DE2649521A1

DE2649521A1 - Wellenlaengenselektive lichtunterbrechungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2649521A1
Application number: DE19762649521
Authority: DE
Inventors: Genevieve Girard; Maurice Michon
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1975-11-13
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1977-05-18
Also published as: GB1526548A; FR2331900B1; FR2331900A1; BE847643A; SE7612694L; JPS5261491A; US4143332A; IT1064379B; NL7612497A; SE411984B

Description

Dipl.-Ing. Jürgen WEINMILLER

PATENTASSESSOR J 2B. Qftf,

8OOOMünchen SO
Zeppelinstr. 63

COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE S.a. 54, rue La Boetie, 75382 PARIS CEDEX O8 Prankreich

WELLENLANGENSELEKTIVE LICHTUNTERBRECHUNGSVORRICHTUNG

Die Erfindung betrifft eine wellenlängenselektive Lichtunterbrechungsvorrichtung, die in der Bahn eines zwischen zwei Laserverstärkermedien verlaufenden Lichtimpulses angeordnet ist. Diese Vorrichtung ist für jede Laserart geeignet, die im Pulsbetrieb arbeitet, und findet insbesondere auf Laser Anwendung, die zur Verstärkung Gasmedien verwenden, wie beispielsweise im Infrarotbereich strahlende Kohlendioxydlaser.

Es ist bekannt, daß im Pülsbetrieb arbeitende Hochleistungslaser einen Oszillator aufweisen, dem eine Reihe von Verstärkern nachgeschaltet ist, wobei der vom Oszillator ausgesandte Lichtimpuls in der Verstärkerreihe verstärkt wird, um am Ausgang einen Hochleistungslichtimpuls zu liefern.

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ORIGINAL iMSPECTED

Dieser Impuls wird industriell vielfach ausgenutzt, beispielsweise für Schweißvorgänge, Aufspüren von Gegenständen, Lenkaufgaben, kontrollierte Schmelzversuche durch Laser und das Aufheizen von Plasma.

Die verschiedenen Verstärkungsmedien werden durch Lichterregung oder elektronische Erregung gepumpt, bevor der von einem Oszillator ausgesandte Lichtimpuls durch sie zwecks Verstärkung hindurchgeführt wird. In Kohlendioxydgaslasern, beispielsweise mit Quererregung, kehrt eine Elektronenentladung die Populationen der Vibrations-Rotationsniveaus des Kohlendioxydgasmoleküls vor den Durchlauf des vom Oszillator ausgesandten Lichtimpulses um.

Eins der sich aus dem Vorhandensein aufeinanderfolgender Verstärker mit großem Verstärkungsfaktor ergebenden Hauptprobleme besteht im mit der Erscheinaig der übergroßen Strahlungsdichte verbundenen Leistungsverlust. Die übergroße Strahlungsdichte ergibt sich aus der Verstärkung des im Zeitraum zwischen der Erregung des Verstärkermilieus und dem Durchlauf des Lichtimpulses durch spontane Abgabe von Photonen entstehenden Photonenflusses. Die durch spontane Emission im gepumpten Milieu auftauchenden Photonen werden nämlich durch die Verstärkungsmilieus verstärkt; dabei entsteht ein Lichtbündel, das, wenn es einem zweiten Verstärkermilieu zugeführt wird, erheblich verstärkt wird, was dazu führt, daß die Laserübergangsniveaus in diesem zweiten Milieu ihre Populationen verlieren und nicht mehr für die Verstärkung des vom Oszillator ausgesandten Laserimpulses zur Verfügung stehen. Außerdem kann

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dieses Störlicht für verschiedene Anwendungen hinderlich sein.

Ziel der Erfindung ist es daher, zwischen den verschiedenen Verstärkermili.eus eine wellenlängenselektive Unterbrechungsvorrichtung anzuordnen, mit der vermieden wird, daß eine Strahlung, die durch Verstärkung des in einem Verstärker durch spontane Photonenabgabe erzeugten Lichts entsteht, in den folgenden Verstärker gelangt und dort zu einer Populationsausdünnung führt. Dieses Sperren der Überstrahlungsdichte geringen Energieniveaus soll ohne spürbare Absorption des verstärkten Lichtimpulses hoher Energie erfolgen, der zu Beginn vom Oszillator ausgesandt und in der Verstärkerkette verstärkt wird.

Dieses Ziel wird durch die im Hauptanspruch aufgezählten Merkmale erreicht.

