DE60002082T2

DE60002082T2 - Optischer mehrfachdurchgangsverstärker

Info

Publication number: DE60002082T2
Application number: DE60002082T
Authority: DE
Inventors: Andrew Maxwell Malvern SCOTT
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: WO2001003260A1; DE60002082D1; US6700698B1; AU5994100A; EP1192690B1; EP1192690A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Verstärkersysteme und insbesondere auf optische Festkörper- und Gassysteme, bei denen ein zu verstärkender Lichtstrahl wiederholt durch ein Verstärkermedium läuft, um durch das Verstärkersystem weiter verstärkt zu werden.
Ein optischer Verstärker ist eine Grundkomponente eines Lasersystems und wird unter nahezu allen Aspekten der Lasertechnik verwendet. Da Laser als erste entwickelt wurden, wurden optische Verstärker verwendet, um die Ausgangsleistungen von Laseroszillatoren zu verstärken. Es ist jedoch im allgemeinen schwierig, Energie effizient aus einem optischen Verstärker auszukoppeln, und eine effiziente Energieauskopplung macht allgemein die Einkopplung von hochenergetischen Lichtstrahlen notwendig, so dass der Grad der Nettoverstärkung mittelmäßig bleibt. Dies ist ein spezielles Problem bei Verstärkersystemen, die für die Verstärkung einer Dauerstrichlichtquelle eingesetzt werden.
Um sowohl eine hohe Verstärkung als auch eine effiziente Leistungsauskopplung zu erzielen, wurden hintereinandergeschaltete Verstärker eingesetzt, deren Leistung zunimmt. Dies führt jedoch zu relativ teuren mehrgliedrigen Verstärkersystemen, die unter Umständen komplizierte optische Geometrien haben, bei denen es schwierig werden kann, die optischen Komponenten des Systems genau auszurichten.
Eine Alternative zur Verbesserung der Verstärkung und Leistungsauskopplung besteht darin, einen Lichtstrahl zwei- oder mehrmals durch das Verstärkermedium eines Verstärkersystems zu schicken, wobei gegebenenfalls nicht-lineare Phasenkonjugation zum Kompensieren von Aberrationen wie thermischen Störungen, die durch das Pumpen des Mediums hervorgerufen werden, zu kompensieren. Ein erstes Beispiel wurde entwickelt und beschrieben von N. F. Andreev, S. V. Kuznetsov, O. V. Palashov, G. A. Pasmanik und E. A. Khazanov in "Four-pass YAG:Nd laser amplifier with compensation for aberration and Polarisation distortions of the wavefront" in Soviet Journal of Quantum Electronics, Band 22, Seite 800–802 (1992). Darin wird ein System beschrieben, bei dem ein Strahl vier Mal durch einen Verstärker geschickt wird und Polarisationsmultiplexen und Phasenkonjugation verwendet wird. Dies ist die maximale Anzahl von Durchgängen, die mit diesem Ansatz erreichbar ist, da die beiden orthogonalen Polarisationen und die beiden möglichen Richtungen der kollinearen Ausbreitung verwendet werden und Strahlen durch Polarisatoren getrennt werden. Ein zweites Beispiel eines solchen Systems wurde entwickelt und diskutiert von C. B. Dane, L. E. Zapata, W. A. Newman, M. A. Norton, L. A. Hackel in "Design and Operation of a 150 W Near Diffraction Limited Laser amplifier with SBS Wavefront Correction", veröffentlicht in IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 31, Seite 148, Januar 1995. Bei diesem System wird ein Lichtstrahl wiederholt in ein Verstärkermedium eingekoppelt, wobei sich nacheinander die Winkel ändern. Das Problem bei diesem Ansatz ist, dass die optische Geometrie des Verstärkersystems ziemlich kompliziert ist und dass das System speziell für gepulste Lasersysteme und eine spezielle Klasse von Block- (Slab-) Verstärkern ausgelegt ist, die in einem 9- und 11-Bounce-Modus verwendet werden können. Auch diese Art von Verstärkersystem erfordert die sorgfältige Justage der optischen Komponenten des Systems.
In WO95/22187 wird ein Verstärkersystem beschrieben, bei dem ein Lichtstrahl durch ein Verstärkermedium vier Mal hindurch läuft und bei dem die Polarisation des Lichtstrahls in dem Verstärkermedium kompensiert wird. Das Licht aus dem Verstärkermedium wird um 90° phasengedreht, bevor es in das Verstärkermedium zurückgeschickt wird. Ein Abbildungsteleskop wird in dem Aufbau verwendet, um die Phasenrotation zu bewirken, den Lichtstrahl von dem Verstärker durch eine Polarisationsdrehvorrichtung auf einen Spiegel und dann zurück auf das Verstärkermedium abzubilden. Einander entgegerigerichtete Strahlen fallen an allen Punkten des Pfades aufeinander, bis sie auf Grund ihrer Polarisation separiert werden, wodurch die Anzahl der Durchgänge beschränkt wird, die durch das Verstärkermedium möglich sind, ohne dass das System zu oszillieren beginnt. Dies schränkt den Verstärkungsgrad des Verstärkersystems nach WO95/22187 ein.
Mit der vorliegenden Erfindung wird versucht, einige der oben erläuterten Probleme zu beheben, indem ein Mehrfachdurchgangs-Laserverstärker mit hoher Verstärkung geschaffen wird, bei dem ein Lichtstrahl wiederholt durch das Verstärkermedium des Systems geschickt werden kann und dem eine einfache Geometrie zu Grunde liegt, bei der es relativ einfach ist, die optischen Komponenten des Systems zu justieren, um einen hohen Verstärkungsgrad und eine effiziente Leistungsauskopplung zu erreichen. Die vorliegende Erfindung soll außerdem ein optisches Verstärkersystem schaffen, das insofern vielseitig ist, als eine große Anzahl von Verstärkermedien eingesetzt werden kann. Die vorliegende Erfindung soll außerdem einen Mehrfachdurchgangs-Verstärker schaffen, der genauso für Dauerstrich- (continuous wave, cw) Anwendungen wie auch für gepulsten Betrieb geeignet ist.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein optisches Mehrfachdurchgangsverstärkersystem geschaffen mit:
einem Verstärkermedium;
wenigstens einem Abbildungsteleskop zum Abbilden von Licht aus dem Verstärkermedium auf eine optische Primärlichtablenkungskomponente und zum Abbilden von Licht, das von der optischen Primärlichtablenkungskomponente zurückkommt, in das Verstärkermedium, so dass Licht erneut durch das Verstärkermedium tritt, und
einem Phasenkonjugationsspiegelaufbau für das Auffangen von Licht zwischen Durchgängen durch das Verstärkermedium, um eine phasenkonjugierte Reflexion von Licht zu erzeugen, das darauf auftrifft,
wie dies im Oberbegriff von Anspruch 1 definiert ist.
Der Einsatz von Phasenkonjugation in Kombination mit einer Abbildung ermöglicht den Betrieb mit hoher Verstärkung bei signifikanten Leistungsauskopplungspegeln aus dem Verstärkermedium. Der Phasenkonjugationsspiegel ist vorzugsweise so angeordnet, dass Licht auf ihn auftrifft, nachdem es das Verstärkermedium eine vorgegebene Anzahl maldurchlaufen hat. Er erzeugt einen Strahl, der in der Phase konjugiert zu dem auf ihn auftreffenden Strahl ist, und dieser konjugierte Strahl läuft den Pfad des einfallenden Strahls durch das System bis zum Anfangspunkt zurück. An diesem Punkt hat, er eine hohe Energie und eine räumliche Phase, die konjugiert zu der Phase des Eingangsstrahls ist, so dass der Strahl hoher Energie eine hohe optische Qualität hat. Für einen Phasenkonjugationsspiegel, wie z. B. eine SBS- (stimulated Brillouin scattering) Zelle mit einer Schwellenwertleistung für das Eingangslicht, unterhalb derer kein konjugierter Strahl erzeugt wird, wirkt der Phasenkonjugationsspiegel wie ein Verschluss oder ein Isolator. Damit wird eine Reduzierung des Verstärkungsgrades auf Grund von stimulierter Emission bei niedriger Leistungsverstärkung (amplified stimulated emssion, ASE) in dem System mit einer Amplitude unterhalb des Schwellenwert des Phasenkonjugationsspiegels vermieden. Bei Pulsbetrieb des Systems wirkt der Phasenkonjugationsspiegel wie ein Verschluss, der nur öffnet, wenn der Eingangsstrahl ankommt. Dies ist auf den Schwellenwert des Phasenkonjugationsspΐegels zurückzuführen, der nur überschritten wird, wenn der Lichtpuls darauf auftrifft. Im Fall eines Dauerstrich- (cw) Eingangsstrahls wirkt der Phasenkonjugationsspiegel wie ein Spektralfilter, so dass nur Licht in derselben spektralen Bandbreite wie der Eingangsstrahi reflektiert wird, und somit bewirkt er auch eine Unterdrückung von ASE. Dies folgt daraus, dass nur Licht in der spektralen Bandbreite des Eingangsstrahls den Schwellenwert des Phasenkonjugationsspiegels übersteigt.
Vorzugsweise ist das System derart aufgebaut, dass ein Lichtstrahl von dem Verstärkermedium, der wieder auf das Verstärkermedium abgebildet wird, räumlich von sich selbst getrennt wird, d. h. er sich nicht mit sich selbstüberlappt, und zwar an wenigstens einem Punkt seines Pfades zwischen den Durchgängen durch das Verstär kermedium, um zu ermöglichen, dass er durch wenigstens eine optische Lichtablenkungskomponente aufgefangen wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein optisches Mehrfachdurchgangsverstärkersystem mit einem Verstärkermediüm und wenigstens einem Abbildungsteleskop für das Abbilden von Licht aus dem Verstärkermedium auf eine optische Primärlichtablenkungskomponente und zum Abbilden von Licht, das von der optischen Primärlichtablenkungskomponente zurückkommt, in das Verstärkermedium, wobei das System derart aufgebaut ist, dass ein Lichtstrahl von dem Verstärkermedium, der erneut auf das Verstärkermedium abgebildet wird, räumlich von sich selbst separiert wird, d. h. sieh an wenigstens einem Punkt auf seinem Pfad zwischen Durchgängen durch das Verstärkermedium nicht mit sich selbst überlappt, so dass er durch wenigstens eine zusätzliche optische Lichtablenkungskomponente aufgefangen werden kann. Dieser Aufbau kann einen Phasenkonjugationsspiegelaufbau umfassen, wie oben für das Auffangen von Licht zwischen den Durchgängen durch das Verstärkermedium beschrieben ist, um eine phasenkonjugierte Reflexion von darauf auftreffendem Licht zu bewirken, wie es im O-berbegriff von Anspruch 2 beschrieben ist.
Wenn ein Lichtstrahl unter einem unbekannten Winkel durch eine Apertur hindurchtritt, so kann es passieren, dass er durch eine zweite Apertur nicht hindurchtritt, die sich in, einem gewissen Ab- stand von der ersten befindet. Dieses Problem kann gelöst werden durch Verwendung eines Abbildungsteleskops, das im Allgemeinen aus zwei Sammellinsen besteht, die einen Abstand voneinander haben, der der Summe ihrer Brennweiten entspricht, um die erste A pertur auf die zweite Apertur abzubilden. Dann tritt Licht, das durch die erste Apertur tritt, durch die zweite Apertur hindurch, wobei dies für einen relativ großen Bereich von Einfallwinkeln des Strahls durch die erste Apertur gilt. Die Verwendung von Abbildungsteleskopen macht es möglich, dass die optischen Komponenten in dem Verstärkersystem gemäß der vorliegenden Erfindung einfach justiert werden können. Durch die räumliche Trennung eines Lichtstrahls durch das Verstärkersystem von sich selbst, d. h. dadurch dass verhindert wird, dass sich der Lichtstrahl an einem Punkt zwischen Durchgängen durch das Verstärkermedium selbst überlappt, können verschiedene Teile des Lichtstrahls durch zusätzliche optische Komponenten aufgefangen werden, um den Lichtstrahl erneut viele Male durch das Verstärkermedium zu schicken oder einen Strahl aus dem System auszukoppeln. Damit durchläuft der Strahl den Verstärker viele Male, wobei ein Satz von optischen Komponenten verwendet wird. Die Verwendung von Abbildungsteleskopen stellt sicher, dass der Lichtstrahl ein in etwa kollimierter Strahl bleibt und dass er wiederholt durch dieselbe Verstärkerapertur hindurchtritt. Jedes Mal, wenn er den Verstärker durchläuft, wird der Lichtstrahl verstärkt, und er extrahiert aus demselben Volumen des Verstärkungsmaterials wiederholt Energie (oder Leistung im Fall von Dauerstrichlasern).
