine Laserstrahlung im Wellenlän­ genbereich von 10 µm emittiert. Bei dieser Leistung besteht im allgemeinen noch keine Gefahr der Beeinträchtigung optischer Komponenten oder von Durchschlägen im Ramanmedium. Diese Strahlung 1a wird durch eine Ramanzelle 2 (Konversionsappara­ tur) geführt, die mit para-Wasserstoff bis 300 K als Ramanme­ dium gefüllt ist und im vorliegenden Zusammenhang die Funktion eines Vorverstärkers für Stokesstrahlung hat. In dieser Zelle 2 wird durch stimulierte Rotationsramanstreuung die Strahlung 1a in Stokesstrahlung des gewünschten Wellenlängenbereichs von 16 µm konvertiert (gestrichelte Linie 2a). Dabei wird die pumpstrahlung durch Reflexionsverluste geschwächt (s. Fig. 2a), während die Stokesstrahlung von einem Startwert von ca. 10^-12 W auf ca. 1 W am Ende der Zelle 2 ansteigt (s. Fig. 2b) .

Die aus der Ramanzelle 2 austretende, abgeschwächte Laser­ strahlung 1b des Pumplasers 1 und die Stokesstrahlung 2a wer­ den gemeinsam einem CO₂-Verstärker 3 zugeführt, in dem die Pumpstrahlung 1b von 10 µm wieder etwa auf den Ursprungswert von 20 MW erhöht wird (Linie 1c). Da der Verstärker 3 im Wel­ lenlängenbereich von 16 µm absorbiert, wird die Stokes­ strahlung um ein bis zwei Größenordnungen abgeschwächt. Dies ist zwar ein scheinbarer Nachteil, man erkennt aber anhand des Diagramms der Fig. 2b, daß ein ausreichend großer Nettogewinn an 16 µm-Stokesstrahlung 2b am Ausgang des Verstärkers 3 als Seedstrahlung (Keimstrahlung) für die nachgeschaltete Leistungsstufe 4 verbleibt. Diese Leistungsstufe 4 besteht aus einer weiteren Ramanzelle, die ebenfalls mit para-Wasserstoff gefüllt ist. In dieser Leistungsstufe 4 wird die 10 µm-Pump­ strahlung 1c aufgrund der begleitenden und gemeinsam mit ihr eingeleiteten Stokesstrahlung 2b sehr effektiv in die ge­ wünschte 16 µm-Stokesstrahlung konvertiert. Wie aus Fig. 2a zu ersehen ist, fällt die Leistung der Pumpstrahlung auf dem Weg durch die Leistungsstufe 4 stark ab, während auf demselben Weg die Leistung der 16 µm-Stokesstrahlung um ca. sechs Größenordnungen, d. h. von einem Startwert von weniger als 1 Watt bis über 10⁶ Watt, ansteigt.

Will man die Pulsspitzenleistung des Pumplasers 1 weiter er­ niedrigen, so kann man im Anschluß an den Pumplaser 1 auch mehrere aus Vorverstärker 2 für die Stokesstrahlung 2a und Verstärker 3 für die Pumpstrahlung 1b zusammengefaßte Einhei­ ten 2, 3 hintereinanderschalten.

Claims (3)

1. Verfahren zur Konversion von Laserstrahlung eines Pump­ lasers in einen anderen Wellenlängenbereich durch stimu­ lierte Ramanstreuung, bei dem die Laserstrahlung des Pumplasers durch ein Ramanmedium hindurchgeführt wird, wo­ durch Stokesstrahlung in dem anderen Wellenlängenbereich erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die aus dem Ramanmedium (2) austretende Laserstrahlung (1b) des Pumplasers (1) und die Stokesstrahlung (2a) ge­ meinsam einem Verstärker (3) für die Laserstrahlung (1b) des Pumplasers (1) zugeführt werden, und daß,
• b) die so verstärkte Laserstrahlung (1c) des Pumplasers (1) gemeinsam mit der begleitenden Stokesstrahlung (2b) durch ein weiteres Ramanmedium (4) zur Konversion der verstärkten Laserstrahlung (1c) des Pumplasers (1) in Stokesstrahlung hindurchgeführt wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem im Wellenlängenbereich von 10 µm emittierenden CO₂-Pumplaser, dem eine Ramanzelle mit para-Wasserstoff als Ramanmedium (Vorverstärker (2) für Stokesstrahlung) nachge­ schaltet ist, in der durch Konversion der 10 µm-Laserstrah­ lung des CO₂-Pumplasers Stokesstrahlung im Wellenlängenbe­ reich von 16 µm erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Ramanzelle (2) ein CO₂-Laserverstärker (Verstärker (3) für Pumpstrahlung (1b)) und
• b) dem CO₂-Laserverstärker (3) eine weitere mit para-Was­ serstoff betriebene Ramanzelle (Leistungsstufe (4) für Stokesstrahlung (2b)) nachgeschaltet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an den CO₂-Pumplaser (1) mehrere aus Vorverstärker (2) für die Stokesstrahlung und Verstärker (3) für die Pumpstrahlung zusammengefaßte Einheiten hintereinander ge­ schaltet sind.