NO854801L - Frekvensstabilisert pulslaser. - Google Patents

Abstract

Pulslaser omfattende et forsterkende medium (21) mellom et speil (27) og et fasekonjugert speil (f k). (30) for blanding av fire bølger. Det ulineære medium i fk-speilet (30) er en del av lasermediet (21), grunnet nærværet av en linse (31). Speilet (30) pumpes av direktestrålen fra en kontinuerlig laser (29) og den reflekterte stråle fra speilet (27). Lysutstrålingen av laseren skjer gjennom en optisk isolator (28).Laseren ifølge oppfinnelsen er anvendbar for heterodyn-telemetri.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en pulslaser, omfattende et første lasermedium med pulseksitering i en resonans-kavitet dannet mellom to speil hvorved det ene speil fremskaffer fasebøyning ved blanding av fire bølger, og et andre ikke-lineært medium tilknyttet i det minste én pumpelaser for utsendelse av to pumpestråler inn i det andre medium og i to retninger som er motsatt hverandre og med samme frekvens.

Laseren Kalt en pulslaser kan betraktes som en laser hvis gassmedium ved et høyt trykk som i det minste er av størrelsesordenen 1 atmosfære, utsettes for en pulserende transversal eksitasjon. En slik laser kalles en TEA-laser (transversalt eksitert atmosfærisk). Den pulserende, trans-versale eksitering fremskaffes ved elektrisk utladning av en kondensator og vanligvis ved hjelp av to langsgående elektroder eller plater som strekker seg inn i gassmediet.

Fordelen ved å benytte TEA-lasere er at det da kan utsendes meget korte pulser, og dette er fordelaktig særlig

i telemetri. Således kan eksempelvis oppnås pulser hvis hovedamplitude har en varighet av størrelsesordenen 10 ns og hvor det høye trykk i gassmediet muliggjør videre at det kan oppnås ekstremt steile puls-stigeflanker, med en varighet av størrelsesordenen 20 ns.

For avstandsmåling kan TEA-lasere anvendes fordelaktig. Målingen av tidsintervallet mellom utsendelsen av en TEA-laserpuls og mottagelsen av dennes ekko fra et mål gir distansen til dette mål. På den annen side kan målingen av hastigheter ved hjelp av TEA-lasere forårsake et problem, idet frekvenser nær lyset ikke kan måles. For å imøtegå dette problem, benyttes en deteksjon ifølge heterodyn-prinsippet velkjent blant fagfolk, og det utsendte signal blandes da med en tradisjonell lavtrykks og kontinuerlig utstrålt laser, hvis utstrålings frekvens lett kan stabiliseres. Utstrålingen fra en TEA-laser foregår via en rekke simultane, langsgående modi som hver samsvarer med de ulike frekvenser for de momen-tanutsendte fotoner som setter i gang den såkalte foton-avalanche ved frekvenser som har tilknytning til lengden av resonanskaviteten for laseren. En TEA-laser er således en multimodus-laser med et bredt forsterkningsbånd.

Blanding mellom en TEA-laser og en kontinuerlig utsendt laser foregår i TEA-laserens sentrale modus, idet denne laser på forhånd har blitt transformert på en per se kjent måte til en én-modus pulslaser slik at det ikke tapes energi i de andre langsgående modi for en slik TEA-laser.

Da enkeltmodus TEA-lasere, hybridlasere, frekvensinjeksjons-lasere eller lasere med korte kaviteter alle er kjent, eksempelvis fra en artikkel av Scott et al: "Stabilization of single mode TEA laser" i Optics Communications Vol. 50, nr.5, 1.7.84, og da den foreliggende oppfinnelse ikke vedrører selve transformasjonen av en flermodus TEA-laser til en enkeltmodus TEA-laser, faller det utenfor rammen av denne beskrivelse å ta med mere innenfor dette emne som vedrører til-pasnings teknikk .

