NO171438B - Laseranordning - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår laseranordning av den art som angitt i innledningen til krav 1.

Mange mulige laseranvendelser så som laserkommunikasjoner, smeltning og drivanordninger for ikkelineære harmoniske omformere og Råman anordninger krever anvendelse av laser-kilder med meget høy energi og høy styrke. Høy styrke kan i almindelighet defineres som høy effekt, der areal-

enhet pr. enhet båndbredde er enhet volumvinkel. Utgang med høy styrke fra lasere avhenger imidlertid av mange faktorer som enten er vanskelige å kontrollere eller har kjente driftsbegrensninger. Dette fører til lasere som ikke er istand til å gi utgang med den ønskede styrke når man anvender eksisterende fremgangsmåter og utstyr.

Mulige begrensende faktorer så som variasjoner i den optiske banelengde, kvaliteten på optiske elementer, sammenbrudd av reflekterende belegg eller optiske aberrasjoner har man tatt hensyn til med forskjellige teknikker. Blandt disse er rafinerte fremstillingsteknikker for mediene og optiske komponenter og bruk av deformerbare eller fasekonjugerte speil. Eksempler på de to sistnevnte teknikker er be-

skrevet i US PS 3.967.899, US PS 4.233.451 og US PS 4.321.550. Disse teknikker begrenser bl.a. strålingen til foretrukne arbeidsmåter og nedsetter degraderingen på grunn av forskjellige optiske aberrasjoner. Disse teknikker tar imidlertid ikke hensyn til andre problemer som er knyttet til skalering av laserenergi.

Et problem med å øke den energi som står til rådighet fra lasere, er det faktum at man har en iboende begrensning av energien pr. volumenhet av lasermedium, som kan tas ut eller lagres. For høyenergianvendelser må derfor volumet av laseren økes for å kunne øke den energi som er tilgjengelig som utgang. Uheldigvis finnes det begrensninger ved ganske enkelt å øke lasermediets volum.

I kjemiske lasere kan mediet ofte oppvise termiske gradi-enter eller strømningsproblemer for materialet, noe som fører til uønskede kjemiske reaksjoner eller sammenbrudd og tomme soner. Disse problemer blir stadig vanskeligere å løse når det gjelder større mediumvolumer. Sikkerhets-problemer oppstår også når man har kjemiske medier som krever spesiell pakning eller kjøling når volumene er store.

Faststoff-eller krystallbaserte lasere har begrensninger når det gjelder størrelsen på de medier som kan fremstilles. Noen krystallinske materialer kan foreløpig ikke dyrkes

som bouler med store volum. Materialer så som NdrYAG har iboende begrensninger av størrelsen til rundt 12 mm i tverrsnitt (diameter) før faktorer som urenheter eller påkjenninger under dyrkingen degraderer mediet til en ikke tilfredsstillende eller ubrukelig form. Disse størrelses-begrensninger begrenser også energiutgangen fra NdrYAG til omtrent 2 joule som er utilfredsstillende lavt for mange anvendelser der det kreves høy styrke. I tillegg kan krystallinske materialer dyrkes for langsomt til at man får praktiske produksjonshastigheter til fremstilling av store volum av lasermedia.

Selv når store mediavolumer er mulige, blir energilagringen begrenset av parasitiske fenomener, og hvis disse kan elimineres, ligger det alltid begrensninger i forsterket spntan emisjon (ASE). Parasitiske fenomener eller sving-ninger understøttes av refleksjoner fra overflatene av media eller nærliggende optisk utstyr. Store volumer mulig-gjør større forsterkningslengder for alternative optiske arbeidsmåter innenfor lasermediet, men reduserer den energi som er tilgjengelig og kan tas ut under den ønskede primære "effekt" modus.

Selv om spredte refleksjoner og parasittiske fenomener

kan elimineres, vil det økte volum gi større forsterknings-lengde for den spontane emisjon. Dette fører til tømning av energi for de ønskede laseroverganger. Mens ASE kan måles i et gitt volum, vil denne emisjon ikke følge øk-ningen av volum på en rett frem eller direkte måte. Vanske-lighetene med å fastlegge nøyaktig en ASE grense fra et lite volum til større volumer, gjør det meget vanskelig og unøyaktig å forutsi akkurat hvilke egenskaper et større volum vil ha.

Selv om parasittiske fenomener og spontan emisjon enten

kan være en delvis kontrollert med forskjellige absorb-sjonsfiltere og veloverveiede valg av geometri eller polari-satorer eller muligens så svake at de kan ignoreres for lave nivåer og drift av lasere med små volumer, er det klart at de representerer den fundamentale begrensende faktor når det gjelder anvendelser av høyenergilasere.

Det som er nødvendig er en fremgangsmåte eller anordning for økning av volumet av lasermedier i et gitt lasersystem uten å øke nærvær av degraderende faktorer eller å nå iboende volumetriske begrensninger.

En måte kan være å anbringe flere lasere i parallell og summere utgangene for å få til en stråle med total høyere energi. Denne løsningsmåte skaper en usammenhengende sum av enkeltutganger slik at i beste tilfelle vil den totale styrke i det fjerne av N paralle laserutganger være N ganger styrken av en enkel utgang. På den annen side hvis de enkelte laserutganger kan innrettes til å ha et fast faseforhold til hverandre, får man en sammenhengende sum, der det mulig å øke toppverdien for styrken i det fjerne felt proporsjonalt med N . Denne meget ønskelige situasjon kan i prinsippet oppnås ved å bruke den ene av to teknikker.

For det første har man teknikken med hurtig svinnende kopling. Denne er i første rekke anvendt på området for diodelasere, selv om noen lasere som benytter et flytende medium også kan ha bygget på denne løsning. Ved denne teknikk vil hurtig svinnende felt fra tilstøtende laserkanaler samvirke for å faselåse laserutgangene fra til-støtende laserblender. Dette er beskrevet mer i detalj i "Phased Array Diode Lasers" av W. Streifer, R.D.Burnham, T.L.Paoli og D.R.Scifres i Laser focus/ Electro- Optics, fra juni 1984. Selv om utgangen fra tilstøtende laserkanaler er koplet sammen ved de hurtig svinnende felt, behøver de imidlertid ikke være nøyaktig i fase. Sammenstøtende kanaler arbeider vanligvis på måter som ligger 180° ute av fase, slik at det frembringes en fordeling med tosløyfet fjerntfeltsstyrke som vanligvis er sterkt uønsket ved anvendelse i anordninger. Den største styrke oppnås med parallelle lasere som er sammenhengende koplet med null faseforskjell.

En annen løsningsmåte er å skyte inn et elektro-optisk materiale i den optiske bane mellom hvert lasermedium og systemets utgangsblende. Påtrykning av en styrt spenning på det elektro-optiske materiale, muliggjør en forandring i brytningsindeksen og senere av hastigheten for den optiske stråling som gjennomløper materialet. Dette mulig-gjør justering av fasen for hver laser i forhold til de andre. Den relative fase for en gitt laserutgang, er imidlertid dynamisk. Den forandrer seg med tiden på grunn av faktorer som innvirker på lasermediets optiske banelengde, f.eks. temperatur, påkjenninger etc. I tillegg kan en laser trenge ettersyn eller utskiftning og det er umulig å tilpasse nøyaktig de tidligere fysiske egenskaper med den nye laser, fordi de uunngåelige fysiske lengde-forskjeller og sammensetninger varierer. Derfor ville denne teknikk måtte være dynamisk stillbar i en eller annen minimal utstrekning. Dette krever bruk av spesiali-serte følere, styringer, elektronikk og programmer. En slik innviklet løsning er både upraktisk og upålitelig for mange anvendelser.

Det som trengs er da en fremgangsmåte til sammensetning

av utgangen fra flere laserforsterkningselementer for å oppnå større styrke, større energiutgang uten volumetriske begrensninger og å få til sammenhengende kopling.

Av den grunn er det en hovedhensikt med foreliggende oppfinnelse å komme frem til høyenergilasere med stor styrke.

Et annet formål med oppfinnelsen er å komme frem til dynamisk sammenhengende kopling av flere laserforsterkningselementer til en enkel utgang.

Nok en hensikt med foreliggende oppfinnelse er å komme frem til en høystyrkelaser ved anvendelse av lasermedia med volumbegrensninger.

Det er dessuten en hensikt med foreliggende oppfinnelse

å komme frem til en faststofflaser med høy styrke.

Videre er det en ytterligere hensikt med oppfinnelsen å komme frem til en laser med høy styrke der det anvendes en laserdiodesats.