Diese beiden Organe, der Monochromator und das sättigungsfähxge Absorptionsmilieu, können dabei in beliebiger Reihenfolge zwischen zwei Verstärkermilieus in der Bahn des vom Oszillator ausgesandten Lichtimpulses angeordnet werden.

Beim Monochromator kann es sich um ein- beliebiges dispersives Organ, beispielsweise um ein Beugungsgitter, um ein Fabry-Perot-Meßgerät oder um ein Lichtbrechungsprisma handeln, das in Abhängigkeit von der auszuwählenden Wellenlänge und der gewünschten Auflösung gewählt wird.

Bei CO„-Verstärkungsmilieus, die im Infrarotbereich um 10,6 Mikron herum strahlen, ist das sättigungsfähxge Absorptionsmilieu beispielsweise gasförmiges Schwefelhexafluorid oder eine Mischung aus gasförmigem Schwefelhexafluorid und Helium.

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Es ist schwierig, sättigungsfähige Absorptionsmilieus zu finden, die über einen so breiten Wellenlängenbereich absorbieren können, daß auf einen Monochromator verzichtet werden könnte. Das Vorhandensein eines sättigungsfähigen Absorptionsmilieus mit engem Absorptionsspektrum hätte, falls es allein verwendet würde, den Nachteil, die Verstärkung der Laserstrahlung nur für eine bestimmte Anzahl von Linien zu verhindern, jedoch die Verstärkung von Wellenlängen, die den Übergängen zwischen zwei gepumpten Linien des Verstärkermilieus entsprechen, deren Wellenlängen außerhalb des Absorptionsspektrums liegen, zuzulassen. Es ist daher im allgemeinen Fall eines sättigungsfähigen Äbsorptionsmilieus mit engem Absorptionsspektrum notwendig, zusätzlich einen Monochromator zwischen den beiden Verstärkungsmilieus anzuordnen, der nur die Wellenlängen durchläßt, die zum vom sättigungs fähigen Absor-ptionsmilieu absorbierten Wellenlängenbereich gehören. Die vom Monochromator übertragenen Wellenlängen werden im Spektrum der in den Verstärkermilieus gepumpten Übergänge in Abhängigkeit der Einsatzbedürfnisse der Laserkette ausgewählt.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert,

Fig. 1 zeigt die Gesamtheit der nutzbaren Energieniveaus des Kohlendioxyds sowie das Absorptionsspektrum des Schwefelhexafluorids.

Fig. 2 zeigt eine Blockdiagrammdarstellung der verschiedenen Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

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In Fig. 1 werden in Abhängigkeit von der Wellenlänge (in /Um) die relativen Amplituden der verschiedenen Übergänge zwischen den Vibrations- Rotationsniveaus von Kohlenstoffaxyd dargestellt. Die relativen Amplituden dieser verschiedenen
Übergänge kennzeichnen die Energieabgabewahrscheinlichkeit
für diese Wellenlängen. Diese Figur zeigt, daß die wahrscheinlichste Strahlungslinie die Linie P(18) im Abschnitt 10,6 Aim ist. In derselben Figur ist das Absorptionsspektrum (Linie 2) des Schwefelhexafluorids (bei einem bestimmten Druck) in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Zur Vermeidung
von Sprüngen im Spektrum entspricht dieses Absorptionsspektrum einem ausreichend hohen Schwefelhexafluoriddruck, um die verschiedenen Absorptionsniveaus zu verbreitern und eine durchgehende Absorptionskurve durch Überlagerung der verschiedenen Absorptionslinien zu erhalten. Man sieht, daß das sättigungsfähige Absorptionsmittel, das Schwefelhexafluorid, die Strahlung um 10,6 Mikron herum absorbiert. Dieses Absorptionsmilieu ist daher nur dann verwendbar, wenn man einen Laser ohne Überstrahlungsdichteverlust um 10,6 Mikron herum schwingen lassen will, und der Monochromator muß dann sämtliche außerhalb dieses Absorptionsspektrums liegenden Wellenlängen entfernen. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Monochromator mit ausreichend hoher Auflösung verwendet, um zwei Vibrations-Rotationslinien um P(18) herum zu trennen, d.h. ein Monochromator mit einer Auflösung von etwa 200 Ä.

In Fig. 2 wird ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung umfaßt ein sättigungsfähiges Absorptionsmilieu 3 und einen Monochromator 5 (Dispersions-

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prisma. Beugungsgitter_;oder Fabry-Perot-Meßgerät), die zwischen zwei Verstärkermilieus 7 und 9 angeordnet sind. Das einem von einem nicht dargestellten Oszillator ausgesandten Lichtimpuls entsprechende Lichtbündel 11 möge von linksnach rechts verlaufen.

