DE69200538T2 - Farbstofflaserverstärker. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf Farbstofflaserverstärker.
• Farbstofflaser sind ein bekannter Lasertyp, bei welchem in einer energiegepumpten Farbstoffzelle der Laservorgang in der Zelle abläuft. Die Farbstoffzelle ist ein Gefäß, das einen gasförmigen, flüssigen oder festen Farbstoff enthält und oft zwischen zwei Reflektoren angeordnet ist, die einen Laserresonator bilden. Ein Vorteil von Farbstofflasern liegt darin, daß ihre Frequenz ohne weiteres verändert werden kann. Beispielsweise kann einer der Resonatorreflektoren ein Reflektionsgitter sein. Eine Änderung des Winkels dieses Gitters gegenüber dem Resonator bedeutet eine Änderung der Ausgangsfrequenz des Farbstofflasers. Die Ausgangsleistung ist eine Funktion der Pumpleistung. Die Grenze der Ausgangsleistung ist erreicht, wenn die Pumpleistung ausreicht, eine vollständige Populationsinversion des Farbstoffes zu bewirken, und der optische Aufbau des Lasers es ermöglicht, daß die gesamte, in dem Farbstoff gespeicherte, Energie extrahiert werden kann. Große Ausgangsleistungen können durch Vergrößerung des Lasers erreicht werden, jedoch ist letzteres oft nicht erwünscht. Stattdessen kann ein Laser relativ niedriger Leistung verwendet und sein Ausgang verstärkt werden.
• Laserverstärker sind nützlich, weil mit ihnen die maximale optische Ausbeute eines Lasermediums erreicht werden kann. Bei einem normalen Laser ist Rückkopplung erforderlich, um die Laseroszillationen zu unterstützen. Die Rückkopplung wird normalerweise über teilweise reflektierende Spiegel erreicht, und nur der transmittierte Teil des Strahls bildet den Laserstrahl, der emittiert wird. Unabhängig davon, wie niedrig der Reflektionsgrad des Ausgangsspiegels ist, kann der Ausgangsstrahl niemals 100 % sein, da ein gewisser Anteil für die Rückkopplung benötigt wird. Ein Laserverstärker hat keine Spiegel, durch die es zu einem Transmissisonsverlust kommt, sondern er beruht stattdessen auf dem Laserstrahl von einem anderen Laser. Vorausgesetzt, daß dieser Strahl intensiv genug ist, kann die gesamte Verstärkerenergie extrahiert werden.
• Laserverstärker sind auch auf anderen Gebieten nützlich; wenn beispielsweise ein Hochleistungslaser mit Komponenten aufgebaut werden soll, die durch Laser leicht beschädigt werden, kann ein Laser niedriger Leistung verwendet werden, der dann ohne Beeinträchtigung der ursprünglichen Strahlqualitäten verstärkt wird. Auf diese Art werden empfindliche optische Komponenten nicht zerstörenden Leistungspegeln ausgesetzt.
• Es gibt viele Arten von Verstärkern, die zur Zeit in Verbindung mit Farbstofflasern verwendet werden, von denen die zwei meist verwendeten mit Farbstoff als Verstärkungsmedium arbeiten. Diese Verstärker sind blitzlampengepumpt und lasergepumpt. Darüberhinaus kann das Laserpumpen geometrisch transversal (Pumpstrahlen stehen in einem Winkel, gewöhnlicherweise 90º, zu den austretenden Farbstofflaserstrahlen) oder geometrisch longitudinal (Pumpstrahl ist koaxial zu den austretenden Farbstofflaserstrahlen) erfolgen.
• Ein Nachteil bei der Verwendung von Verstärkern ist die zusätzliche Systemkomplexität, das heißt die zusätzlichen Optiken, Farbstoffzellen und Träger.
• Sowohl Farbstofflaser als auch Verstärker sind z.B. in Dye Lasers, herausgegeben von F.P. Schäffer, 2. Aufl., Springer- Verlag 1977, beschrieben.
• Ein Problem bei den existierenden Verstärkern ist, daß die Bandbreite verstärkt oder verbreitert wird, d.h. der Ausgang hat einen breiteren Frequenzbereich. Typischerweise hat ein Single Longitudinal Mode (SLM) - Farbstofflaser eine Bandbreite von weniger als 1 GHz, die nach der Verstärkung auf mehr als 1 GHz zunimmt. Es wird daher angestrebt, den Ausgang eines Farbstofflasers unter Beibehaltung einer schmalen Bandbreite zu verstärken.
• In dieser Beschreibung wird der Ausdruck Licht für elektromagnetische Strahlung im Sichtbaren, Infraroten, Ultravioletten und mit angrenzenden Wellenlängen verwendet.
