NO180800B - Optisk bölgelengdeforskyver og pulskompressor - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører lasersystemer som anvender en Raman-celle for (1) å forflytte laserfrekvens og (2) å korte laser-pulsvarigheten. Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen en optisk bølgelengdeforsyver og pulskompressor.

To publikasjoner som beskriver eksperimenter utført av to grupper av forskere under anvendelse av intrahulroms Raman-oscillatorer vil bli omtalt. Med hensyn til den første publikasjon, F. deRougmont, Ding Kong Xian, R. Frey og F. Pradere, i "High Efficiency Pulse Compression With Externally Pumped Intracavity Råman Oscillators", Optics Letters, Volume 9, No. 10, side 460, 1984, omtaler et system som er vist i fig. 1. I den figuren er tre lysfrekvenser vist ved hjelp av tre forskjellige typer av tegningslinjer. Laserpumpingsstrålen, som har en frekvens av 14.404 cm-<1>, er vist med heltrukken linje 3. Den første Stokes-strålen, 10.249 cm-<1>, er vist med punktert linje 6. Den andre Stokes-strålen, 6.094 cm-<1>, er vist med den stiplede linjen 9. Speilene 12 og 15 definerer endene av et resonanshulrom som har resonans på den første Stokes-frekvensen. Et Raman-medium 18, i form av hydrogen i gassform på 40 atmosfærer trykk, er anbrakt i resonanshulrommet.

Speilene 21 og 24, som befinner seg innenfor resonanshulrommet, er reflekterende på den første Stokes-frekvensen, men er transmitterende på både pumpingsfrekvensen og den andre Stokes-frekvensen, som angitt ved passeringen av både den heltrukne linjen 3 og den stiplede linjen 9, gjennom speilene 21 og 24. Andre speil og detektorer som ble anvendt til å måle de tre lysstrålene er ikke vist i fig. 1.

To forskjellige typer av eksitering for Raman-medium 18 opptrer i fig. 1. I én type genererer en rubinlaser 27 en pumpingspuls som injiseres i resonanshulrommet som angitt med pil 30. I den andre eksiter ingstypen, blir en andre, injiseringspuls (av tre millijoule energi, tre nanosekunds varighet, og på den første Stokes-frekvensen) angitt med pil 33, også injisert i hulrommet, akkurat forut for injiseringen av pumpingspulsen 30. Den injiserte pulsen 33 utledes fra pumpingspulsen ved hjelp av apparatur som er angitt med blokk 36, som avsplitter injiseringspulsen fra pumpingspulsen, former den og forsterker den.

De eksperimentelle resultater som er oppnådd ved hjelp av disse fire forskere er vist i fig. 2. Figurene 2Å-D, omfattende den venstre kolonnen i figuren, illustrerer plottinger av intensitet i forhold til tid over de tre laserstrålene i fig. 1, hvor både pumpingspulsen 30 og injiseringen som er vist med pil 33 i fig. 33 opptrer. Den høyre kolonnen, som innbefatter fig. 2A'-D' illustrerer sammenlignbare plottinger, men kun med pumping (dvs. uten injisering). Nærmere bestemt viser fig. 2A og A' intensitet i forhold til tid for pumpingspulsens 30 oppførsel, målt omtrentlig ved punkt 39 i fig. 1. Dessuten ble målingen tatt i begge tilfeller med hydrogen fraværende fra Raman-cellen 18. Plottingene i fig. 2A og A' er praktisk talt identiske, samsvarende med fraværet av Raman-spredning på grunn av fraværet av hydrogen. Fig. 2B og B' illustrerer intensiteten av pumpingspulsen 30, igjen på punkt 39, men i nærværet av 40 atmosfærers hydrogen i Raman-cellen. Slik som fig. 2B indikerer, bevirker nærværet av hydrogen en utarming i pumpingspulsen (f.eks. på regionen 42) og dessuten oppnås en større utarming i nærværet av den injiserte pulsen 33 i fig. 1, som vist med fig. 2B. Fig. 2C og C illustrerer intensiteten av den første Stokes-frekvensen, målt på omtrentlig region 45 i fig. 1. Fig. 2D og D' illustrerer intensiteten av den andre Stokes frekvensen, målt omtrentlig på region 48 i fig. 1. I disse sistnevnte to figurer er varigheten av den andre Stokes-pulsen omtrentlig to nanosekunder.