In Fig. 3 wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung genauer gezeigt. Diese Vorrichtung umfaßt zwischen zwei Verstärkern 16 und 18 ein sättigungsfähiges Absorptxonsmilieu 4 und einen aus einem Gitter 6 und zwei Konkavspiegeln 8 und 10 bestehenden Monochromator. Die reflektierenden Flächen der Spiegel liegen einander gegenüber. Im gemeinsamen Brennpunkt dieser beiden Spiegel 8 und 10 befindet sich ein Behälter 12 unter Unterdruck mit einer Blende 14. Der von einem hier nicht dargestellten Oszillator ausgesandte Laeerimpuls 20 durchläuft die gesamte Verstärkerkette. Bei dem Beugungsgitter 6 handelt es sich um ein Gitter aus beispielsweise 90 Strichen pro Millimeter, das um 10,6 Mikron herum im "blaze" arbeitet, wobei der Einfallswinkel i etwa 27 beträgt. Die beiden konkaven Spiegel 8 und 10 besitzen beispielsweise einen Brennpunktabstand von 3 Metern, d.h. einen Krümmungsradius von 6 Metern. Gestrichelt ist ein vom Verstärker ausgesandter Lichtstrahl 24 eingezeichnet, der einer Linie entspricht, die nicht die ausgewählte Linie P(18) ist; dieser Lichtstrahl wird von der Blende 14 gesperrt und nicht zum folgenden Verstärker 18 übertragen.

Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen : Das Schwefelhexafluorid in der Zelle 4 sperrt den Durchlaß für die Überlichtstärke lediglich für einige um die Linie P(18) bei etwa 10,6 Mikron herum liegende Linien. Der vom Gitter 6 und den beiden der Blende 14 zugeordneten Spiegeln 8 und 10 gebildete Monochromator sperrt den Durchlaß für alle Linien außer für die

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Linie P(18). Der Behälter 12 steht unter der Pumpwirkung einer Pumpe 13, um durch die hohe Leistung des Lichtimpulses bedingte Überschläge zu vermeiden. Der Druck des Schwefelhexafluorids in der Zelle 4 oder der Mischung aus Schwefelhexafluorid und Helium wird entweder experimentell oder mit Hilfe von theoretischen Überlegungen bestimmt, die nachstehend genannt werden. Im wesentlichen muß das sättigungsfähige Absorptionsmilieu mehrere Bedingungen erfüllen :

a) Sein Absorptionsspektrum muß so flach wie möglich sein, da bei niedrigem Druck das Spektrum von Schwefelhexafluorid Sprünge aufweist; die Linien der feinen Absorptionsstruktur beginnen sich erst bei einem Druck von etwa zehn Torr zu überdecken.

Um ein sprmgfreies Absorptionsspektrum zu erreichen, wählt man einen Gesamtdruck für das Schwefelhexafluorid oder die Mischung aus Schwefelhexafluorid und Helium von gleich oder größer 50 Torr.

b) Das Schwefelhexafluorid muß während der gesamten Durchlaufzeit des Laserimpulses durchsichtig bleiben. Es darf während des Durchgangs des Laserimpulses zu keiner Rotationsübertragung zwischen verschiedenen Niveaus des Schwefelhexafluorid« kommen. Unter Berücksichtigung der Breite des Impulses und der Tatsache, daß im Durchschnitt für eine Rotationsübertragung drei Kollisionen notwendig sind, läßt sich der zu beachtende Höchstdruck ableiten.

c) Das Schwefelhexafluorid muß bei niedrigen Lichtniveaus, also für die Überstrahlung, eine hohe Absorptionsfähigkeit aufweisen. Die Absorption für niedrige Lichtniveaus hat den Wert <X_Q =Cs ·Ν, wobei Ä der Koeffizient und <5 der effektive Wirkungsquerschnitt des Schwefelhexafluorids bei dem betrachteten Druck und

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N die Anzahl von Schsefelhexafluoridmolekülen ist, auf die der Lichtstrahl auftrifft; daraus ergibt sich das Produkt aus dem zu verwendenden Druck P und der Länge 1 der Zelle 4.

