DE69026696T2

DE69026696T2 - Vorrichtung zur kohärenten Addition von Laserstrahlen

Info

Publication number: DE69026696T2
Application number: DE69026696T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Huignard; Henri Rajenbach; Jean-Marc Verdiell
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1989-12-01
Filing date: 1990-11-27
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2010-11-28
Also published as: DE69026696D1; FR2655435A1; EP0436411B1; FR2655435B1; EP0436411A1; US5121400A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kohärenten Addition von Laserstrahlen, und insbesondere eine Vorrichtung, mit der Strahlen von Lasernetzen in Phase gebracht und dann kohärent addiert werden können.
Die Kombination einer Vielzahl von Laseremittern in Netzen ist eine günstige Methode, um die Leistung einer Laserquelle zu erhöhen. Dadurch erhält man eine sehr leistungsstarke Quelle ausgehend von Elementen mit schwacher Leistung, die technologisch einfacher hergestellt werden können. Außerdem erleichtert die Verwendung zahlreicher Leistungsquellen die Abfuhr der unweigerlich entstehenden Wärme. Dagegen gehen die wesentlichen Eigenschaften eines Laserstrahls (Kohärenz, Richtwirkung) bei einem Netz verloren, wenn keine stabile Phasenbeziehung zwischen den verschiedenen Lasern des Netzes existiert.
Die Druckschrift US-A-4 761 059 beschreibt eine Vorrichtung, in der ein Sondenstrahl mit mehreren Sekundärstrahlen in einem nicht-linearen Milieu interferiert.
Die Druckschriften US-A-4 833 683 und US-A-4 761 059 beschreiben Vorrichtungen, mit denen mehrere Laserstrahlen in einem nicht-linearen Milieu kohärent addiert werden können. Der Aufsatz "Injection locking and single-mode fiber coüpling of a 40-element laser diode array" von L. Goldberg et al, der in der Zeitschrift Applied Physic Letters 50 (24), vom 15. Juni 1987 veröffentlicht wurde, beschreibt eine Sklavenlaservorrichtung, die von einem Meisterlaserstrahl unter einem Einfallswinkel ungleich Null gepumpt wird.
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Verbesserung, die die Kohärenz zwischen den verschiedenen Elementen eines Lasernetzes gewährleisten sowie die Strahlen in Phase addieren kann. Das Netz emittiert also einen leistungsstarken Strahl, der kohärent und gerichtet ist (begrenzt durch die Beugung), so als handelte es sich um einen einzigen Laser.
Die Erfindung betrifft also eine Vorribhtung zur kohärenten Addition von Laserstrahlen,
- mit einem Meisterlaser, der einen Meisterlichtstrahl einer bestimmten Wellenlänge aussendet,
- mit mehreren Sklavenlasern, die einen Teil des Meisterlichtstrahls empfangen und je einen Sklavenlichtstrahl aussenden,
- mit einer Vorrichtung aus einem nicht-linearen Material, die einerseits den Meisterlichtstrahl und andererseits die Sklavenlichtstrahlen zugeführt erhält, wobei der Meisterlichtstrahl mit den Sklavenlichtstrahlen in Wechselwirkung tritt, die so die Aufgabe von Pumpstrahlen im nichtlinearen Material erfüllen, um ein Hologramm zu registrieren, wobei die Sklavenlichtstrahlen an diesem Hologramm gebeugt werden und somit als Lesestrahl dienen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung weiter aufweist:
- eine Verteilvorrichtung, die den Meisterlichtstrahl empfängt und ihn in Form von Injektionsstrahlen auf die verschiedenen Sklavenlaser verteilt, die je in Reihe im Verlauf eines Injektionsstrahls liegen und den Sklavenlichtstrahl zur Vorrichtung mit nicht-linearem Material weiter übertragen,
- einen Strahlseparator, der aus dem Meisterlichtstrahl einen Sondenlichtstrahl abtrennt, der zur Vorrichtung mit nicht-linearem Material übertragen wird, um mit jedem Sklavenlichtstrahl in Wechselwirkung zu treten, daß die Sklavenlaser Lasernetze sind und jedes Lasernetz einen Injektionsstrahl gemäß einer Richtung empfängt, die einen Winkel ungleich Null bezüglich der Senkrechten der Eingangsfläche des Lasernetzes bildet, und daß die Sklavenlaser einen Sklavenlichtstrahl über die gleiche Eingangsseite gemäß einer Richtung emittieren, die im wesentlichen symmetrisch zur Richtung des Meisterlichtstrahls bezüglich der Senkrechten auf der Eingangsfläche ist.