Der Lichtstrahl wird räumlich von sich selbst getrennt, indem die optische Primärlichtablenkungskomponente den Lichtstrahl zurück in das Verstärkermedium lenkt, und zwar auf einem anderen Pfad als dem Pfad, auf dem der Lichtstrahl auf die Komponente auftraf, zum Beispiel entlang einem Pfad, der einen anderen Winkel zu der optischen Achse des Systems einschließt als der einfallende Strahl, oder entlang einem Pfad, der parallel, aber räumlich beabstandet gegenüber dem einfallenden Strahl verläuft (in Bezug auf die optische Achse des Systems). Die Verwendung von Abbildungsteleskopen sorgt dafür, dass das erfindungsgemäße System "selbstabbildend" ist, indem die Apertur des Verstärkers auf die optische Primärlichtablenkungskomponente durch ein Abbildungsteleskop abgebildet wird und diese Komponente das Licht durch dasselbe Teleskop schickt, so dass es wieder auf die Apertur des Verstärkers abgebildet wird, so dass jeder kollimierte Strahl, der einmal durch die Apertur hindurchtritt, unmittelbar wieder durch sie hindurch ver= läuft, es sei denn, er wird von zusätzlichen, speziell angeordneten optischen Komponenten aufgefangen. Auf diese Art kann Licht, das sich auf verschiedenen Pfaden zwischen den Durchgängen durch das Verstärkermedium fortpflanzt, die räumlich voneinander, separiert werden, wieder auf die Apertur des Verstärkermediums durch ein Abbildungsteleskop abgebüdet werden. Diese Selbstabbildungseigenschaft macht das erfindungsgemäße System relativ einfach in Bezug auf die Justage, da kleine Fehler bei der Justage nicht zum Verlust von Licht aus dem System führen.
Die Geometrie des Verstärkersystems gemäß der vorliegenden Erfindung macht es möglich, dass der Lichtpfad eines Lichtstrahls, der durch das System läuft, sich in dem Werstärkermedium überlappt und an wenigstens einem Abschnitt seines Pfades zwischen den Durchgängen durch das Verstärkermedium räumlich von sich selbst getrennt wird, zum Beispiel bei den Teleskoplinsen. Auf diese Art kann jeder Durchgang des Lichtstrahls durch das Verstärkermedium ein großes Volumen des Verstärkermediums durchlaufen, um bei jedem Durchgang eine hohe Verstärkung und Leistungsauskopp lung zu erzielen. Außerdem kann es die räumliche Trennung des Lichtstrahls von sich selbst ermöglichen, dass Licht aus dem System teilweise ausgekoppelt wird oder über verschiedene Pfade erneut durch das Verstärkermedium geschickt wird, um die mögliche Anzahl der Durchgänge durch das Verstärkermedium zu erhöhen. Die räumliche Trennung des Lichtstrahls von sich selbst kann außer- dem zur Unterdrückung von parasitären Oszillationen in dem Verstärkersystem beitragen.
Die vorliegende Erfindung ist in den Ansprüchen 1, 2, 28 und 29 definiert. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf einer ersten Seite des Verstärkermediums ein erstes Abbildungsteleskop angeordnet zum Abbilden einer Apertur des Verstärkermediums auf wenigstens eine optische Primärlichtablenkungskomponente auf der ersten Seite des Verstärkermediums, und auf einer zweiten Seite des Verstärkermediums ist ein zweites Abbildungsteleskop angeordnet zum Abbilden der Apertur des Verstärkermediums auf wenigstens eine optische Primärlichtablenkungskomponente auf der zweiten Seite des Verstärkermediums. Damit ist das Verstärkermedium zwischen zwei Abbildungsteleskopen angeordnet, die jeweils die Apertur des Verstärkermediums auf verschiedene, geeignet positionierte optische Primärlichtablenkungskomponenten abbildet, die einen Lichtstrahl wiederholt durch das Verstärkermedium lenken.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verstärkermedium selbst eine reflektierende Oberfläche auf einer ersten Seite des Verstärkermediums, und auf einer zweiten Seite des Verstärkermediums ist ein Abbildungsteleskop angeordnet zum Abbilden einer Apertur des Verstärkermediums auf wenigstens eine optische Primärlichtablenkungskomponente auf der zweiten Seite des Verstärkermediums.
Das Verstärkermedium gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise außerdem optische Eingangs- und Ausgangskomponenten, die den Lichtstrahl auffangen, wenn er räumlich von sich selbst getrennt ist, und die mit der/den ersten optischen Lichtablenkungskomponente/n zusammenwirken, um einen Lichtstrahl von einem Eingang des Verstärkersystems wiederholt durch das Verstärkermedium und dann zu einem Ausgang des Systems zu lenken. Um die optische Justage des Systems zu vereinfachen, sind die optischen Eingangs- und Ausgangskomponenten vorzugsweise derart angeordnet, dass das/die Abbildungsteleskop/e eine Apertur des Verstärkermediums auf die optischen Eingangs- und Ausgangskomponenten abbildet/ abbilden.
Das Verstärkersystem ist vorzugsweise geometrisch derart aufgebaut, dass ein Lichtstrahl, der das System durchläuft, seinen Lichtpfad im Verstärkermedium berlappt, wenn er wiederholt das Verstärkermedium durchläuft, um die Verstärkung und Leistungsauskopplung bei jedem Durchgang durch den Verstärker zu erhöhen, da es eine derartige Überlappung ermöglicht, dass dasselbe Volumen des Verstärkermediums von einem Lichtstrahl durchlaufen wird, der das, System bei jedem Durchgang passiert. Vorzugsweise wird außerdem dafür gesorgt, dass der Lichtstrahl am Eingang und Ausgang des Systems keine Überlappung hat, um die Einkopplung und Auskopplung eines Lichtstrahls in das System zu vereinfachen.
Vorzugsweise wird ein Lichtstrahl auf einem Pfad von dem Verstärkermedium über das Abbildungsteleskop und dann zurück zum Verstärkermedium bei oder in der Nähe einer Brennebene des Abbildungsteleskops räumlich von sich selbst getrennt. Damit sind in dem Verstärkersystem gemäß der vorliegenden Erfindung Teleskoplinsen mit relativ kleiner Brennweite möglich.
Vorzugsweise umfasst wenigstens eine der optischen Primärlichtablenkungskomponenten einen Spiegel oder ein Prisma.
Vorzugsweise umfasst außerdem wenigstens eine der optischen Eingangs- und/oder Ausgangskomponenten einen Spiegel oder ein Prisma.
Bei Phasenkonjugation kann das System außerdem einen Faraday-Isolatoraafbau zum Isolieren eines Lichtstrahls, der in das System eingekoppelt wird, von einem Lichtstrahl, der aus dem System ausgekoppelt wird, umfassen.
Phasenstörungen können kompensiert werden durch Umwandlung wenigstens einer der optischen Lichtablenkungskomponenten in einen adaptiven Spiegel. Auf diese Artist es möglich, Phasenstörungen bei jedem Umkehrpfad durch das Verstärkermedium zu kompensieren.
Bei wenigstens einer Ausführungsform wird zur Unterdrückung parasitärer Oszillationen in dem Verstärkersystem, bevor sie dominant werden, vorzugsweise eine Verschlussvorrichtung in einen Teil des Lichtpfades eines Lichtstrahls durch das System eingebaut, wobei der Teil zwischen zwei optischen Lichtablenkungskomponenten verläuft, und diese Verschlussvorrichtung kann geschlossen werden, um den Durchtritt von Licht zwischen den zwei Lichtablenkungskomponenten in bestimmten Intervallen zu unterbinden.
Es ist möglich, einen Ausgangsstrahl mit hoher Leistung und einer kontrollierten Phasenfront zu erzeugen, indem die Phasenfront ein es Eingangsstrahls mit niedrigerer Leistung gesteuert wird, indem in dem System eine Strahlsteuerungs- oder Phasensteuerungsvorrichtung an dem Eingang des Systems und möglicherweise wenigstens ein weiteres Abbildungsteleskop hinzugefügt wird, wobei das System derart aufgebaut ist, dass die Apertur der Strahlsteuerungsvorrichtung über das weitere Abbildungsteleskop auf eine Apertur des Verstärkermediums abgebildet wird.
Das Verstärkersystem gemäß der vorliegenden, Erfindung kann erweitert werden auf ein System mit zwei oder mehr Verstärkermedien, indem jedes Verstärkermedium miteinander oder mit dem anderen durch ein Abbildungsteleskop gekoppelt wird. Dies kann zu einer weiteren Steigerung der Verstärkung durch das Verstärkersystem führen.
Die Abbildungsteleskope in der vorliegenden Erfindung können eine Übertragungsmatrix folgender Art haben:

wobei M eine positive oder negative Zahl ist.
Das Abbildungsteleskop in dem Verstärkersystem nach der vorliegenden Erfindung kann aus zusammengesetzten Linsen bestehen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verstärken eines Lichtstrahls angegeben, bei dem der Strahl durch eine optische Primärlichtablenkungskomponente wiederholt durch ein Verstärkermedium gelenkt wird, indem Licht von dem Verstärkermedium auf die optische Primärlichtablenkungskomponente abgebildet wird und nicht, das von einer optischen Primärlichtablenkungskomponente zurückkommt, mit wenigstens einem Abbildungsteleskop wieder in das Verstärkermedium abgebildet wird, und Licht zwischen Durchgängen durch das Verstärkermedium aufgefangen wird und mit einem Phasenkonjugationsspiegel eine phasenkonjugierte Reflexion von Licht, das darauf auftrifft, erzeugt wird, wie es in den Oberbegriffen von Anspruch 28 und 29 definiert ist.
Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung hat dieselben bevorzugten Merkmale und hat dieselben Vorteile wie der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung oben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Verstärken eines Lichtstrahls durch das wiederholte Ablenken des Lichtstrahls durch ein Verstärkermedium mit einer optischen Primärlichtablenkungskomponente, indem Licht von dem Verstärkermedium durch wenigstens ein Abbildungsteleskop auf die optische Primärlichtablenkungskomponente abgebildet wird, und Licht, das von der ersten Lichtablenkungskomponente zurückkommt, wieder in das Verstärkermedium abgebildet wird, wobei ein Lichtstrahl von dem Verstärkermedium, der wieder in das Verstärkermedium abgebildet wird, an wenigstens einem Punkt auf seinem Pfad zwischen den Durchgängen durch das Verstärkermedium räumlich von sich selbst separiert wird, so dass er durch zusätzliche Lichtablenkungskomponenten aufgefangen werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines Beispiels mit Bezug auf die folgenden Figuren erläutert.
1 zeigt eine Ebene in der Geometrie eines optischen Verstärkersystems, wobei ein Lichtstrahl sechs Mal ein Verstärkermedium des Systems durchläuft.
2 zeigt eine zu 1 alternative Geometrie gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Anzahl der Durchgänge durch das Verstärkermedium mittels eines Phasenkonjugationsspiegels verdoppelt wird.
3 zeigt eine zu 2 alternative Geometrie, bei der die Richtung des Ausgangsstrahls aus dem Laser-Verstärkersystem gesteuert werden kann.
4 zeigt eine Ansicht der Apertur der ersten Teleskoplinse, der Apertur des ersten Prismas und der Positionen der nacheinander reflektierten Lichtstrahlen, die die Systeme durchlaufen, die die Geometrie von 1 oder 2 aufweisen.
5 zeigt eine Ebene in der Geometrie eines optischen Verstärkersystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem ein einzelnes Teleskop eingesetzt wird und ein Lichtstrahl vier Mal durch einen reflektierenden Block-Verstärker geschickt wird.
