DE69006958T2

DE69006958T2 - Generator für Hochleistungs-Laserimpulse.

Info

Publication number: DE69006958T2
Application number: DE69006958T
Authority: DE
Inventors: Jean-Luc Ayral Jean-Luc Ayral; Jean-Pierre Huignard; Patrice Jano
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1989-07-18
Filing date: 1990-06-28
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2010-06-29
Also published as: JP2895175B2; EP0409682B1; CA2021254C; FR2650127B1; EP0409682A1; JPH03136391A; FR2650127A1; DE69006958D1; CA2021254A1; US5072135A

Description

Die Erfindung betrifft einen Generator für Hochleistungslaserimpulse und insbesondere einen Generator, der anhand von mehreren Impulsen einen Impuls liefert.
Die bekannten Hochleistungslaser erzeugen derzeit Impulszüge mit noch immer nicht ausreichenden Spitzenleistungen.
Beispielsweise besitzen die von einem LEL-Laser (Laser mit freien Elektronen) emittierten Impulse wie etwa die in Fig. 1 gezeigten Impulse typischerweise die folgenden Eigenschaften:
- Mikroimpulse mit t = 40 us
- Mikroimpuls-Spitzenleistung: Ic = 200 MW
- Abstand zwischen Impulsen: T = 100 ns
- Anzahl der Mikroimpulse: N = 2 10³
- Wellenlänge: nahes Infrarot.
In bestimmten Anwendungen ist es wünschenswert, eine Spitzenleistung zu erhalten, die höher als diejenige ist, die mit Hilfe eines LEL-Lasers erhalten wird, indem beispielsweise ein einziger Impuls erzeugt wird, dessen Spitzenintensität jedoch gleich der Nfachen Intensität eines Impulses ist (siehe Fig. 2). N ist die Anzahl der Mikroimpulse, die in dem von dem LEL ausgesandten Impuls enthalten sind (N = 10³).
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, die es ermöglicht, N Mikroimpulse eines Impulszuges zu addieren, um einen einzigen Impuls mit größeren Impulsen zu liefern.
Die verwendeten Mittel, mit denen diese Impulsaddition zu einem einzigen Impuls erhalten wird, sind mit den Leistungsdichten verträglich, die bei diesem Lasertyp vorkommen. Insbesondere schließt die Einrichtung der Erfindung die Verwendung von Komponenten aus, die eine Polarisationskomponente absorbieren, außerdem gestattet sie die Anpassung an Strahlbündel mit großem Durchmesser, um die Leistungsdichten an optischen Spiegeln und Fenstern zu reduzieren.
Die Erfindung betrifft daher einen Generator für Hochleistungslaserimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:
- eine Laserquelle, die wenigstens einen Impulszug mit der Periode T emittiert;
- einen ringförmigen optischen Hohlraum mit einer zur Periode T des Impulszuges proportionalen Länge;
- ein nichtlineares Medium, das in den Ring des optischen Hohlraums eingefügt ist und den Impulszug empfängt, der für das nichtlineare Medium als Pumpstrahl dient, wobei das im Hohlraum zirkulierende Licht als Signalstrahl dient;
- einen von einer Steuerschaltung gesteuerten elektrooptischen Polarisationsumschalter und eine doppelbrechende Einrichtung, die in den Ring des optischen Hohlraums integriert sind und in bestimmten Zeitpunkten arbeiten, um aus dem optischen Hohlraum einen Lichtimpuls zu entnehmen.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Generator für Hochleistungslaserimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:
- eine Laserquelle, die wenigstens einen Impulszug der Periode T emittiert;
- einen ringförmigen optischen Hohlraum mit einer zur Periode T des Impulszuges proportionalen Länge;
- ein nichtlineares Medium, das in den Ring des optischen Hohlraums eingefügt ist und den Impulszug empfangt, der für das nichtlineare Medium als Pumpstrahl dient, wobei das im Hohlraum zirkulierende Licht als Signalstrahl dient;
- einen optischen Umschalter, der die Impulse von der Quelle empfängt und diese unter der Steuerung einer Steuerschaltung an das nichtlineare Medium unter einem solchen Winkel überträgt, daß diese Impulse die Stelle des Signalstrahls einnehmen, während die im optischen Hohlraum zirkulierenden Impulse die Stelle des Pumpstrahls einnehmen, wobei dann eine Energieübertragung von den Impulsen des Hohlraums zu den Impulsen der Quelle stattfindet.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Generator für Hochleistungslaserimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:
- eine Laserquelle, die wenigstens einen Impulszug mit der Periode T emittiert;
- einen ringförmigen optischen Hohlraum mit einer zur Periode T des Impulszuges proportionalen Länge;
- ein nichtlineares Medium, das in den Ring des optischen Hohlraums eingefügt ist und den Impulszug empfangt, der für das nichtlineare Medium als Pumpstrahl dient, wobei das im Hohlraum zirkulierende Licht als Signalstrahl dient;
- eine zusätzliche Laserquelle, die Laserimpulse zum nichtlinearen Medium in einem solchen Winkel emittiert, daß diese Impulse die Stelle des Signalstrahls einnehmen und daß die in dem optischen Hohlraum zirkulierenden Impulse die Stelle des Pumpstrahls einnehmen, wobei eine Steuerschaltung wahlweise die Laserquelle und die zusätzliche Laserquelle steuert.
Verschiedene Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden deutlicher in der beispielhaft und mit Bezug auf die beiliegenden Figuren gegebenen folgenden Beschreibung, wobei:
- Fig. 1 ein Diagramm von Impulszügen zeigt, die von einem LEL-laser emittiert werden;
- Fig. 2 einen einzigen Impulszug zeigt, der von dem Laser der Erfindung emittiert wird;
- Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des Lasers gemäß der Erfindung zeigt;
- Fig. 4 und 5 Funktionsweisen der Einrichtung von Fig. 3 zeigen;
- Fig. 6 ein Kurvenbeispiel der Verstarkung der Einrichtung der Erfindung zeigt;
- Fig. 7 und 8 Ausführungsvarianten der Einrichtung der Erfindung zeigen.
Die den Gegenstand der Erfindung bildende Einrichtung ist in Fig. 3 gezeigt. Sie verwendet die folgenden Hauptkomponenten:
- eine Lichtquelle 1, die einen Impulszug emittiert; einen ringförmigen Hohlraum 6;
- ein nichtlineares Medium 2 vom Gaszellentyp des Raman-Typs (Nichtlinearitat dritter Ordnung);
- einen elektrooptischen Polarisationsumschalter 3, 4, der die Entnahme des Impulses aus dem Hohlraum erlaubt.
Die Lichtquelle emittiert einen Impulszug mit linear polarisiertem Licht. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist diese lineare Polarisation in einer Richtung orientiert, die durch das Zeichen angegeben ist, das durch einen einen Punkt enthaltenden Kreis dargestellt ist.
Dieser Impulszug enthält N Impulse der Periode T und der Dauer t. Die Gesamtdauer eines Impulszuges ist NT.
Der ringförmige Hohlraum 6 besitzt als Länge des optischen Pfades eine Lange, derart, daß ein Lichtimpuls die Zeit T (die gleich der Periode der Impulse des Impulszuges ist) braucht, um den Ring zu durchlaufen. Beispielsweise ist dieser Hohlraum mit Hilfe von Spiegeln M1, M2 und M3 verwirklicht.
Das nichtlineare Medium 2 empfängt die Impulse des Impulszuges. Diese Impulszüge nehmen die Stelle der Pumpwelle für das nichtlineare Medium 2 ein. Eine in dem Hohlraum zirkulierende Signalwelle, die in Koinzidenz mit einer Pumpwelle in dem nichtlinearen Medium ankommt, nutzt eine Energieübertragung von der Pumpwelle zur Signalwelle.
Der elektrooptische Umschalter enthält eine elektrooptische Polarisationsumschalteinrichtung 3, deren Aufgabe darin besteht, die Polarisationsrichtung des von ihr empfangenen Lichts um 90º zu drehen.
Der elekrooptische Umschalter 3 basiert beispielsweise auf KTiPO&sub4; (genannt KTP) oder auf KH&sub2;PO&sub4; (genannt KDP) oder auf LiNbO&sub3;
Diesem elektrooptischen Umschalter 3 ist eine doppelbrechende Einrichtung zugeordnet. Diese überträgt ihrerseits längs des Pfades des Rings 6 das polarisierte Licht, das vom nichtlinearen Medium 2 übertragen wird, und reflektiert das mit 90º polarisierte Licht in eine Richtung 7.
Die Einrichtung der Erfindung arbeitet wie in Fig. 4 gezeigt.
Ein erster Impuls P1 dringt in den ringförmigen Hohlraum 6 durch das nichtlineare Medium 2 ein. Beispielsweise gestattet beim Einschalten der Einrichtung der die Stelle der Pumpwelle einnehmende Impuls P1 die Verstärkung eines Rauschsignals SO, das im optischen Hohlraum vorher vorhanden ist. Dann ist ein Gemisch aus zwei Wellen vorhanden, außerdem findet eine Verstärkung aufgrund des Raman-Effekts statt.