Derfor blir denne publikasjon betraktet som å illustrere bruken av hydrogen som et Raman-medium, idet mediet befinner seg innenfor hulrommet som har resonans på den første Stokes-frekvensen for hydrogen, og hvorfra den følgende skifting av bølgelengde og pulskompresjon oppnås: en pumpingspuls som har full bredde på halvt maksimum av 25 nanosekunder, og en frekvens av 14.404 cm-<*>ble forflyttet og komprimert til en andre Stokes-puls med varighet av ca. 2 nanosekunder, på en frekvens av 6.094 cm-<1>. Førstnevnte er vist i fig. 2A og A', mens sistnevnte er vist i fig. 2D og D'.

En andre publikasjon er R. Frey, A. deMartino og F. Pradere, "High Efficiency Pulse Compression With Intracavity Råman Oscillators", Optics Letters, Volume 8, No. 8, side 437, 1983. I den publikasjonen omtales apparaturen i fig. 3. Speil 50 og 53 definerer endene av et hulrom som har resonans på pumpingsfrekvensen, som er den samme frekvens som den i den foregående publikasjon, nemlig 14.404 cm-<1>. En rubinlaser 56 injiserer optisk energi inn i dette resonanshulrom. En Q-svitsj 59 utarmer Q'en for resonanshulrommet. Innenfor dette resonanshulrommet befinner det seg et par Raman-celler 62 og 64 som inneholder trykksatt hydrogen. Speil 67 og 70 er reflekterende på pumpingsfrekvensen som angitt med refleksjonen av laserstråle 73, men er transmitterende til den første Stokes-frekvensen som er vist med punktert linje 76.

Et andre hulrom, benevnt et Stokes-hulrom ble skapt av speil 79 og 82. Speil 82 er 100% reflekterende på den første Stokes-frekvensen (som er 10.249 cm-<1>, slik som i den første publikasjonen), mens speilet 79 har en fire prosents refleksjonsevne på den første Stokes-frekvensen, hvorved det er meget transmitterende på denne frekvens.

Fig. 4 illustrerer tre pulsprofiler som oppnås på pumpings og Stokes-frekvensene. Fig. 4A illustrerer en intensitet-i-forhold-til-tid profil for pumpingspulsen med speil 79 og 82 fjernet. Intensiteten ble målt omtrentlig på punkt 85 i fig. 3. Fig. 4B illustrerer pumpingspulsintensiteten, men med speil 79 og 82 installert, hvorved tilveiebringes et Stokes-hulrom mellom disse. Fig. 4C illustrerer utmatningen på den første Stokes-frekvensen, målt omtrentlig ved region 88 i fig. 3. En tidsskala lik 10 nanosekunder er angitt i fig. 4.

De faktiske nummeriske data som tilveiebringes i denne publikasjon indikerer at en pumpingspuls med 40 nanosekunders varighet og 260 millijoules energi forskyves og komprimeres til en første Stokes-f rekvenspuls, vist i fig. 4C, med seks sekunders varighet og 162 millijoules energi. Derfor angir denne publikasjon bruken av et resonanshulrom som har resonans på pumpingsfrekvensen og inneholder et Raman-medium i form av trykksatt hydrogen i gassform, for å tilveiebringe en frekvensforflyttet, komprimert puls på den første Stokes-frekvensen av Raman-mediet.

I motsetning omtalte den første publikasjonen et resonanshulrom som har resonans på den første Stokes-frekvensen for hydrogen og den komprimerte pulsen ble oppnådd på den andre Stokes frekvensen.

Fra Journal of Applied Physics, vol.48, nr. 5, mai 1977, American Institute of Physics, E.O. Ammann et al.: "0.9-W Råman oscillator" side 1973-1975 er kjent en laseranordning for å frembringe stimulert Raman-spredning. Et speil anbringes på begge sider av Raman-hulrommet, men disse speil blir imidlertid anvendt for å tillate en andre Stokes frekvens å bli sendt utad. Der finnes ingen speil anbragt på begge sider av Raman-mediet for å tillate den første Stokes frekvensen å bli sendt utad, og det fremgår heller ikke av den nevnte publikasjon noe middel for å fokusere lys innenfor Raman-mediet.

Til ytterligere belysning av kjent teknikk vises generelt til US-A 3.668.420 og FR-A-2.542.104.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en forbedret optisk bølgelengdeforskyver og pulskompressor.