Darstellung der Erfindung
• Erfindungsgemäß umfaßt ein Farbstofflaserverstärker ein Stimulated Brillouin Scattering (SBS)-Medium mit einem Laserfarbstoff; dadurch wird die Bandbreite, die Strahlgleichförmigkeit verbessert, und ermöglicht, daß eine Vielzahl von Verstärkern hintereinander geschaltet werden können, um einen sehr hohen Verstärkungsgrad mit wenigen Komponenten und daher höhere Zuverlässigkeit und Robustheit zu erreichen.
• Erfindungsgemäß umfaßt ein Farbstofflaserverstärker eine Farbstoffzelle, eine Vorrichtung für die Erzeugung eines zu verstärkenden Farbstofflaserstrahls, eine Vorrichtung für die Erzeugung eines Pumpstrahls, eine Vorrichtung für die Ablenkung des Farbstofflaserstrahls in die Farbstoffzelle, Vorrichtungen für die Ablenkung des Pumpstrahls in die Farbstoffzelle und Vorrichtungen für die Ablenkung des verstärkten Farbstofflaserstrahls aus dem Verstärker
• dadurch gekennzeichnet, daß
• die besagte Farbstoffzelle eine Stimulierte-Brillouin-Streuung-Farbstoffzelle (SBS) ist, in der sich Laserfarbstoffmaterial befindet, das in einem SBS-Medium gelöst ist, das sich zwischen den Zellwänden befindet, so daß, wenn der Farbstofflaser und der Pumpstrahl darin fokussiert sind, ein phasenkonjugierter verstärkter Farbstofflaserstrahl erzeugt wird.
• Der Farbstofflaserstrahl und Pumpstrahl können koaxial in die SBS-Zelle eintreten. Alternativ kann der Pumpstrahl in die SBS-Zelle transversal zu dem Farbstofflaserstrahl eintreten. Der Pumpstrahl kann der Strahl von einem Laser oder von einem Pumpblitzlicht sein.
• Entsprechend eines weiteren Aspekts dieser Erfindung kann der Ausgang des Verstärkers als Farbstofflasereingangsstrahl für einen weiteren Farbstofflaserverstärker verwendet werden.
• Auf diese Art können zwei oder mehr Verstärker in Reihe geschaltet werden, um eine größere Verstärkung des ursprünglichen Farbstofflaserstrahls zu erreichen. Die Verstärkung kann größtenteils dadurch erreicht werden, daß der Laserverstärker automatisch Störungen korrigiert, die im Laserfarbstoffmedium entstehen, wenn mit starken Pumpstrahlen gepumpt wird. Starke Pumpstrahlen sind notwendig, um die optische Verstärkung innerhalb des Farbstoffmediums zu maximieren.
• Als SBS-Medium wird das Lösungsmittel für den jeweiligen Laserfarbstoff ausgewählt. Als SBS-Medium kann Methanol, Aceton, Isopropylalkohol etc., jeweils einzeln bzw. als Mischung, verwendet werden. Ein spezielles Beispiel einer SBS- Mischung ist 20 % Methanol, 70 % n-Hexan und 10 % Isopropylalkohol. Die relativen Mengen der Komponenten können verändert werden.
• Das SBS-Medium kann außerdem in gasförmiger oder fester Form vorliegen. Ein geeignetes Gas ist ein aufgeheizter Farbstoffdampf mit Methan. Ein geeigneter Festkörper ist ein amorpher Festkörper, z.B. Solgel oder Polymethylmethacrylat (PMMA), das den Laserfarbstoff enthält.
• Die Ausdrücke Stimulierte-Brillouin-Streuung und Phasenkonjugationsreflektion sind beispielsweise in Nonlinear Optical Phase Conjugation von D.M. Pepper, Optical Engineering, März/April 1982, Bd. 21, Nr. 2, S.156-182 erläutert.
• Die Erfindung wird nun als Beispiel mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines SBS-Farbstofflaserverstärkers ist;
• Fig. 2 eine schematische Darstellung von sechs der SBS-Verstärker nach Fig. 1 ist, die in Reihe geschaltet sind, um so den Grad der Verstärkung zu erhöhen;
• Fig. 3 ein Blockschema des Aufbaus von optischen Komponenten in einem Farbstofflaser mit vier Verstärkern ist;
• Fig. 4, 5 Modifikationen der Fig. 1 mit verschiedenen Pumpanordnungen sind.