Der resultierende Impuls R1 besitzt als Amplitude im wesentlichen die Amplitude Ic des Impulses P1, wenn angenommen wird, daß die Amplitude des Rauschsignals SO klein ist.
Dieser Impuls durchläuft den Ring 6 des Hohlraums aufgrund von sukzessiven Reflektionen an den Spiegeln M2, M3 und M1.
Die dem Hohlraum eigene Verzögerung oder Laufzeit des Impulses R1 durch den Ring 6 ist gleich T. Daher erreicht der Impuls R1 das nichtlineare Medium 2 in dem Zeitpunkt, in dem ein weiterer Impuls P2 ebenfalls dieses Medium erreicht, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Durch den RAMAN-Effekt findet eine Energieübertragung vom Impuls P2 (Pumpwelle) zum Impuls R1 (Signalwelle) statt. Der resultierende Impuls R2 hat als Amplitude im wesentlichen einen Wert 2Ic.
Der damit beschriebene Prozeß kann mehrmals wiederholt werden, wobei der resultierende Impuls am Ausgang des nichtlinearen Mediums 2 bef jeder Koinzidenz eines Impulses vom Typ R1 mit einem Impuls vom Typ P2 um den Wert eines Impulses wie etwa P2 verstärkt wird.
Die Breite des im ringförmigen Hohlraum 6 zirkulierenden Impulses bleibt unverändert (beispielsweise t = 4 ps).
Dagegen wird die Spitzenleistung des resultierenden Impulses beim n-ten Impuls PN mit N multipliziert.
Somit wird ein einziger Impuls enthalten, dessen Spitzenleistung NIc beträgt und dessen Breite diejenige eines anfänglichen Impulses ist.
Die Entnahme dieses hohlrauminternen Impulses kann über eine elektrooptische Polarisationsumschalteinrichtung, gefolgt von einem doppelbrechenden Element (oder einem dielektrischen Spiegel, dessen Reflektionskoeffizient vom Azimut der Polarisation der einfallenden Welle abhängt, beispielsweise R = 0 für E und R = Rmax für E ) bewerkstelligt werden.
Entsprechend den Schemata der Fig. 2 bis 4 fällt der vom LEL (senkrechte Polarisation) ausgegebene Strahl in das nichtlineare Medium 2 ein, das in der Pumpen-Sonden- Konfiguration verwendet wird.
Die elektrooptische Polarisationsumschalteinrichtung 3 arbeitet unter der Steuerung einer Steuereinrichtung CC zu bestimmten Zeiten, die die Entnahme eines Impulses wie etwa R2 erlauben. Wenn beispielsweise ein Impuls mit einer mit N multiplizierten Spitzenleistung gewünscht ist, wird die elektrooptische Einrichtung 3 in Intervallen NT gesteuert. Die Richtung der Polarisation des zu entnehmenden Impulses erfährt dann eine Drehung um 90º. Sie wird dann von der doppelbrechenden Einrichtung 4 in die Richtung 7 reflektiert.
Hinsichtlich des nichflinearen Mediums 2 wird präzisiert, daß die Raman- Wechselwirkungen in den Gasen nichtlineare Mechanismen sind, die am besten an die Verstärkung und an die Energieübertragung von kurzen Impulsen (ps) durch die Mischung zweier Pumpen-Sonden-Wellen angepaßt sind. Die Eigenschaften einer Raman- Verstärkerzelle sind typischerweise die folgenden:
- nichflineares Medium: CH&sub4;
- Schwellenwert der RAMAN-Nichtlinearität = 1 cm Jcm&supmin;²
- Gasdruck: 50 Bar
- Verstärkungskoeffizient: X 10¹²mW&supmin;¹
- Ansprechzeit: 10 ps
- Frequenzverschiebung: 3000 cm&supmin;¹
Der Ringresonator ist aus drei Spiegeln gebildet, deren Reflexion bei der vom nichtlinearen Medium 2 emittierten Wellenlänge maximal ist.
Der Polarisationsumschalter 3 kann vom Typ KDP oder KTP oder LiNbO&sub3; sein, deren Ansprechzeit kleiner als die Dauer eines Impulses ist.
Es ist eine Auswertung der Spitzenleistungsverstärkung eines resultierenden Impulses vorgenommen worden, wobei Reflexions- und Beugungsverluste an jedem Spiegel des Hohlraums berücksichtigt wurden, die wir mit ungefähr 1 % pro Spiegel angenommen haben.