Ovenfornevnte tilveiebringes ved hjelp av en laseranordning av den innledningsvis nevnte art hvis karakteristiske trekk fremgår av krav l.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige uselvstendige kravene.

I henhold til en foretrukken utførelsesform, er hovedoscillatoren utført for å arbeide med en enkel lineær polarisering, der inngangsanordningen for laseren er en polariserende stråledeler og der utgangsanordningen omfatter en polarisasjonsmodifiserende anordning. Den polarisasjonsmodifiserende anordning dreier enten polariseringen av den forsterkede stråling omtreng 90° i forhold til den ikke forsterkede inngangsstråling eller forandrer denne slik at den blir sirkulært polarisert. Dette fører til at den forsterkede stråling blir rettet ut av laseren og ikke blir reflektert eller ført inn i hoved oscillatoren av den polariserende stråledeler. Passende rotasjons-anordninger for polariseringen kan være Faraday rotatorer og passende sirkulære polariseringsanordninger er kvart-bølgeplater.

Ved et trekk ifølge oppfinnelsen er laserforsterkningselementene i laseren plassert slik at de danner en todimensjonal sats på N ganger M. De enkelte laserforsterkningselementer i en slik sats kan være medier innbefattende glass, faststoffkrystaller, gasser, fargestoffer eller en rekke kjemiske medier. Disse enkeltvise forsterkningselementer blir ved anvendelse av spektralt selektive filtere eller andre anordninger isolert fra hverandre ved laserens bølgelengde. Dermed vil ASE grensen være grensen for de enkeltvise elementer i stedet for hele volumet.

Som hjelp for å binde sammen strålingen i laserforsterkningselementene fra hoved oscillatoren, kan laseren videre omfatte inngangsoverførende anordninger. Passende inngangs-overførende anordninger kan omfatte en rekke reflekterende flater, så som speil eller reflekterende prismer.

Ved et annet trekk ifølge oppfinnelsen finnes det fokuseringsanordninger som hjelp til kopling av strålingen fra laserforsterkningselementene til de fasekonjugerende anordninger. Konjugerte overføringsanordninger kan også være anbragt langs den optiske bane mellom laserforsterkningselementene og den fasekonjugerende anordning for kopling av strålingen mellom laserforsterkningselementene og den fasekonjugerende anordning. Slike overførings-anordninger kan omfatte en rekke reflekterende prismer eller en eller flere linser som er plassert slik at de avskjærer strålingen fra hvert laserforsterkningselement og reflekterer denne inn i den fasekonjugerende anordning.

Den fasekonjugerende anordning omfatter slike apparater som en Stimulated Brillouin Scattering cell, Stimulated Råman Scattering celler eller en fire-bølge blander. Fasekonjugeringsanordningen kan videre omfatte optiske bølgeledere som kan utføre fasekonjugeringsprosesser.

Ved et trekk i henhold til oppfinnelsen har laseren også kollimasjonsanordninger anbragt slik at de utvider strålingen fra hoved oscillatoren for å rette denne mot hvert av laserforsterkningselementene.

Ved ytterligere trekk i henhold til oppfinnelsen innbefatter laserforsterkningsmediene faststoffkrystaller valgt fra gruppen Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YA10, Co:MgF2, Cr:Nd:GSAG eller Te:safir. Laserforsterkningsmediene blir vidre oppdelt i en rekke krystaller som er bundet sammen for å danne en N ganger M sats.

Ved ennu et trekk ved ifølge oppfinnelsen omfatter laserforsterkningsmediene en sats av laser diode blender, bygget opp på et enkelt bærende underlag. Som et alternativ kan hele laseren omfatte optiske og elektro optiske elementer som er avsatt på et enkelt bærende underlag. Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli forklart mer i detalj under henvisning til tegningene, der like henvisningstall viser til like deler og der: Fig. 1 skjematisk viser et lasersystem med høy styrke konstruert i henhold til prinsippene ved oppfinnelsen,

fig. 2 viser forskjellige alternative inngangsanordninger til bruk i laseren på fig. 1,

fig. 3 viser en utførelsesform for laseren på fig. 1,

der det benyttes en polariserende stråledeler som et inngangs-utgangselement og collimasjon av inngangspulser,

fig. 4 viser en andre utførelsesform på laseren på fig. 1, der laserens hoved oscillator innfører pulser direkte langs den optiske bane for forsterkningselementet,

fig. 5 viser en tredje utførelsesform for laseren på fig.l, benyttet for å begkrefte en drift, med anvendelse av prismer ,

fig. 6 viser laserforsterkningsmedier omfattende en sats av faststoff krystaller,

fig. 7 viser en laser med høy styrke i henhold til prinsippene ved oppfinnelsen, der det anvendes faststoffkrystaller som laserens forsterkningselementer,

fig. 8 viser en laser med høy styrke i henhold til oppfinnelsen, der det benyttes et forsterkningselement i

form av en diode laser sats,

fig. 9 viser i perspektiv et forsterkningselement med en laserdiodesats og

fig. 10 viser skjematisk en laser i henhold til oppfinnelsen anbragt på et underlag med en integrert krets.

Oppfinnelsen omfatter en fremgangsmåte og en anordning

til samlet kopling av to eller flere laserforsterkningselementer for å frembringe en enkel utgangsbølgeform eller puls hvis tverrsnitt er tilnærmet summen av utgangs-tverrsnittet for de enkelte laserforsterkningselementer. Laserforsterkningselementene drives av en strålingskilde med hoved oscillator og får utgangsstrålingen fra en første forsterkningsføring, fasekonjugert og returnert gjennom laserforsterkningselementene i en andre føring og samlet koplet til frembringelse av den enkle utgang. Dette resulterer i en utgang med høy styrke.

På fig. 1 omfatter den skjematisk gjengitte laser 10 to eller flere laserforsterkningselementer 20 som er beteg-net som og A2 til A^. Laserforsterkningselementene 2 0 er anbragt ved siden av hverandre og blir optisk drevet eller pumpet med en puls eller pulser 4 0 fra en hoved oscillator 30. Hoved oscillatoren (MO) med energifor-sterkning (PA) anordning er kjent som et MOPA mønster.

Forsterkningselementene 20 har deres respektive egne optiske baner koplet i parallell i laseren 10. Det er imidlertid ikke nødvendig at de enkelte forsterkningselementer 20 er montert fysisk parallelt med eller helt inntil hverandre. Selv om fysisk parallelle elementer er tenkt i utførelsesformene som her er vist, kan andre oppbygninger benyttes. Alt etter den spesielle anvendelse, de fysiske parametere og bærekonstruksjoner som er til-gjengelige, kan et fysisk ikke parallelt mønster være nødvendig for å få så mange laserforsterkningselementer 20 som man ønsker i en enkel laser 10. Et eksempel kan være en kommunikasjons satellitt med et sirkulært nytte-lastområde som krever jevnt fordelt vekt.

Hoved oscillatoren 30 kan omfatte forskjellige typer kilder til samlet stråling som er kjent på området som f.eks.,

men ikke begrenset til, Nd:YAG krystaller eller diodelasere. Valget av en strålingskilde for hoved oscillatoren 30 bestemmes av systemkrav eller anvendelseskrav, f.eks. ønskede utgangsbølgelengder, terskelenergier for laserforsterkningselementene 20 og spektral renhet. Det er å foretrekke at hoved oscillatoren 30 frembringer en diffraksjons-begrenset utgang, selv om utgangen kan kreve kollimasjon som beskrevet nedenfor.

Hoved oscillatoren 30 frembringer stråling ved en på forhånd bestemt og ønsket bølgelengde som innføres i forsterkningsmediene i laserforsterkningselementene 20 gjennom blender 22. Strålingen frembringes fortrinnsvis som en puls eller en rekke pulser, men kontinuerlig bølgedrift kan være mulig, avhengig av mediene i og driftsparametrene for laserforsterkningselementene 20 og oscillatoren 30 og avhengig av egenskapene ved de fasekonjugerte speil som anvendes. Den følgende beskrivelse av foretrukne utførel-sesformer forutsetter stråling i form av pulser.

For å rette strålingspulser 40 mot blender 22 og inn i laserforsterkningselementene 20, kan det etter valg anvendes en overføringsanordning 60 som deler inngangsstråle-pulsene 40 i inngangspulser 42 og retter disse inn i de enkelte laserforsterkningselementer 20. Overførings-anordningen 60 omfatter et optisk element som er i og for seg kjent på området, f.eks. men ikke begrenset til,

en rekke speil eller reflekterende prismer.

