DE2406285A1

DE2406285A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung isolierter laserimpulse mit schneller anstiegszeit

Info

Publication number: DE2406285A1
Application number: DE19742406285
Authority: DE
Inventors: Richard Giles Tomlinson
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1973-02-09
Filing date: 1974-02-09
Publication date: 1974-08-15
Also published as: FR2217834A1; JPS49113594A; CA1009356A; US3820038A; FR2217834B1; GB1423321A

Description

United States Atomic Energy Commission, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung isolierter Laserimpulse mit schneller Anstiegszeit.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen hoher Energie mit kurzer Anstiegszeit, um Q-geschaltete Laserenergie-Impulse aus einem linearen Laseroszillator zu erzeugen, der in einem optischen Hohlraum Verstärkermittel aufweist, wobei eine optische Achse zwischen einem ersten und einem zweiten Spiegel mit ersten und zweiten Polarisationsmitteln gebildet wird.

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Die Erzeugung von Laserenergie-Impulsen durch schnelles Anzapfen (Dumping) eines Laseroszillators wurde in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben: A. H. Vuylsteke, Journal of Applied Physics, 34, 1615-1622, Juni 1963; W. R. Hook u.a., Applied Physics Letters, 9, 125-127, August 1966; J. Ernest u.a., Physics Letters, 22, 147-149, August 1966; und D.G. Carlson, Proceedings of the IEEE, 57, 807-808, Mai 1969. Diese Artikel beschreiben den Betrieb eines Laseroszillators, in dem ein optischer Fluß hoher Dichte innerhalb eines Resonanzhohlraums aufgebaut wird, bevor der Fluß schnell aus dem Hohlraum herausgeschaltet wird. Dieses System ist äußerst leistungsfähig, da das schnelle Schalten des optischen Flußes äquivalent zur Entfernung eines der Spiegel ist, der den Resonanzhohlraum definiert, wodurch die lange Abnahme- oder Entziehungszeit und die Verluste, die normalerweise beim Abnehmen der Laserenergie von einem Resonator durch die Übertragung durch einen teilweise reflektierenden Spiegel entstehen, eliminiert werden. Die Veröffentlichung von Carlson beschreibt das Verfahren, bei welchem ein Verstärkungsmedium in einem durch ein Paar Spiegel gebildeten optischen Resonanzhohlraum angeordnet ist, und wobei ein elektrooptischer Modulator sandwichartig zwischen zwei Polarisatoren längs der Hohlraumachse angeordnet ist. Im Betrieb sind die Polarisatoren miteinander ausgerichtet und wenn das Verstärkungsmedium in geeigneter Weise gepumpt wird, so schwingt der Hohlraum. Man läßt dann den optischen Fluß sich im Resonator aufbauen, und an einem geeigneten Punkt wird ein elektrischer Impuls mit schneller Anstiegszeit an den Modulator angelegt, wobei die Impulsspannung ausreicht, um eine 90°-Verdrehung der Polarisationsebene der durch den Modulator laufenden optischen Energie zu verursachen. Da die Polarisationsrichtung für die optische Energie bezüglich der Hauptachse der Polarisatoren fehlangepaßt ist, kann die optische Energie nicht durch die Polarisatoren laufen und wird aus dem optischen Hohlraum herausgeschaltet (Dumping).

Eine Eigenschaft der durch das oben beschriebene Verfahren hergestellten Laserenergieimpulse, welche die Verwendung dieser Impulse beschränkt hat, ist die relativ kurze Anstiegszeit der herausgeschalteten Impulse. In verschiedenen Anwendungsfällen, wie

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beispielsweise der Bestrahlung kleiner Teilchen mit Laserenergieimpulsen zur Erzeugung starker oder intensiver Plasmen, haben sich die durch das von Carlson beschriebene Verfahren erzeugten Laserimpulse als nicht ausreichend herausgestellt.

Die vorliegende Erfindung bezweckt die Erzeugung getrennter Laserenergieimpulse vorzusehen, welche eine Anstiegszeit aufweisen, die schneller ist als irgendeine vergleichbare Anstiegszeit von elektronischen Schaltmitteln. Ferner beabsichtigt die Erfindung, Laserenergieimpulse mit schneller Anstiegszeit zu erzeugen, die ein geformtes Intensitätsprofil besitzen.