Das Raman-Medium ist unter Druck stehendes CH&sub4;-Gas. Wenn die Wellenlänge des Impulszuges 1 um beträgt, ist folglich die Wellenlänge des im Hohlraum gespeicherten Impulses 1,5 um. Die Energieübertragung des Impulszuges findet im Sättigungsbereich statt und hat daher einen sehr hohen Wirkungsgrad in der Größenordnung von 80%. Fig. 6 zeigt einen Kurvenverlauf, der die im Hohlraum gespeicherte Energie als Funktion der Anzahl der empfangenen Impulse des Impulszuges angibt. Es ist festzustellen, daß diese Energie bei einer Impulsanzahl von mehr als 100 gesättigt ist. In diesem Fall beträgt der Gesamtwirkungsgrad der Energieübertragung ungefähr 25%. Die Spitzenleistung des somit erzeugten großen Impulses ist gleich der 25fachen Leistung des Eingangs-Mikroimpulses (200 MW), nämlich 5 GW. Auf diese Weise wird eine erheblich verstärkte Spitzenleistung erhalten.
Gemäß einer Variante der Erfindung kann es zur Vermeidung des Einsatzes von elektrooptischen Polarisationsumschaltenr und doppelbrechenden Komponenten im optischen Hohlraum 6 wünschenswert sein, die Energie des Hohlraums durch eine nichtlineare Wechselwirkung von zwei in Fig. 7 gezeigten Wellen zu entnehmen. In diesem System wird der letzte Mikroimpuls PN durch Polarisationsumschaltung in die Winkelrichtung geleitet, die in bezug auf die im Hohlraum zirkulierende Pumpwelle assymmetrisch ist. Diese Welle ist frequenzverschoben, wobei nach der Wechselwirkung der Wellen die hohlrauminternzirkulierende Energie an die neue Richtung 10 der Pumpwelle abgegeben wird.
In Fig. 7 ist daher eine Polarisationsumschalteinrichtung 8 in der Bahn der von der Quelle 1 ausgegebenen Impulse angeordnet. Eine doppelbrechende Einrichtung 9 gestattet die Übertragung der Impulse der Welle 1 entweder direkt zum nichtlinearen Medium 2, wie dies oben erwähnt worden ist. Wenn aus dem Hohlraum 6 ein Impuls entnommen werden soll, befiehlt die Steuerschaltung CC die Drehung der Polarisationsrichtung wenigstens eines Impulses PN um 90º.
Die doppelbrechende Einrichtung 9 refklektiert diesen Impuls PN über einen Spiegel M4 in bezug auf die Richtung der Bahn der hohlrauminternen Impulse im Medium 2 unter einem Winkel, derart, daß dieser Impuls PN die Stelle der Signalwelle einnimmt. Ein Impuls Rn, der in Koinzidenz in dem Medium 2 ankommt, nimmt dann die Stelle der Pumpwelle ein, so daß eine Energieübertragung vom Impuls Rn zum Impuls PN stattfindet. Dann kann in einer Richtung 10, die sich in der Verlängerung der Richtung des Impulses PN befindet, ein verstärkter Impuls A entnommen werden.
Auf äquivalente Weise kann die Energie aus dem Hohlraum über eine weitere Laserquelle 11 entnommen werden, die einen einzigen Impuls mit geringer Energie emittiert, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Das nichtlineare Medium überträgt die hohlrauminterne Energie in der Richtung dieses Sondenstrahls. Der Einfallswinkel und die Frequenz dieses Lasers werden so gewählt, daß die Verstärkung der Wechselwirkung von zwei Wellen optimiert ist. Die Quellen 1 und 11 werden von einer Steuerschaltung CC so gesteuert, daß die Impulse der Quelle 1 die Verstärkung eines hohlrauminternen Impulses erlauben und daß die Impulse der Quelle 11 die Entnahme eines verstärkten Impulses in einem gegebenen Zeitpunkt erlauben, wie dies in Fig. 8 gezeigt und weiter oben gesagt worden ist.
Im folgenden wird angenommen, daß die Lichtquelle 1 linear polarisiertes Licht emittiert. In den verschiedenen Zweigen des optischen Kreises der eben beschriebenen Figuren ist die Polarisationsrichtung durch einen einen Punkt enthaltenden kleinen Kreis angegeben, wobei die verschiedenen Polarisationsrichtungen zueinander parallel sind.
Die gezeigte Einrichtung gestattet daher die Erzeugung eines einzigen Laserimpulses aus einem Zug von N Mikroimpulsen. Die Spitzenleistung des Impulses ist unter diesen Bedingungen gleich der Nfachen Spitzenleistung des Elementarimpulses. Die Erfindung findet Anwendung auf optoelektronische Geräte, die Laser mit sehr hoher Spitzenleistung erfordern (Laser vom LEL-Typ oder Festkörperlaser mit Modensynchronisation: Impulse von 10 bis 100 ps, die durch 10 ns getrennt sind).
Selbstverständlich dient die vorangehende Beschreibung als nichtbeschränkendes Beispiel, wobei andere Varianten in Betracht gezogen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die numerischen Beispiele und die Art der angegebenen Materialien sind nur zur Erläuterung der Beschreibung geliefert worden.