Noen utførelsesformer for optiske elementer omfattende overføringsanordninger 60, er som eksempler vist på fig. 2. På fig. 2a omfatter overføringsanordningen 60 et reflekterende prisme 160 som omdirigerer pulser 40 inn i to adskilte pulstog 40' som blir videre reflektert av prismer 164 inn i laserforsterkningselementer 20 som pulseer 42.

På fig. 2b er prismet erstattet av en rekke prismer 162

som bryter på forhånd bestemte deler av pulsene 40 og omdirigerer disse til prismer 166. I denne utførelsesform vil endel av pulsene 40 fortsette langs samme optiske akse til forsterkningselementer som er sentralt plassert mellom de som mottar pulser fra prismene 166. På fig. 2c er prismene 162 og 166 erstattet av reflekterende flater eller speil 168.

I prinsippet kan en rekke stråledelere benyttes for å avskjære og omdirigere en på forhånd bestemt del av inngangspulsene 40 til hvert av laserforsterkningselementene 20. Imidlertid har V.G.Manishin og G.A.Pasmanik i artikkelen "Problem og Suppression of Interference Losses in Multi-channel Resonators with Wavefront-Reversing Mirrors" fra Soviet Journal of Quantum Electronics, bind 14(6), side

818, vist at denne teknikk krever at alle laserforsterkningselementer har stort sett identisk forsterkning for å forhindre interferenstap ved hver stråledeler. Et så strengt krav er vanskelig å tilfredsstille i praktiske systemer.

Av den grunn er dette en mindre foretrukket løsningsmåte. Det er også mulig å benytte fokuserende linser ved inn-gangen til laserforsterkningselementene, men dette gjør systemet mer innviklet og kan i virkeligheten innføre u-ønskede tap og aberrasjoner som man ønsker å unngå.

Forsterkningselementene 20 kan enkeltvis omfatte en av

en rekke typer laserforsterkningselementer eller lasermedier. Dette innbefatter fargestofflasere, kjemiske

lasere, glass og mange faststoffkrystaller. Generelt sett har medier som anvendes de tidligere nevnte iboende begrensninger når det gjelder volumskalering. Imidlertid behøver mediene ikke omfatte et materiale som har spesielle volumetriske egenskaper. Alle forsterkningselementene behøver heller ikke være identiske medier, bortsett fra at den samlende kopling krever en stort sett identisk arbeidende bølgelengde.

Forsterkningselementene 20 er vist skjematisk og viser ikke de enkelte energitilførselsforbindelser, bærekonstruksjoner eller andre strukturer som i typiske tilfeller benyttes for å danne laserforsterkningselementene. Disse detaljer vil gi seg selv for fagfolk og er nærmere beskrevet i den almindelige literatur.

Dimensjonsbetraktninger for konstruksjonen av laserforsterkningselementene 20 er ikke så strenge i laseren 10

som i tidligere laseranordning der man gjør forsøk på å koble parallelle forsterkningselementer. Faseforskjeller som fremkommer på grunn av forskjellige optiske banelengder og aberasjoner i forsterkningselementene blir automatisk utlignet i laseren 10. Som forklart videre i det følgende, vil evnen til å utligne for innbyrdes forskjell i optiske banelengder og andre fysiske parametere mellom forsterkningselementene 20, bety at et hvilket som helst element eller elementer 20 kan forandre seg i tidens løp i forhold til andre elementer uten å innvirke uheldig på laserens 10 utgang. I tillegg kan et gitt element eller elementer 20 byttes ut på grunn av svikt, vedlikehold eller kravene til systemet og laseren 10 justerer dynamisk for forandringen i forsterkningselementene. Dette er en fordel denne oppfinnelse har over tidligere kjente forslag til elektro-optisk fasemodulering som tidligere er omhandlet.

Det skal påpekes at for oversiktens skyld og bare for illustrasjonen av oppfinnelsen, ligger rekken av forsterkningselementer 20 på fig. 1 vist liggende bare i ett plan. Prinsippene i henhold til oppfinnelsen kan anvendes på en todimensjonal sats av forsterkningselementer, f.eks. en N ganger M sats av forsterkningselementer, der alle utganger fra disse settes sammen for å frembringe en enkel utgang med stort areal og ikke bare en 1 ganger N plant formet utgang. Dette oppnås ved å plassere laserforsterk-ningslementene 20 i en todimensjonal sats og ved å rette pulser 40 fra hovedoscillatoren 30 gjennom overføringsanord-ningen 60' og inn i tilstøtende plan for å drive satsen av forsterkningselementer 20.

Hvert forsterkningselement 20 forsterker pulsene 42, idet

de forplanter seg gjennom forsterkningselementet 20 ved prosessor som er forstått på fagområdet, slik at det fremkommer forsterkede pulser 44 som kommer ut gjennom blendene 24 og forplanter seg langs en optisk bane som strekker seg bort fra inngangsanordningen 60. Den forsterkede stråling eller pulsene 44 er nu rettet mot en fasekonjugert reflektor eller et speil 80.

For å rette pulsene 44 inn i den fasekonjugerte reflektor

80, kan man ha etter valg en koblingsanordnihg 7 0 langs den optiske bane mellom forsterkningselementene 20 og reflektoren 80. Dette er spesielt anvendelig der tverrsnittet eller inngangsblenden for den fasekonjugerte reflektor er meget mindre i areal enn pulsene 44 fra forsterkningselementene 20. Koblingsanordningen 70 omdirigerer pulsene 44 til pulser 46 som går inn i den fasekonjugerende anordning 80.

I praksis vil en fagmann på området benytte flere små optiske elementer for å fokusere strålingen inn i konjugeringsanordningen 80, som f.eks. flere små linser. Det er imidlertid fordelaktig å redusere antallet av adskilte komponenter som benyttes, for derved å redusere degraderingen av strålen, såvel som ytterligere tap og refleksjoner. I tillegg må optiske elementer justeres i forhold til av-stemningen av det optiske hulrom og ekstra elementer gjør dette arbeid meget komplisert. Elementer som f.eks. kan utgjøre overføringsanordningen 70, er de elementer som tidligere er vist på fig. 2, såvel som store enkeltlinser.

I den fasekonjugerende reflektor 80 blir pulsene 44 reflektert tilbake midlertidig inn i forsterkningselementene 20 langs den identiske bane strålingen med pulsene 44 tidligere gjennomløp. En fasekonjugeringsreflektor får til dette resultat ved den prosess som er beskrevet i de tidligere nevnte US patenter nr. 4.233.571 og 4.321.550, såvel som i literaturen, f.eks. "Applications of Optical Phase Conjugation", av C. R. Giuliano, i "Physics Today"

av april 1981.

Denne bruk av fasekonjugeringsreflektoren 80 muliggjør ytterligere forsterkning av pulsene 44 og sørger for en samlet kobling av de adskilte utganger fra forsterkningselementet. Dette oppnås av fasekonjugeringen ved det faktum at strålingen vil gjennomløpe stort sett samme bane ved returen gjennom forsterkningselementene 20 som de gjorde opprinnelig, bare i en temporær omvendt retning.

Av den grunn vil enhver variasjon i optisk lengde, medie-egenskaper og aberasjon som ble innført i eller ombøyet i bølgeformen for pulsene 44 og 46, bli subtrahert tilbake på det tidspunkt de igjen kommer ut som forsterkede pulser 48 og går sammen med pulsene 50 og danner en enkel utgangs-stråle 54. Da pulsene begynte som en enkel strålingskilde uten faseseparasjon, vil de endelige forsterkede pulser 50 også gå tilbake til denne fasetilpassede tilstand på grunn av fasekonjugeringen. Dermed finner det sted en samlet kobling av N forsterkede pulser som danner en ut-gangspuls hvis styrke er proporsjonal med N . Dette representerer en stor forbedring over tidligere teknikker.

Muligheten for å fjerne kjennetegnene fra de enkelte forsterkningelementer fra den forsterkede stråling, betyr også at enhver forandring i den optiske banelengdes egenskaper for hvert enkelt forsterkningselement blir fjernet. Dette gir laseren 10 muligheter til dynamisk justering

for forandringer i forsterkningselementet som tidligere omhandlet.

Den spesielle anordning som omfatter den fasekonjugerende reflektor 80 kan være en av en lang rekke anordninger som er kjent på dette felt, innbefattende, men ikke begrenset til, Stimulated Brilluoin Scattering (SBS) gass celler, Stimulated Råman Scattering celler eller krystaller så

som BaTi03- Prosessen med fasekonjugeringsfunksjonene er stort sett den samme i hver av disse typer av konjugerende medium, selv om mekanismen den oppnås med kan være noe forskjellig.