Dabei sieht die Erfindung ein Paar von Polarisatoren und einen elektrooptischen Modulator vor, die längs der optischen Achse eines Laser-Resonanzhohlraums angeordnet sind, um die Q-Schaltung und Hohlraumanzapfung (Dumping) der im Laseroszillator erzeugten Strahlungsenergie zu gestatten: Der Hohlraum wird Q-geschaltet durch Pumpen des Verstärkungsmediums und durch geeignete Verdrehung der Polarisationsebene des durch den elektrooptischen Modulator laufenden optischen Flußes; eine Probe des Q-geschalteten Impulses erzeugt einen zeitsynchronxsierten Energiestoß (Burst), der eine Funkenstrecke auslöst, um die Spannung am elektrooptischen Modulator schnell kurzzuschließen, wodurch effektiv einer den Resonanzhohlraum bildenden Spiegel entfernt wird und die optische Energie als Laserstrahlungsimpuls von hoher Leistung, kurzer Dauer und schneller Anstiegszeit herausgeschaltet oder abgezogen (Dumping) wird.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Teil der Energie vom Q-geschalteten Impuls zur Auslösung der Funkenstrecke des elektrooptischen Modulators durch einen teilweise durchlässigen Spiegel entfernt, der ein Ende des optischen Hohlraums bildet. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird ein Strahlenteiler längs der optischen Achse des Hohlraums angeordnet und reflektiert eine geeignete Menge des Q-geschalteten Impulses aus dem Resonator hinaus'.

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Ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist die kurze Anstiegszeit des Ausgangsimpulses der optischen Energie, die ein Ergebnis des Verfahrens der schnellen Entfernung der Spannung vom elektrooptischen Modulator ist. Zudem kann ein Laserimpuls mit einer Dauer von weniger als der Hin- und Rücklaufzeit für das Licht im Hohlraum mit einem Energiegehalt erzeugt werden, der demjenigen vergleichbar ist, der durch Q-Schaltung des Oszillators erhalten werden kann; der Energiegehalt ist mindestens eine oder zwei Größenordnungen höher als der Energiegehalt in einem einzigen Impuls vom gleichen Oszillator, der als eine modenverriegelte Vorrichtung betrieben wird. Die isolierten oder getrennten Impulse haben auch einen Energiegehalt, der ein wesentlicher Prozentsatz der Energie ist, die durch die gesamte Populationsinversion im Verstärkungsmedium im Oszillator dargestellt wird. Die vorliegende Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß das System Ausgangsimpulse erzeugt, die entweder längs der optischen Achse des Oszillators verlaufen oder in einer Richtung, die einen Winkel mit der Oszillatorachse bildet.

Ein Vorteil der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens besteht in der Verfügbarkeit von isolierten Laserenergieimpulsen, die eine Anstiegszeit besitzen, die kürzer ist als die Anstiegszeit von Laserimpulsen, die durch elektronische Schaltverfahren erzeugt werden können. Darüber hinaus sieht die vorliegende Erfindung einen vielseitigen Laserimpulsgenerator vor, bei dem die Dauer der Ausgangsimpulse für eine gegebene Oszillatorkonfiguration durch Änderung der Relativstellungen des Polarisators und des elektrooptischen Modulators innerhalb der Hohlraumausbildung veränderbar ist. Ferner kann der Bereich der Änderung der Dauer beträchtlich dadurch geändert werden, daß man in geeigneter Weise die Länge des Laseroszillators verändert. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Fähigkeit, stark intensive Plasmen zu erzeugen, und zwar durch die Wechselwirkung der Laserstrahlungsimpulse, d.h. Hochenergieimpulse mit schneller Anstiegszeit, mit kleinen Körperchen von suspendierten kleinen Teilen.

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Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Intensität abhängig von der Zeit für einen typischen Q-geschalteten durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 erzeugten Laserenergieimpuls;

Fig. 3 eine Darstellung der Intensität abhängig von der Zeit für einen Q-geschalteten Impuls, der durch das erfindungsgemäße Hohlraum-Abzugsverfahren (Hohlraum-Dumpingverfahren) begrenzt wurde;

Fig. 4 eine Darstellung der Intensität abhängig von der Zeit für einen Ausgangsimpuls, der durch Hohlraum-Dumping eines Laseroszillators, wie beispielsweise des in Fig.1 gezeigten, erzeugt wurde;

Fig. 5 eine vereinfachte schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Intensität von der Zeit für einen Hohlraum-abgeschalteten-Laserimpuls, bei dem eine Vorimpuls-Leckstelle verwendet wurde, um das Intensitätsprofil des Impules zu formen;