In einem Äusführungsbeispiel, bei dem man für eine Breite des vom Oszillator ausgesandten Lichtimpulses von einer Nanosekunde eine Dämpfung von 10 000 für die Überstrahlungsdichte erreichen will, muß der Absorptionskoeffizient tk gleich 40 dB sein. Dies entspricht bei einer Kollisionsfrequenz -9 —1

von 3.10 .s einem Höchstdruck von 300 Torr.

Berechnungen, die durch Experimente bei Umgebungstemperatur mit einem Impuls von einer Nanosekunde und einem Koeffizienten *t = O,27 dB/cm/Torr bestätigt wurden, erlauben die Bestimmung der ausreichenden Parameter : Für eine Zellenlänge 1 von 1 cm muß der Schwefelhexafluorxddruck gleich 150 Torr sein; für eine Zellenlänge von 3 cm muß der SFg-Druck 50 Torr sein und für eine Zellenlänge von 9 cm kann ein SF_ß-Druck von 16,7 Torr und ein Heliumdruck von 33,3 Torr gewählt werden. Diese Parameter werden nur als Beispiele angegeben, da in Versuchen der zu erreichende Absorptionsgrad für die Überstrahlungsdichte ohne erhebliche Dämpfung des Hauptstrahls des vom Oszillator ausgesandten Lichtimpulses bestimmt werden kann. Die Wahl des Beugungsgitters und die Öffnungsweite der Blende hängen im wesentlichen vom Aufbau ab. Nachfolgend wird ein besonderes Ausführungsbeispiel mit einem Beugungsgitter aus 9O Strichen pro Millimeter mit "blaze" erster Ordnung um 10,6 Mikron herum behandelt, was einen Winkel i von etwa 27 voraussetzt. Der Wellenlängenabstand zwischen zwei Rotationslinien, wie er in Fig. 1 dargestellt wird, beträgt etwa 200 A. Dies entspricht

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einer Reflexionswinkeländerung auf dem Beugungsgitter di = —r

wobei i der Einfallswinkel auf das Gitter, a der Gitterschritt und dX der Abstand von 200 A zwischen zwei Linien ist. Man erhält dann für di = 0,2 . 10 Radianten. Für einen Brennpunktabstand der Spiegel von 3 m setzt dies eine Blendenöffnung von etwa 6 mm voraus.

Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung an Hochleistungslaser angepaßt werden, die mit Feststoff oder Flüssigkeitsverstärkermilieus im Pulsbetrieb arbeiten. Außerdem ist es natürlich durchaus möglich, das sättigungsfähige Milieu in Verstärkermilieus wie beispielsweise 16 und 18 aufzulösen, anstatt es in einem getrennten Behälter unterzubringen. Dies bietet den Vorteil, eine isotropischere Unterdrückung der ÜberStrahlungsdichte im Verstärkermilieu zu erreichen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich leicht anwenden, da es sich bei ihr hauptsächlich um eine passive Vorrichtung handelt, die zwischen zwei Verstärkungsmilieus angeordnet ist und keine zeitlich genau festgelegte Aktivierung in Abhängigkeit vom Abgabezeitpunkt des Laserimpulses vom Oszillator erfordert.

Patentansprüche

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 - Wellenlängenselektive Lichtunterbrechervorrichtung, die in der Bahn eines Lichtimpulses zwischen zwei Laserverstärkermilieus angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein sättigungsfähiges Absorptionsmilieu, das mindestens für eine der einem Laserübergang der Verstärkermilieus entsprechende Linien Licht absorbiert, sowie einen Monochromator umfaßt, der den Lichtimpuls lediglich für diesen Linien entsprechende Wellenlängen durchläßt.

2 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn ζ e i chnet, daß der Monochromator aus einem Beugungsgitter, einem Fabry-Perot-Meßgerät oder einem Dispersivprisma besteht.

3 - Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Monochromator ein ebenes Beugungsgitter besitzt, das im "blaze" für die Wellenlänge der einem Laserübergang der .Verstärkermilieus entsprechenden Linie

wird ^
verwendetyTand daß sich im gemeinsamen Brennpunkt der zwei Konkavspiegel eine in einem evakuierten Behälter untergebrachte Blende befindet.

4 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Verstärkermilieus um CO -Verstärkermilieus handelt.

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5 - Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem sättigungsfähigen Äbsorptionsmilieu um gasförmiges Schwefelhexafluorid handelt.

6 - Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem sättigungsfähigen Absorptionsmilieu um eine Mischung aus gasförmigem Schwefelhexafluorid und Helium handelt.

7 - Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige sättigungsfähige Absorptionsmilieu in den Verstärkungsmilieus aufgelöst ist.

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