Oppfinnelsen krever ikke bruk av noe spesielt fasekonjugerende medium eller konstruksjon. For mange anvendelser kan imidlertid en type fasekonjugert reflektor ha egenskaper som gjør dens bruk meget fordelaktig. Som et eksempel er en foretrukken utførelse for fasekonjugeringsreflektoren en SBS celle. Denne type konjugator eller medium er å foretrekke fordi den, i motsetning til mange fasekonjugerte reflektorer, ikke krever ekstra strålingskilder for pumping av mediene, noe som kan være meget lite effektivt når det gjelder energi. Som et eksempel vil pumpeenergi-kravene for firebølgeblanding øke med laserinngangsenergien. Dessuten vil SBS prosessen medføre en meget mindre frekvensforskyvning for pulsene 46 enn man vil ha ved SRS. Denne frekvensforskyvning setter en grense for hvor godt aberasjoner og forskjell i optiske banelengder, kan bli utlignet.

I tillegg til dette, funksjonerer SBS cellene på en måte som i høy grad forbedrer ASE egenskapene for laseren 10.

Da SBS cellen virker som en terskelanordning som krever en minimum styrke før SBS refleksjon og fasekonjugering finner sted, blir svake ASE pulser ikke reflektert. Dermed blir ASE strålingen ikke ført tilbake til forsterkerene og dens styrke forblir meget liten.

Straks konjugering finner sted i den fasekonjugerende reflektor 80, blir pulser 46 reflektert tilbake gjennom anordningen 70 og gjennom blendene 24 inn i forsterkningselementene 20. Pulsene 46 blir igjen forsterket under det annet gjennomløp gjennom forsterkningselementene og kommer ut gjennom blender 22 som pulser 48. Pulsene 48 blir over-ført gjennom anordningen 60 for å danne en enkel utgangs-puls 50.

Det er ønskelig å hindre forsterkede pulser 50 i å komme inn i hovedisolatoren 30, der dette kunne skape store skader på hovedoscillatoren som har lav energi. For å få til en optisk isolasjon av hovedoscillatoren 30, kan pulsene 40 polariseres ved å benytte en polariserende stråledeler som en inngangsanordning 90 og deretter pulser 50 som modifiserer polariseringstilstanden. Modifikasjonen av polariseringen av pulsene 50 kan foregå ved bruk av anordninger som f.eks., men ikke begrenset til, kvartbølgeplater eller Faraday rotatorer. De foretrukne utførelsesformer som her er vist, har kvartbølgeplater. Denne teknikk er imidlertid spesielt anvendbar når det anvendes SBS medier for fasekonjugeringen. Firebølgeblanding og noen andre prosesser for fasekonjugering innfører polariseringsforandringer som krever en annen løsningsmåte.

Mens utførelsesformen på fig. 1 utnytter kvartbølgeplaten

92 ved siden av stråledeleren, er det ikke nødvendig at platen 92 sitter på akkurat dette sted. Kvartbølgeplaten kan plasseres andre steder i den optiske bane for pulsene 40, 42, 44, 46, 48 eller 50 og også deles videre opp i en rekke mindre kvartbølgeplater 292 som vist på fig. 4.

Prinsippene for foreliggende oppfinnelse er videre vist

på fig. 3, der en laser 110 er gjengitt med laserforsterkningselementer 20 og en enkel inngangs/overføringsanordning 190. På fig. 3 har de deler som svarer til deler på fig. 1 samme henvisningstall så som hovedoscillator 30, koblingsanordning 70 og fasekonjugerende reflektor 80. Imidlertid er funksjonen for den tidligere beskrevne overførings-anordning 60 og stråledeler 90, kombinert i et enkelt element, nemlig den polariserende stråledeler 190.

Strålingspulsene som forlater hovedoscillatoren 30 blir utvidet eller kollimert ved anvendelse av et teleskopisk element eller en kollimator 32 for å skape en stråle av pulser 40 med tilstrekkelig tverrnsitt til å virke sammen med alle forsterkningselementer 20. Dette gjøres fordi hovedoscillatoren avgir en høykvalitets stråle, begrenset nær opptil diffraksjonen, hvilken stråle i almindelighet er meget mindre enn det totale areal av blendene 22. Av den grunn må pulsene 4 0 utvikles og deretter forsterkes med høy kvalitet for å gi den endelige stråle. Imidlertid kan for noen anvendelser hovedoscillatoren 30 avgi en tilstrekkelig stor stråle for et tilstrekkelig lite antall forsterkningselementer for ikke å kreve ytterligere kollimasjon.

Kollimatoren 32 er dannet av optiske elementer som man

kjenner til på dette felt og som vanligvis benyttes for optisk pulskollimasjon. De valgte elementer bør imidlertid gi et så lavt optisk tap som mulig for å kunne opprettholde de energinivåer det tas sikte på. I tillegg kan et rom-filter 34 innføres i de optiske elementer som danner kollimatoren 32 for ytterligere å hindre retur av for-

sterket stråling inn i hovedoscillatoren eller for å forbedre strålens romkvalitet.

Etter kollimasjon blir pulsene 40 avskåret og omdirigert

ved refleksjon til forsterkningselementene 20 av den polariserende stråledeler 190. Pulsene 40 blir forsterket og blir til pulsene 44, 46, 50 som beskrevet ovenfor. Pulsene 50 samler seg nu til en sum for å skape utgangspulsene eller strålen 54.

I den optiske bane for pulsene 44 er det innsatt en enkel polarisasjonsrotator 192, vist anbragt mellom forsterkningselementene 20 og koblingsanordningen 70. Rotatoren 192 sørger for polarisasjonsrotasjon for pulsene slik at pulsene 50 vil passere gjennom den polariserende stråledeler 190 og ut av laseren 110.

En alternativ oppbygning for en laser i henhold til foreliggende oppfinnelse er vist på fig. 4, der det er gjengitt et laser 210. Som på fig. 3 har de elementer som svarer til elementet på fig. 1 samme henvisningstall så som hovedoscillatoren 30 og den fasekonjugerte reflektor 80.

På fig. 4 anvendes det en polariserende stråledeler 290

som inngangsanordning og en rekke kvartbølgeplater 292 er anbragt mellom forsterningselementene 20 og en linse 270

som virker som koblingsanordning. Denne kombinasjon virker på samme måte som den tidligere beskrevne kombinasjon av stråledeler 190 og polarisator 192 på fig. 3 for dirigering av pulser 40 inn i forsterkningselementene 20 og pulser 50 ut av laseren 210. I utførelsesformen på fig. 4 er imidlertid pulsene 40 ikke kollimatert før etter at de har gjennomløpt den polariserende stråledeler 290.

I denne utførelsesform er hovedoscillatoren 30 rettet inn

for å sende pulser 40 direkte inn i den optiske inngangs-bane for laserforsterkningselementene 20 i stedet for via en stråledeler 290, for så å omdirigere pulsene 40 ved refleksjon. I stedet reflekterer stråledeler 290 returnerende pulser 50 ut av laseren 210 og danner utgangen 54. I dette tilfelle kan en kollimator 232 anbringes etter stråledeler 290 for å utvide pulsene 40. Man skal imidlertid merke seg at kollimatoren 230 også sørger for fokusering av den returnerende forsterkede stråling, slik at utgangen 54

får et mindre tverrsnitt enn det totale blendeareal for forsterkningselementene 20.

En rekke reflektorer eller speil 262 anvendes som over-føringsanordning på fig. 4 for avskjæring av deler av pulsene 40 og dirigering av disse som pulser 42 mot forsterkningselementene 20.

Prinsippene for foreliggende oppfinnelse demonstreres i utførelsesformen som er vist på fig. 5.

For denne utførelsesform ble laserforsterkningselementene 320 i en laser 310 drevet av strålingspulser 40 fra hovedoscillatoren 30. Pulsene ble utvidet ved hjelp av et teleskopisk element 332 før de ble rettet mot laserforsterkningselementene 320 av en polariserende stråledeler 390. Et sylindrisk teleskop 394 ble også benyttet til å utvide pulsene 40 i en dimensjon (elliptisk) slik at hele strålen var tilstrekkelig stor til å fylle begge inn-gangsblender 320. En kvartbølgeflate 392 ble anbragt ved siden av stråledeleren 390 for å dreie polarisasjonen av de returnerende forsterkede pulser.

En rekke reflekterende prismer 362, 364 og 372, 374 ble benyttet som inngangsanordning 60 og koblingsanordning 70, for å dirigere strålepulser inn i og ut av forsterkningselementene 320.