6 zeigt eine alternative Geometrie eines optischen Verstärkersystems ähnlich der in 5, aber mit zwei Teleskopen.
7 zeigt eine Ansicht der Apertur des Teleskops und die Positionen eines sukzessiv reflektierten Lichtstrahls, der das System nach 5 und 6 durchläuft.
8 zeigt eine Ebene der Geometrie eines optischen Verstärkersystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem ein einzelnes Teleskop eingesetzt wird und ein Lichtstrahl zwölf Mal durch einen reflektierenden Block-Verstärker geschickt wird.
9 zeigt eine Ebene der Geometrie eines optischen Verstärkersystems ähnlich der in 8, bei dem ein zusätzliches Teleskop und ein Spiegel eingesetzt werden, um die Anzahl der Durchgänge durch das Verstärkermedium zu verdoppeln.
10 zeigt eine Ebene der Geometrie eines optischen Verstärkersystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegender Er findung, bei dem ein Lichtstrahl zwölf Mal durch ein Verstärkermedium gelenkt wird und eine Fokusfehlerkorrektur mit einer Kompensationslinse durchgeführt wird.
11 zeigt eine Ebene der Geometrie eines optischen Verstärkersystems gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Lichtstrahl zwölf Mal durch ein Verstärkermedium gelenkt wird und Phasenfehlerkorrektur mit einem adaptiven Spiegel durchgeführt wird.
12 zeigt eine Ebene der Geometrie eines optischen Verstärkersystems gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Lichtstrahl sechs Mal durch ein Verstärkermedium gelenkt wird mittels rechtwinkliger Prismen, um das Lieht wiederholt durch das System zu schicken.
13 zeigt eine Ebene der Geometrie eines optischen Verstärkersystems nach einer sechsten Ausführungsform der vorliegender Erfindung mit einem reflektiven Block-Verstärker und einem einzelnen Teleskop, bei dem ein Lichtstrahl acht Mal durch ein Verstärkermedium gelenkt wird mittels rechtwinkliger Prismen, um das Licht wiederholt durch das System zu schicken.
14 zeigt einen Pockels-Zellenaufbau, der anstelle des Spiegels auf der rechten Seite in dem Aufbau nach 1 eingesetzt werden kann, um parasitäre Oszillationen zu vermeiden.
15 zeigt eine Abänderung der Geometrie nach 1, wobei ein Lichtstrahl zwölf Mal durch ein Verstärkermedium des Systems gelenkt wird.
16 zeigt eine Ansicht der Apertur der ersten Teleskoplinse, der Aperturen der beiden Prismen und der Positionen der sukzessiv reflektierten Lichtstrahlen durch das System in der Geometrie nach 15.
17 zeigt eine zu 1 alternative Geometrie, wobei sich die Lichtstrahlen bei den Teleskoplinsen überlappen und die Strahlen räumlich nur nahe dem Fokus des Teleskops getrennt werden.
18 zeigt einen Teil des Aufbaus nach 17.
19 zeigt einen alternativen Aufbau gegenüber 2, wobei Schirme mit Apertur verwendet werden, um parasitäre Oszillationen zu vermeiden.
20 zeigt eine zu 2 alternative Geometrie, wobei das Verstärkermedium mit einem zusätzlichen Abbildungsteleskop an ein zusätzliches Verstärkermedium gekoppelt ist.
21 zeigt einen alternativen Aufbau des Abbildungsteleskops, der bei einem Verstärkersystem gemäß der vorliegenden Erfindung mit zusammengesetzten Linsen verwendet werden kann.
22 zeigt eine grafische Darstellung der Ausgangsleistung des Systems nach 2 als Funktion der Eingangsenergie.
1 zeigt ein optisches Mehrfachdurchgangsfestkörperverstärkersystem. Der Verstärker umfasst ein Festkörperverstärkermedium (20) zwischen zwei Abbildungsteleskopen (18) und (24). Jedes Abbildungsteleskop (18, 24) besteht aus zwei konvexen Linsen, die einen Abstand haben, der der Summe ihrer Brennweiten entspricht, so dass ein kollimierter Strahl, der durch beide Teleskope verläuft, kollimiert bleibt. Ein konvergenter oder divergenter Strahl behält den gleichen Grad an Konvergenz bzw. Divergenz bei. Das Verstäkermedium (20) und die Teleskope (18, 24) sind derart angeordnet, dass jedes Teleskop (18, 24) die Apertur des Verstärkermediums (20) auf Reflektorkomponenten wie z. B. Spiegel (26, 29) abbildet, wobei die Reflektorkomponenten deri Lichtstrahl über das jeweilige Teleskop (18, 24) zu dem Verstärkermedium (20) zurück lenken. Damit wird ein kollimierter Lichtstrahl, der durch die Apertur des Verstärkers tritt, durch das Teleskop umgelenkt, so dass sich ein kollimierter Strahl ergibt, der auf das Abbild der Verstärkerapertur auf Reflektorkomponenten wie den Spiegel (26) oder den Spiegel (29) trifft. Er wird dann durch diese Reflektorkomponenten durch das Teleskop zurück gelenkt und durchläuft die Apertur des Verstärkers wieder als kollimierter Strahl.
Bei der optischen Geometrie in 1 wird durch einen Läser (2) ein Lichtstrahl erzeugt, der durch das Linsensystem (4) und durch das Prisma (14) über einen Einkopplungsspiegel (16) in das erste Teleskop (18) des Verstärkersystems gelenkt wird: Die Rolle des Linsensystems (4) besteht darin, den Ausgangsstrahl des Lasers in einen kollimierten Strahl mit einem Durchmesser zu wandeln, der denn Durchmesser des Verstärkers angepasst ist. Der Einkopplungs spiegel (16) ist derart angeordnet, dass er sich in der Ebene der Abbildung des Verstärkermediums (20) befindet.
Der Laser (2) war ein Dioden-gepumpter Nd:YAG-Oszillator mit einer Ausgangsenergie von 50 μJ in 25 ns-Pulsen bei einer variablen Taktrate von bis zu 1 kHz in einer TEM00- und einer einzigen longitudinalen Mode.
Die erste Apertur (28) des Teleskops (18) (die Apertur der Linse (30), also der linken Linse des Teleskops (18) in 1) ist in 4 dargestellt. Die Position des Lichtstrahls, der durch den Einkopplungsspiegel (16) in das Teleskop (18) reflektiert wird, ist bei Position 1 in der Apertur (28) gezeigt.
Das Abbildungsteleskop (15) besteht aus zwei plankonvexen Linsen (30, 32), die jeweils eine Brennweite f = 20 cm haben und einen Abstand haben, der 2f entspricht. Das Zentrum des Verstärkermediums (20) hat einen optischen Abstand f zu der rechten Linse (32), und Spiegel (16) und (26) befinden sich in einem optischen Abstand f von der linken Linse (30) in der Abbildungsebene des Teleskops (18). Ähnlich besteht das Abbildungsteleskop (24) aus zwei plankonvexen Linsen (34, 36), jeweils mit einer Brennweite f = 20 cm und mit einem Abstand von 2f zueinander. Das Zentrum des Verstärkermediums (20) befindet sich in einem optischen Abstand f von der linken Linse (34), und der Spiegel (29) befindet sich in einem optischen Abstand f von der rechten Linse (36) in der Abbildungsebene des Teleskops (24). Beide Teleskope befinden sich in einer Vakuumkammer, um Luftdurchschläge durch den wiederholt durchlaufenden Lichtstrahl zu vermeiden.
Die Abbildungsgeometrie der hier beschriebenen Abbildungsteleskope kann durch Strahlmatrizen beschrieben werden, die dem Fachmannn bekannt sind.
Die Verwendung von Strahlmatrizen wird allgemein verwendet, um Eigenschaften von optischen Systemen vorherzusagen. Eine Spaltenmatrix r = (x, s) kann verwendet werden; um einen Strahl zu beschreiben; der einen Abstand x von der optischen Achse und eine Neigung s hat. Eine 2' × 2-Matrix P kann aufgestellt werden, die die optischen Eigenschaften eines optischen Elements beschreibt, so dass das Produkt P × r eine neue Spaltenmatrix r₁ ergibt, die einen Strahl darstellt, nachdem er das optische Element durchlaufen hat. Die Strahlmatrix bei einem System mit mehreren Elementen ergibt sich durch Multiplikation der entsprechenden Matrizen miteinander in der Reihenfolge, in der das Licht die Komponenten durchläuft.
Bei einem Abbildungsteleskop mit Linsen, deren jeweilige Brennweite f₁ und f₂ ist, die einen Abstand von f₁ + f₂ voneinander haben und bei denen der Abstand zwischen der Gegenstandsebene und der ersten Linse y und der Abstand zwischen der zweiten Linse und der Bildebene z = f₂/f₁ (f₁ + f₂ – [f₂/f₁ – y]) ist, ergibt sich als Strahlmatrix für dieses Teleskop:

wobei M = f₂/f₁ die Vergrößerung des Teleskops ist.
Damit wird das Bild durch das Abbildungsteleskop vergrößert und umgedreht. Wenn ein Strahl auf die erste Seite des Teleskops trifft und in einem Punkt f_T hinter der ursprünglichen Apertur (Apertur, aus der der auftreffende Strahl kommt) gebündelt wird, so wird der Strahl, der auf der anderen, zweiten Seite des Teleskops austritt, auf einen Punkt gebündelt, der einen Abstand M × f_T hinter der Abbildungsebene hat. Wenn dieser Strahl nun das Abbildungsteleskop, in entgegengesetzter Richtung zurück durchläuft, dann ist die Strahlmatrix für den umgekehrten Durchgang durch das Teleskop

gegeben.
Der gesamte Durchgang von der Apertur des Verstärkermediums zu dem Spiegel oder zum Prisma am Ende des Abbildungsteleskops und dann zurück zum Verstärkermedium wird damit durch

beschrieben. Jedes Teleskop mit einer Transfermatrix des obigen Typs (wobei M entweder eine positive oder negative Zahl ist) agiert als geeignetes Abbildungsteleskop.
Das Verstärkermedium (20) war ein Dioden-gepumpter Nd:YAG-Block mit den Abmessungen 8,6 mm × 5,3 mm auf 88 mm mit Brewster-Fenstern. Das Verstärkermedium (20) ließ neun interne Totalreflektionen bei einem einzelnen Durchgang zu, woraus sich ein Zickzackpfad in der Ebene in 1 ergibt. Das Medium. (20) kann mit variabler Taktrate betrieben werden und hat eine Einzeldurchgangsverstärkung von 2, 5 bei einer Taktrate von 400 Hz.
Damit tritt der Lichtstrahl von dem Laser (2), der durch den Spiegel (16) in einem optischen Abstand f von der Linse (30) in das Teleskop (18) gelenkt wird, durch das Teleskop (18) und wird auf die Apertur des Verstärkermediums (20) abgebildet, so dass er durch das Verstärkermedium (20) in das Teleskop (24) eintritt, das diesen Lichtstrahl auf den Spiegel (29) abbildet. Dieser Lichtstrahl ist der Lichtstrahl nach dem ersten Durchgang, und seine Position in der Apertur (28) des Teleskops (18) ist an der Position 1 in 4 gezeigt. Der Lichtstrahl nach dem zweiten Durchgang, der von dem Spiegel (29) reflektiert wird, wird durch das Teleskop (24) auf die Apertur des Verstärkermediums (20) abgebildet und wird dann durch das Teleskop (18) über das Prisma (38) auf den Spiegel (26) gelenkt. Die Position des Lichtstrahls nach dem zweiten Durchgang in der Apertur (28) des Teleskops (18) ist bei der Position 2 in 4 gezeigt. Wie ersichtlich, liegt die Position 2 auch innerhalb der Apertur (46) des Prismas (38). Die Justage der Komponenten des Verstärkersystems, durch die die Positionen der Lichtstrahlen nach den Durchgänger in der Apertur (28), festgelegt werden, wird im Folgenden beschrieben. Der Spiegel (26) reflektiert den Lichtstrahl nach dem zweiten Durchgang, der darauf auftrifft, zurück durch das Teleskop (18) als Drittdurchgangslichtstrahl, der durch das Teleskop (18) auf die Apertur des Verstärkermediums (20) abgebildet wird und dann durch das Teleskop (24) auf den Spiegel (29) abgebildet wird. Die Position des Drittdurchgangslichtstrahls in der Apertur (28) des Tele skops (18) ist die Position 3 in 4, die sich ebenfalls innerhalb der Apertur des Prismas (38) befindet, das den Drittdurchgangslichtstrahl von dem Spiegel (26) in das Teleskop (18) umlenkt.