Die verschiedenen Gegenstände und Merkmale der Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Figuren 2 und 3 zeigen Varianten der Vorrichtung aus Figur 1.
Figur 4 zeigt ein anderes detailliertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 5 zeigt in Perspektive ein Detail eines Lasernetzes.
Die Vorrichtung aus Figur 1 enthält einen Pilotlaser oder Meisterlaser 1 geringer Leistung, aber guter Kohärenzeigenschaften (Monomode-Laser). Ein Teil des Meisterstrahls Fm, der vom Laser 1 ausgeht, wird durch das Element 3 (ein halbtransparentes Plättchen) abgelenkt und bildet einen Sondenstrahl Fs. Der andere Teil des Meisterstrahls Fm wird aufgeteilt und mit Hilfe von optischen Vorrichtungen 4 und 14 (beispielsweise einer Diffraktionsoptik 4 und Linsen 14) auf die verschiedenen Elemente des Netzes gerichtet. Diese Elemente 2.1 bis 2.3 können optische Verstärker sein, deren Ausgangsstrahl mit dem des Pilotlasers 1 kohärent ist. Diese Elemente können aber auch echte kleine Laser sein, die dann im sogenannten "Injection Locking"-Modus (Verriegelung durch Injektion) betrieben werden und als Sklavenlaser arbeiten. In dieser Betriebsart werden die Sklavenlaser vom Meisterlaser 1 gesteuert, und ihre Sklavenstrahlen Fe1 bis Fe3 sind vollkommen kohärent mit dem Strahl des Meisterlasers.
Die von den Elementen 2.1 bis 2.3 ausgesendeten Strahlen werden mit Hilfe einer Optik (beispielsweise einer Linse) auf ein nicht-lineares Milieu 9 gerichtet. Die Sklavenstrahlen FEL bis Fe3 bilden die Pumpwellen für eine Zweiwellen-Wechselwirkung im nicht-linearen Milieu 9. Der Sondenstrahl Fs vom Meisterlaser 1 wird mit Hilfe von Spiegeln 13 und 23 ebenfalls in das nicht-lineare Milieu 9 eingespeist. Dieses nicht-lineare Milieu kann beispielsweise ein fotorefraktiver Kristall aus BaTiO&sub3;, BSO, GaAs oder InP sein.
Dann wird ein Hologramm im nicht-linearen Milieu 9 zwischen den Pumpwellen Fe1 bis Fe3 und dem Sondenstrahl Fs registriert. Die Pumpstrahlen, die sich an diesem Hologramm brechen, haben auch die Aufgabe eines Lesestrahls. Auf diese Weise wird die Energie der Pumpstrahlen Fe1 bis Fe3 in Richtung FS des Sondenstrahls gebeugt, und zwar mit derselben Phase wie die, die vom Sondenstrahl vorgegeben wird. Es ergibt sich also ein Energietransfer von der Pumpe zur Sonde. Die Streuung des Sondenstrahls ist aber durch die Beugung begrenzt. Es ergibt sich also eine kohärente Addition der vom Netz emittierten Strahlen sowie eine Phasenanpassung, so daß sich ein ebenso vollkommener Ausgangsstrahl wie der Sondenstrahl ergibt. Es ist wichtig, zu bemerken, daß die relative Lage der Elemente des Netzes beliebig sein kann und daß es nicht notwendig ist, die optischen Pfade bis auf einen Bruchteil der Wellenlänge genau zu justieren, um die Addition der Strahlen zu erreichen. Man kann auch bemerken, daß die Richtung des Ausgangsstrahls FS durch die Richtung des Sondenstrahls Fs vorgege ben ist. Die Ablenkung des Sondenstrahls geringer Leistung ermöglicht also eine Steuerung der Richtung des Strahls großer Leistung (beweglicher Laserstrahl).
Figür 2 zeigt eine Variante der Vorrichtung aus Figur 1, bei der kein Strahlseparator vorgesehen ist, um einen Sondenstrahl abzutrennen. Die Vorrichtung aus Figur 2 enthält parallel mit den optischen Verstärkern 2.1 bis 2.n einen optischen Verstärker 2.s, der einen Sondenstrahl Fs liefert. Dieser Strahl wird über einen Spiegel 24 auf das nicht-lineare Milieu 9 gerichtet.
Die Betriebsweise der Vorrichtung aus Figur 2 gleicht dann der, die oben anhand von Figur 1 beschrieben wurde. Die Vorrichtung aus Figur 2 verwendet einen stärkeren Sondenstrahl Fs als den, der unmittelbar vom Meisterstrahl Fm ausgeht.
Man kann auch, wie dies in Figur 3 gezeigt ist, die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Verwendung der Struktur gemäß Figur 2 realisieren, bei der jedoch kein optischer Verstärker 2.s vorgesehen ist. Der Sondenstrahl Fs wird dann nicht verstärkt.