Selv om det er fullt mulig å styre frekvensen av en laser med kontinuerlig utstråling, som nevnt tidligere, vil dette ikke være tilfelle når det gjelder sentralmodus-frekvensen for de kjente TEA-lasere eller mer generelt for frekvensen av pulslasere, siden gassmediet i disse lasere befinner seg i full ekspansjon i det øyeblikk laseremisjonen foregår og når kavitetens optiske lengde endres. Selv om frekvensen av en selektiv laser av kontinuerlig bølge-typen i en frekvensinjeksjonslaser kunne varieres noe, ville eksempelvis den utstrålte frekvens fra den pulserte laser alltid tilsvare egenresonansfrekvensen for den modus av den pulserte celle som befinner seg nærmest frekvensen av den kontinuerlig utsendte seleksjonslaser.

Det kan lett forstås at svevning mellom en kontinuerlig utsendt laserbølge og en pulsert laserbølge med ustabili-sert frekvens kan forårsake en betydelig glidning i frekvensen ved oppstarting (chirp), og dette fenomen er det natur-ligvis ønskelig å eliminere.

Fasekonjugerte eller frekvensforskyvende speil er likeledes kjent. Disse utgjøres av faste eller flytende gassmedia med ulineær absorpsjonskoeffisient og hvor mediets funksjon er eksempelvis å reflektere en innkommende bølge-front med delvis faseforskyvning, dvs. fremskaffet grunnet distorsjon, som en reflektert bølgefront med delvis, men invertert eller reversert eller konjugert faseforskyvning.

Funksjonen av disse fasekonjugerte speil beskrives meget godt innenfor teknikkens stand, og det henvises spesi-elt til US-PS 4 233 571.

Konjugerte speil er således allerede kjent, og nær-mere bestemt nok en gang fra det ovennevnte US patent, idet det her beskrives fasekonjugerte speil med fire bølger som blandes og som omfatter et ulineært medium og i det minste én utvendig pumpelaser, og oftest to, for utstråling av to pumpende bølgefronter som faller inn i det ulineære medium ved samme frekvens, men i to retninger som er motsatt vektor-retningen. En tredje bølgefront faller inn på det ulineære medium med en fase- eller frekvensforvrengning og reflekteres under påvirkning av de tre innfallende bølgefronter som en fjerde fasekonjugert bølgefront.

Således reflekteres en forvrengt eller degenerert bølgefront med frekvensen a) + 5 , etter f.eks. å ha fått for-vrengningen + S ved lasermediets nivå, idet bølgefronten faller inn på et slikt speil, og hvor refleksjonen som i alle øvrige fasekonjugerte speil reflekteres som en bølgefront med frekvensen co -S> . Den reflekterte bølgefront som på ny har fått den samme forvrengning + 8 går så gjennom lasermediet og ender opp med frekvensen co . Det ulineære mediets funksjon i tilknytning til to pumpelasere ifølge US-PS 4 233 571 er derfor å oppnå en bølgefrontkorreksjon. Lasere i tilknytning til ulineære media skaffer kun til veie en pumpefunk-sjon. Denne innretning tar sikte på en rendyrking av den sentrale emisjonsmodus for en laser.

Det skal konsekvent bemerkes at problemet med frekvensstabilisering som omtalt ovenfor overhodet ikke omfattes av dette amerikanske patent som representerer teknikkens stand.

Artikkelen "A theoretical and experimental inves-tigation of the modes of optical resonators with phase conjugate mirrors" av Auyeung et al, publisert i IEEE Journal of Quantum electronics", vol. QE-15, nr. 10, oktober 1979, omtaler overføring av frekvensen av en andre pulserende pumpelaser til en første pulslaser fra et fasekonjugert speil. Det er ikke tale om noen frekvensstabilisering av den første pulslaser og dette er særlig påfallende ettersom frekvensen av den andre pulslaseren i seg selv ikke er stabil.

