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Das
Gebiet der Erfindung ist dasjenige der Verstärkung eines Hochenergielaserstrahls
und des zugeordneten optischen Pumpens.
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Die
Zunahme an Energie und mittlerer Leistung der gepulsten Laser mit
hoher Spitzenleistung vom Typ mit Titan dotierter Saphir führt zur
Verwendung von Verstärkerkristallen
großen
Durchmessers, die optische Pumpenergien erfordern, die 100 Joule pro
Laserschuss übersteigen
können.
Die Spitzenleistungen dieser Laser liegen im Allgemeinen zwischen
einem Terawatt und einem Petawatt.
FR-A-2 840 461 beschreibt ein Hochleistungslaser-Verstärkungssystem.
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Es
wird kurz an das Betriebsprinzip einer Laserstrahl-Verstärkungsvorrichtung
erinnert. Diese ist in 1a dargestellt. Sie weist hauptsächlich einen Laserstrahl-Verstärkerkristall 1 und
optische Pumplaserstrahlen 3 auf. Die Strahlen 3 speisen
optische Energie in den Kristall des Verstärkers ein. Die die Pumpstrahlen
verursachende Laserquelle ist in der Figur nicht dargestellt. Dann
durchquert der zu verstärkende
Laserstrahl 2 den Kristall des Verstärkers mehrmals mittels optischer
Vorrichtungen mit Spiegeln 21. Bei jedem Durchgang entnimmt
er einen Teil der beim Pumpen eingespeisten Energie und wird so im
Kristall verstärkt.
Allgemein liegt die Anzahl der Durchgänge zwischen 2 und 8, so lange
die von den Pumpstrahlen 3 zugeführte Energie nicht vollständig vom
Laserstrahl 2 entnommen wurde. So wird die Entnahme der
von den Pumpstrahlen 3 zugeführten Energie verbessert.
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Bei
dieser Art Konfiguration einer Laserstrahl-Verstärkungsvorrichtung tritt eine
Nebenerscheinung, transversale Lasertätigkeit genannt, zwischen der
Deposition von Energie im Kristall durch optisches Pumpen und ihrer
Entnahme durch den zu verstärkenden
Strahl auf. Diese Erscheinung ist mit der Bildung eines Teil-Laserhohlraums
im Kristall gemäß einer
Achse quer zur Pumpachse verbunden, d. h. zwischen zwei Zonen der
Fläche,
die die Eingangs- und Ausgangsseite des Kristalls verbinden: sie
belastet den Wirkungsgrad der Verstärkungsvorrichtung stark. Die
transversale Lasertätigkeit
baut sich zwischen Zonen des Kristalls auf, wenn die Schwingungsbedingung
des so gebildeten Teilhohlraums erfüllt ist, d. h. wenn es eine
Aufrechterhaltung der Energie bei einem Hin- und Rückweg von
der Mitte C zum Rand gibt, wie in 1b dargestellt.
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Dies
bedeutet, dass die transversale Lasertätigkeit zwischen zwei Zonen
der Fläche
oder des Umfangs auftritt, die die Eingangs- und Ausgangsseiten
des Kristalls verbinden, wenn gilt: GT.R > 1,
wobei GT der transversale Verstärkungsgrad des Kristalls und
R der Reflektionskoeffizient an einer Schnittstelle ist, die den
Umfang des Kristalls von der Außenumgebung
trennt.
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Üblicherweise
hat R den Wert:
mit
- Δn:
- Unterschied optischer
Indices zwischen dem Kristall und der Außenumgebung
- Σn:
- Summe der optischen
Indices des Kristalls und der Außenumgebung.
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In
der Praxis tritt die transversale Lasertätigkeit für GT.R > 0.2 und zuerst auf
den dem Pumpen ausgesetzten Seiten des Kristalls auf, die den größte Verstärkungsgrad
aufweisen, d. h. denjenigen, die den größten Teil der Pumpenergie absorbieren.