• Wie in Fig. 1 gezeigt umfaßt ein Farbstofflaserverstärker einen dichroitischen Spiegel 1, durch welchen ein Farbstofflaserstrahl 2 über einen Polarisationsstrahlteiler 3, eine Viertelwellenplatte 4, eine Linse 5 hindurchtritt und zu einer stimulierten Brillouin-Streuung-(SBS)-Farbstoffzelle 6 gelangt. Ein Pumplaserstrahl 7 fällt auf den Spiegel 1 und wird koaxial mit dem Farbstofflaser 2 in die SBS-Zelle 6 reflektiert. Der Spiegel 1 reflektiert bei der Pumplaserstrahlwellenlänge. Der Polarisator 3 transmittiert linear polarisiertes Licht von beispielsweise vertikaler Polarisation und reflektiert horizontal polarisiertes Licht. Die Viertelwellenplatte 4 konvertiert linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht und umgekehrt. Die Linse 5 fokussiert das Licht auf einen Punkt innerhalb der Zelle 6.
• Die Zelle 6 ist typischerweise eine Röhre 8 mit Glasfrontfläche 9 und Glasrückfläche 10. In einer Zelle waren die Wände 2 mm dick, die Front- und Rückflächen 9, 10 hatten einen Durchmesser von 22 mm und waren 1,5 mm dick. Der Abstand zwischen den Flächen 9, 10 betrug von 100 mm. Die Flächen 9, 10 können senkrecht zu den Strahlen 2, 7 oder in einem geeigneten Winkel stehen, um unerwünschte Reflektionen zu vermeiden, die sich auf den verstärkten Strahl überlagern. In der Zelle 6 ist das Laserfarbstoffmaterial in einer Mischung aus 20 % Methanol, 70 % n-Hexan und 10 % Isopropylalkohol gelöst. Geeignete Farbstoffe sind z.B. Rhodamin 6G, Rhodamin B, Coumarin 523 etc., typischerweise gemischt in dem Verhältnis von 10 mg Farbstoff : 1 l Lösungsmittel. Dieses Verhältnis variiert je nach Farbstoff und verwendetem Lösungsmittel sowie der Pumpleistungseingangsdichte.
• Idealerweise strömt der Farbstoff durch die Zelle 6 und wird in der Zelle gerührt.
• Die Zelle 6 ist ein SBS-Medium, sie produziert einen phasenkonjugierten Strahl, d.h. ein Eingangsstrahl mit optischen Störungen wird in einen solchen umgewandelt, bei dem die Störungen zeitlich umgekehrt sind. Somit werden alle optischen Störungen in dem Farbstoffstrahl 2, Pumpstrahl 7 sowie alle, die durch den Spiegel 1, den Polarisator 3, die Viertelwellenplatte 4, die Linse 5 und die Vorderfläche 9 hervorgerufen wurden, umgedreht, so daß von der Zelle 6 auf den Polarisator und Reflektor 3 ein optisch korrigierter und verstärkter Strahl trifft. Einzelheiten und eine Erklärung der phasenkonjugierten Reflektion finden sich in Nonlinear Optical Phase Conjugation von D.M. Pepper, Optical Engineering, März/April 1982, Bd. 21, Nr. 2, S. 156-182.
• Der Farbstofflaser 2 hat typischerweise eine Wellenlänge von 570 nm, eine Energie von 40 uJ bei 18 ns Pulsen und hat nahezu eine unschärfenbegrenzte Bandbreite von etwa 64 MHz.
• Der Pumplaserstrahl 7 hat typischerweise eine Wellenlänge von 532 nm, eine Energie von 13,5 mJ bei 20 ns Pulsen und ist entweder ein Single Longitudinal Mode (SLM) oder breitbandiger Laser. Die Ausgangsbandbreite eines verstärkten Farbstofflasers wird etwas schmaler sein, wenn ein SLM- Pumplaser verwendet wird, und zwar wegen der fehlenden Modulationsverbreiterung, die von Pumpmodensprüngen herrührt.
• Bei Betrieb tritt ein vertikal polarisierter Farbstofflaserstrahl 2 durch den Spiegel 1 und den Polarisationsstrahlteiler 3. Die Viertelwellenplatte 4 konvertiert die Strahlen in zirkularpolarisierte, und die Linse fokussiert in die Zelle 6. Ähnlich wird der Pumpstrahl 7 von dem Spiegel 1 reflektiert und in die Zelle 6 fokussiert. Die Fokussierung der beiden Strahlen 2, 7 konzentriert ihre Energie, was Inversion und Laserverstärkung durch den Laserfarbstoff in der Zelle 6 bewirkt. Da die Verstärkung in beiden Richtungen innerhalb der Zelle 6 möglich ist, kann jetzt ein schwacher Farbstofflaserstrahl, der normalerweise unter der SBS- Schwellenintensität liegt, aufgrund der Vorwärtsverstärkung phasenkonjungiert sein. Erhöhung der Leistungsdichte erhöht die Laserintensität.