Prisme 362 var anbragt i banen for kollimerte pulser 40 for å avskjære endel av disse som skal omdirigeres til et enkelt forsterkningselement 320. Det er klart at mer enn ett prisme 362 kan anbringes rundt omkretsen av den optiske bane av pulser 40 for å avskjære en på forhånd bestemt del av pulsene og for å dirigere dem til de andre forsterkningselementer. Dette innbefatter som tidligere ikke bare forsterkningselementer i samme plan som på fig. 5, men også forsterkningselementer som står i tilstøtende plan. Etter prisme 362 var det anbragt et prisme 364 for refleksjon av de omdirigerte pulser 40 inn i forsterkningselementene 320. Pulsene 40 ble så forsterket i laserforsterkningselementene 320 som var NdrYAG krystaller, montert i kommersielle laserhoder som hver innbefattet to lynlyslamper. Forsterkede pulser fra forsterkningselementene 320 ble reflektert av koblingsprismene 372 og 374 til en fasekonjugert reflektor 380. En fokuserende linse 382 ble benyttet for å fokusere pulsene i den fasekonjugerte reflektor 380 for å nå en terskelverdi og bevare en maksimal mengde av den totale stråleenergi. Deretter løper fasekonjugeringen av pulsene 46 tilbake til samme trinn ved å gå igjennom polarisatoren 392, deleren 390 og den utsendende laser 310.

Fig. 5 viser videre et ytterligere forsterkningselement 321 anbragt i serie med forsterkningselementene 320, for å sørge for ytterligere forsterkning for høyere gjennom-snitlig effekt uten økning av det totale tverrsnitt av utgangspulsene. Dette kan kreves for forsterkere med begrensninger ved lagring for den ønskede pulslengde, tømning, varmepåkjenninger etc. Imidlertid er ytterligere elementer 321 ikke nødvendige og de ble ikke benyttet i den virkelige anvendelse (ytterligere bølgelengder for avstemningsmuligheter i kilden 30, så som f.eks. den fargestofflaser der man på en effektiv måte får en annen bølgelengde uten omdannelse av laserene 320).

Utstyret på fig. 5 (uten elementet 321) ga den ønskede samlede kobling av forsterkningselementene 320 og frembragte et forbedret fordelingsmønster for fjern-felt energi.

Det som her er blitt beskrevet, er således en fremgangsmåte og en anordning til oppnåelse av samlet kobling av laserforsterkningsmedier som arbeider i parallell til frembringelse av en utgang med høy styrke.

Oppfinnelsen og de utførelsesformer som er beskrevet så langt, gir en fremgangsmåte og en anordning for samlet summering av flere laserforsterkningselementer for å danne en laserkilde med høy styrke. Ytterligere fordeler over tidligere kjente lasere og laserteknikker får man imidlertid ved bruk av spesielle typer medier eller fysiske oppbygnings-mønstere.

For faststoff laserforsterkningsmedier får man ytterligere fordeler når det gjelder størrelse, pumpeenergi og virknings-grad ved å anbringe forsterkningsmediene fysisk ved siden av hverandre og ved å forme en mer kompakt struktur. Med en slik oppbygning kan små sterke lasere, eventuelt bærbare, fremstilles. For å forbedre fremgangsmåten og anordningen som er beskrevet ovenfor, blir derfor enkeltkrystaller for faststoff lasermaterialer føyet sammen til en enkel monolittisk sats. En slik monolittisk sats er vist på fig. 6.

På fig. 6 er en rekke enkeltvise forsterkningselementer

600 satt sammen for å danne et monolittisk forsterkningselement 620. For oversiktens skyld er bare en sats på 1 x M vist. De enkelte forsterkningselementer 600 kan omfatte forskjellige faststoff lasermaterialer så som, men ikke begrenset til, Cr:Nd:GSAG, aleksandritt, NdrYAG, NdrYLF, NdrYAlO, CorMgF2, Ti r safir eller neodymium dopet glass

med NdrYAG som det foretrukne medium. Disse materialer er gode lasermaterialer som lider av de tidligere omhandlede volum-eller termiske begrensninger og er ikke gode når det gjelder utformning av laserforsterkere med store volum.

Krystallene kan føyes sammen med en eller annen av flere teknikker, f.eks. med en bæreramme som har kantstoppere i anlegg mot sidene av de ytre krystaller 605 og slik at disse spennes mot de indre krystaller. På hverandre føl-gende lag av forsterkningselementer 620 kan så settes

sammen ved hjelp av en rekke braketter som klemmer de

ytre lag mot de indre lag ved festemidler så som skruer.

Enhver slik ramme eller konstruksjon må ha tilstrekkelig uhindret adgang for pumpestråling til de faststoffmedier som benyttes.

En mer fordelaktig måte er å benytte krystaller med til-nærmt rektangulært eller kvadratisk tverrsnitt som vist på fig. 6 og føye krystallene sammen med et lim eller et bindemiddel. Bindemiddelet skal fortrinnsvis være ettergivende slik at det ikke overfører påkjenninger mellom sammenstøtende elementer. Ved denne utførelsesform har foreliggende oppfinnelse den fordel, sammenlignet med forsterkningselementer av enkeltvise store krystaller,

når det gjelder skallering av energi. En ytterligere faktor som begrenser volumet av faststoffmedier som kan benyttes, er størrelsen på de påkjenninger som oppstår. Normalt er den energi som kan innføres i et gitt volum av krystall eller glass, begrenset av at gjenstanden brister på grunn av påkjenninger. Mindre stykker med kvadratisk tverrsnitt satt sammen med et ettergivende materiale har mindre inn-vendige påkjenninger enn et enkelt krystall med det samme totale tverrsnitt.

Det stilles imidlertid ikke andre geometriske krav til formen på krystallene enn krav som skyldes hensiktsmessig produksjon. For krystaller som ikke er gitt rektangulært tverrsnitt men enten er sirkulære eller mangesidet så som sekskanter, kan krystallene anbringes i rader som låses sammen, f.eks. som i en bikube. Med en slik utforming kan krystallene være omgitt av en ramme eller en rekke stropper eller bånd som sørger for å holde krystallene sammen.

Slike inviklede former utvikler imidlertid varmespenninger og mulige problemer når det gjelder lasereksiteringen ved pumping og er i almindelighet ikke å foretrekke.

Selv om faststoff forsterkerelementet på fig. 6 øker stør-relsen og pumpearealet for lasere, vil anbringelse av de enkelte forsterkningselementer 600 direkte inntil hver-

andre uten mellomliggende komponenter som reflektorer,

hus, lynlyslamper, etc. kunne øke ASE og problemer som skyldes parasittisk modus. Slik ASE vil ha uheldig inn-virkning på laserens utgang som tidligere omhandlet.

ASE i de enkelte krystaller er ikke det eneste problem

for et monolittisk element 600. På grunn av de tilstøtende medier, kan ASE strålingen forsterkes idet den krysser på hverandre kryssende krystallgrenser og gjennom hvert krystall. Man må derfor ha midler som hindrer laserende modi som ikke er stort sett parallelle med hovedlaserings-modus for krystallene.

En løsning er å anbringe et absorberende materiale på ut-siden av krystallene før de bindes sammen. Dette kan gjøres ved å dope bindemiddelet med et materiale så som BDN, som benyttes til fremstilling av laser Q-koblende elementer. Et slikt materiale vil på en effektiv måte absorbere stråling ved på forhånd bestemte bølgelengder.

Hvis bindemiddelet for sammenføyning av forsterkningselementene 600 skal påføres som et meget tynt lag og/eller ikke kan blandes med et passende absorberende kjemisk stoff, da kan som et alternativ, et separat lag av materialet som f.eks. samarium dopet glass, innsettes mellom forsterkningselementene når satsen 620 lages. Sm:glasselementer 615 er vist i den monolittiske sats 620 på fig. 6, der de absorberer energi ved den prinsipale fluoressens fra neodynium.

Den fysiske dimensjonering av de enkeltvise forsterkere er ikke kritisk for den samlede laser som forklart tidligere.

En vanskelighet er imidlertid som nevnt tidligere, å ta hensyn til varmespenninger som kan oppstå undr drift, særlig med mange krystaller som har forskjellige dimensjoner eller fasthetsegenskaper. Selv om bruken av en sats av mindre krystaller byr på en fordel når det gjelder å avlaste påkjenninger, kan avstandsstykker (ikke vist) også settes inn i satsen mellom sammenstøtende forsterkningselementer 600 for å absorbere eller lede vekk noen av påkjenningene.