An Hand von Fig. 1 sei ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Ein Laseroszillatorhohlraum 10 mit einer Achse 12 und einer Gesamtlänge von L1 plus L2 wird zwischen einem vollständig reflektierenden Spiegel 14 und einem für die Laserenergie des Oszillators teilweise durchlässigen Spiegel 16 gebildet. Ein Laserverstärkungsmedium 18, wie beispielsweise Neodymglas, ein erstes Polarisierungselement 20, ein zweites

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Polarisierungselement 22 und eine elektrooptische Modulator (EOM) Zelle 24 sind innerhalb des Oszillatorhohlraums längs der optischen Achse angeordnet. Eckspiegel 26, 28 und 30 bilden eine optische Bahn zwischen der optischen Mittellinie des Oszillators und einer Fokussierlinse 32. Die durch einen Abstand L₁ vom teilweise durchlässigen Spiegel getrennte EOM ist mit einem Paar elektrischer Leiter 34 dargestellt, welche eine Funkenstrecke 36 zwischen einem Klemmenpaar 38 bilden; ein geeignetes unter Druck stehendes Gas füllt die Funkenstreckenzone. Eine Blitzlampe 40 ist benachbart zum Laserverstärkungsmedium angeordnet.

Die Polarisierungselemente20, 22 sind gekreuzt, d.h. das erste Polarisierungselement besitzt eine im wesentlichen 100 %-Durchlässigkeit für in der Vertikal (Y)-Richtung polarisierte Laserenergie, während das zweite Polarisierungselement im wesentlichen 100%-Durchlässigkeit für in der Horizontalrichtung (Z) polarisiertes Laserlicht besitzt. Anfangs ist keine Spannung an die EOM angelegt, und wenn daher das Verstärkungsmedium mit der Blitzlampe zur Erzeugung einer zur Erzeugung von Laserenergie im Oszillator geeigneten Populationsumkehr gepumpt wird, so sperren die gekreuzten Polarisatoren den Durchgang der Laserenergie zu den Spiegeln und verhindern dadurch die Schwingung (Oszillation), wobei ein hoher Inversionsgrad im Verstärkungsmedium zugelassen wird.

Zu einem geeigneten Zeitpunkt wird an die EOM eine Spannung angelegt, um die hindurchlaufende linearpolarisierte Laserenergie um 90° zu verdrehen. Die Verdrehung gestattet ein Schwingen der Laserenergie zwischen den Spiegeln 14, 16 und ein eine hohe Energie enthaltender Laserimpuls wird in einem üblicherweise als Q-Schaltvorgang (Güteschaltvorgang) erzeugt. Ein typischer Q-geschalteter Impuls, der durch den Spiegel 16 laufen würde und in der oben beschriebenen Weise erzeugt wurde, ist in Fig. 2 dargestellt. Das Wesen der vorliegendenErfindung umschließt ein Hohlraum-Anzapf- oder Dumping-Verfahren zur Beendigung der Q-geschalteten Impulse, die ansonsten durch den teilweise durchlässigen Spiegel laufen würden. Wenn die Spannung, die am EOM liegt, der gestattet, daß die Laserenergie im Hohlraum trotz

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der fehlausgerichteten Polarisationselemente schwingt, schnell kurzgeschlossen wird, bevor die ganze verfügbare Energie im Verstärkungsmedium als ein Q-geschalteter Impuls entfernt ist, verliert der Oszillator seine Resonanzeigenschaften, und der Rest der Energie im Hohlraum wird aus dem Oszillatorhohlraum an den Polarisationselementen herausreflektiert. Es wird also ein Impuls hoher Energie, der auch der länger dauernde Impuls ist, aus dem Hohlraum am zweiten Polarisationselement herausgerichtet, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. In gleicher Weise wird ein kürzerer Impuls mit geringerer Energie aus dem Hohlraum durch das erste Polarisationselement in einer Richtung senkrecht zu dem eben beschriebenen Impuls herausgelenkt, ist aber in Fig. 1 nicht dargestellt. Der EOM wird durch eine elektrische Schaltung gesteuert und besitzt eine an seinen Eingangsklemmen angeschaltete Funkenstrecke. Wenn daher Laserenergie von hinreichender Intensität auf die Funkenstrecke fokussiert wird, so wird ein Plasma gebildet, welches die Klemmen des EOM kurzschließt. Das Plasma oder Funke erzeugt die extrem schnelle Spannungsänderung am EOM. Unter diesen Bedingungen wird der durch den Spiegel 16 mit einem typischen Profil - wie in Fig. 2 gezeigt - hindurchlaufende Q-geschaltete Impuls in einen begrenzten oder beendeten Q-geschalteten Impuls modifiziert, der ein typisches Profil der in Fig. 3 gezeigten Art besitzt. Die die Funkenstrecke 36 kurzschließende Laserenergie wird durch Abzweigung eines Teils des Q-geschaltetenlmpulses durch den teilweise durchlässigen Spiegel erzeugt, und zwar dadurch, daß man ihn auf die Funkenstreckenzone mit den voll reflektierenden Spiegeln 26, 28 und 30 durch eine Fokussierlinse 32 richtet, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