• Aufgrund der für den SBS-Prozeß erforderlichen schmalen Linienbreite wird spontane Emission, die breitbandig ist, nicht reflektiert. Dadurch kann der Farbstofflaserstrahl ohne Verstärkung von breitbandigem Rauschen, welches eine prinzipielle Begrenzung von konventionellen Farbstofflaserverstärkern ist, effektiv verstärkt werden. Ein Teil der Laserenergie wird nach vorne abgestrahlt, so daß sie durch die rückwärtige Zellenwand 10 hindurchtritt. Aber weit wichtiger ist, daß ein phasenkonjugierter Strahl von der SBS-Farbstoffzelle 6 in Richtung polarisierendem Strahlteiler 3 emittiert und von dem Strahlteiler 3 als Ausgangsstrahl 11 reflektiert wird. Verstärkung des Farbstofflaserstrahls 2 kann in beiden Ausbreitungsrichtungen innerhalb der SBS- Farbstoffzelle 6 auftreten, d.h. der Farbstofflaserstrahl 2 kann in seiner ursprünglichen Form phasenkonjugiert verstärkt werden.
• In einem Beispiel wurde ein Farbstofflaserstrahl von 66 W Leistung und 64 MHz Bandbreite auf 155 kW mit einer Bandbreite von 64 MHz in einem einzigen Verstärker, wie in Fig. 1 gezeigt, verstärkt, was einem äquivalenten Energieverstärkungsfaktor von 2350 mal entspricht.
• Aufgrund der Möglichkeit des Verstärkers, ohne Erhöhung des breitbandigen Rauschens zu verstärken, kann er mit weiteren Verstärkern kaskadiert werden, um große Verstärkungsfaktoren zu erreichen. Zusätzlich bewirkt der SBS-Prozeß, daß die Bandbreite der verstärkten Konjugierten beschränkt wird, wodurch die Zunahme der Bandbreite beschränkt wird, die mit rauschunabhängigen Verbreiterungsmechanismen assoziiert ist.
• Dies ist schematisch in Fig. 2 dargestellt, wo sechs Verstärker hintereinander geschaltet sind, so daß sich ein "daisy chain"-Verstärker ergibt. Dieser Verstärker umfaßt sechs SBS-Zellen 15, 16, 17, 18, 19, 20; drei polarisierende Strahlteiler 21, 22, 23; sechs dichroitische Spiegel 24, 25, 26, 27, 28, 29; sechs Viertelwellenplatten 30, 31, 32, 33, 34, 35; sechs Linsen 36, 37, 38, 39, 40, 41; einen Farbstoffstrahl 42 und zwei Pumpstrahlen 43, 44, die wie dargestellt angeordnet sind. Jede Komponente entspricht der in Fig. 1.
• Die Funktion ist wie folgt. Ein Teil des Farbstofflaserstrahls 42 wird durch den Strahlteiler 21 in die Farbstoffzelle 15 reflektiert, wo er sich mit dem Pumpstrahl 43 nach Reflektion durch den dichroitischen Spiegel 24 vereinigt. Das verstärkte Farbstofflaserlicht von der Zelle 15 bildet den Farbstofflasereingang der Zelle 16, in die der Pumpstrahl 44 eintritt, der von dem dichroitischen Spiegel 25 reflektiert wird. (Zweifach) verstärkt wird der Ausgang der Zelle 16 durch den Strahlteiler 21 reflektiert, so daß sich ein Farbstoffstrahl zur weiteren Verstärkung ergibt.
• Auf ähnliche Art und Weise tritt der zweifach verstärkte Farbstoffstrahl 42 von dem Strahlteiler 21 über den Strahlteiler 22 in die Zelle 17. Ein Teil des Pumpstrahls 43 tritt durch den dichroitischen Spiegel 24 und wird durch den Spiegel 26 in die Zelle 17 reflektiert. Das verstärkte Farbstofflaserlicht von der Zelle 17 wird in die Zelle 18 abgelenkt, wo es einen Teil des Pumpstrahls 44 trifft, der durch den Spiegel 25 transmittiert und vom Spiegel 27 reflektiert wird. Das vierfach verstärkte Farbstoffstrahllicht tritt aus der Zelle 18 und wird von dem Strahlteiler 22 reflektiert und bildet den Eingang für die beiden letzten Verstärker.
• Der Farbstoffstrahl 42 (nun vierfach verstärkt) tritt von dem Strahlteiler 22 aus in die Zelle 19, wobei er von dem Strahlteiler 23 reflektiert wird. Ein Teil des Pumpstrahls 43 tritt durch die dichroitischen Spiegel 24, 26 und wird durch den Spiegel 28 in die Zelle 19 reflektiert. Das verstärkte Farbstofflaserlicht von der Zelle 19 wird in die Zelle 20 abgelenkt, wo es einen Teil des Pumpstrahls 44 trifft, der durch die Spiegel 25, 27 transmittiert und vom Spiegel 29 reflektiert wird. Das sechsfach verstärkte Licht tritt aus der Zelle 18 und wird durch den Strahlteiler 22 reflektiert und bildet schließlich den verstärkten Strahl 45.