Etterat den er ferdig laget, blir faststoff lasersatsen

620 anbragt i en laser f.eks. som vist på fig. 7. Laseren 610 benytter en hovedoscillator 630 for å drive satsen 620 som fortrinnsvis er en Nd:YAG laserkilde.

Kollimeringsanordninger 632 utvider pulsene 40 som kommer fra hovedoscillatoren slik at en pulskilde med liten blende på en effektiv måte kan kobles til en større forsterkersats. Pulsene vil bli utvidet til et langstrakt elipseformet tverrsnitt for å drive en 1:M sats med forsterkningselementer 620. Større NxM satser kan benytte mer sirkulært utvidede pulser.

En polariserende stråledeler 690 dirigerer pulser 40 inn i satsen 620 der de forsterkes og der de kommer ut fra den annen side av satsen 620 som pulser 44. Disse pulser føres til en fasekonjugerende anordning 680, der den fasekonjugerte stråling blir returnert til satsen 620.

Et polariserende, roterende element 692 modifiserer polarisasjonen for de forsterkede pulser 48, slik at de diri-geres ut av laseren 610 av stråledeleren 690. Det er ikke noe krav at modifikasjonen av polariseringstilstanden skal finne sted på det punkt som er vist og elementet 692 for forandring av polarisasjonen kan anbringes mellom satsen 620 og den fasekonjugerende anordning 680.

Laseren 610 omfatter derfor en kompakt sats av laser-forsterkningsmedium som kan gi utgang med høy styrke med redusert størrelse og eventuelt redusert pumpeenergi.

På området for diodelasere kan ytterligere fordeler oppnås når det gjelder størrelse og høy styrke, ved å anvende en kompakt konstruksjon av parallelle forsterkningselementer. Som omhandlet tidligere, omfatter de nuværende løsnings-måter når det gjelder kobling av laserdioder, bruk av hurtig svinnende kobling, der de hurtig svinnende felt overlapper i et medium mellom laserkanaler som støter inntil hverandre. Bortsett fra de tidligere omhandlede problemer som gjelder faseforskjøvne modi, oppstår det imidlertid ytterligere problemer ved denne løsningsmåte.

For det første kan det mellomliggende medium mellom sammen-støtende laserkanaler være tapsbringende og absorbere energi som ligger i dette område, noe som reduserer den energi som står til rådighet for utgangen. Der hurtig svinnende felt har en høy grad av overlapning, vil det ligge en større energimengde i det tapsbringende område, noe som vil senke den gjennomsnitlige verdi eller toppverdien for utgangen. For modi der de hurtig svinnende felt er 18 0° ute av fase, vil tapet i det mellomliggende område være mindre, men fjern-feltutgangen vil være dårlig og det er fjern-feltutgangen som er viktig for forskjellige kommersielle eller militære anvendelser.

Et annet problem som oppstår, er at det finnes en grense for hvor mange sammenstøtende kanaler man på en effektiv måte kan koble sammen ved anvendelse av hurtig svinnende felt. Den nøyaktige grense avhenger av oppbygningen av diodesatsen, men meget store satser som kreves for å oppnå høy styrke, synes ikke å være mulige.

Det er dessuten et problem med laserdioder at det er en grense for den energitetthet som kan opptas av diodeblendene før det oppstår fysisk skade. Denne begynnelse av skade er en annen begrensning for den energimengde som kan være utgangen i vanlige laserdioder.

Ved å benytte fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, er begrensningene som skyldes hurtig svinnende kobling og faseforskjøvede modi overvunnet med en diodelaserkonstruk-sjon som i høy grad forenkler oppbygningen og øker energiutgangen uten skade på blenden.

På fig. 8 er det vist en laser 710 med en sats 720 av diodelasere 700 som de parallelle laserforsterkningselementer. Laserdiodene anvendes som forsterkere i et MOPA mønster, svarende til det som er vist på fig. 3. Her blir diodene drevet av en enkel hovedoscillatorkilde 730 og ikke benyttet som enkeltvise oscillator lasere. Dette betyr at diodene 700 stort sett er forsynt med blender med lav innvendig refleksjon, slik at stråling passerer gjennom diodehulrommene under forsterkningen i stedet for å svinge som i en hulromsresonator. Dette kan oppnås ved bruk av antireflekterende belegg.

I denne utførelse avgir hovedoscillatoren 730 strålingspulser 740 til diodelasersatsen 720 gjennom en kollimator 732, polariserende stråleleder 790 og sylindrisk linse 760. For mange anvendelser drives laseren 710 i en kontinuerlig bølgemodus (CW). Det er imidlertid nødvendig å lede vekk varme under drift og ved høyere energitettheter blir dette en begrensning. For oversiktens skyld er derfor foreliggende oppfinnelse beskrevet anvendt under drift i en pulsmodus.

Hovedoscillatoren 730 kan omfatte en rekke forskjellige samlede strålingskilder som er kjent fra området, f.eks., men ikke begrenset til, en annen diodelaser. Bruken av en diodelaser som hovedoscillator 730 er å foretrekke siden dette muliggjør en mer kompakt laser 710 som forklart nærmere i det følgende.

Pulser 740 som forlater hovedoscillatoren 730 blir utvidet eller kollimert ved hjelp av et teleskopisk element 732, slik at man får en stråle med tilstrekkelig tverrnsitt til å samvirke med diodesatsen 720. Dette gjøres fordi hovedoscillatoren 730 avgir en høykvalitetsstråle nær opp til diffraksjonsgrensen og den er mindre enn det samlede areale av de forstende blender. Hvis en diodelaser anvendes som hovedoscillator 730, vil man også kunne ha problemer som er knyttet til en meget divergent utgang fra den meget lille blende. Dette kjente fenomen begrenser styrken fra hovedoscillatoren 730 på grunn av den store vinkel som utgangen står overfor. De teleskopiske elementer som anvendes som endel av kollimatoren 732, vil fjerne denne divergens.

I tillegg er det viktig å oppnå metning av diodelaserens forsterkningselementer når pulsene 740 og 746 forsterkes. Dette er ønskelig for å få en effektiv høyenergiutgang

ved kobling av så meget energi som mulig inn i de forsterkede pulser 750. Hvis forsterkningselementene arbeider under metning, vil laseren 710 kunne avgi en diffraksjons-begrenset stråle med utilstrekkelig styrke. Av denne grunn er det ønskelig å ha en hovedoscillator med tilstrekkelig energi til å mette forsterkningslementene 700. Det er også ønskelig å redusere divergensen av pulser når det anvendes en diodelaser som hovedoscillator 730. Hvis en laser som benytter en sats av forsterkningselementer, frembringer en høyenergistråle nær diffraksjonsgrensen som ikke er tilstrekkelig sterk, kan den benyttes som en hovedoscillator for en annen laser for å sørge for metning av de forsterkningselementer det gjelder og utgang med høy styrke.

Pulsene 742 kommer inn i diodesatsen 720, der de blir forsterket og de slipper ut fra diodesatsen som pulser 744. Pulsene 744 blir på nytt fokusert ved hjelp av en sylindrisk linse 770 og ført gjennom en kvartbølgeplate 792, før de av en linse 782 blir ytterligere fokusert av en linse 782 mot den fasekonjugerende anordning 780. Bruken av en kvartbølgeplate for å modifisere polariseringstilstanden for pulsene, er også her velegnet for visse typer fasekonjugerings-prosesser så som SBS. Denne type prosesser forandrer ikke polariseringstilstanden for inn-inngangspulsene. Imidlertid kan andre prosesser og fremgangsmåter så som firebølgeblanding forandre polariseringstilstanden for inngangspulsene, noe som krever en alternativ teknikk for modifisering av polarisasjonen.

Etter konjugering går pulsene 746 tilbake til diodesatsen 720 der de blir ytterligere forsterket og går ut gjennom linsen 760. Da kvartbølgeplatene ble innsatt i banen for pulsene, er de nu både forsterket og polarisasjonsrotert slik at den polariserende stråledeler 790 reflekterer pulsene 750 ut av laseren 710 som utgangsstrålen 754.

Diodelasersatsen 720 kan omfatte en rekke forskjellige diodelasermedier. En rekke enkeltvise dioder og deres tilhørende spenningsledninger etc. kan være festet i en ramme for å danne en sats 720. En annen teknikk ville være å fremstille en rekke diodekanaler på en enkelt underlag for å danne lxM satser.

Vanlige diodelasere omfatter minst tre lag av materialet

så som AlxGai_xAS på et underlag så som GaAs. Ved å kontrollere aluminium-og galliumkonsentrasjonene eller materi-alsammensetningen i hvert lag, kan brytningsindeksene for lagene tilpasses nøye for å holde strålingen i det midterste lag. I tillegg kan materiallagene så benyttes for å danne elektriske kontakter til drift av dioden som en laser.