Ifølge oppfinnelsen kjennetegnes en slik optisk bølgelengde-forskyver og pulskompressor ved at den omfatter de følgende, optiske elementer anordnet på en felles optisk bane i den følgende rekkefølge: a) et laseroperasjonsmedium for å levere lys på en pumpingsfrekvens, b) idet nevnte laseroperasjonsmedium har en overflate i en ende som er reflekterende overfor lys på pumpingsfrekvensen, c) en 0 svitsj for å sende lys fra nevnte laseroperasjonsmedium på pumpingsfrekvensen, d) et element som mottar lys fra Q-svitsjen, idet elementet er transmitterende for lys på pumpingsfrekvensen og reflekterende for lys på en første Stokes-frekvens,

e) en fokallinse for å fokusere lys fra elementet,

f) et Raman-medium som utstråler på den første Stokes-frekvensen som reaksjon på lys på pumpingsfrekvensen fra

fokal-linsen, og

g) en utgangskopler som mottar lys fra nevnte Raman-medium, idet utgangkopleren er reflekterende for lys på pumpingsfrekvensen og transmitterende for lys på den første Stokes-frekvensen.

Når pumpingsintensiteten overskrider Raman-terskelen, blir således Raman-forskjøvne fotoner utstrålt av Raman-mediet på den bestemte Stokes-frekvensen. De forskjøvne fotoner er i et øyesikkert område. Fig. 1 illustrerer en første type av tidligere kjent eksperimentell apparatur. Fig. 2 illustrerer intensitet relativt tidplottinger over valgte frekvenser oppnådd fra apparaturen i fig. 1. Fig. 3 illustrerer en andre type av tidligere kjent eksperimentell apparatur. Fig. 4A illustrerer en plotting over laserintensitet i forhold til tid målt ved region 85 i fig. 3, for et tidligere kjent system av den type som er vist i fig. 3, når et Stokes-hulrom (dvs. en Raman-celle) er fraværende. Fig. 4B illustrerer en plotting over laserintensitet i forhold til tid målt ved region 85 i fig. 3, for et tidligere kjent system av den type som er vist i fig. 3, når et Stokes-hulrom (dvs. en Raman-celle) er tilstede. Fig. 4C illustrerer en plotting av lysintensitet i forhold til tid, målt ved region 88 i fig. 3, for et tidligere kjent system av den type som er vist i fig. 3, når et Stokes-hulrom (dvs. en Raman-celle) er tilstede. Fig. 5 illustrerer en form av den foreliggende oppfinnelse. Fig. 6 illustrerer en intensitet-i-forhold-til-tid plotting over utmatningen på en "bestemt Stokes-f rekvens, ifølge den foreliggende oppfinnelse. Fig. 7 illustrerer følsomhet for utmatning på nevnte bestemte Stokes-frekvens overfor feilinnretting av speil 110 i fig. 5. Fig. 5 illustrerer en form av den foreliggende oppfinnelse. Laser 90 er en Nd(YAG) stav 4,3 x 45 millimeter som har en overflate 92 med høyreflekterende belegg på 1,06 mikrons bølgelengde. Dernest på den optiske banen er farge Q svitsj 94 orientert i 45 grader i forhold til den optiske aksen 96. En 10 meters fokallinse 98 er foran et speil 101 på den optiske banen. Speilet 101 er høyreflekterende belagt på

1,54 mikron, og 43 prosent refleksjonsevne belagt på 1,06 mikron. Dette betyr at speilet 101 er 60% transmitterende på pumpingsbølgelengden lik 1,06 mikron og reflekterende på den bestemte Stokes-bølgelengden lik 1,54 mikron. En +63 mm fokallengde linse 104 er foran en Ramancelle 106 som inneholder metan i gassform på 1.000 PSIG. En +63 mm fokallinse 107 etterfølger Raman-cellen, og følges, i sin tur, av et utgangsspeil 110 som er reflekterende på pumpingsfrekvensen lik 1,06 mikron og transmitterende dvs. 12% reflekterende på den bestemte Stokes-bølgelengden lik 1,54 mikron.

Hulrommet som strekker seg fra hulrommet 92 til speilet 110 har resonans (dvs. høy Q) på pumpingsfrekvensen, mens hulrommet mellom speil 101 og utgangsspeil 110 har lav Q på den bestemte Stokes-bølgelengden lik 1,54 mikron.