Sobald der EOM keine Energie mehr zugeführt wird,dadurch daß der Gasdurchbruch in der Funkenstrecke zwischen den Elektroden erzeugt wird, unterbrechen die Polarisationselemente die Resonanzbedingung des Hohlraums; dieser Zustand verhindert es, daß sämtliche verfügbare Energie als ein Q-geschalteter Impuls entfernt wird, was dann auftreten würde, wenn der EOM fortlaufend erregt würde. Das Nettoresultat besteht darin, daß die Differenz zwi-

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sehen dem in Fig. 3 dargestellten durch das Hohlraum-Dumping begrenzten O-geschalteten Impuls und dem typischen in Fig. 2 dargestellten Q-geschalteten Impuls als zwei gesonderte Laserimpulse auftritt, wobei einer von jedem der Polarisatoren emittiert wird. Die Dauer des vom zweiten Polarisationselement

Ot,

emittierten Impulses (v ) ist 1_ und die Dauer des am ersten

" c\ ■ 2L

Polarisationselement emittierten Laserimpulses (<-..) ist 2 ;

¹ ~C~ diese Impulse sind bezüglich einander orthogonal polarisiert.

Die Anstiegszeiten der Impulse <- und c' werden durch die Schnelligkeit bestimmt, mit der die Spannung vom EOM weggenommen wird, wobei dies seinerseits eine direkte Funktion der Induktivität der Funkenstrecke ist, die so gering als möglich gemacht werden soll, um die eine schnelle Anstiegszeit aufweisenden Hohlraum-Dumping--Impulse zu erzeugen. Das oben beschriebene Verfahren wurde zur Erzeugung von Impulsen verwendet, die in Nanosekunden gemessene Zeitdauerwerte - wie in Fig. 4 typischerweise dargestellt - aufweisen und - was noch wichtiger ist eine Anstiegszeit besitzen, die kürzer ist als irgendeine mit einer Vorrichtung erzeugte, welche elektronische Schaltungen zur Entfernung der Spannung von der EOM-Vorrichtung benutzt.

Die relative Dauer und demzufolge der Energiegehalt der beiden gemäß der vorliegenden Erfindung in der oben beschriebenen Weise erzeugten Impulse kann durch Versetzung des EOM bezüglich der Spiegel 14, 16 verändert werden. In der Praxis wird diese Vorrichtung in erster Linie zur Erzeugung eines eine hohe Energie und eine schnelle Anstiegszeit aufweisenden Ausgangsimpulses verwendet, obwohl in einigen Fällen der erzeugte eine kürzere Dauer und niedrigere Leistung aufweisende Impuls auch verwendet wird. Der EOM kann irgendeine Vorrichtung, wie beispielsweise eine Kerr- oder Pockels-Zelle,sein, die die Polarisationsebene infolge einer Spannung - wie beschrieben - verdreht.

Zudem kann die Dauer von sowohl dem Hauptausgangsimpuls und dem sekundären Ausgangsimpuls über einen größeren Bereich hinweg variiert werden als dies durch die einfache Versetzung des EOM

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in einem gegebenen Laseroszillator möglich ist, und zwar erfolgt dies durch Änderung der Gesamtlänge des Laseroszillators.

Der vom Laseroszillator kommende optische Fluß, der zur Auslösung der Funkenstrecke und zum Kurzschließen des EOM erforderlich ist, kann in relativ einfacher Weise dadurch eingestellt werden, daß man die Länge der Funkenstrecke, den zwischen den Elektroden aufrechterhaltenen Gasdruck, die Fokussierlinse oder die zur Funkenstrecke zurückgeführte Laserenergie ändert.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt; die hauptsächlichen Unterscheidungen bezüglich des zuvor beschriebenen Systems bestehen darin, daß der teilweise durchlässige Spiegel 16 durch einen vollständig reflektierenden Spiegel 42 ersetzt ist, daß ein Strahlenteiler 44 eingefügt ist, daß der Spiegel 26 weggelassen ist und daß der voll reflektie-

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rende Spiegel/in der gezeigten Weise gegenüber der Achse versetzt ist. Die Arbeitsweise dieses Systems ist im wesentlichen die gleiche wie beim oben beschriebenen System mit der Ausnahme, daß die Polarisationselementemiteinander ausgerichtet sind. Dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere für Anwendungsfälle interessant, wo der Hohlraum-Dumping-Hauptimpuls längs der Axialrichtung des Oszillators gewünscht wird.