• Weitere SBS-Zellenpaare und dazugehörige optische Komponenten können zur weiteren Verstärkung hinzugefügt werden.
• Fig. 3 ist ein Blockschema des Aufbaus der optischen Komponenten in einem Farbstofflaser mit vier Verstärkern. Wie gezeigt, gibt es einen optischen Weg 50, entlang dessen die folgenden Komponenten der Reihe nach angeordnet sind: ein Reflektionsgitter 51, eine positive Linse 52, eine negative Linse 53, ein dichroitischer Strahlteiler 54, ein erster Koppelspiegel 55, eine Oszillatorfarbstoffzelle 56, ein zweiter Koppelspiegel 57, eine negative Linse 58, eine positive Linse 59, eine Halbwellenplatte 60, ein erster Polarisationsstrahlteiler 61 und ein zweiter Polarisationsstrahlteiler 62.
• Die positive Linse 52 und negative Linse 53 dienen als Strahlaufweitungsteleskop, um eine hohe Vergrößerung zu erreichen, um die Auflösungsleistung des Reflektionsgitters 51 zu maximieren, welches als Abstimmelement verwendet wird. Zusätzliche Verbesserungen können durch ein Pin Hole 97 zwischen den beiden Linsen 52, 53 und durch Einbau eines Etalons 98 mit niedriger Finesse zwischen den Linsen 52 und dem Gitter 51 erreicht werden.
• Die Farbstoffzelle 56 kann beispielsweise mit Rhodamin B - Farbstoff in Methanol gelöst bei einer Konzentration von etwa 1,3 10&supmin;&sup4; Molar gefüllt sein. Die Zellenwände können 1 mm dicke vergossene Quarzplatten sein, die einen Abstand von 5 mm haben, und die gesamte Zelle kann um etwa 20º gekippt sein, um unerwünschte Rückkopplung zu vermeiden. Andere geeignete Farbstoffe sind Rhodamin 6G, Sulforhodamin B, Kitonrot, Rhodamin 575, Rhodamin 560, DCM etc. Die Zelle 56 kann eine aus vergossenem Quarzmaterial mit einer Größe von 7 mm 7 mm 32 mm bei einer Dicke von 1 mm sein. Sowohl oben als auch unten an der Farbstoffzelle sind ein 10 mm langes Glasrohr 95, 96 mit 5 mm Außendurchmesser angebracht, an welchen ein flexibles Rohr befestigt ist, so daß Farbstoff durch die Zelle strömt.
• Ein Farbstofflaser 63 wird durch die Komponenten zwischen dem Reflektionsgitter, dem ersten Koppelspiegel 55 und dem zweiten Koppelspiegel 57 gebildet, welche einen reflektierenden Laserresonator bilden. Energie für diesen Farbstofflaser 63 kommt von einem Pumplaserstrahl 64, der durch eine Halbwellenplatte 65, einen Strahlteiler 66 und die positive Linse 67 auf den dichroitischen Strahlteiler 54 trifft. Ein Teil der Pumpenergie, die auf diesen dichroitischen Strahlteiler 54 fällt, wird in die Farbstoffzelle reflektiert, wo der Laservorgang im Farbstoff angeregt wird. Das Ausgangslicht der Farbstoffzelle 56 läuft zwischen dem ersten und zweiten Koppelspiegel 56, 57 und Reflektionsgitter 51 mit einer Wellenlänge hin und her, die von dem einstellbaren Winkel des Gitters 51 abhängt.
• Die vier Farbstofflaserverstärker sind wie in Fig. 1 aufgebaut. Jeder enthält eine SBS-Farbstoffzelle 69, 70, 71, 72 mit dazugehörigen Viertelwellenplatten 73, 74, 75, 76 und positiven Linsen 77, 78, 79, 80. Darüberhinaus sind die Zellen 69, 70 mit dichroitischen Strahlteilern 81, 82 und die Zellen 71, 72 mit den dichroitischen Spiegeln 83, 84 versehen. Weitere Komponenten sind eine negative Linse 85, ein Spiegel 86 und eine positive Linse 87, auf die alle ein Teil des Pumpstrahls 64 fällt, der durch den dichroitischen Strahlteiler 54 hindurchtritt.
• Die Farbstoffzellen 69, 70, 71, 72 sind vergossene Quarzdurchflußküvetten mit einem Durchmesser von 22 mm, 103 mm lang, mit einem flexiblen Durchflußrohr von 6 mm Durchmesser an jedem der oberen Enden der Küvette versehen.