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Die
heutigen Techniken zur Bekämpfung
der transversalen Lasertätigkeit
bestehen darin, den Reflektionskoeffizient R zu minimieren. Sie
basieren auf der Verwendung von Werkstoffen mit angepasstem Index
an der Außenumhüllung des
Kristalls. Die so erzeugte Indexanpassung begrenzt die Reflektionen am
Rand des Kristalls und beugt dem Auftreten der transversalen Lasertätigkeit
vor.
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Jedoch
empfängt
der Kristall wie oben beschrieben eine große Pumpenergie. Diese induziert Wärmewirkungen
in den Kristall, die den Wirkungsgrad der Verstärkungsvorrichtung verschlechtern. Diese
Kristalle müssen
also gekühlt
werden.
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Die
Werkstoffe mit Indexanpassung, die verwendet werden, um die transversale
Lasertätigkeit
zu bekämpfen,
haben aber den folgenden Fehler. Sie sind schlechte Wärmeleiter,
und die Kühlung
des Kristalls wird verschlechtert.
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Es
ist also ein wichtiges Ziel der Erfindung, ein Verstärkungsverfahren
so zu verwenden, dass gleichzeitig eine große Qualität eines verstärkten Laserstrahls
und minimierte Wirkungen der transversalen Lasertätigkeit
erhalten werden.
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Das
Prinzip der Erfindung beruht auf einem Verfahren zur Steuerung des
transversalen Verstärkungsgrads
GT.
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Um
dieses Ziel zu erreichen, schlägt
die Erfindung ein Verfahren zur Verstärkung eines Laserstrahls vor,
das Schritte aufweist, die darin bestehen:
ein optisches Pumpen
eines Verstärkerkristalls durchzuführen, um
eine optische Pumpenergie Etotal in den
Kristall einzuspeisen,
den Laserstrahl mittels des Verstärkerkristalls
und eines optischen Systems mit N Durchgängen zu verstärken, d.
h. das ausgelegt ist, um den Laserstrahl N mal in den Verstärkerkristall
einzuspeisen, wobei N eine ganze Zahl > 1 ist.
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Es
ist hauptsächlich
dadurch gekennzeichnet, dass das optische Pumpen zeitlich in n Teilpumpvorgänge aufgeteilt
ist, wobei die optische Energie eines Teilpumpvorgangs ein Bruchteil
von Etotal ist, n eine ganze Zahl 2 ≤ n ≤ N ist, und
dass der Laserstrahl mindestens einmal nach jedem Teilpumpvorgang
in den Verstärkerkristall
eingespeist wird.
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Der
transversale Verstärkungsgrad
nimmt in Abhängigkeit
von der optischen Pumpenergie zu. Eine zeitliche Verteilung der
Pumpenergiezufuhren ermöglicht
es, die Energien der Teilpumpvorgänge und somit GT zu
begrenzen. Die transversale Lasertätigkeit wird folglich minimiert,
sogar unterdrückt, ohne
die Endenergie des zu verstärkenden
Strahls zu verringern.
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Gemäß einem
Merkmal der Erfindung, wenn ΔTDurchgang die Dauer eines Durchgangs des
Strahls durch das optische System ist, wobei diese Dauer durch die
Geometrie des optischen Systems bestimmt wird, und ΔTPumpen das Zeitintervall zwischen zwei Pumpvorgängen ist,
gilt ΔTPumpen = k·ΔTDurchgang, wobei
k eine ganze Zahl ≥ 1
ist.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung werden die Teilpumpvorgänge ausgehend
von mehreren optischen Pumpquellen wie optischen Pumplasern erhalten.
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Der
Verstärkerkristall
ist zum Beispiel auf der Basis von Titan und Saphir.
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Die
Erfindung hat auch eine Verstärkungsvorrichtung
eines Laserstrahls zum Gegenstand, die mindestens einen Verstärkerkristall,
ein optisches System mit N Durchgängen, d. h. ausgelegt, um den Laserstrahl
N mal in den Verstärkerkristall
einzuspeisen, wobei N eine ganze Zahl > 1 ist, und eine optische Pumpvorrichtung
durch mindestens zwei Pumplaserstrahlen aufweist, die den Verstärkerkristall durchqueren.
Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Synchronisationsvorrichtung
aufweist, die ausgelegt ist, um das Aktivieren der Pumplaserstrahlen
vor mindestens einem Durchgang des Laserstrahls durch den Verstärkerkristall
zeitlich zu verteilen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist N = 4, und die Synchronisationsvorrichtung ist ausgelegt, um
einen Pumplaser vor dem ersten und dann vor dem dritten Durchgang
des zu verstärkenden
Strahls durch den Kristall zu aktivieren.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und
sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht. Es zeigen:
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die
bereits beschriebene 1a das schematische Schaltbild
einer Verstärkungsvorrichtung eines
Laserstrahls;
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die
bereits beschriebene 1b eine Hin- und Rückbewegung
eines transversalen Laserstrahls, von der Mitte C zum Rand des im
Schnitt dargestellten Kristalls;
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2 schematisch
die zeitliche Entwicklung der im Verstärkerkristall gespeicherten
Fluenz JSTO, zu Beginn und nach 1, 2 und
dann 3 Durchgängen,
in einem klassischen Fall (A) und gemäß der Erfindung (B);
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3 schematisch
die zeitliche Entwicklung des transversalen Verstärkungsgrads
GT in dem Verstärkerkristall, zu Beginn und
nach 1, 2 und dann 3 Durchgängen
in einem klassischen Fall (A) und gemäß der Erfindung (B);
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die 4 und 5 schematisch
die Veränderung
der vom Verstärkerkristall
entlang seiner Achse absorbierten Energie;
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6 schematisch
eine Vorrichtung zur Verstärkung
eines Laserstrahls gemäß der Erfindung;
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7a schematisch
ein Histogramm der Energie des Anfangspumpstrahls und der zeitlichen Entwicklung
des zu verstärkenden
Laserstrahls zu Beginn und nach 1, 2, 3 und dann 4 Durchgängen in einem
klassischen Fall;
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7b schematisch
ein Histogramm der Energie der Teilpumpstrahlen und der zeitlichen
Entwicklung des zu verstärkenden
Laserstrahls zu Beginn und nach 1, 2, 3 und dann 4 Durchgängen gemäß der Erfindung.
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Es
wird die Berechnung des transversalen Verstärkungsgrads beschrieben.
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Bei
jedem Durchgang des Strahls durch den Kristall ist der Wert des
Verstärkungsgrads
G gleich dem Verhältnis
der Ausgangsenergie EOUT zur Eingangsenergie
vor der Verstärkung
EIN.
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Die
Ausgangsenergie E
OUT des Laserstrahls am
Ausgang des Verstärkers
wird durch die Gleichung von Frantz und Nodvik angegeben. Sie hat den
Wert:
mit:
- EIN
- : Eingangsenergie
vor Verstärkung;
- JSTO
- : gespeicherte Fluenz
verfügbar
für den
Verstärkungsgrad;
- JSAT
- : Sättigungsfluenz
des Kristalls;
- S
- Fläche des Laserstrahls.
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Man
hat ebenfalls:
J
IN: Eingangsfluenz
vor Verstärkung
mit
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Wenn
J
IN sehr viel niedriger ist als J
SAT, vereinfacht sich die obige Gleichung.
In diesem Fall hat der Wert des Verstärkungsgrads G, der gleich dem Verhältnis der
Ausgangsenergie E
OUT zur Eingangsenergie
vor Verstärkung
E
IN ist, den Wert:
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Außerdem gilt
wobei g
0 der
lineare Verstärkungsgrad
des Verstärkerkristalls
und 1 die Länge
des gepumpten Kristalls ist.
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Daraus
wird g
0 abgeleitet:
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Es
wird gezeigt, dass der transversale Verstärkungsgrad G
T den
Wert
hat, mit ϕ
P dem Durchmesser des Pumplaserstrahls, der
in
1b gezeigt ist.