Figur 4 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Der Meisterlaser 1 besteht aus einer durch den Brechungsindex geführten Laserdiode im Quer- und Längs- Monomode und mit einer Sendeleistung P von etwa 30 mV. Der Meisterstrahl Fm, der durch die Linse O&sub3; in Form gebracht wird, verläuft durch ein λ/2-Plättchen 5 und dann durch einen optischen Isolator 15 mit Faraday-Effekten, um die unerwünschte Lichtreflexion zurück zum Meisterlaser 1 zu verhindern. Der Strahl Fm wird dann in drei Teile mit Hilfe von halbreflektierenden Spiegeln S&sub1; und S&sub2; aufgeteilt. Am Ausgang des Spiegels S&sub2; ergibt sich der Sondenstrahl FS.
Der Spiegel S&sub1; ergibt zwei Strahlen, die Injektionsstrahlen genannt werden und als Meisterstrahlen für die Sklavenlaser 2.1 und 2.2 dienen.
Diese beiden Strahlen werden durch zylindrische Linsen C&sub1; und C&sub2; und die Objektive O&sub1; und O&sub2; in Form gebracht und liefern zwei Strahlen eines länglichen Querschnitts, die dann in die Sklavenlaser 2.1 und 2.2. injiziert werden.
Die Sklavenlaser 2.1 und 2.2 sind Netze mit einer gewissen Anzahl von Lasern 2.10. bis 2.ln und 2.20 bis 2.2n (beispielsweise 10), die durch den Verstärkungsgrad geführt werden und einen relativ hohen Leistungspegel besitzen, zum Beispiel 200 mW. Jeder Sklavenlaser sendet daher einen Sklavenstrahl aus, der durch Kombination mehrerer elementarer Sklavenstrahlen gebildet wird.
Ein Injektionsstrahl Fu bildet einen kleinen Winkel (etwa 40) bezüglich der Senkrechten auf der Eingangsfläche des Netzes, um die Injektionsbedingungen zu optimieren und den Injektionsstrahl Fi winkelmäßig gegenüber einem Sklavenstrahl Fe1 zu trennen.
In Figur 4 wurden die Injektionsstrahlen, z.B. der Strahl Fil ebenso wie der Sklavenstrahl Fe1, vereinfacht dargestellt.
Figur 5 zeigt eine Perspektivdarstellung eines Lasernetzes 2.1. Das Lasernetz 2.1 empfängt also den Injektionsstrahl Fil, der einen Winkel ungleich Null mit der Senkrechten auf der Eingangsfläche des Lasers 2.1 bildet. Dieser Injektionsstrahl Fu kann alle Laser 2.10. bis 2.1n anregen. Das Lasernetz emittiert dann einen Sklavenstrahl Fe1, der ebenfalls einen Winkel mit der Senkrechten auf der Eingangsfläche des Lasernetzes einschließt.
Genauer betrachtet befindet sich der Sklavenstrahl Fei in einer Ebene, die im wesentlichen symmetrisch zu einer Ebene, die den Injektionsstrahl Fu enthält, bezüglich einer Ebene senkrecht zur Eingangsfläche liegt.
Die Injektionsstrahlen werden an die Lasernetze über Spiegel M&sub3;, M&sub4; und M&sub5; übertragen.
Die Sklavenstrahlen Fe1, Fe2 werden durch Spiegel M&sub1; und M&sub2; in Richtung auf den nicht-linearen Kristall 9 abgelenkt und bilden die Pumpwellen für eine Zweiwellen-Wechselwirkung im Kristall 9. Der Sondenstrahl Fs ergibt sich aus dem Meisterstrahl durch Reflexion am Separator S&sub2;. Der nichtlineare Kristall ist beispielsweise ein Bariumtitanat-Kristall. Man wählt einen kleinen Winkel (etwa 10) zwischen den beiden Pumpwellen Fe1 und Fe2 und einen größeren Winkel (etwa 200) zwischen der Sondenwelle Fs und den Pumpwellen Fe1 und Fe2, um den Wirkungsgrad der Wechselwirkung zu maximieren. Der Kristall 9 ist so ausgerichtet, daß er den Energietransfer von den Pumpwellen Fe1 und Fe2 zur Sondenwelle FS begünstigt. Der nach seinem Durchgang durch den Kristall verstärkte Sondenstrahl bildet den Ausgangsstrahl Fs des Systems, dessen Streuung durch die Beugung begrenzt ist.
Die Erfindung kann dazu verwendet werden, kohärente und gerichtete Leistungsquellen ausgehend von zweidimensionalen Netzen von Halbleiterlasern zu erhalten. Man kann auch irgendein anderes Lasermilieu verwenden in Form eines Feststoffs (wie z.B. Stäbe aus YAG:Nd), einer Flüssigkeit oder eines Gases.
Natürlich bildet die obige Beschreibung nur ein Beispiel, das die Erfindung nicht einschränkt. Andere Varianten können in Betracht gezogen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die Zahlenbeispiele und die Art der angegebenen Materialien dienen nur der Erläuterung der Beschreibung.