Claims

1. Generator für Hochleistungslaserimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

- eine Laserquelle (1), die wenigstens einen Impulszug (F1) mit der Periode T emittiert;

- einen ringförmigen optischen Hohlraum (6) mit einer zur Periode T des Impulszuges proportionalen Lange;

- ein nichtlineares Medium, das in den Ring des optischen Hohlraums (6) eingefügt ist und den Impulszug (F1) empfängt, der für das nichtlineare Medium als Pumpstrahl dient, wobei das im Hohlraum zirkulierende Licht als Signalstrahl dient;

- einen von einer Steuerschaltung (CC) gesteuerten elektrooptischen Polarisationsumschalter (3) und eine doppelbrechende Einrichtung (4), die in den Ring des optischen Hohlraums (6) integriert sind und in bestimmten Zeitpunkten arbeiten, um aus dem optischen Hohlraum einen Lichtimpuls zu entnehmen.

2. Generator für Hochleistungslaserimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

- eine Laserquelle (1), die wenigstens einen Impulszug (F1) der Periode T emittiert;

- ein nichtlineares Medium (2), das in den Ring des optischen Hohlraums (6) eingefügt ist und den Impulszug (F1) empfängt, der für das nichtlineare Medium als Pumpstrahl dient, wobei das im Hohlraum zirkulierende Licht als Signalstrahl dient;

- einen optischen Umschalter, der die Impulse von der Quelle (1) empfängt und diese unter der Steuerung einer Steuerschaltung (CC) an das nichtlineare Medium (2) unter einem solchen Winkel überträgt, daß diese Impulse die Stelle des Signalstrahls einnehmen, während die im optischen Hohlraum zirkulierenden Impulse die Stelle des Pumpstrahls einnehmen, wobei dann eine Energieübertragung (6) von den Impulsen des Hohlraums zu den Impulsen der Quelle stattfindet.

3. Generator für Hochleistungslaserimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

- ein nichtlineares Medium, das in den Ring des optischen HohIraums (6) eingefügt ist und den Impulszug (F1) empfängt, der für das nichtlineare Medium als Pumpstrahl dient, wobei das im Hohlraum zirkulierende Licht als Signalstrahl dient;

- eine zusätzliche Laserquelle (11), die Laserimpulse zum nichtlinearen Medium in einem solchen Winkel emittiert, daß diese Impulse die Stelle des Signalstrahls einnehmen und daß die in dem optischen Hohlraum (6) zirkulierenden Impulse die Stelle des Pumpstrahls einnehmen, wobei eine Steuerschaltung (CC) wahlweise die Laserquelle (1) und die zusätzliche Laserquelle (11) steuert.

4. Impulsgenerator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrooptische Polarisationsumschalter auf KDP, KTP oder LiNeO&sub3; basiert.

5. Impulsgenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Medium (2) eine Zelle mit unter Druck stehendem Gas ist.

6. Impulsgenerator gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das unter Druck stehende Gas der Zelle CH&sub4; ist.

7. Impulsgenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserquelle (1) linearpolarisierte Lichtimpulse emittiert.