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Für jeden
Durchgang des Laserstrahls im Kristall hat man: JSTO(n) = JSTO(n – 1) – JE(n)mit JSTO(n)
der im Kristall gespeicherten Fluenz, die beim n-ten Durchgang des
Strahls verfügbar
bleibt, und JE(n) der bei diesem Durchgang
entnommenen Fluenz.
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Die
klassische Konfiguration erzeugt einen maximalen Wert JSTO beim
ersten Durchgang, der bei den folgenden Durchgängen nur abnimmt, wie in der Kurve
A der 2 dargestellt. Diese Konfiguration erzeugt also
einen maximalen transversalen Verstärkungsgrad GT vor
dem ersten Durchgang, wie in der Kurve A der 3 dargestellt,
was das Auftreten der transversalen Lasertätigkeit begünstigt.
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Außerdem ist
der transversale Verstärkungsgrad
GT nicht gleichmäßig entlang des Kristalls verteilt,
wie man nun sehen wird.
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Man
hat: JSTO = ESTO/S,mit ESTO der
gespeicherten Energie verfügbar
für den Verstärkungsgrad
und S der Fläche
des Pumplaserstrahls.
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Es
wird noch gezeigt, dass:
mit E
PUMP der
durch den Pumplaser zugeführten
Energie, α dem
linearen Absorptionskoeffizient des Pumpstrahls, 1 der Länge des
gepumpten Kristalls, λ
PUMP und λ
LASER den Wellenlängen des Pumplaserstrahls und
des verstärkten
Laserstrahls; das Verhältnis
dieser Wellenlängen
entspricht der Quantenausbeute des Verstärkerkristalls. Zum Beispiel
für einen mit
Titan dotierten Kristall aus Saphir, dessen Pumpstrahl eine Wellenlänge λ
PUMP von
532 Nanometern und der verstärkte
Laserstrahl eine Wellenlänge λ
LASER von
800 Nanometern hat, hat die Quantenausbeute den Wert 0.665.
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Die
gespeicherte Energie ESTO ist nicht gleichmäßig entlang
des Kristalls gespeichert. Es wird gezeigt, dass die Veränderung
der absorbierten Energie EABS(x) entlang
des Kristalls in der Richtung Ox den Wert hat: EABS(x) = (1 – e–α.x)
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Die 4 und 5 stellen
die Veränderung der
absorbierten Energie EABS dar. In 4 durchquert
nur ein Pumpstrahl 3 den Kristall 1. In diesem Fall
nimmt die Verteilung der absorbierten Energie konstant von einem
Ende des Kristalls zum anderen ab. In 5 durchqueren
zwei entgegengesetzte Pumpstrahlen 3 den Kristall 1.
In diesem Fall ist selbstverständlich
die Verteilung der absorbierten Energie symmetrisch, und die Energieveränderungen
sind gedämpft.
Die Enden des Kristalls enthalten aber noch mehr absorbierte Energie
als sein mittlerer Bereich. Folglich, da JSTO proportional
zu EABS ist, ist der transversale Verstärkungsgrad
GT an den Enden des Kristalls größer als
in seiner Mitte, wodurch die Wirkungen der transversalen Lasertätigkeit
in den Endbereichen des Kristalls nahe der Eingangs- und Ausgangsseite
begünstigt
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
basiert auf einer zeitlichen Verteilung der Pumpenergiezufuhren
derart, dass der größte Wert
von JSTO, hier die Anfangs-JSTO,
insbesondere an den Enden des Kristalls verringert wird. Folglich
wird auch der transversale Verstärkungsgrad
verringert, der in Abhängigkeit von
JSTO zunimmt.