Der Spiegel (29) lenkt den Strahl wieder zurück in das Teleskop (24). Das Teleskop (24) bildet den Viertdurchgangsstrahl auf die Apertur des Verstärkerrnediums (20) ab, und dann durchläuft der Viertdurchgangsstrahl das Teleskop (18) und wird auf den Spiegel (26) abgebildet. Der Viertdurchgangsstrahl wird durch das Prisma (38) auf den Spiegel (26) gelenkt und ist in 4 an Position 4 innerhalb der Apertur (28) des Teleskops (18) und innerhalb der Apertur (46) des Prismas (38) gezeigt. Der Viertdurchgangsstrahl wird durch den Spiegel (26) über das Prisma (38) als Fünftdurchgangsstrahl zurück in das Teleskop (18) gelenkt, der in 4 bei Position 5 innerhalb der Aperturen (28) und (46) gezeigt ist. Der Fünftdurchgangsstrahl wird durch das Teleskop (8) auf die Apertur des Verstärkermediums (20) und in das Teleskop (24) gelenkt, das den Fünftdurchgangsstrahl auf den Spiegel (28) abbildet. Der Fünftdurchgangsstrahl wird durch den Spiegel (29) als Sechstdurchgangsstrahl zurück in das Teleskop (24) reflektiert, das den Sechstdurchgangsstrahl auf die Apertur des Verstärkermediums (20) abbildet. Der Sechstdurchgangsstrahl wird dann durch das Teleskop (18) auf den Auskopplungsspiegel (16) abgebildet, der das Licht aus dem Verstärkersystem auskoppelt. Der Sechstdurchgangsstrahl ist bei Position 6 in 4 gezeigt und liegt außerhalb der Apertur (46) des Prismas (38), er wird somit nicht auf den Spiegel (26) gelenkt. Statt dessen ist der Auskopplungsspiegel (16) vorgesehen, um den Sechstdurchgangsstrahl aufzufangen.
Man beachte, dass der Lichtstrahl vom Laser (2), der über den Spiegel (16) als Erstdurchgangsstrahl in das Teleskop (18) gelenkt wird, den Sechstdurchgangsstrahl beim Spiegel (16) überlagert, bei der Apertur (28) liegt er jedoch oberhalb des Sechstdurchgangsstrahls, und bei dem Prisma (50) liegt er unterhalb des Sechstdurchgangsstrahls. Dies folgt daraus, dass 1 eine ebene Ansicht der optischen Geometrie des Verstärkersystems ist. Dies ist ersichtlich aus der Positionierung des Erstdurchgangslichtstrahls bei 1 in 4 in Bezug auf die Position des Sechstdurchgangslichtstrahls bei 6 unter der Position 1 in 4. Auf diese Art liegt bei der Apertur (28) des Teleskops (18) der Erst-, Dritt- und Fünftdurchgangsstrahl oberhalb des Sechst-, Viert- und Zweitdurchgangsstrahls.
Das Prisma (50) ist dort angeordnet, wo der Sechstdurchgangsstrahl oberhalb des Erstdurchgangsstrahls liegt, fängt den Sechstdurchgangsstrahl auf und lenkt ihn ab, so dass sich ein Ausgangsstrahl ergibt.
In 4 ist die Apertur (28) der Linse (30} des Teleskops (18) und die Apertur (46) des Prismas (38) sowie zwei Reflexionspunkte, nämlich R₂₆ als Reflexionspunkt des Spiegels (26) und R₂₉ als Reflexi- onspunkt des Spiegels (29) gezeigt. Jeder Lichtstrahl, der an einem ersten Punkt (z. B. Punkt 1) durch die Linsenapertur (28) tritt und sich zum Spiegel (29) ausbreitet, wird durch die Apertur (28) an einem zweiten Punkt (z. B. Punkt 2) reflektiert, der das Spiegelbild des ersten Punkts bezüglich Punkt R₂₄ ist. Ähnlich wird jeder Lichtstrahl, durch einen dritten Punkt (z. B. Punkt 2) in der Linsenapertur (28), der sich zum Spiegel (26) ausbreitet, durch die Apertur (28) an einen vierten Punkt (z. B. Punkt 3) reflektiert, der das Spiegelbild des drit ten Punkts bezüglich Punkt R₂₆ ist. Damit ist aus 4 ersichtlich, dass der Erstpfadstrahl außerhalb des Randes des Prismas (38) in die Apertur (28) tritt, und nach sechs Durchgängen durch das Verstärkersystem (1) tritt der Sechstdurchgangsstrahl außerhalb des Randes des Prismas (38) aus.
In 4 ist die Größe jedes Durchgangsstrahls mit gestrichelten Linien dargestellt, und so ist ersichtlich, dass bei der Teleskoplinse (30) die Durchgangsstrahlen räumlich getrennt sind. Dies ermöglicht es, dass einige der Strahlen (2 bis 5) durch das Prisma (20) aufgefangen werden.
Die optischen Komponenten in dem Verstärkersystem nach 1 werden wie folgt angeordnet. Der Spiegel (16), die Teleskope (18, 24) und das Verstärkermedium (20) werden als erstes angeordnet. Der Durchgang des Strahls durch das Verstärkermedium wird durch die Position des Strahls von dem Laser (2) auf dem Spiegel (16) festgelegt. Dieses wird optimiert durch Justierung der Ausrichtung des Prismas (14). Anschließend wird der Spiegel (29) eingesetzt. Wenn sowohl das Verstärkermedium (20) als auch der Spiegel (29) angeordnet sind, ist es möglich, den Spiegel (16) über einen Winkelbereich abzustimmen, und dabei bleibt die Position des Strahls auf der Apertur des Verstärkermediums (20) und auf dem Spiegel (29) unverändert. Dann wird die Position des Strahls von dem Spiegel (16) auf der Apertur (28) des Teleskops (18) nach 4 auf eine Position 1 gebracht, indem die Winkeljustage des Spiegels (16) durchgeführt wird. Die Position des Strahls von dem Spiegel (29) auf der Apertur (28) wird nach 4 auf die Position 2 gebracht, indem die Winkelposition des Spiegels (29) justiert wird. Das Prisma (38) und der Spiegel (26) werden dann eingebaut, und ihre Winkeljustage wird durchgeführt, so dass die Position des Strahls von dem Spiegel (26) nach 4 auf die Position 3 der Apertur (28) gebracht wird. Sobald dies geschehen ist, sind alle Durchgangsstrahlen korrekt in der Apertur (28) des Teleskops (18) positioniert, und der Sechstdurchgangsstrahl wird zurückgelenkt zum Auskopplungsspiegel (16). Schließlich wird das Prisma (50) installiert, um den Ausgangsstrahl von den anderen Komponenten zu separieren.
Das erste Hauptmerkmal, der Geometrie nach 1 besteht darin, dass das Verstärkermedium (20) zwischen zwei Abbildungsteleskopen (18, 24) angeordnet ist und jedes Teleskop die Verstärkermediumapertur (A) auf Spiegel (16) und (29) abbildet, so dass sich das Bild A' ergibt. Über einen großen Winkelbereich wird jeder kollimierte Lichtstrahl, der durch die Apertur des Verstärkermediums (20) hindurchtritt, durch ein Teleskop auf den Spiegel (29) oder (26) abgebildet und wird durch dasselbe Teleskop wiederum auf die Apertur des Verstärkermediums (20) neu abgebildet. Dadurch ist sichergestellt, dass jeder Strahl, der einmal durch das Verstärkermedium tritt, dieses Verstärkermedium wieder und wieder durchläuft, bis dies durch die Teleskopapertur oder eine Komponente bei der Teleskopapertur verhindert wird. Damit wird es möglich, dass der Strahl viele Male durch dasselbe Volumen hindurchtritt, wobei er jedes Mal verstärkt wird und bei jedem Durchgang einen weiteren Anteil der gespeicherten Energie (oder verfügbaren Leistung) extrahiert.
Das zweite Hauptmerkmal der Geometrie nach 1 besteht darin dass sich alle Durchgangsstrahlen in dem Verstärkermedium überlappen können, sich jedoch nicht in den Teleskoplinsen überlappen, neben denen Ablenkungskomponenten wie Spiegel oder Prismen angeordnet sind. Dies macht es möglich, dass individuelle Strahlen aufgefangen werden können und individuell durch Anordnung optischer Komponenten nahe bei den Teleskoplinsen manipuliert werden können, zum Beispiel indem Licht in und aus, dem Verstärkersystem ein- bzw. ausgekoppelt wird. Das Vermeiden der Überlappung von Strahlen auf diese Art trägt außerdem dazu bei, dass die Bildung von geschlossenen Lichtkreisen in dem Verstärkersystem vermieden wird. Derartige geschlossene Kreise in dem System können zu parasitären Oszillatoren eines Resonatorhohlraums mit den Spiegeln (26) und (28) führen. In der Praxis kann es durch dieses, zweite Hauptmerkmal möglich werden, Abbildungsteleskope mit Linsen verhältnismäßig langer Brennweite zu verwenden.
Es ist nicht immer notwendig, dass beide Teleskope die Erfordernisse des zweiten Hauptmerkmals erfüllen, zum Beispiel können sich in der oben diskutierten Geometrie nach 1 die Lichtstrahlen auf allen Teleskoplinsen außer der Linse (30) neben den Komponenten (16) und (38) überlappen, die verschiedene Lichtdurchgangs- strahlen auffangen, die aus dem Teleskop (18) bei der Linse (30) austreten.
Eine Technik zum Reduzieren von Aberrationen bei einem Verstärkersystem besteht darin, Phasenkonjugation einzusetzen. Dies kann erreicht werden durch Fokussieren eines mit einer einzigen Frequenz gepulsten Strahls in eine SBS-Zelle mit Material wie SnCl₄. Wenn, die Eingangsenergie bei Eintritt in die Zelle ausreichend hoch ist, wird stimulierte Brillouin-Streuung erzeugt, und es entsteht ein gestreuter Strahl, der sich in Gegenrichtung zu dem ankommenden Strahl ausbreitet und exakt auf dessen Pfad verläuft. Wenn der ankommende Strahl Aberrationen auf Grund des Verstärkersystems zeigt, so verläuft der konjugierte Strahl wieder auf dem Pfad und wird weiter verstärkt, hat jedoch beim Verlassen keine Aberrationen mehr. Dies wird auf die in 2 gezeigte Art erreicht. Die Verwendung einer SBS-Zelle (22), wie sie oben beschrieben wurde, korrigiert Aberrationen innerhalb des Verstärkersystems wie z. B. thermische Linsenwirkung innerhalb des Verstärkersystems (20) und sphärische Aberrationen aufgrund von Durchgangsstrahlen, die an Punkten durch die Teleskoplinsen treten, die abseits des Zentrums der Linse in horizontaler Richtung liegen. In einer SBS-Zelle wird Licht kohärent gestreut, wenn die einfallende Leistung einen Schwellenwert überschreitet, und das Vorhandensein dieses Schwellenwertes kann eine Verringerung der Verstärkung durch verstärkte stimulierte Emission (ASE) verhindern. Eine SBS-Zellekann auf die gleiche Art auch bei Dauerstr chanwendungen eingesetzt werden, um Phasenkonjugation zu bewirken.