Mer detaljerte forklaringer og informasjoner om oppbygningen og driften av diodelasere finnes i "Hetrostructure Lasers" av H. C. Casey Jr. og M. B. Panish, Academic Press, 1978.

For å redusere laservirkningen langs uønskede akser og kravene til driftstrøm såvel som andre egenskaper, er typiske diodelasere "kanalstyrt". Kanalstyring har man der et bølgelederområde dannes i lasermediet for å holde lasermodi innenfor et sentralt beliggende smalt volum. Dette oppnås med en rekke forskjellige teknikker, der bølgelederrygger eller strømførende ledestrimler er avsatt som endel av laserdiodens oppbygning. En sats med flere vanlige dioder omfatter derfor en sats av slike kanaler som videre omfatter en sats av rygger eller strøm-strimler. Det er ved foreliggende oppfinnelse tatt sikte på en annen fremstillingsmåte.

Ved foreliggende oppfinnelse, som ytterligere vist på

fig. 9, blir tre materiallag 804, 806 og 808 avsatt på

et underlag 802 for å danne en diodelasersats 820. De materialer som utgjør lagene 804, 806 og 808 kan være laasermaterialer som f.eks., men ikke begrenset til, GaxIni_x, PyAsi_xAs. Et typisk underlagsmateriale 802 vil være GaAs. Materialet i lagene 804, 806 og 808 kan avsettes på underlaget 802 med forskjellige teknikker innbefattende metallorganisk, kjemisk pådampning (MOCVD), molekylær stråleepitaksi (MBE) eller væskefaseepitaksi (LPE). Laget 806 blir avsatt i en tykkelse på omtrent 0,1 um, noe som er typisk for laserdioder, selv om andre dimensjoner kan benyttes, avhengig av anvendelsen.

I den oppbygging som er vist på fig. 9 skal hele laget 806 ta del i laservirkningen. Ingen ytterligere bølge-lederrygger eller strømførende strimler benyttes for å smalne av laserområdet ned til en rekke små kanaler. Vanlige AlGaAs diodelasere har vist seg å ha levetider rundt 10.000 timer når de arbeider med avgitte energitettheter av en størrelsesorden på 10 kW pr. cm^. Av den grunn vil den store blende for laseren i henhold til foreliggende oppfinnelse kunne muliggjøre utgangsstråler med toppverdier av størrelsesorden 10 kW eller mer. Samtidig blir utgangsenergien fordelt over en større blende og hindrer skade på blenderen ved høye energier.

Den totale bredde og lengde på lagene 804, 806, 808 er ellers ikke kritiske, bortsett fra når det gjelder de tidligere omhandlede parasittiske modi og ASE. Dimensjoner av størrelsesordenen 1 til 2 mm er fornuftige for å forhindre ASE i å tømme områder i lasermaterialet og i å degradere utgangen i særlig utstrekning. Denne dimensjon avhenger av lasermaterialet og dopenivåene som velges. Av den grunn blir lagene 804, 806, 808 avsatt på et underlag 802 som er av størrelsesordenen 2 mm lang målt parallelt med den ønskede laserakse. Imidlertid er underlaget 802 og lagene 804, 806, 808 avsatt i bredder (perpendikulært på laseraksen) av størrelsesordenen flere millimeter for å få til en meget stor blendeutgangsstråle som er samlet og summert for å danne en enkel utgangs-stråle.

For å redusere ASE modi på tvers av breddedimensjonen av diodelasersatsen 802, er et spor eller en åpning 815 ut-formet gjennom lagene 804, 806, 808 for optisk isolasjon av tilstøtende lasermaterialeområder.

Et spor av denne art kan konstrueres på flere måter

f.eks. ved ionestråleetsing eller maskering og kjemisk etsing. Dimensjonene på sporet 815, dybde og bredde er avhengig av den lagrede energi mellom på hverandre følgende spor. Jo høyere den lagrede energi er, jo bredere må den isolerende avstand være. Sporene må hindre optisk kobling av parasittiske modi eller ASE på tvers av separate områder i mediene i laget 806. Et utførelseseksempel kan innbefatte spor som ligger i en avstand fra hverandre på omtrent 1 mm eller mindre.

På denne måte omfatter diodesatsen 820 en sats av diode-laserblender som er fordelt på et felles underlag 802.

For illustrasjonens skyld er diodesatsen 820 vist som en konstruksjon i ett plan. Flere underlag 802 med tilhørende lag 804, 806, 808 kan legges sammen for å danne en todimensjonal N ganger M sats av diodeblender.

Som forklart tidligere er det fordelaktig å benytte en laserdiode som hovedoscillator 730 ved konstruksjonen av en laser 710 med høy styrke. En første fordel oppnes ved at arbeidsbølgelengden for laseren 710 kan avstemmes selektivt ved å endre innføringsstrømmen for diodene.

En annen fordel er at ved å benytte elementer som er

laget av halvledermaterialer sammen med integrerte optiske kretsteknikker, kan hele laseren 710 bygges opp på et enkelt underlag. Ved denne anvendelse kan linsene fremstilles i form av plane optiske bølgelederkonstruksjoner, svarende til de som vanligvis benyttes i geodesiske linser. Bølgeledere kan benyttes for å koble pulsene fra hovedoscillatoren 730 inn og ut av laserdiodesatsen 720 og andre bølgelederkonstruksjoner benyttes som fasekonjugerende anordning.

Fig. 10 viser en forenklet skjematisk gjengivelse av en laser 910 bygget etter de prinsipper som er omhandlet ovenfor på en stor halvlederskive. På fig. 10 innbefatter hovedoscillatorens diodelaser 930 de nødvendige materiallag avsatt på et underlag 900. Diodelaseren 930 frembringer pulser som blir dirigert til den forsterkende laserdiodesats 920 som også er avsatt på underlaget 900,

av en avsmalnende plan bølgeleder 935. Bølgelederen 935

er avsatt som en rekke optisk gjennomslippende material-

lag på underlaget 900. I alternativet kan en linse benyttes for å koble pulsene inn i satsen 920. Pulsene blir forsterket og eksiterer diodene der en linse 970 dirigerer dem til en fasekonjugerende anordning 980.

Linsen er formet som en nedtrykning i underlaget under

et plant bølgelederområde 972. Mellom fasekonjugeringsanordningen 980 og linsen 970 er det avsatt en polarisasjons-modif iserende anordning 992 som endrer polariseringen av de pulser som forsterkes. Mellom hovedoscillatoren og diodesatsen 920, sitter en retningskobler som leder energi ut av laseren 910 langs bølgelederen 995, avhengig av polariseringen av de pulser som krysser koblingen. En polarisasjonsstyreanordning 933 kan benyttes for å få til

den første polarisering av pulser fra hovedoscillatoren 930.

Den fasekonjugerende anordning 980 kan også bygges opp som en tilstøtende bølgeleder som kunne være en bølgeleder med hul kjerne, fylit med et medium som gjennomgår SBS eller SRS prosesser. Som et alternativ oppviser flere typer optiske bølgelederfibere av glass SBS eller firebølge-blandingsfenomener for tilstrekkelige strålingsstyrker.

I den foreliggende oppfinnelse blir strålingen frembragt ved og fokusert ned til små blendestørrelser, slik at SBS og SRS tersklene lett nåes.

I denne siste utførelse kan en polarisasjonsroterende anordning f.eks. en kvartbølgeplate anbringes ved over-gangen mellom fibere og den gjenværende bølgelederkonstruk-sjon for dermed å kunne modifisere polarisasjonen.

På denne måte vil en laserkilde 910 med høy styrke avgi

en difraksjonsbegrenset utgang med høy energi fra meget kompakt utstyr.

Den foregående beskrivelse av foretrukne utførelsesformer er bare presentert som illustrasjon og beskrivelse. Den er ikke beregnet på å være uttømmende eller på å begrense oppfinnelsen til nøyaktig de former som er vist og mange modifikasjoner og endringer er mulige i lys av den lære som er gitt i det foregående. Utførelsesformenene ble valgt og beskrevet for på beste måte å forklare prinsippene ved oppfinnelsen og dens praktiske anvendelse, for derved å sette andre fagfolk istand til på beste måte å utnytte oppfinnelsen i forskjellige utførelsesformer og med forskjellige modifikasjoner som er tilpasset den spesielle anvendelse det tas sikte på. Det er meningen at opp-finnelsens omfang skal være den som er angitt i kravene og ekvivalenter av disse.