Artikkelen "Demonstration of the longitudinal modes and aberration-correction properties of a continuous wave dye laser with a phase conjugate mirror" av Lind et al, publisert i "the review Optics letters", vol. 6, nr. 11, november 1981, omtaler stabilisering av en kontinuerlig laser ved frekvensen av en kontinuerlig pumpelaser fra et fasekonjugert speil. Stabilisering av en pulslaser kan imidlertid ikke utledes fra denne artikkel.

Problemet med å frekvensstabilisere en pulslaser forblir derved uløst, og det er dette problem som søkerne har løst i den foreliggende oppfinnelse.

Den foreliggende oppfinnelse omfatter således en pulslaser med et første lasermedium med pulseksitasjon i en resonerende kavitet dannet mellom to speil, hvorved det ene speil er et fasekonjugert speil for blanding av fire bølger og omfattende ett andre ulineært medium som står i forbindelse med i det minste én pumpelaser for utsendelse av to pumpestråler som faller inn på den sekundære laser i to inn-byrdes motsatte retninger og ved samme frekvens og hvor laseren er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av den karak-teriserende del av det etterfølgende krav 1.

Oppfinnelsen er særlig kjennetegnet ved det tekniske fremskritt den representerer, da det er første gang en frekvensstabilisering av en pulslaser egentlig har blitt oppnådd.

Oppfinnelsen er også kjennetegnet ved å skille seg fra idéer som er tidligere kjent. Som nevnt ovenfor er det allerede foreslått å kombinere en pulslaser og et fasekonjugert speil med en pulserende pumpelaser på den ene side, eller en laser med kontinuerlig utstråling og et fasekonjugert speil med en pumpelaser med kontinuerlig bølge på den annen side. Imidlertid er det ikke tidligere foreslått en kombinasjon av de tre typer pulsutsendelse, kontinuerlig utsendte bølger og frekvensstabilisering av den pulserende utsendelse.

De tidligere lanserte idéer var tankemessig temme-lig låst idet den første teori som ble fremsatt om blanding av fire bølger i et forsterkende medium viste seg ikke å føre frem. Ifølge denne teori kunne bare en høyeffekts laser og således en pulslaser med et fasekonjugert speil være istand til å styre, men ikke stabilisere, frekvensen av en pulslaser. Deretter ble den riktige sammenheng åpenbart i artikkelen "Phase conjugation in saturable amplifiers by degenerate frequency mixing" av Reintjes et al i IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-18, no. 11, november 1982, hvor det fremgår at den pumpende bølge også forsterkes i det ulineære mediet og derved forårsaker konjugeringseffekten. Forfatterne av denne artikkel trakk derimot ikke den konklusjon at det var mulig å kombinere en pulslaser, et fasekonjugert speil og en kontinuerlig utsendt bølge fra en pumpelaser. Denne re-etablering av den riktige sammenheng kunne derfor bare sette en fagmann innenfor området på ideen med å anvende en lav-effekts pulslaser som selve pumpelaseren.

Til sist, og som følge av den foreliggende oppfinnelse, kan nå en pulslaser frekvensstabiliseres ved hjelp av en kontinuerlig utstrålt laser hvis frekvens kan stabiliseres meget effektivt, idet laserens spektralrenhet kun begren-ses ved den endelige varighet av forsterkningen i laserens forsterkende medium.

I et fasekonjugert speil for blanding av fire bøl-ger, hvor den innfallende frekvens eller injektor betegnes med co^, den konjugerte reflekterte frekvens coc>°9pumpe-frekvensene med co ^ og u> e^sisterer forholdet:

Hvis Hvis frekvensen av den momentane fotonutsendelse fra pulslaseren betegnes med co og hvis denne frekvens får en frekvensforskyvning + S i lasermediet, blir

og den frekvens av de reflekterte fotoner som vil utløse skredeffekten er derved ( 00 - £ ) + S = co .

Hvis frekvensen av den momentane fotonutsendelse avviker fra co , vil frekvensen av de reflekterte fotoner, som i tillegg har en redusert intensitet, ikke være den samme som frekvensen av den momentane fotonutsendelse og noen laserskredeffekt kan ikke oppstå. Med andre ord er det kun den spontane fotonutsendelse ved frekvensen for den kontinuerlige pumpebølge for det fasekonjugerte speil som kan forårsake en lasereffekt.