Das System nach 2 umfasst außer den in 1 zwischen dem Laser (2) und dem Verstärkersystem verwendeten einen zusätzlichen Satz von Elementen und umfasst außerdem eine Phasenkonjugationsspiegelvorrichtung (22) an dem Ausgang des Verstärkersystems, um ein Zwölfdurchgangsverstärkersystem zu schaffen. Der Phasenkonjugationsspiegel umfasst eine SBS-Zelle (22) mit einer Flüssigkeit, wie z. B. SnCl₄, und eine Linse (44), die das kollimierte Ausgangslicht von dem Verstärker innerhalb der SBS-Zelle fokussiert. Wenn ein Strahl in das Verstärkersystem eingekoppelt wird, wird er verstärkt und erreicht die Phasenkonjugationsspiegelvorrich tung, wo er reflektiert wird und von wo er zu dem Eingang des Verstärkersystems zurückkehrt, wobei er exakt auf dem Eingangsstrahl verläuft und weiter verstärkt wird. Zu dem Zeitpunkt, zu dem er den Eingangspunkt erreicht, hat sich die Zahl der Durchgänge durch das Verstärkersystem verdoppelt, und es gibt fast keine Aberrationen mehr.
In 2 wird ein Faraday-Isolatorsystem verwendet, um den Eingangsstrahl von dem verstärkten Ausgangsstrahl zu trennen. Das Isolatorsystem umfasst zwei dielektrische Prismenpolarisatoren (6) und (12), eine Faraday-Rotationsvorrichtung (8) und eine Halbwellenplatte (10). Die Polarisationsprismen (6, 12) lassen horizontal polarisiertes Licht durch und reflektieren vertikal polarisiertes Licht. Der Polarisator (6) lässt horizontal polarisiertes Licht von dem Laser (2) zu der Faraday-Rotationsvorrichtung (8) durch, die eine Phasenverschiebung von +45° bei von rechts nach links durchtretendem Licht erzeugt, und eine Phasenverschiebung von –45° bei von links nach rechts durchtretendem Lichterzeugt. Damit hat dieses horizontal polarisierte Licht des Strahls von dem Polarisator (6) eine zusätzliche Phasenverscheibung von +45° nach dem Durchgang durch die Rotationsvorrichtung (8). Licht vori der Drehvorrichtung (8) durchläuft dann den Phasenschieber (10) mit –45°, in dem es horizontal polarisiert wird, und durchläuft dann den Polarisator (12). Das Licht von dem Polarisator (12) wird dann durch ein Prisma (14) und einen Auskopplungsspiegel (16), in das erste Teleskop des Verstärkersystems gelenkt. Wenn der konjugierte Strahl den Pfad zurück durch das Verstärkersystem durchläuft, kommt es schließlich zu dem Spiegel (16) zurück und kehrt zu dem Faraday-Isolatorsystem zurück. Jegliche vertikal polarisierte Komponente wird von dem Polarisator (12) reflektiert, und der horizontal polarsierte Strahl durchläuft die Halbwellenplatte (10), wo die Polarisation um –45° gedreht wird, und die Faraday-Rotationsvorrichtung (8), durch die die Polarisation nochmals um –45° gedreht wird. Der austretende Strahl ist nun vertikal polarisiert und wird durch den Polarisator (6) reflektiert, so dass sich ein Ausgangsstrahl (48) ergibt. Es sind auch andere alternative Auskopplungsmöglichkeiten bekannt.
In dem Aufbau nach 2 wurde bei dem Eingangsstrahl des Lasers (2) eine Energie von 50 mJ in einem 25 ns Puls gemessen, der elliptisch mit Durchmessern von 2,58 mm und 3,71 mm war und das 1,1-fache der Beugung in beiden Richtungen nicht überschritt. Wenn sechs Durchgänge durch das Verstärkermedium (20) ohne Pumpen des Verstärkermediums erfolgten, so betrug der Transmisskonskoeffizient des Verstärkersystems 65 %, und es wurde Aberration in dem Ausgangsstrahl festgestellt. Wenn das Verstärkermed– ium mit einer Taktrate von 40 Hz bei einer Einzeldurchgangsverstär- kung von 2,5 betrieben wurde, so betrug die Verstärkung nach sechs Durchgängen 300. Das führte zu einer Auskopplung aus dem, System von 13 mJ nach sechs Durchgängen in die SBS-Zelle (22) und zeigt, dass der Aufbau nach 1 effizient betrieben werden kann.
Das Ausgangslicht aus dem Verstärkersystem nach sechs Durchgängen wurde in die SBS-Zelle (22) gelenkt, und diese erzeugte einen konjugierten Strahl mit einer Energie von 6 mJ. Dieser wurde nochmals verstärkt durch sechs weitere Durchgänge durch das Verstärkermedium (20), was zu einer Ausgangsenergie von 50 mJ bei (48) führte. Der Ausgangsstrahl hatte einen Durchmesser von 1,73 mm und 3,89 mm und Divergenzen von 0,89 mrad und 0,7 mrad, was dem 1,2-fachen der Beugung in der horizontalen Ebene (d. h. in der Papierebene) und dem Zweifachen der Beugung in der senkrechten Ebene entsprach. Der Strahl, der aus dem Verstärkersystem nach den ersten sechs Durchgängen ausgekoppelt wurde, war elliptisch und von schlechterer optischer Qualität. Dies kann zurückzuführen sein auf achsenferne Aberrationen in den Teleskoplinsen, was sich reduzieren ließe durch zusammengesetzte Linsen in den Teleskopen (18) und (24). Die Pulslänge des Ausgangsstrahls betrug 13 ns. Der Verstärkungsgrad des Systems betrug effektiv über 1000, das bedeutet einen Faktor 400 über dem Verstärkungsgrad bei einem einzelnen Durchgang, und die extrahierte Energie wurde auf 20 bis 30% der gespeicherten Energie abgeschätzt.
Die Ausgangsenergie des Systems, die durch Simulation und Experiment bestimmt wurde, wird als Funktion der Eingangsenergie in 22 dargestellt. Sowohl bei den simulierten als auch den beobachteten Ergebnissen gibt es einen Schwellenwert, unter dem keinerlei Ausgangsenergie beobachtet wurde. Dies bedeutete, dass das Eingangslicht in der SBS-Zelle (22) nach sechs Durchgängen durch das Verstärkermedium (20) unter dem Schwellenwert bleibt. Mit steigender Eingangsenergie steigt die Ausgangsenergie rapide bis auf einen Sättigungspegel an. Die Simulation deutet an, dass bei noch höheren Eingangspegeln die Ausgangsenergie abfällt. Dies rührt daher, dass der Großteil der Energie durch den Lichtstrahl aus dem Verstärkermedium (20) extrahiert wird, bevor der Strahl auf die SBS-Zelle (22) trifft, und dass die SBS-Zelle das verlustreichste Element innerhalb des Systems ist.
In dem Aufbau nach 2 kann eine Aperturschutzblende (82 – mit gestrichelten Linien dargestellt) unmittelbar vor dem Spiegel (29) angeordnet werden, d. h. nahe einer Bildebene des Verstärkersystems, so dass kein Licht die Ränder des Verstärkermediums (20) erreicht. Dies kann notwendig werden, wenn die Ränder des Verstärkermediums (20) durch das Laserlicht beschädigt werden könnten.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine zu 2 ähnliche Geometrie, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind, bei der ein Lichtstrahl das Verstärkermedium (20) sechs Mal durchläuft, dann eine Phasenkonjugation in der SBS-Zelle (22) erhält und der phasenkonjugierte Strahl dann weitere sechs Mal das Verstärkermedium (20) durchläuft, bevor er aus dem System bei (48) ausgekoppelt wird.
Eine Strahlsteuerungsvorrichtung (52), wie zum Beispiel ein justierbarer Spiegel mit niedriger Schädigungsschwelle oder eine akustooptische Strahlablenkungsvorrichtung, ist zwischen dem Laser (2) und dem Polarisätor (6) angeordnet. Zwei weitere Abbildungsteleskope (54) und (56) werden in diesen Aufbau eingefügt. Jedes der Abbildungsteleskope (54) und (56) umfasst zwei plankonvexe Linsen, die einen Abstand zueinander haben, der gleich der Summe der Brenn= weiten der zwei Linsen ist. Beide Teleskope haben Vakuumzellen im Fokus, um durch Laser induzierte Luftdurchbrüche im Fokus der Linsen zu vermeiden. Auf diese Art wird die Apertur des Ausgangs der Strahlsteuerungsvorrichtung (52) auf alle mit A' (oder A) markierten Punkte in 3 abgebildet, was bedeutet, dass ein Lichtstrahl, der die Ausgangsapertur einer Strahlsteuerung (52) durchläuft, unweigerlich alle die mit A' (oder A) in 3 bezeichneten Punkte durchlaufen wird. Auf diese Art kann die Richtung des Ausgangsstrahls (48) gesteuert werden (wie durch den Pfeil (58) gezeigt), indem der von dem Laser (2) ausgestrahlte Strahl mittels Strahlsteuerung (52) gesteuert wird.
Mit diesem Aufbau wurde gezeigt, dass bei Steuerung eines Strahls mit 50 mJ-Pulsen über einen Winkel von 30 mrad das Ausgangslicht des Systems über denselben Winkel gesteuert wurde.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Steuerungsvorrichtung (52) ersetzt werden durch einen Raumlichtmodulator oder adaptiven Spiegel, der bei dem Eingangsstrahl des Lasers (2) mit niedriger Leistung eine räumlich abhängige Phasenverschiebung bewirken kann. In diesem Fall ergibt sich bei dem System ein Ausgangsstrahl hoher Leistung mit einem identischen räumliehen Phasenmuster wie bei dem Ausgargsstrahl. Diese Konfiguration macht es möglich, einen Strahl hoher Leistung mit kontrollierter Phasenfront zu erzeugen indem der Eingangsstrahl niedriger Leistung mit einem adaptiven Spiegel gesteuert wird.
Oft ist es wünschenswert, eine Winkeltrennung θ zwischen den Strahlen zu haben, die so klein wie möglich ist, damit die Strahlen durch das Verstärkermedium hindurch treten, ohne dass sie die Ränder des Verstärkermediums treffen. Wenn θ klein, ist, dann ist es jedoch notwendig, eine große Brennweite der Teleskoplinsen vorzusehen, wenn die Strahlen sich in wenigstens einer der Teleskoplinsen nicht überlappen sollen. Große Linsenaperturen sind auch erforderlich, wenn die Strahlen sich nicht bei der Teleskoplinse überlappen, da der Bereich der Linse wenigstens so groß wie der Bereich des Strahls multipliziert mit der Zahl der Durchgänge durch das Verstärkermedium sein muss.
Dies kann wie in 18 mit der Darstellung des Fensters (21), des Verstärkermediums (20) und der Linse (32) nach 2 gezeigt, gelöst werden, indem die Strahlen nahe der Brennebene des Teleskops aufgefangen werden. In 18 überlappen sich die zwei dargestellten Lichtstrahlen bei der Linse (32), trennen sich aber zwischen der Ebene (S) und der Brennebene (F). Damit können die Strahlen durch optische Komponenten wie einem Spiegel oder einem Prisma zwischen den Ebenen S und F aufgefangen und separiert werden, obgleich die Strahlen bevorzugt nicht bei oder zu nahe an der Brennebene (F) abgefangen werden, da die Strahlintensität zu hoch werden und die optischen Komponenten beschädigen kann. Durch Abfangen eines Strahls zwischen den Teleskoplinsen in der Nähe der Brennebene des Teleskops und durch die Möglichkeit, dass sich, die Lichtstrahlen bei den Teleskoplinsen überlappen dürfen, können Teleskoplinsen verwendet werden; die eine kürzere Brennweite und kleinere Aperturgrößen haben. Dabei kann es notwendig werden, eine Vakuumzelle in dem Teleskop vorzusehen, um Luftdurchbrüche zu vermeiden.
Ein Aufbau, der ähnlich dem in 1 ist (wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind), ist in 17 dargestellt, wobei sich aber die Strahlen bei den Teleskoplinsen (30'', 32, 34, 36) überlappen. Die Erst- und Sechstdurchgangslichtstrahlen, die sich zwischen dem Spiegel (16) und dem Verstärkermedium (20) ausbreiten, werden durch ein Abbildungsteleskop mit Linsen (30') und (32) abgebildet. Jedoch ist ein Prisma (38) zwischen den Linsen (30') und (32) nahe der Brennebene der Linse (32) angeordnet, um die Zweit- bis Fünftdurchgangsstrahlen aufzufangen und sie durch die Linse (30'') und auf den Spiegel (26) zu Lenken. Auf diese Art werden die Zweit- bis Fünftdurchgangsstrahlen zwischen dem Verstärkermedium (20) und dem Spiegel (26) durch Abbildungsteleskope mit den Linsen (32) und (30'') abgebildet. Das Prisma (38) sollte einen kleinen Abstand von dem Fokus des Teleskops (32, 30'') aufweisen, so dass der Laser das Prisma nicht beschädigt. Es ist offensichtlich, dass die Aufbauten nach den 1 bis 3, 5, 6, 8 bis 11, 15, 19 und 20 auf ähnliche Art verändert werden können wie bei dem Aufbau in 1, so dass sich die Lichtstrahlen bei wenigstens einigen, der Teleskoplinsen überlappen.