Claims (32)

1. Laseranordning (10; 110; 210), innbefattende en koherent hovedoscillator-strålingskilde (30), en rekke forsterkerelementer (20) for laserenergi, hvor hvert forsterkerelement har en første blendeanordning (22) for å motta stråling (42) og sende forsterket stråling (48) og har en andre blender (24) for sending av forsterket stråling (44) og motta dens fasekonjugerte, fasekonjugerte reflektoranordninger (80) for å reflektere den fasekonjugerte av forsterket stråling sendt av hver av nevnte andre blendeanordningene (24), og utgangskobleanordninger (90, 92; 190, 192; 290, 292) for kobling av forsterket stråling fra nevnte flerhet av forsterkningselementer (20) som en enkel koherent utgangs-stråle (54), karakterisert ved inngangsanordning (90, 60; 190, 192; 290, 262) for kobling av en på forhånd bestemt del av strålingen fra hovedoscillatoren (30) til hver av de nevnte første blendeanordningene (22) , og hvor utgangskobleanordningene mottar den forsterkede strålingen (48) fra hver av de første blendeanordningene (22) , idet inngangskobleanordningene, forsterkningselementene , reflektoren og utgangskobleanordningene er anordnet slik at strålingen (48) fra hver av de første blendeanordningene er hovedsakelig i fase.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at flerheten med laserenergiforsterkningselementene (20) innbefatter faststofflaserelementer (620).

3. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at faststoff-forsterkningselementene omfatter en N ganger M sats av faststofflaserkrystaller (620) som er forbundet med hverandre i en enkel monolittisk forsterkningskonstruksjon (620).

4. Anordning som angitt i krav 3, karakterisert ved at faststofflaserkrystallene (620) er valgt fra gruppen som omfatter Cr:Nd:GSAG, aleksandritt, NHdiYLF, Nd:YA10, Co:MgF2, eller Ti:safir.

5. Anordning som angitt i krav 3, karakterisert ved at den omfatter et ettergivende bindemiddel anbrakt mellom laserkrystallene (620) for å føye dem sammen til en monolittisk forsterkningskonstruksjon (620).

6. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at den omfatter isolasjonsanordninger (615) mellom laserkrystallene for i stor utstrekning å hindre optisk kobling av forsterket spontan emisjon stråling mellom sammenstøtende forsterkningselementer (600) i den monolittiske konstruksjon (620).

7. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at isolasjonsanordningen (615) omfatter et materiale for absorbsjon av stråling ved driftsbølgelengden for forsterket spontan emisjon, frembrakt i laserkrystallene (600), blandet med det nevnte bindemiddel.

8. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at isolasjonsanordningen (615) omfatter et lag av høykvalitetsglass dopet med et materiale for å absorbere stråling ved driftsbølgelengden for forsterket spontan emisjon, frembrakt i laserkrystallene, blandet med bindemiddelet .

9. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at den omfatter avstandsmidler (615) mellom medium-elementene (600) for å danne kanaler til bortledning av varme.

10. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at flerheten med laserenergiforsterkningselementer (20) innbefatter en sats med diodeforsterkningselementer (820) .

11. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at satsen av diodeforsterkningselementer omfatter: første, andre og tredje materiallag som er påført et underlag der det annet av lagene er istand til å understøtte laserstråling ved eksitering med en pumpestrøm påtrykket over alle tre lagene og med brytningsindekser for hvert av lagene styrt for å holde den optiske stråling i det nevnte annet lag og optiske isolasjonsspor som strekker seg ned gjennom alle tre lag til underlaget for optisk isolerende område i det annet lag i tilstøtende områder med adskilte blender der sporene er anbrakt med regelmessige mellomrom på tvers av overflaten av materiallagene, hvilke mellomrom er bestemt på forhånd av den energimengde som er lagret i et gitt område i det annet lag.

12. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at materiallagene omfatter AlxGai_xAs, der verdien for x er valgt slik at brytningsindeksen for det annet lag er større enn for det første og tredje lag.

13. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at materiallagene omfatter GaxIn1_xPyAs1_y der verdiene for x og y er valgt slik at brytningsindeksen for det annet lag er større enn for det første og tredje lag.

14. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at sporene er fremstilt ved ionestråleetsing.

15. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at hovedoscillatoren omfatter en sats av diodeforsterkningselementer drevet av en andre hovedoscillatorkilde med en fasekonjugeringsanordning som er driftsmessig koblet til forsterkningselementene for å returnere den fasekonjugerte av den forsterkede stråling til elementene der den blir ytterligere forsterket og sendt ut fra forsterkningselementene, og er koblet ut av hovedoscillatoren med utgangsanordninger.

16. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at hovedoscillatoren, satsen av diodeforsterkningselementer, inngangsanordningen, fasekonjugeringsanordningen og utgangskoblingsanordningen er anbrakt på en enkel storskalaintegrert kretsskive.

17. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at fasekonjugeringsanordningen videre omfatter optiske fiberbølgeledere.

18. Anordning som angitt i krav l eller 2, karakterisert ved at den innbefatter kollimasjonsanordninger (32; 232) anbrakt slik at strålingen (40) fra hovedoscillatoren (30) utvides for så å bli avskåret av alle de nevnte første blender (22).

19. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at inngangsanordningen omfatter en polariserende stråledeler (90; 190; 290).

20. Anordning som angitt i krav 2 eller 10 eller 19, karakterisert ved at utgangsanordningen (90, 92; 190,

192; 290, 292) omfatter en polarisasjonsmodifiserende anordning (92; 192; 292) for å modifisere polariseringstilstanden for den forsterkede stråling (50) som videreføres av den nevnte første blende (22) for forsterkningselementene i forhold til den uforsterkede inngangsstråling (40), for dermed å bevirke at den forsterkede stråling (50) blir dirigert ut av laseren (10; 110; 210) av den polariserende stråledeler (90; 190; 290).

21. Anordning som angitt i krav 20, karakterisert ved at den polarisasjonsmodifiserende anordning (90; 192;

292) omfatter en kvartbølgeplate.

22 . Anordning som angitt i krav 20, karakterisert ved at den polarisasjonsmodifiserende anordning (92; 192;

292) omfatter en Faraday rotator.

23 . Anordning som angitt i krav l, karakterisert ved at laserforsterkningselementene (20) er plassert slik at de danner en N ganger M todimensjonal sats.

24. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved fokuseringsanordninger (270) for fokusering av strålingen (44) fra den annen blender (24) i forsterkningselementene (20) inn i en fasekonjugator (80).

25. Anordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at den fasekonjugerende anordning (80) omfatter en stimulert Brillouin spredecelle.

26. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at fasekonjugeringsanordningen (80) omfatter en firebølgeblander.

27. Anordning som angitt i krav 1 eller 10, karakterisert ved at den omfatter inngangsoverføringsanord-ninger (60; 160; 262) for kobling av strålingen (40) fra hovedoscillatoren (3 0) og inngangsanordningen (90; 190; 290) til de første blender (22) for forsterkningselementene (20), anbrakt langs den optiske bane mellom inngangsanordningen (90; 190; 290) og de første blender (22).

28. Anordning som angitt i krav 27, karakterisert ved at inngangsoverføringsanordningen (60; 160) omfatter en rekke sterkt reflekterende flater (160, 162, 164, 166,

168; 262) rettet inn slik at de dirigerer på forhånd bestemte deler av strålingen (42) til hver av de første blender (22).

29 . Anordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at den omfatter konjugerte overførings-anordninger (70, 192; 270, 292) for kobling av stråling mellom de andre blender (24) for forsterkningselementene (20) og at den fasekonjugerende anordning (80) er anbrakt langs den optiske bane mellom de nevnte andre blender (22) og konjugeringsanordningen (80).

30. Anordning som angitt i krav 29, karakterisert ved at den konjugerte overføringsanordning (70, 192; 270,

292) omfatter en rekke reflekterende prismer som er anbrakt slik at de avskjærer strålingen (44) fra de andre blender (24) og reflekterer den inn i den nevnte fasekonjugerende anordning (80).

31. Anordning som angitt i krav 2 eller 10 eller 30, karakterisert ved at den omfatter fokuseringsanordninger (270) for fokusering av forsterket stråling (44) fra den konjugerte overføringsanordning (70, 192; 270, 292) til fasekonjugeringsanordningen (80).

32. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter fokuseringsanordninger (270) for fokusering av forsterket stråling (44) fra den nevnte andre blender (24) inn i fasekonjugeringsanordningen (80).