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Wenn
man annimmt, dass die Energiezufuhren in 1 Mal aufgeteilt sind,
hat man dann: JSTO(n)
= JSTO(n – 1) – JE(n)
+ JPOMP(i). mit: JE(n)
der Fluenz, die beim n-ten Durchgang des Strahls durch den Kristall
entnommen wird, wobei n eine ganze Zahl variierend von 1 bis N ist,
JPOMP(i) der Pumpfluenz, die bei der n-ten
Energiezufuhr zugeführt
wird, wobei i eine ganze Zahl variierend von 1 bis 1 ist, 1 < N, auch als Teilpumpfluenz bezeichnet.
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Die
Entwicklung von JSTO gemäß der Erfindung ist in der
Kurve B der 2 für den Fall einer auf zwei Mal
aufgeteilten Energiezufuhr dargestellt, ein erstes Mal vor dem ersten
Durchgang und ein zweites Mal zwischen dem ersten und dem zweiten Durchgang:
JSTO bleibt immer deutlich unter dem Anfangswert
des Stands der Technik.
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Man
hat auch:
und natürlich J
STO(n) < J
STO(Total)
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Die
Begrenzung von JSTO(n) begrenzt so GT und verringert also das Produkt GT.R. Die transversale Lasertätigkeit
wird folglich minimiert, sogar unterdrückt. Die Entwicklung von GT gemäß der Erfindung ist
in der Kurve B der 3 dargestellt: GT bleibt
immer deutlich geringer als der Anfangswert des Stands der Technik.
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Die
obige Argumentation gilt gleichermaßen, wenn man den Begriff Fluenz
durch den Begriff Energie ersetzt.
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So
wie die Summe der Teilpumpfluenzen gleich der gespeicherten Gesamtfluenz
ist, ist die Summe der Energien der Teilpumpvorgänge gleich der Gesamtpumpenergie
Etotal
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Die
Energien der Teilpumpvorgänge
können gleich
(JPOMP(i) = JPOMP (i
+ 1)), zunehmend (JPOMP (i) < JPOMP(i
+ 1)) oder abnehmend (JPOMP(i) > JPOMP(i
+ 1)) sein.
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Die
Teilpumpzufuhren werden vorzugsweise durchgeführt, wenn der zu verstärkende Strahl
sich außerhalb
des Kristalls befindet, d. h. während
seines Durchgangs durch das optische System. Da außerdem ΔTDurchgang die Dauer eines Durchgangs durch
das optische System ist, die durch die Geometrie des optischen Systems
bestimmt wird, und ΔTPumpen das Zeitintervall zwischen zwei Teilpumpvorgängen ist,
hat man: ΔTPumpen = k·ΔTDurchgang,
wobei k eine ganze Zahl ≥ 1 ist.
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Im
Zusammenhang mit 6 wird eine Laserstrahl-Verstärkungsvorrichtung 100 gemäß der Erfindung
beschrieben.
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Sie
weist einen Laseroszillator 5 auf, der in der Lage ist,
den zu verstärkenden
Laserstrahl 2 zu emittieren.
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Sie
weist einen Verstärkerkristall 1 mit
der Form eines geraden Zylinders auf, der eine Eingangsseite 10 und
eine Ausgangsseite 11 mit Kreisform aufweist, wobei der
verstärkte
Laserstrahl zwischen den Seiten zirkuliert; der Werkstoff des Verstärkerkristalls
ist ein für
das optische Pumpen geeigneter Werkstoff. Typischerweise besteht
er aus Titan und Saphir. Sie weist auch ein optisches System mit N
Durchgängen
auf, d. h. das in der Lage ist, N Mal den Laserstrahl in den Verstärkerkristall
einzuspeisen: Dieses System ist in dieser Figur nicht dargestellt,
um sie nicht zu überladen.
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Sie
weist ebenfalls eine optische Pumpvorrichtung durch mindestens zwei
Pumplaserstrahlen 3 auf, die den Verstärkerkristall 1 durchqueren.
Die Pumpstrahlen 3 werden von Lasern 31 erzeugt.