Da das Hohlraum-Dumping (Abziehung) solange verzögert ist, bis der optische Fluß innerhalb des Hoch-Q-Hohlraums einen optimalen Pegel erreicht hat und die Laserenergie während eines Hin- und Rücklaufs extrahiert wird, wird im wesentlichen die ganze in der Populationsumkehr gespeicherte Energie im Ausgangsimpuls herausgezogen oder extrahiert.

Eine zweckmäßige Änderung des Arbeitsverfahrens sämtlicher erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele sieht das Anlegen einer geringeren Spannung an den EOM vor als sie erforderlich ist, um eine 90 -Verdrehung in derPolarisationsebene der Laserenergie im Hohlraum zu erzeugen. Unter dieser Bedingung wird eine gesteuerte Energiemenge aus dem Oszillator herausgeschaltet, und zwar vor dem Haupt-Hohlraum-Dumping, wobei der Hohlraum-Dumping-

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Impuls in der Weise geformt werden kann, wie es sich aus dem
Intensitätsprofil des Impulses in Fig. 6 ergibt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Erwärmen und/oder
zur Diagnose eines festen Stoffes, einer Flüssigkeit und/oder eines Plasmas dienen. Ein spezielles durch die Erfindung gelöstes Problem besteht darin, Q-geschaltete Laserausgangsimpulse zu tasten, um die Anstiegszeit der Laserenergieausgangsimpulse längs einer Achse von einem Laserosziallatorhohlraum zu erhöhen, der zwischen Spiegeln gebildet ist und einen elektrooptischen Modulator sowie Polarisatoren zwischen den Spiegeln längs der Laserhohlraumachse aufweist. Durch Verwendung einer Probe der Q-geschalteten Laserenergie in einem Kurzschlußsystem zur Erhöhung der Anstiegszeit der Ausgangsimpulse des Q-geschalteten Lasersystems werden die Nachteile der bekannten Vorrichtungen überwunden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

MJ Vorrichtung zur Erzeugung von eine schnelle Anstiegszeit und hohe Energie aufweisenden Laserimpulsen mit Mitteln zur Erzeugung Q-geschalteter Laserenergieimpulse aus einem linearen Laseroszillator mit einem Verstärkungsmittel in einem optischen Hohlraum, wobei eine optische Achse zwischen einem ersten und einem zweiten Spiegel gebildet ist und erste und zweite Polarisationsmittel vorgesehen sind, gekennzeichnet durch

elektrooptische Modulationsmittel (24) auf der Achse zwischen dem Verstärkungsmittel (18) und einem der Polarisationsmittel

zur Verdrehung der Polarisationsrichtung des hindurchlaufenlinear polarisxerten

den/Lichtes um 90 bei Anlegen einer geeigneten Erregungsspannung, wobei die Modulationsmittel (24) einen gasgefüllten Funkenstreckenschalter zwischen ihren Anregungsspannungsklemmen sowie Mittel aufweisen, um optisch Q-geschaltete Laserenergie aus dem Oszillator zu den Modulatormitteln zu richten, wo die Laserenergie in der Funkenstrecke konzentriert wird, um ein Plasma zu erzeugen, welches die Klemmen schnell kurzschließt, um die Erregungsspannung des Modulators zu entfernen .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Polarisationsmittel derart orientiert sind, daß jedes Laserstrahlung hindurchläßt, die linear in einer Richtung polarisiert ist, welche um 90° voneinander getrennt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Polarisationsmittel derart angeordnet sind, daß jedes in der gleichen Richtung polarisierte Laserstrahlung durchläßt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der Q-geschalteten Laserenergieimpulse ferner einen Strahlenteiler aufweisen, der auf der Achse zwischen dem ersten Spiegel und dem ersten Polarisationsmittel angeordnet ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel ein teilweise durchlässiger Spiegel und der zweite Spiegel ein vollständig reflektierender Spiegel ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

der optische Hohlraum eine geradlinige optische Achse bildet.

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