• Einzelheiten anderer Komponenten sind wie folgt: Das Reflektionsgitter 51 kann ein holographisches mit 2400 Linien pro mm sein, das einen Blazewinkel für 590 nm hat, 30 mm 30 mm 6 mm dick ist und in erster Ordnung als Littrowgitter (TM) betrieben wird; beschrieben ist dies von T.W. Hänsch in Applied Optics, Bd. 11, 1972, S. 895. Die positive Linse 52 hat eine Brennweite von 150 mm und ist plankonvex, antireflexbeschichtet für 590 nm, und hat einen Durchmesser von 15 mm. Die positive Linse 53 dient als Hochleistungsmikroskopobjektivlinse mit 4 mm Brennweite, Arbeitsabstand 0,8 mm, numerischer Apertur 0,5. Der dichroitische Strahlteiler 54 hat eine 94 %-ige Transmission bei 532 nm, 100 %-ige Transmission bei 590 nm bei 45º Einfallswinkel, P-Polarisation, er hat einen Durchmesser von 15 mm und ist unter 45º gegenüber den zwei optischen Achsen positioniert, wobei die Frontfläche auf dem Schnittpunkt der zwei optischen Achsen zentriert ist. Die Koppelspiegel 55, 57 mit einer unbeschichteten Seite haben eine Reflektivität von etwa 4-6 %, wobei die andere Seite antireflexbeschichtet ist, sind um 0,5º verkeilt, haben einen Durchmesser von 15 mm und eine Dicke von 10 mm. Die negative Linse 85 hat eine Brennweite von -10 mm, ist eine plankonkave Linse, ist antireflexbeschichtet für 590 nm und hat einen Durchmesser von 3 mm. Die positive Linse 59 hat eine Brennweite von 50 mm oder 51 mm, ist eine Bikonvexlinse, ist antireflexbeschichtet für 590 nm und hat einen Durchmesser von 15 mm.
• Die Halbwellenplatten 60, 65 werden in nullter Ordnung betrieben, sind antireflexbeschichtet für 590 nm, haben einen Durchmesser von 15 mm und sind 2-3 mm dick. Die Polarisatoren 61, 62 sind Luftspalten-Kalzit-Glan-Taylor-Würfelpolarisatoren, antireflexbeschichtet für 590 nm, mit den Abmessungen von 10 mm 10 mm 12 mm (xyz) und in eine optische Halterung zementiert. Der Strahlteiler 66 hat eine 65 %-ige Reflektion bei 532 nm bei einem 45º-Einfallswinkel, einen Durchmesser von 25 mm und eine Dicke von 6 mm. Die positive Linse 67 hat eine Brennweite von 100 mm, ist eine Plankonvexlinse, antireflexbeschichtet für 532 nm und hat einen Durchmesser von 15 mm. Die Viertelwellenlängenplatten 73, 74, 75, 76 werden in nullter Ordnung betrieben, sind antireflexbeschichtet für 590 nm, haben einen Durchmesser von 15 mm und sind 2-3 mm dick. Die positiven Linsen 77, 78, 79, 80 haben entweder 100 mm oder 80 mm Brennweite, sind plankonvex oder bikonvex, sind antireflexbeschichtet für 590 nm und haben einen Durchmesser von 15 mm.
• Der dichroitische Strahlteiler 81 hat eine 20 %-ige Reflektion bei 532 nm, eine Antireflexbeschichtung bei 590 nm bei einem Einfallswinkel von 54º in Bezug auf die Oberfläche der Komponente (d.h. 72º zwischen dem einfallenden und dem austretenden Strahl), einen Durchmesser von 25 mm und eine Dicke von 6 mm. Der dichroitische Strahlteiler 82 hat eine 20 %-ige Reflektion bei 532 nm, ist antireflexbeschichtet bei 590 nm bei einem Einfallswinkel von 364º in Bezug auf die Oberfläche der Komponente (d.h. 108º zwischen einfallendem und austretendem Strahl), einen Durchmesser von 25 mm und eine Dicke von 6 mm. Der dichroitische Spiegel 83 hat eine 100 %-ige Reflektion bei 532 nm, eine Antireflexbeschichtung bei 590 nm bei einem Einfallswinkel von 54º mit Bezug auf die Oberfläche der Komponente (d.h. 72º zwischen einfallendem und austretendem Strahl), einen Durchmesser von 25 mm und eine Dicke von 6 mm. Der dichroitische Spiegel 84 hat eine 100 %-ige Reflektion bei 532 nm, ist antireflexbeschichtet bei 590 nm bei einem Einfallswinkel von 36º mit Bezug auf die Oberfläche der Komponente (d.h. 108º zwischen einfallendem und austretendem Strahl), einen Durchmesser von 25 mm und eine Dicke von 6 mm. Die negative Linse 85 hat eine Brennweite von -40 mm, ist eine Bikonvexlinse und antireflexbeschichtet für 532 nm. Der Spiegel 86 hat eine 100 %-ige Reflektion bei 532 nm und einem Einfallswinkel von 45º sowie einen Durchmesser von 25 mm. Die positive Linse 87 hat eine Brennweite von 200 mm, ist eine Plankonvexlinse und ist antireflexbeschichtet für 532 nm und hat einen Durchmesser von 25 mm und eine Kantendicke von 2 mm.