Es ist möglich, zusammengesetzte Teleskope zu konstruieren, wie das in 21, die als Abbildungsteleskope dienen. Das Teleskop in 21 umfasst zwei Sammellinsen (50) und (52) und zwei Streulinsen (54) und (56). Durch die Streulinsen (54) und (56) nahe dem Brennpunkt des Teleskops wird der Brennfleck länger, so dass die Lichtdurchgangsstrahlen, die sich bei den Linsen (50) und (52) und möglicherweise auch bei den Linsen (54) und (56) überlappen, auf einem längeren Pfad separiert werden können. Dies bietet mehr Raum, um ein Prisma oder einen Spiegel einzusetzen, wenn Linsen mit relativ kurzen Brennweiten eingesetzt werden.
Nach mehrmaligem Durchgang durch das Verstärkersystem kann der verstärkte Strahl auf Grund von Fehlern in dem optischen System eine Aberration zeigen. Diese kann beispielsweise durch zusammengesetzte Linsen in den Teleskopen und andere, später erläuterte Techniken minimiert werden.
Das Verstärkersystem nach 5 hat ein Verstärkermedium (60) mit einem reflektierenden Spiegel (62) an einem seiner Enden und einem Abbildungsteleskop (64) an seiner anderen Seite, das so positioniert ist, dass das Teleskop (64) die Apertur des reflektierenden Spiegels (62) auf den Spiegel (58) abbildet. Das Teleskop (64) umfasst eine erste Linse (72) und eine zweite Linse (74), und die Apertur der ersten Linse (72) ist in 7 bei (76) gezeigt. 7 zeigt außerdem die Apertur des Prismas (70) bei (78) und des Spiegels (58) bei (80).
Ein Eingangs- oder Erstdurchgangslichtstrahl wird durch das Prisma (70) in das Teleskop (64) abgelenkt, so dass der Eingangslichtstrahl durch das Verstärkermedium (60) auf den Spiegel (62) des Verstärkermediums (60) abgebildet wird. Dieser Erstdurchgangs-Lichtstrahl durchläuft den Punkt 1 der Apertur (76) der Teleskoplinse (72) und die Apertur (78) des Prismas (70) wie in 7 gezeigt, Der Spiegel (62) reflektiert den Erstdurchgangslichtstrahl zurück durch das Verstärkermedium (60) als Zweitdurchgangsstrahl in das Teleskop (64), das die Apertur des Spiegels (62) auf den Spiegel (58) abbildet. Der Spiegel 62 hat einen Reflexionspunkt R₆₂ , wie in 7 gezeigt, und damit durchläuft der Zweitdurchgangsstrahl die Apertur (76) der Linse (72) und die Apertur (80) des Spiegels (58) bei Punkt 2 in 7. Der Spiegel (68) reflektiert den Zweitdurchgangs-Lichtstrahl als Drittdurchgangslichtstrahl in das Teleskop (64), das die Apertur des Spiegels (58) auf den Spiegel (62) abbildet, und der Drittdurchgangsstrahl durchläuft das Verstärkermedium (60). Der Spiegel (58) hat einen Reflexionspunkt R₅₈ , wie in 7 gezeigt; und damit durchläuft der Drittdurchgangsstrahl die Apertur (76) der Linse (72) und die Apertur (80) des Spiegels (58) bei Punkt 3 in 7 auf einem Pfad, der über den Lichtstrahl auf dem zweiten Pfad steigt (und damit kann in der Draufsicht nach 4 nur einer dieser Strahlen dargestellt werden). Der Spiegel (62) reflektiert den Drittdurchgangslichtstrahl als Viertdurchgangslichtstrahl durch das Verstärkermedium (60) und in das Teleskop (64), wobei das Teleskop die Apertur des Spiegels (62) auf einen Ausgang des Verstärkersystems über das Prisma (70) abbildet. Der Spiegel (62) hat einen Reflexionspunkt R₆₂ , wie in 7 gezeigt, und damit durchläuft der Viertdurchgangsstrahl die Apertur (76) der Linse (72) und die Apertur (78) des Prismas (70) bei Punkt 4 in 7, wobei er einem Pfad folgt, der unterhalb von dem des Erstdurchgangsstrahls liegt. Bei dieser Konfiguration ist die einschränkende Apertur die Apertur des Verstärkers (60), und die Konfiguration macht es möglich, dass man diese Apertur vier Mal durchlaufen kann.
Die Geometrie in 5 ist kompakter als die in den 1 bis 3, hat aber den Nachteil, dass bei gegebenen Dimensionen des Verstärker-Blocks, der in der Praxis maximal mögliche Kreuzungswinkel der verschiedenen Strahlen in dem Verstärkermedium reduziert wird.
6 zeigt einen Aufbau, der ähnlich dem in 5 ist, wobei gleiche Element mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Der Hauptunterschied besteht darin, dass in 5 nur ein Teleskop (64) vorgesehen ist, das die Apertur des Verstärkermediums (60) auf die optischen Komponenten (58, 70) abbildet. Dies hat den Vorteil, das ein Teleskop (64) für alle Strahlen verwendet werden kann. In 6 gibt es zwei Teleskope (64a) mit den Linsen (72a) und (74a) und (64b) mit den Linsen (72b) und (74b), von denen jeweils die Apertur des Verstärkers (60) auf eine dazugehörige optische Komponente (58) oder (70) abgebildet werden kann. Die Konfigurationen in 5 und 6 können mit Elementen der Konfiguration nach 2 kombiniert werden, indem der Verstärker (20), das Teleskop (24) und der Spiegel (29) durch einen Verstärker (60) und eine Spiegeloberfläche (62) wie in 8 gezeigt ersetzt werden.
In dem Aufbau in 8, der gleiche Elemente wie die Elemente in 2 und gleiche Elemente wie die Elemente in 5 hat, die mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wird der Verstärker zwölf Mal durchlaufen, bevor er durch das Ausgangsprisma (50) abgelenkt wird. Der Spiegel (16) lenkt den Eingangsstrahl von dem Laser (2) in den Reflektor-Block mit Verstärkermedium (60) und Re- flektor (62). Nach zwei Durchläufen wird der Strahl durch das Prisma (38) auf den Spiegel (26) reflektiert und geht zurück zum Reflektor-Block (60, 62). Es wird dann über das Prisma (38) auf den Spiegel (26) zurück reflektiert und kehrt zum Spiegel (16) und zum Prisma (50) zurück. Das Prisma (50) lenkt das Licht in die SBS-Zelle (22), und der Strahl läuft dann auf seinem Pfad durch das System zum Ausgang (48) zurück. Das Strahlmuster an der Apertur der hinse (72) des Teleskops (64) ist das gleiche wie in 4.
Der Aufbau nach 9 hat gleiche Elemente wie die Elemente in 1 und gleiche Elemente wie die Elemente in 6, die mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. In dem Aufbau nach 9 wird der Block-Verstärker (60, 62) zwölf Mal durchlaufen, bevor er durch das Ausgangsprisma (5 0) abgelenkt wird. Jeder Strahl, der von dem Teleskop (64a) auf den Reflektor (62) fällt, wird in das Teleskop (64b) reflektiert und wird durch den Spiegel (59) über das Teleskop (64b) zurück in den Block-Verstärker (60, 62) reflektiert. Jeder Strahl, der von dem Teleskop (64b) auf den Reflektor (62) trifft; wird in das Teleskop (64a) reflektiert und durch die Komponenten (38, 26, 16) abgelenkt.
In den oben erläuterten Verstärkersystemmen können d urch die Abbildungsteleskope, Verstärkermedien, Ablenkspiegel und Prismen Restfehler beim Fokus bewirkt werden bei den, wobei sich diese Fehl jedem Durchgang des Lichts durch das System akkumulieren. Für den Fall, dass der Restfehler beim Fokus durch thermisch induzierte Linseneffekte bewirkt wird, ergibt sich als effektive Brennweite des Verstärkersystems nach n Durchgängen des Lichtstrahls f/n, wobei f die verbleibende Brennweite des Verstärkers nach einem Durchgang ist.
Der Fokusfehler in dem verstärkermedium, beispielsweise auf Grund thermischer Linseneffekte, kann kompensiert werden durch Anordnen einer Kompensationslinse (120) in einer Bildebene, wie dies in 10 gezeigt ist. 10 zeigt einen Aufbau, der im übrigen identisch mit dem in 2 ist, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Kompensationslinse (120) hat eine gleiche, aber entgegengesetzte Brennweite zu der thermisch induzierten Brennweite des Blocks (20). Man kann außerdem den Grad der Kompensation dadurch einstellen, dass man die Kompensationslinse (120) entlang der Achse des Verstärkersystems verschiebt.
Der Aufbau nach 11 ist der gleiche wie der in 2, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, außer dass der Spiegel (29) durch einen adaptiven Spiegel (122) ersetzt wurde, um Phasenfehler zu korrigieren, die durch das Verstärkermedium (20) bewirkt werden. Jeder doppelte Durchgang durch das Verstärkermedium (20) wechselt mit einer Rückreflektion durch den adaptiven Spiegel (122) ab.
In dem Aufbau nach 12 umfasst das Verstärkersystem wieder ein Verstärkermedium, das entsprechend zwischen zwei Abbildungsteleskopen (106) und (108) angeordnet ist. Rechtwinklige Prismen (110) und (112), die axial zueinander versetzt sind, werden eingesetzt, um Licht wiederholt durch das Verstärkersystem zu lenken. Das System ist so aufgebaut, dass das Teleskop (106) die Apertur des Verstärkermediums (104) auf das rechtwinklige Prisma (12) ablenkt und das Teleskop (108) die Apertur des Verstärkermediums (104) auf das Prisma (110) abbildet. Die sechs Durchgänge der Strahlen können durch das System wie folgt verfolgt werden, ein Eingangsstrahl (114) läuft entlang der Prismenachse (110) und wird zu einem Erstdurchgangsstrahl, der in 10 mit 1 bezeichnet ist, der entlang der Achse des Teleskops (108), des Verstärkermediums (104) und des Teleskops (106) verläuft und schließlich in das Prisma (112) gelangt. Wie oben angedeutet, ist das Prisma (112) gegenüber dem Prisma (110) versetzt, und damit tritt der Erstdurchgangsstrahl 1 in das Prisma (112) unter der Achse des Prismas (112) ein, und das Prisma (112) lenkt so den Erstdurchgangsstrahl als Zweitdurchgangsstrahl zurück durch das System, der in 2 mit 2 bezeichnet ist. Der Zweitdurchgangsstrahl läuft durch das System zum Prisma (110), in das er in Bezug zu der Achse vom Prisma (110) ver setzt eintritt. Dieses Prisma (110) lenkt den Zweitdurchgangsstrahl als Drittdurchgangsstrahl zurück in das System, der in 10 mit 3 bezeichnet ist. Der Pfad des Strahls kann so bei seinem vierten Durchgang (mit 4 bezeichnet), seinem fünften Durchgang (mit 5 bezeichnet) und seinem sechsten Durchgang (mit 6 bezeichnet) in 10 verfolgt werden. Der Sechstdurchgangsstrahl verlässt das System nach dem Prisma (110) in Richtung auf einen Ausgang (116). Man beachte, dass sich bei dieser Ausführungsform die Durchgangssfrahlen nicht im Verstärkermedium (104) überlappen, was u. U. den Nachteil mit sich bringt, dass die Energieextraktion bei jedem Durchgang ineffizient wird, da nur ein kleines Volumen des Verstärkermediums (104) bei jedem Durchgang durchlaufen wird. Außerdem kann das Verstärkermedium bei späteren Lichtstrahldurchgängen auf Grund der Energie, die aus dem Rest des Verstärkermediums (104) extrahiert wird und mit hoher Intensität durch ein kleines Volumen des Verstärkermediums gelenkt wird, beschädigt werden.