Det skal bemerkes at effekten av pumpelaseren med kontinuerlig bølge fra dette speil kan være særdeles lav.

Det skal også bemerkes at speilet i pulslaseren ifølge oppfinnelsen virker som et filter for den reflekterte frekvens og at laseren er en énmodus laser hvis geometri er identisk med geometrien for pumpelaseren.

Pulslaseren ifølge oppfinnelsen omfatter et fasekonjugert speil som kan pumpes av en eller to lasere med kontinuerlig utsendelse. Når en enkel laser med kontinuerlig utsendt bølge anvendes, omfatter det fasekonjugerte speil videre et første semitransparent speil og et andre speil, begge kjente, eller andre optiske organer for å oppdele strålen .

Det er innlysende at oppfinnelsen er særlig rettet mot pulslasere med et gassmedium under høyt trykk, med stør-relsesordenen 1 atmosfære, og med transversal eksitasjon (TEA-laser), idet lasermediet fortrinnsvis omfatter CC^.

Oppfinnelsen vil bedre forstås ut fra den følgende beskrivelse av to utførelseseksempler av oppfinnelsens pulslaser og som refererer til de ledsagende tegninger, hvor fig. 1 skjematisk viser pulslaseren ifølge oppfinnelsen i sin hovedform og hvor fig. 2 skjematisk viser den foretrukne utførelse av den samme laser.

Pulslaseren på fig. 1 omfatter et første forsterkende lasermedium TEA 1, ved atmosfærisk trykk og innelukket i en beholder 2 som utsettes for en pulserende transversal elektrisk eksitasjon ved hjelp av to elektroder 3, 4 som strekker seg langsetter på innersiden av beholderen 2, en kondensator 5 hvis plater respektive er forbundet med elek-trodene 3, 4 via et gnistgap 13 som gjør tjeneste som en bryter, og en spenningskilde 6 forbundet med kondensatorens 5 tilledninger for dennes eksitasjonsutladning. Lasermediet 1 strekker seg inn i et resonans-hulrom dannet mellom et første konvensjonelt semitransparent speil 7, her kalt utgangsspeilet, og et fasekonjugert speil 8 for blanding av fire bølger.

Det fasekonjugerte speil 8 omfatter et ulineært, mettet forsterkende TEA-medium 12 i en sekundær celle 9, til-svarende hovedcellen 1-6 nylig omtalt. Det ulineære medium i cellen 9 pumpes ved hjelp av to frekvensstabiliserte lasere 10, 11 med kontinuerlig utsendelse slik at dette medium mottar to pumpede lysstråler ved samme frekvens og i to inn-byrdes vektorielt motsatte retninger.

Kun den momentane fotonutsendelse fra det første TEA-mediet 1 ved pumpelasernes 10, 11 frekvens vil forårsake laserskredeffekt i hovedcellen.

I den foretrukne utførelse av laseren i henhold til fig. 2, hvor de pulseksiterende organer ikke er vist, er den sekundære celle for det fasekonjugerte speil dannet i hovedcellen hvis frekvens skal stabiliseres.

Hovedcellen med TEA-medium er vist som 20, i en beholder 22, og med elektroder 23, 24 og et TEA-medium 21 som er innelukket i beholderen 22. Cellen 20 er anordnet i et resonanshulrom dannet mellom tradisjonelle reflekterende speil 27 og derved er en del 30 av dennes lasermedium innelukket i beholderen 22.

I forbindelse med denne hovedcelle står et fasekonjugert speil med en frekvensstabilisert pumpelaser 29 med kontinuerlig utsendelse i forbindelse, og delen 30' av TEA-mediet i beholderen 22 danner da det ulineære medium og en fokuseringslinse 31 er anordnet slik at den avgrenser delen 30, videre finnes en optisk isolator 28 og selve TEA-mediet samt speilet 27 på den motsatte side av TEA-mediet, alle disse organer innrettet langs en akse 32. Lengden av det ulineære mediet kan optimaliseres ved å anvende en linse 31 med passende brennvidde.