• Die Erzeugung und Verstärkung eines Farbstofflaserstrahls ist wie folgt. Der Pumpstrahl 64 wird als zweite Harmonische eines Nd:YAG-Lasers oder eines ähnlichen Lasers (nicht dargestellt) erzeugt, so daß sich ein Strahl mit typisch 532 nm, 250 mJ, 20 ns Dauer ergibt. Ein Teil, etwa 2,1 %, dieses Pumpstrahls 64 wird durch den Strahlteiler 66 und 54 in den Farbstofflaser 63 und in die Farbstoffzelle 56 für den Laservorgang transmittiert. Typischerweise hat das Farbstofflaserlicht eine Wellenlänge von 590 nm. Typischerweise werden 65 % und 29 % des restlichen Anteils des Pumpstrahls 64 von dem Strahlteiler 66 und dem Spiegel 86 reflektiert, um jeweils als Pumpenergie für die Verstärker zu dienen.
• Der Ausgang von dem Farbstofflaser 63 tritt durch die Linsen 58, 59, die Halbwellenplatte 60, den ersten polarisierenden Strahlteiler 61 und dann in die SBS-Farbstoffzelle 69. Ähnlich wird ein Anteil, etwa 20 %, des restlichen Pumpstrahls 64 von dem Spiegel 86 durch den dichroitischen Strahlteiler 81 in die SBS-Zelle 69 reflektiert. Wie oben mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, wird das verstärkte Farbstofflaserlicht zurück von der SBS-Zelle 69 emittiert und von dem dichroitischen Strahlteiler 81, der Viertelwellenplatte 73, dem polarisierenden Strahlteiler 61, der Viertelwellenplatte 74 und dem dichroitischen Strahlteiler 82 in die SBS-Zelle 70 abgelenkt. Die Pumpstrahlenergie für die SBS-Zelle 70 stammt von dem Strahlteiler 66 und dem dichroitischen Strahlteiler 82.
• Der zweifach verstärkte Farbstofflaserstrahl wird von der SBS-Zelle 70 über den dichroitischen Strahlteiler 82, die Viertelwellenplatte 74, die polarisierenden Strahlteiler 61, 62, die Viertelwellenplatte 75 und den dichroitischen Spiegel 83 in die SBS-Zelle 71 abgelenkt. Die Pumpenergie für diese SBS-Zelle 83 stammt von dem dichroitischen Strahlteiler 81 und dem dichroitischen Spiegel 83. Dreifach verstärkt wird das Farbstofflaserlicht von der SBS-Zelle 71 über den dichroitischen Spiegel 83, die Viertelwellenplatte 75, den polarisierenden Strahlteiler 62, die Viertelwellenplatte 76 und den dichroitischen Spiegel 84 in die SBS-Zelle 72 abgelenkt. Die Pumpstrahlenergie für diese SBS-Zelle 72 stammt von dem dichroitischen Strahlteiler 82 und dem dichroitischen Spiegel 84. Vierfach verstärkt wird das Farbstofflaserlicht von der SBS-Zelle 72 über den dichroitischen Spiegel 84, die Viertelwellenplatte 76 und den polarisierenden Strahlteiler 62, auf den optischen Weg 50 abgelenkt, um den endgültigen verstärkten Farbstofflaserstrahl zu bilden.
• Typischerweise hat dieser endgültige verstärkte Farbstofflaserstrahl 120 mJ in 17 ns Pulsbreite, ≤ 64 MHz Bandbreite, und ist in etwa unschärfebegrenzt.
• Weitere Verstärkung kann erreicht werden unter Verwendung zusätzlicher SBS-Zellen.
• Ein Vorteil des Aufbaus in Fig. 3 sind die relativ wenigen Komponenten, die zur Erzeugung vorgesehen sind, und eine vierstufige Verstärkung bei variabler Wellenlänge des Farbstofflaserstrahls; beispielsweise eine 120 000-fache Verstärkung von etwa 1 uJ auf 120 mJ. In einem bekannten Laserverstärker nach Stand der Technik (Versatile high power single longitudinal mode pulsed dye laser von F. Bos, Applied Optics. Bd. 20, Nr. 10, S. 1886-1890, 15. Mai 1981) wurde nur eine 114-fache Verstärkung mit einer ähnlichen Anzahl von Komponenten erreicht. Die reduzierte Zahl von Komponenten bei der vorliegenden Erfindung sorgt für ein System, das relativ einfach aufzubauen und zu justieren ist, und das einmal justiert robust und unsensibel gegenüber Schwingungen ist.