Når staven 90 pumpes under anvendelse av Xenon blinklampe, blir de bestemte Stokes-bølgelengder som sendes gjennom utgangsspeilet 110 plottet som en funksjon av tid i fig. 6. I den figuren har pulsen 112 en full breddes halvmaksimum lik 2,1 nanosekunder. Energi med denne bølgelengde kan på sikker måte treffe det menneskelige øyet uten skade.

Fig. 7 illustrerer reduksjonen i den bestemte Stokes-energiutmatning med feilinnretting av speil 110 i fig. 5. Graden av feilinnretting er angitt med vinkel 113, som er plottet på den horisontale aksen i fig. 7. Vinkel 113 er vist i fig. 5, hvor et stiplet speil HOA illustrerer feil-innrettingen (dvs. rotasjon av speil 110). Oppfinnerne påpeker at feilinnrettingsfølsomheten som erfares ved den foreliggende oppfinnelse er betydelig mindre enn den som erfares ved vanlige, enkeltspeils Raman-resonatorer. Sagt på annen måte, den foreliggende oppfinnelse tolererer større •feilinnretting enn en enkeltspeils Raman-resonator gjør, og det antas, tolererer større feilinnretting enn den oppfinnelse som er beskrevet i publikasjon 2 ovenfor.

En oppfinnelse er blitt beskrevet hvor frekvensen for en pumpingslaser forskyves og pulsvarigheten av den forskjøvne frekvens komprimeres med hensyn til pumpingspulsen. Betraktet på en annen måte innbefatter oppfinnelsen et første hulrom, mellom overflate 92 og speil 110 i fig.l, som har resonans på pumpingsfrekvensen. Et andre hulrom mellom speil 101 og 110 befinner seg fullstendig innenfor det første hulrommet, likesom Raman-cellen 106. Når energien fra den pumpende laserstrålen overskrider Raman-spredningsterskelen for Raman-mediet innenfor Raman-cellen 106, utsender mediet Raman-forskjøvne protoner, som sendes gjennom speil 110, hvilket tjener som en utgangskopler.

Linser 98 og 104 tjener til å fokusere laserstrålen innenfor Raman-mediet.

Speil 101 og 110 kan betraktes som filtre, i det henseende at de selektivt slipper gjennom en frekvens og reflekterer en annen frekvens. Eksempelvis virker speil 101 som et båndpassfilter på laserpumpingsfrekvensen som slipper igjennom pumpingsstråling til Raman-cellen 106, samtidig som det virker som et sperrefilter som blokker passering (dvs. reflekterer) på den bestemte Stokes-frekvensen. Den blokkerte stråling bringes tilbake til Stokes-hulrommet som inneholder Raman-mediet.

Likeledes virker speil 110 som et filter som reflekterer pumpingsstrålning, idet slik stråling returneres til det andre hulrommet (gjennom hvilket det beveger seg underveis til den reflekterende overflaten 92) og virker også som et båndpassfilter, eller utgangskopler, ved å slippe igjennom stråling på den bestemte Stokes-frekvensen. Dette betyr at speilet 110 virker som en utgang for lys på den bestemte Stokes-frekvensen.

Tallrike erstatninger og modifikasjoner kan foretas uten å avvike fra oppfinnelsens sanne idé og omfang som definert i etterfølgende patentkrav.

Claims (1)

1.

Optisk bølgelengdeforskyver og pulskompressor, karakterisert ved at den omfatter de følgende optiske elementer anordnet på en felles optisk bane i den følgende rekkefølge:

a) et laseroperasjonsmedium (90) for å levere lys på en pumpingsfrekvens,

b) idet nevnte laseroperasjonsmedium har en overflate (92) i en ende som er reflekterende overfor lys på pumpingsfrekvensen,

c) en Q svitsj (94) for å sende lys fra nevnte laseroperasjonsmedium (90) på pumpingsfrekvensen,

d) et element (101) som mottar lys fra Q-svitsjen (94), idet elementet (101) er transmitterende for lys på pumpingsfrekvensen og reflekterende for lys på en første Stokes-frekvens,

e) en fokallinse (104) for å fokusere lys fra elementet (101),

f) et Raman-medium (106) som utstråler på den første Stokes-frekvensen som reaksjon på lys på pumpingsfrekvensen fra fokal-linsen (104), og

g) en utgangskopler (110) som mottar lys fra nevnte Raman-medium, idet utgangkopleren (110) er reflekterende for lys på pumpingsfrekvensen og transmitterende for lys på den første Stokes-frekvensen.