Claims

1. Vorrichtung zur kohärenten Addition von Laserstrahlen,

- mit einem Meisterlaser (1), der einen Meisterlichtstrahl (Fm) einer bestimmten Wellenlänge aussendet,

- mit mehreren Sklavenlasern (2.1 bis 2.3), die einen Teil des Meisterlichtstrahls (Fm) empfangen und je einen Sklavenlichtstrahl (Fe1 bis Fe3) aussenden,

- mit einer Vorrichtung aus einem nicht-linearen Material (9), die einerseits den Meisterlichtstrahl (Fm) und andererseits die Sklavenlichtstrahlen (Fe1, Fe2, Fe3) zugeführt erhält, wobei der Meisterlichtstrahl mit den Sklavenlichtstrahlen (Fe1, Fe2, Fe3) in Wechselwirkung tritt, die so die Aufgabe von Pumpstrahlen im nicht-linearen Material erfüllen, um ein Hologramm zu registrieren, wobei die Sklavenlichtstrahlen an diesem Hologramm gebeugt werden und somit als Lesestrahl dienen, dädurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiter aufweist:

- eine Verteilvorrichtung (4, 14), die den Meisterlichtstrahl (Fm) empfängt und ihn in Form von Injektionsstrahlen (Fi1, Fi2) auf die verschiedenen Sklavenlaser (2.1 bis 2.3) verteilt, die je in Reihe im Verlauf eines Injektionsstrahls liegen und den Sklavenlichtstrahl (Fe1, Fe2) zur Vorrichtung (9) mit nicht-linearem Material weiter übertragen,

- einen Strahlseparator (3), der aus dem Meisterlichtstrahl (Fm) einen Sondenlichtstrahl (Fs) abtrennt, der zur Vorrichtung (9) mit nicht-linearem Material übertragen wird, um mit jedem Sklavenlichtstrahl in Wechselwirkung zu treten,

daß die Sklavenlaser (2.1. 2.2) Lasernetze (2.10 bis 2.1n, 2.20 bis 2.2n) sind und jedes Lasernetz (2.1, 2.2) einen Injektionsstrahl (Fi1, Fi2) gemäß einer Richtung empfängt, die einen Winkel ungleich Null bezüglich der Senkrechten der Eingangsfläche des Lasernetzes bildet, und daß die Sklavenlaser einen Sklavenlichtstrahl (Fe1, Fe2) über die gleiche Eingangsseite gemäß einer Richtung emittieren, die im wesentlichen symmetrisch zur Richtung des Meisterlichtstrahls bezüglich der Senkrechten auf der Eingangsfläche ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen den Lasernetzen (2.1, 2.2) und der Vorrichtung (9) mit nicht-linearem Material Fokussiervorrichtungen (8) enthält, die die Sklavenlaser (Fe1, Fe2) auf die Vorrichtung (9) mit nicht-linearem Material fokussieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (9) aus nicht-linearem Material aus BaTiO&sub3; ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen der Vorrichtung (4) zur Strahlverteilung und dem Lasernetz (2.1, 2.2) in Zuordnung zu jedem Lasernetz eine optische Vorrichtung zur Umwandlung jedes Injektionsstrahls in einen Strahl mit länglichem Querschnitt aufweist, so daß die größte Abmessung des Querschnitts des Strahls die Anregung des ganzen Lasernetzes erlaubt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen dem Meisterlaser (1) und der Vorrichtung zur Strahlverteilung (4) einen Isolator (5, 15) besitzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (9) mit nicht-linearem Material aus BSO, GaAs oder InP besteht.