En første optisk pumpestråle utsendes direkte av den kontinuerlige laser 29, på fig. 2 vist fra venstre mot høyre. Denne stråle føres gjennom isolatoren 28, som eksempelvis kan være en polariserende innretning i forbindelse med et kvartbølgespeil eller et dreiemedium av Faraday-typen, linsen 31 og lasermediet, hvorved strålen reflekteres av speilet 27 slik at den danner den andre optiske pumpestråle i den motsatte retning, på fig. 2 vist fra høyre mot venstre.

En del av det forsterkende lasermedium hvis frekvens skal stabiliseres, danner derved, grunnet nærværet av linsen 31, det egentlige ulineære medium for det fasekonjugerte speil. De to media for hovedcellen og sekundærcellen, som derved utgjør ett eneste medium, er således fortrinnsvis innelukket i samme beholder. En andre uavhengig celle for det fasekonjugerte speil og en andre pumpelaser med kontinuerlig utstråling unngås således.

Lysutsendelsen fra laseren, nylig beskrevet, foregår følgelig på en frekvens som er den for den kontinuerlig utstrålte laser 29, via isolatoren 28 og etter refleksjon i en retning angitt ved 33 og som avviker fra aksens 32 retning. Det fasekonjugerte speil er derfor her utgangsspeilet for hulrommet. Hvis refleksjonsfaktoren for det fasekonjugerte speil er større enn en, kan laserstrålen slippe ut fra speilet 27 som da er semitransparent.

For å kunne konstruere denne pulslaser på en best mulig måte, er det av søkerne anvendt eksempelvis et gassmedium med CC^som TEA-medium, og det er oppnådd en CC^ - pumpet laser med kontinuerlig utstråling med særdeles lav effekt i størrelsesordenen 4 W og som har utstråling ved en bølgelengde på ca. 10 ftm.

Det skal her legges vekt på at oppfinnelsen vel kan gjelde enhver annen pulslaser, selv om beskrivelsen har om-fattet en frekvensstabilisert TEA-laser.

Claims (8)

1. Pulslaser, omfattende et første lasermedium med pulseksitasjon i et resonanshulrom dannet mellom to speil hvor det ene er et fasekonjugert speil for blanding av fire bølger og som omfatter et sekundært ulineært medium- i forbindelse med i det minste én pumpelaser for utsendelse av to pumpestråler som faller inn på det sekundære medium i to motsatte retninger og ved samme frekvens, karakterisert ved at det sekundære ulineære lasermedium er et mettet forsterkende medium og hvor pumpelaseren er en laser med kontinuerlig utstråling og med stabil frekvens lik frekvensen av den momentane fotonutstråling som setter igang emisjonen ved den frekvens som skal stabiliseres for pulslaseren.

2. Laser ifølge krav 1, karakterisert ved at det første lasermedium er et TEA-medium (transversalt eksitert atmosfærisk medium).

3. Laser ifølge ett av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at det første lasermedium er et CC^ -gassmedium.

4. Laser ifølge ett av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at det sekundære ulineære medium er et TEA-medium.

5. Laser ifølge ett av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at det sekundære ulineære medium er pumpet av to lasere med kontinuerlig utstråling.

6. Laser ifølge ett av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at det sekundære ulineære medium for det fasekonjugerte speil er en del av det første lasermedium som skal frekvensstabiliseres.

7. Laser ifølge krav 6, karakterisert ved at det fasekonjugerte speil for blanding av fire bølger omfatter en laser med kontinuerlig utstråling, en fokuseringslinse, en del av det første lasermedium og et reflekterende speil.

8. Laser ifølge krav 7, karakterisert ved at en optisk isolator er anordnet mellom pumpelaseren med kontinuerlig utstråling og linsen.