Die Ausführungsform nach 12 mit rechtwinkligem Prisma kann auch auf ein Verstärkermedium (60) mit einer reflektierenden Oberfläche (62) abgestimmt werden, wie dies in 13 gezeigt ist. Bei dem Aufbau nach 13 liegen die durch das rechtwinklige Prisma (124) reflektierten Strahlen unterhalb der Ebene der Strahlen, die über das Prisma (124) direkt zwischen dem Teleskop (108) und dem Eingang (114), Ausgang (16) oder dem rechtwinkligen Prisma (126) verlaufen. Der Aufbau nach 13 ist ein Aufbau mit acht Durchgängen, wobei der Eingangsstrahl (114) durch das Prisma (126), über das Prisma (124) und in das Teleskop (108) verläuft und auf die Apertur des Verstärkermediums (60) als Erstdurch gangsstrahl abgebildet wird. Er wird dann von dem Reflektor (62) als Zweitdurchgangsstrahl durch das Teleskop (108) über das Prisma (124) auf das rechtwinklige Prisma (128) reflektiert, das den Lichtstrahl als Drittdurchgangsstrahl in das Verstärkermed um (60) über das Prisma (124) und das Teleskop (108) ablenkt. Der Reflektor (62) reflektiert diesen Strahl als Viertdurchgangsstrahl über das Tele- skop (108), über das Prisma (124) und in das Prisma (126). Weitere vier Durchgänge erfolgen, da das Prisma (126) das Licht zurück in das Teleskop (108) und i das Medium (60) lenkt, und der Strahl verläuft wieder von dem Medium (60) über das Prisma (124) zum Prisma (128) und zurück über das Prisma (124) zu dem Medium (60) und dann über das Prisma (1 24) durch das Prisma (126) zu dem Ausgang (116). Die rechtwinkligen Prismen in den Aufbauten nach den 12 und 13 können beispielsweise Porro-Prismen sein.
Die Aufbauten nach den 12 und 13 können in Verbindung mit Phasenkonjugation eingesetzt werden, indem eine SBS-Zelle auf halbem Wege des Pfades des Lichtstrahls durch den Aufbau angeordnet wird, analog zu der Art, die oben in Beziehung auf 2 erläutert wurde.
Um parasitäre Oszillationen bei einem gepulsten Verstärkersystem gemäß der vorliegenden Erfindung zu reduzieren, kann eine Pockels-Zelle und ein Polarisator vor einen der reflektierenden Komponenten des Systems eingesetzt werden, die Licht zurück in das System reflektiert, um selektiv zu verhindern, dass das Licht die reflektierenden Komponenten erreicht. Der Aufbau mit einer Pockels-Zelle ist in 14 gezeigt und kann beispielsweise verwendet werden, um den Spiegel (29) in den 1 bis 3 zu ersetzen. Der Lichtstrahl, der das Teleskop (24) verlässt, wird durch den Polarisator (118), und die Pockels-Zelle (130) auf den Spiegel (132) anstelle auf den Spiegel (29) gelenkt. Das System kann so aufgebaut sein, dass das Teleskopo (24) in den 1 bis 3 die Apertur des Verstärkermediums (20) auf den Spiegel (132) in 14 abbildet, und der Spiegel (132) lenkt einen Lichtstrahl, der darauf auftrifft, über das Teleskop (24) zurück in das Verstärkermedium (20). Jedoch läuft das Licht durch die Pockels-Zelle in 14 und zurück in das Teleskop (24) nur dann, wenn die Pockels-Zelle auf null Volt geschaltet worden ist. Wenn an der Pockels-Zelle eine geeignete Spannung liegt, so wirkt sie wie eine Viertelwellenplatte, und wenn die Spannung auf null geschaltet wird, wirkt sie nicht mehr als solche. Wenn eine Pockels-Zelle (130) daher ursprünglich eine Viertelwellenspannung anliegt, werden durch sie daher parasitäre Oszillationen unterbunden. Wenn dann die Spannung auf null geschaltet wird, unmittelbar bevor ein Laserpuls durch das System gelenkt wird, dann wird der Puls verstärkt; bevor irgendeine parasitäre Oszillation innerhalb des Verstärkersystems (d. h. innerhalb des Hohlraums zwischen den Spiegeln (29) und (''6) in den 1 bis 3) Zeit hätte, sich aufzubauen und die Verstärkung des Verstärkers zu verarmen.
Eine andere Art zum Reduzieren der parasitären Oszillationen be- steht darin, eine Begrenzungsapertur an wenigstens einem Punkt auf dem Lichtstrahl durch das Verstärkersystem anzuordnen. In 19 ist ein Aufbau ähnlich dem in 2 gezeigt (wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind), außer dass ein undurchsichtiger Schirm (35), in dem sich mehrere Aperturen befinden und der zwischen die Linsen (30) und (32) des Teleskops (18) eingefügt ist, und ein undurchsichtiger Schirm (37), in dem mehrere Aperturen vorgesehen sind und der zwischen den Linsen (34) und (36) des Teleskops (24) angeordnet ist, vorgesehen ist. Schirme (35) und (37) sind in oder in der Nähe der Brennebene der jeweiligen Teleskope (18) und (24) angeordnet, und die Aperturen in jedem Schirm sind auf die Positionen der Lichtstrahlen, die durch die jeweiligen Teleskope laufen, ausgerichtet. Bei einer alternativen Ausführungsform kann einer der Schirme (35) oder (37) fortgelassen werden. Um parasitäre Oszillationen zu unterdrücken, sollten die Begrenzungsaperturen so positioniert werden, dass nach Durchtritt des Lichtstrahls durch eine Apertur und den anschließenden Durchgängen durch das Verstärkersystem bis zum Erreichen der nächsten Apertur auf dem Pfad bei der nächsten Apertur der Strahl dann durch nur eine Apertur durchtritt, d. h. er sollte sich nicht bis zu dem Maße verbreitern, dass er durch zwei benachbarte Aperturen in demselben Schirm hindurch treten kann.
Es ist möglich, die Anzahl der Durchgänge durch das Verstärkersystem von sechs auf zwölf anzuheben, indem ein Aufbau ähnlich dem in 1 verwendet wird, wobei darüber hinaus ein Prisma (134) und ein Spiegel (136) wie in 15 gezeigt eingesetzt werden. Das Prisma (134) liegt unterhalb der zwei von dem Spiegel (16) reflektierten Strahlen. Die Apertur (138) der Linse (30) des Teleskops (18) ist dann wie in 16 gezeigt. Das Rechteck (140) ist die Apertur des Prismas (134), und der Spiegel (136) reflektiert den Strahl 6, so dass sich der Strahl 7 ergibt. Der Strahl durchläuft dann das Verstärkersystem weitere sechs Mal, wie dies durch die Strahlziffern 7 bis 12 in 16 angedeutet ist. Bei diesem Ansatz ist es möglich, die Zahl der Strahlen, die das Verstärkermedium durchlaufen, je nach Größe der Apertur der Teleskoplinsen und Aufbau von Aberrationen in dem Laserstrahl anzuheben.
Die Aufbauten mit Abbildungsteleskop, die oben erläutert wurden, können eingesetzt werden um zwei oder mehr Verstärkermedien (20) und (20') wie in 20 miteinander zu koppeln (wobei gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen wie, in 2 aufweisen). In 20 werden die Verstärkermedien (20) und (20') durch ein zusätzliches Abbildungsteleskop (25) miteinander gekoppelt.
Man beachte, dass bei jedem Durchgang durch das Verstärkersystem sämtliche Aberrationen durch die optischen Komponenten zu dem verstärkten Strahl hinzuaddiert werden. Damit kann es von Vorteil ein, zusammengesetzte Linsen zu verwenden, um sphärische Aberrationen zu kompensieren, die achsenferne Strahlen in den Teleskoplinsen erleiden, und es können die oben beschriebenen Kompensationstechniken eingesetzt werden, um die Aberrationen zu minimieren, die beispielsweise durch thermische Linseneffekte in dem Verstärkerrnedium bewirkt werden.
Das Mehrfachdurchgangsverstärkersystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist geeignet für Dauerstrich- (cw-) Anwendungen und ist nicht auf gepulsten Betrieb beschränkt. Bei Dauerstrichbetrieb hängen die effektiven Verstärkungsgrade bei den verschiedenen Durchgängen durch das Verstärkermedium voneinander ab, da alle Durchgänge durch das Verstärkermedium zur gleichen Zeit erfolgen. Sättigungseffekte auf Grund mehrerer Durchgänge in dem Verstärker zur gleichen Zeit bedeuten, dass der Verstärkungsgrad, der für Däuerstrichbetrieb erreicht werden kann, niedriger sein wird als bei der gepulsten Betriebsart, die oben beschrieben wurde. Ein typischer Verstärkungsgrad, der mit einem Mehrfachdurchgangsverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung bei Dauerstrichanwendungen erreicht werden kann, kann im Bereich von 10 liegen.

Claims

Optisches Mehrfachdurchgangsverstärkersystem mit: einem Verstärkermedium (20; 60; 104); wenigstens einem Abbildungsteleskop (18, 24; 64, 64a, 64b; 106, 108) zum Abbilden von Licht aus dem Verstärkermedium (20; 60; 104) auf eine optische Primärlichtablenkungskomponente und zum Abbilden von Licht, das von einer optischen Primärlichtablenkungskomponente zurückgeworfen wird, in das Verstärkermedium (20; 60 104), so dass das Licht erneut durch das Verstärkermedium (20; 60; 104) zurückgelenkt wird, und einem Phasenkonjugationsspiegelaufbau zum Auffangen von Licht zwischen Durchgängen durch das Verstärkermedium (20; 60; 104) zum Erzeugen einer phasenkonjugierten Reflexion von auf ihm auftreffendem Licht; dadurch gekennzeichnet, dass das System außerdem eine steuerbare Phasenschiebervorrichtung umfasst für eine raumabhängige Phasenverschiebung eines Eingangsstrahls, wobei das System derart aufgebaut ist, dass die Apertur der Phasenschiebervorrichtung auf eine Apertur (A) des Verstärkermediums (20; 60; 104) abgebildet wird, so dass das System einen Ausgangsstrahl (48; 116) mit der raumabhängigen Phasenverschiebung des Eingangsstrahls erzeugt.
Optisches Mehrfachdurchgangsverstärkersystem mit: einem Verstärkermedium (20; 60; 104); wenigstens einem Abbildungsteleskop (18, 24; 64, 64a, 64b; 106, 108) zum Abbilden von Licht aus dem Verstärkermedium (20; 60; 104) auf eine optische Primärlichtablenkungskomponente und zum Abbilden von Licht, das von einer optischen Primärlichtablenkungskomponente zurückgeworfen wird, in das Verstärkermedium (20; 60; 104), so dass das Licht erneut durch das Verstärkermedium (20; 60; 104) zurückgelenkt wird, und einem Phasenkonjugationsspiegelaufbau zum Auffangen von Licht zwischen Durchgängen durch das Verstärkermedium (20; 60; 104) zum Erzeugen einer phasenkonjugierten Reflexion von auf ihm auftreffendem Licht; dadurch gekennzeichnet, dass das System außerdem eine steuerbare Strahlsteuerungsvorrichtung (52) an einem Eingang des Systems umfasst, wobei das System derart aufgebaut ist, dass die Apertur der Strahlsteuerungsvorrichtung (52) auf eine Apertur (A) des Verstärkermediums (20; 60; 104) abgebildet wird, so dass die Steuerung eines Lichtstrahls am Eingang in das System den Strahl des verstärkten Lichts (48; 116) am Ausgang des Systems steuert.
System nach Anspruch 2, das außerdem eine steuerbare Phasenschiebervorrichtung umfasst für eine raumabhängige Phasenverschiebung eines Eingangsstrahls, wobei das System derart aufgebaut ist, dass die Apertur der Phasenschiebervorrichtung auf eine Apertur (A) des Verstärkermediums (20; 60; 104) abgebildet wird, so dass das System, einen Ausgangsstrahl (48; 116) mit der raumabhängigen Phasenverschiebung des Eingangsstrahls erzeugt.
System nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, bei dem die Phasenschiebervorrichtung einen Raumlichtmodulator umfasst.
System nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, bei dem die Phasenschiebervorrichtung einen adaptiven Spiegel umfasst.
Mehrfachdurchgangsverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das System derart aufgebaut ist, dass Licht auf deri Phasenkonjugationsspiegelaufbau nach einer vorgegebenen Anzahl von Durchgängen durch das Verstärkermedium (20; 60; 104) auftrifft und die phasenkonjugierte Reflexion auf dem Pfad des eintretenden Strahls zurückläuft.
Mehrfachdurchgangsverstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das System derart aufgebaut ist, dass ein Lichtstrahl aus dem Verstärkermedium (20; 60; 104), das wieder in das Verstärkermedium (20; 60; 104) abgebildet wird, an wenigstens einem Punkt auf seinem Pfad zwischen den Durchgängen durch das Verstärkermedium (20; 60; 104) räumlich von sich selbst separiert wird; so dass es durch zusätzliche optische Lichtablenkungskomponenten aufgefangen werden kann.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem neben einer ersten Seite des Verstärkermediums (20; 104) ein erstes Abbildungsteleskop (18; 106) zum Abbilden einer Apertur (A) des Verstärkemnediums (20; 104) auf wenigstens eine optische Primärlichtablenkungskomponente auf der ersten Seite des Verstärkermediums (20; 104) angeordnet ist und auf einer zweiten Seite des Verstärkermediums (20; 104) ein zweites Abbildungs teleskop (24; 108) zum Abbilden der Apertur (A) des Verstärkermediums (20; 104) auf wenigstens eine optische Primärlichtablenkungskomponente auf der zweiten Seite des Verstärkermediums (20; 104) angeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Verstärkermedium (60) eine reflektierende Oberfläche (62) auf einer ersten Seite des Verstärkermediums (60) und ein Abbildungsteleskop (64, 64a, 64b) auf einer zweiten Seite des Verstärkermediums (60) zum Abbilden einer Apertur (A) des Verstärkermediums (60) auf wenigstens eine optische Primärlichtablenkungskomponente auf der zweiten Seite des Verstärkermediums (60) umfasst.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche mit wen gstens einer optischen Eingangs- und/oder Ausgangskomponente, die den Lichtstrahl auffängt, wo er räumlich von sich separiert ist, und die mit der/den optischen Primärlichtablenkungskomponente/n zusammenwirkt, um einen Lichtstrahl von einem Eingang des Verstärkersystems wiederholt durch das Verstärkermedium (20; 60; 104) und dann zu einem Ausgang des Systems zu lenken.
System nach Anspruch 10; bei dem wenigstens eine der optischen Eingangs- und Ausgangskomponenten so aufgebaut ist, dass das/die Abbildungsteleskop/e (18, 24; 64, 64a 64b; 106, 108) eine Apertur (A) des Verstärkermediums (20; 60; 104) auf die optischen Eingangs- und/oder Ausgangskomponenten abbildet/abbilden.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Lichtstrahl, der das System durchläuft, sich in dem Verstärkermedium (20; 60; 104) mit seinem Lichtpfad überlappt, wenn er wiederholt durch das Verstärkermedium (20; 60; 104) läuft.
System nach Anspruch 12, bei dem der Lichtstrahl sich bei den Linsen (30, 32, 34, 36; 72, 74; 72a, 74a, 72b; 74b) des wenigstens einen Abbildungsteleskops (18; 24; 64, 64a, 64b; 106, 108) überlappt.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine der optischen Lichtablenkungskomponenten einen Spiegel (26, 29; 58, 59) umfasst.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine der optischen Lichtablenkungskomponenten ein Prisma (110; 112; 124; 126; 128) umfasst.
System nach Anspruch 15, bei dem das Prisma (110, 11 2; 124, 126, 128) ein Porro-Prisma ist.
System nach Anspruch 15, bei dem die optischen Lichtablenkungskomponenten wenigstens zwei rechtwinklige Prismen (110, 112; 126, 128) umfassen, deren optischen Achsen zuein- ander versetzt sind.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 13, bei dem wenigstens eine der optischen Eingangs- und/oder Ausgangskomponenten einen Spiegel umfasst.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 18, bei dem wenigstens eine der optischen Eingangs- und/oder Ausgangskomponenten ein Prisma umfasst.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das System außerdem einen Faraday-Isolatoraufbau (6, 8, 10, 12) zum Isolieren eines Lichtstrahls in das System von einem Lichtstrahl (48; 116) aus dem System umfasst.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das System außerdem eine Kompensationslinse (120) bei einer Abbildungsebene des Systems umfasst, deren Brennweite so gewählt ist, dass sie wenigstens teilweise die Effekte einer thermisch induzierten Brennweite des Verstärkermediums (20; 60; 104) aufhebt.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine der optischen Lichtablenkungskomponenten einen adaptiven Spiegel (122) umfasst, um Phasenstörungen in dem System zu kompensieren.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Verschlussvorrichtung (118, 130) in einen Teil des Lichtpfades eines Strahls durch das System eingebaut ist, wobei der Teil zwischen zwei optischen Lichtablenkungskomponenten liegt, wobei die Verschlussvorrichtung (118, 130) innerhalb bestimmter Zeitintervalle geschlossen werden kann, um den Durchtritt von Licht zwischen den beiden Lichtablenkungskomponenten zu unterbrechen.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche mit zwei oder mehr Verstärkermedien (20, 20'), die jeweils durch ein Abbildungsteleskop (25) miteinander gekoppelt sind.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Lichtstrahl, der sich von dem Verstärkermedium (20; 60; 104) zurück zu dem Verstärkermedium (20; 60; 104) ausbreitet, bei oder in der Nähe einer Brennebene des oder eines der Abbildungsteleskope (18, 24; 64, 64a, 64b; 106, 108) räumlich separiert wird.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Abbildungsteleskop eine Transfermatrix der Art
aufweist; wobei M eine positive oder negative Zahl ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das oder eines der Abbildungsteleskope (18, 24; 64, 64a, 64b; 106, 108) aus zusammengesetzten Linsen besteht.
Verfahren zum Verstärken eines Lichtstrahls durch wiederholtes Ablenken des Strahls durch ein Verstärkermedium (20; 60; 104) mit einer optischen Primärlichtablenkungskomponente, indem Licht aus dem Verstärkermedium (20; 60; 104) auf die optische Primärlichtablenkungskomponente abgebildet wird und Licht, das von einer optischen Primärlichtablenkungskomponente zurückkommt, wieder in das Verstärkermedium (20; 60; 104) abgebildet wird mit wenigstens einem Abbildungsteleskop (18; 24; 64, 64a, 64b; 106, 108) und Auffangen von Licht zwischen Durchgängen durch das Verstärkermedium (20; 60; 104) und Verwenden eines Phasenkonfiugationsspiegels zum Erzeugen einer phasenkonjugierten Reflexion von Licht, das darauf auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtstrahl, der in das System eingekoppelt wird, mit; einer Strahlsteuerungsvorrichtung (52) gesteuert wird und die Apertur der Strahlsteuerungsvorrichtung (52) auf eine Apertur (A) des Verstärkers (20; 60; 104) abgebildet wird, so dass durch Steuern eines Lichtstrahls bei der Einkopplung in das System der Strahl mit verstärktem Licht am Ausgang des Systems gesteuert wird.
Verfahren zum Verstärken eines Lichtstrahls durch wiederholtes Ablenken des Strahls durch ein Verstärkermedium (20; 60; 104) mit einer optischen Primärlichtablenkungskomponente, indem Licht aus dem Verstärkermedium (20; 60; 104) auf die optische Primärlichtablenkungskomponente abgebildet wird und Licht, das von einer optischen Primärlichtablenkungskomponente zurück kommt, wieder in das Verstärkermedium (20; 60; 104) abgebildet wird mit wenigstens einem Abbildungsteleskop (18, 24; 64, 64a, 64b; 106, 108) und Auffangen von Licht zwischen Durchgängen durch das Verstärkermedium (20; 60; 104) und Verwenden eines Phasenkonjugationsspiegels zum Erzeugen einer phasenkonjugierten Reflexion von Licht, das darauf auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtstrahl, der in das System eingekoppelt wird, mit einer steuerbaren Phasenschiebervorrichtung eine raumabhängige Phasenverschiebung erhält und die Apertur der Phasenschiebervorrichtung auf einer Apertur (A) des Verstärkers abgebildet wird, so dass durch das System ein Ausgangsstrahl (48; 116) mit der raumabhängigen Phasenverschiebung des Eingangsstrahls erzeugt wird.
Verfahrer nach Anspruch 29, bei dem ein Lichtstrahl, der in das System eingekoppelt wird, gesteuert wird mittels einer Strahlsteuerungsvorrichtung (52) abgebildet wird, so dass durch Steuern eines Lichtstrahls beider Einkopplung in das System den Strahl mit verstärktem Licht am Ausgang des Systems gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, bei dem ein Lichtstrahl, der auf den Phasenkonjugationsspiegel trifft, nach einer vorgegebenen Anzahl von Durchgängen durch das Verstärkermedium (20; 60; 104) und der Phasenkonjugationsreflexion den Pfad des auftreffenden Strahls zurückläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 31, bei dem ein Lichtstrahl von dem Verstärkermedium (20; 60; 104), der wieder auf das Verstärkermedium (20; 60; 104) abgebildet wird, an wenigstens einem Punkt auf seinem Pfad zwischen Durchgängen durch das Verstärkermedium (20; 60; 104) räumlich von sich getrennt wird, so dass er durch wenigstens eine zusätzliche optische Lichtablenkungskomponente aufgefangen werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 32, bei dem ein Lichtstrahl von einer ersten optischen Primärlichtablenkungskomponente und einem ersten Abbildungsteleskop (18, 106), die sich beide auf einer ersten Seite des Verstärkermedium (20; 104) befinden, durch das Verstärkermedium (20; 104) und durch ein zweites Abbildungsteleskop (24; 108) auf eine zweite optische Primärlichtablenkungskomponente gelenkt wird, die sich beide auf einer zweiten Seite des Verstärkermediums (20; 104) befinden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 33, bei dem ein Lichtstrahl von einer optischen Primärlichtablenkungskomponente und einem Abbildungsteleskop (64, 64a, 64b; 108), die sich beide auf einer ersten Seite des Verstärkernediums (60) befinden, durch das Verstärkermedium (60) und auf eine reflektierende Oberfläche (62) gelenkt wird, die sich auf einer zweiten Seite des Verstärkermediums (60) befindet und den Lichtstrahl zurück durch das Verstärkermedium (60) und das Teleskop (64, 64a, 64b; 108) reflektiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 34, bei dem ein Lichtstrahl durch das System mit wenigstens einer optischen Eingangskomponente in das Verstärkersystem gelenkt wird und mit wenigstens einer optischen Ausgangskomponente aus dem Verstärkersystem gelenkt wird und zwischen der optischen Eingangs- und Ausgangskomponente über die optische Primärlichtablenkungskomponenten durch das Verstärkermed um (20; 60; 104) gelenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 35, bei dem sich ein Lichtstrahl durch das System bei den wiederholten Durchgängen durch das Verstärkermedium (20; 60; 104) mit seinem Lichtpfad in dem Verstärkermedium (20; 60; 104) überlagert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 36, bei dem zwei oder mehrere Verstärkermedien (20, 20') durch ein Abbildungsteleskop (25) miteinander gekoppelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 37, bei dem sich ein Lichtstrahl durch das Verstärkermedium (20; 60; 104) zurück zu dem Verstärkermedium (20; 60; 104) ausbreitet und bei oder in der Nähe einer Brennebene des oder eines der Abbildungsteleskope räumlich von sich selbst getrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 38, bei dem das Abbildungsteleskop eine Transfermatrix der Art
aufweist, wobei M einer positive oder negative Zahl ist.
Verfähren nach einem der Ansprüche 28 bis 39, bei dem das oder eines der Abbildungsteleskope (18, 24; 64, 64a, 64b; 106, 108) aus zusammengesetzten Linsen besteht.