In der Figur sind zwei Laser 31 dargestellt.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform der
Erfindung wird das Pumpen des Kristalls längs durchgeführt, d.
h. dass die Ausbreitung der Pumpstrahlen in einer Richtung im Wesentlichen
parallel zur Mantellinie des den Kristall bildenden Zylinders erfolgt.
Natürlich
hat der Pumpstrahl eine Kreisform, um gut an die Form des Kristalls
angepasst zu sein. Außerdem
ist die Energieverteilung im Inneren des Pumplaserstrahls konstant.
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Sie
weist außerdem
eine Synchronisationsvorrichtung 4 auf, die in der Lage
ist, das Aktivieren der Pumplaserstrahlen 3 vor mindestens
einem Durchgang des Laserstrahls 2 durch den Verstärkerkristall 1 zeitlich
zu verteilen. Es handelt sich zum Beispiel um eine Synchronisationsvorrichtung
vom Typ Masterclock.
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Diese
Synchronisationsvorrichtung 4 ist mit dem Laseroszillator 5 über einen
Hochfrequenz-Detektor 6 wie eine Fotodiode verbunden. Dieser
Detektor 6 ist dazu bestimmt, einen kleinen Teil 2 des
Laserstrahls 2 zu erfassen, der vom Oszillator 5 emittiert
wird. Die Synchronisationsvorrichtung weist zum Beispiel ein Element 41 zum
Filtern des Rauschens auf, das mit einem Divisor 42 verbunden
ist, der es erlaubt, den Takt des Laseroszillators (der typischerweise
zwischen 20 MHz und 100 MHz variiert) auf denjenigen des Verstärkers (der
typischerweise zwischen 10 Hz und 10 kHz variiert) einzustellen.
Der Divisor 42 ist mit mindestens zwei Verzögerungsleitungen 43 verbunden.
Jede dieser Verzögerungsleitungen
ist dazu bestimmt, ein Signal 44 zum Aktivieren der Emission
des Pumplasers 3 durch den Laser 31 zu senden,
mit dem sie verbunden ist. Von einer Verzögerungsleitung zur anderen
wird dieses Signal 44 zeitlich verschoben. Im Beispiel
der Figur weist die Synchronisationsvorrichtung zwei Verzögerungsleitungen 43 auf.
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Unter
Verwendung einer Verstärkungsvorrichtung
mit vier Durchgängen
(N = 4), ausgestattet mit einem Kristallstab Ti:Sa mit rundem Querschnitt und
mit zwei Pumplasern mit gleicher Energie, wurden die folgenden Ergebnisse
erhalten.
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Die
zeitliche Entwicklung der Energien gemäß einem klassischen oder erfindungsgemäßen Betrieb
sind in den 7a bzw. 7b dargestellt. Die
Energie vor dem ersten Durchgang ist die Anfangsenergie des zu verstärkenden
Laserstrahls. Im ersten Fall werden die 2 Laser in klassischer Weise vor
dem ersten Durchgang des Strahls durch den Kristall aktiviert und
setzen so eine Anfangspumpenergie gleich der Gesamtpumpenergie frei;
im zweiten Fall wird ein erster Laser vor dem ersten Durchgang und
der zweite Laser zwischen dem zweiten und dem dritten Durchgang
aktiviert und setzen je eine Teilpumpenergie gleich der Hälfte der
Gesamtpumpenergie frei. Die Endenergie des zu verstärkenden Strahls,
hier die Energie nach seinem vierten Durchgang durch den Kristall,
ist in beiden Fällen
praktisch gleich.
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Vergleichbare
Ergebnisse können
mit einem Verstärkerkristallstab
Ti:Sa mit quadratischem Querschnitt erhalten werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
es so, die Gefahren der transversalen Lasertätigkeit zu verringern, ohne
die Endenergie des zu verstärkenden
Strahls zu verringern.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
werden der oder die Pumplaser mit einer zeitlichen Verzögerung aktiviert,
wobei die Energie jedes Lasers bei jeder Aktivierung teilweise freigesetzt
wird.