• Fig. 4 ist eine Modifikation von Fig. 1, wo ein Pumpstrahl 91 eine Farbstoffzelle 6 transversal durch eine Zylinderlinse 92 betritt. Wie in Fig. 1 tritt ein Farbstofflaserstrahl 2 durch einen polarisierenden Strahlteiler 3, eine Viertelwellenplatte 4, eine Linse 5 in eine SBS-Farbstoffzelle 6. Diese Zelle 6 wird gegenüber der in Fig. 1 verschoben, so daß der Strahl 2 abseits der Achse eintritt, um ein maximales Volumen für die Wechselwirkung mit dem Pumpstrahl zu gewährleisten.
• Fig. 5 ist eine weitere Modifikation von Fig. 1, in der ein Pumpstrahl von einer Blitzlampenquelle 93, umgeben von einem Reflektor 94, erzeugt wird. Andere Komponenten entsprechen denen in Fig. 4. Die Zelle 6 ist koaxial mit dem Farbstofflaserstrahl 2 angeordnet. Die Blitzlampe 93 kann aus linearen Röhren bestehen, koaxial, d.h. mit kreisförmiger Umrundung der Zelle 6 mit oder ohne triaxialer oder quadaxialer Anpassung, oder helikal. Blitzlampenpulse sind kurz, typisch etwa 1 us.

Claims (11)

1. Farbstofflaser-Verstärker, der eine Farbstoffzelle (6), Vorrichtung für die Erzeugung eines zu verstärkenden Farbstofflaserstrahls (2), Vorrichtung für die Erzeugung eines Pumpstrahls (7), Vorrichtung (5) für Ablenkung des Farbstofflaserstrahls in die Farbstoffzelle, Vorrichtungen (1, 5) für Ablenkung des Pumpstrahls in die Farbstoffzelle und Vorrichtungen (3, 5) für Ablenkung des verstärkten Farbstofflaserstrahls (11) aus dem Verstärker umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Farbstoffzelle eine Stimulierte-Brillouin- Streuung-Farbstoffzelle (SBS) ist, in der sich Laser-Farbstoffmaterial befindet, das in einem SBS-Medium gelöst ist, das sich zwischen den Zeilwänden befindet, so daß, wenn der Farbstofflaser und der Pumpstrahl darin fokussiert sind, ein phasenkonjugierter verstärkter Farbstofflaserstrahl erzeugt wird.

2. Verstärker nach Anspruch 1, bei dem Farbstofflaserstrahl und Pumpenstrahl so angeordnet sind, daß sie koaxial in die SBS-Zelle koaxial eintreten.

3. Verstärker nach Anspruch 1, bei dem der Pumpstrahl so angeordnet ist, daß er in die SBS-Zelle transversal zu dem Farbstofflaserstrahl eintritt.

4. Verstärker nach Anspruch 1, bei dem der Pumpstrahl ein Laserstrahl ist.

5. Verstärker nach Anspruch 1, bei dem der Pumpstrahl ein Strahl einer Pumpblitzlampe ist.

6. Verstärker nach Anspruch 1, der eine Vielzahl von Farbstofflaserverstärkern umfaßt, die miteinander eine Kette bilden, so daß der Ausgang eines ersten Verstärkers verwendet wird als Farbstofflasereingangsstrahl für den folgenden Farbstofflaserverstärker.

7. Verstärker nach Anspruch 1, bei dem die Vorrichtung zur Erzeugung eines Farbstofflaserstrahls, der verstärkt werden soll, und die Vorrichtung für die Erzeugung eines Pumpstrahls separate Laser sind.

8. Verstärker nach Anspruch 1, bei dem die Vorrichtung für die Erzeugung eines zu verstärkenden Farbstofflaserstrahls ein Laser-gepumpter Farbstofflaser ist, der gleichfalls die Vorrichtung für die Erzeugung eines Pumpstrahls darstellt.

9. Verstärker nach Anspruch 1, bei dem die SBS-Zelle ein SBS-Medium umfaßt, das ein Lösungsmittel für den Laser- Farbstoff darstellt.

10. Verstärker nach Anspruch 5, bei dem das SBS-Medium einem oder mehreren von: Methanol, Aceton, Isopropylalkohol, Ethanol, n-Hexan entspricht.

11. Verstärker nach Anspruch 6, bei dem das SBS-Medium eine Mischung aus 15-25 % Methanol, 65-75 % n-Hexan und 5-15 % Isopropyl ist, so gemischt, daß sich im wesentlichen eine 100 %-Mischung aus Methanol, n-Hexan und Isopropyl ergibt.