DE2649847A1

DE2649847A1 - Lasergenerator fuer eine wellenlaenge von etwa 1,3 mikron

Info

Publication number: DE2649847A1
Application number: DE19762649847
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Farcy
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1975-11-17
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1977-06-08
Also published as: FR2331898B1; NL7612801A; US4112390A; IT1064281B; AU509604B2; JPS5261990A; CA1065458A; BE847887A; AU1945276A; GB1521454A; FR2331898A1; CH597702A5; JPS609357B2

Description

DJpl.-lng. Jürgen WEINMILLER η q . _; _,

PAXENTASSESSOR " ^¹'¹-

80CÖ München 8O

Zeppelinstr. 63

COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE S.A. 54, rue La Boetie, 75382 PARIS CEDEX 08 Frankreich

LASERGENERATOR FÜR EINE WELLENLÄNGE VON ETWA 1,3 MIKRON

Die Erfindung betrifft Lasergeneratoren, die auf einer Wellenlänge von etwa 1,3 Mikron strahlen, insbesondere Laser, die kurze Impulse hoher Leistung abgeben.

Es ist bekannt, einen starken Laserimpuls mit einer Wellenlänge von 1,3 Mikron mit Hilfe einer Vorrichtung zu erzeugen, die einen Jodgaslaseroszillator, der einen kurzen Impuls abgibt, sowie diesem nachgeordnet einen ebenfalls auf Jodbasis arbeitenden Verstärker umfaßt.

Bei dem Oszillator kann es sich um einen Oszillator mit Auslösung und zeitlicher Beschneidung des Impulses oder um einen Blockiermodeoszillator handeln, der eine Reihe von Impulsen aussendet und eine Vorrichtung aufweist, mit der ein

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Impuls aus dieser Impulsfolge ausgewählt werden kann. In beiden Fällen hat das Ausgangssignal des Oszillators eine Dauer von etwa einer Nanosekunde oder weniger.

Mit den oben erwähnten Lasergeneratoren lassen sich aber nur Ausgangsimpulse recht begrenzter Leistung liefern.

Dieser Nachteil beruht darauf, daß es einerseits bei einem Jodlaser ziemlich schwierig ist, ohne erhebliche Druckerhöhung für das aktive Gas sehr kurze Impulse zu erhalten, und daß andererseits die Anregung der oberen Energieebene des Jodatoms durch Fotodissoziation erfolgt. Diese obere Ebene besteht aus zwei verschiedenen Niveaus, und die untere Ebene, auf die die angeregten Elektronen zurückfallen, umfaßt vier Niveaus. Daher müßte eigentlich die durch Jodgaserregung hervorgerufene Laserabstrahlung acht verschiedene Spektrallinien aufweisen, die den verschiedenen Übergangskombinationen zwischen den beiden oberen Niveaus und den vier unteren Niveaus entsprechen. In Wirklichkeit sind nur sechs Spektrallinien vorhanden. Bei der oben beschriebenen bekannten Laservorrichtung stellt man in der Praxis fest, daß der Jodoszillator lediglich auf einer einzigen bevorzugten Wellenlänge sendet, die der Sendespektrallinie mit dem höchsten Verstärkungsgrad entspricht« Unter diesen Bedingungen ergibt sich die Energieverstärkung im Verstärker nur für diese bevorzugte Wellenlänge, woraus eine Verringerung der Ausgangsleistung der Vorrichtung folgt.

Dieser Nachteil kann nur teilweise dadurch ausgeglichen werden, daß der Druck des aktiven Gases im Verstärker erhöht wird. Denn die Relaxationszeiten zwischen dem bevorzugten Rück-

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fallniveau und den unteren Niveaus der unteren Ebene werden dann verringert, und ihre Werte nähern sich der Dauer des Impulses an. Die EnergieverStärkung wird dann zwar erhöht, jedoch ist die so erzielte Leistungshöhe der Ausgangsimpulse gering.

Es wurde daher versucht, den Jodoszillator auf den verschiedenen Sendespektrallinien des Jods arbeiten zu lassen, indem beispielsweise im optischen Resonanzraum ein Fabry-Perot-Meßgerät angeordnet wird, damit die Verstärkung auf den verschiedenen Übergängen moduliert wird. Die Versuche haben aber keine praktisch verwertbaren Ergebnisse gezeigt.

Die Erfindung gemäß Hauptanspruch behebt die Nachteile der oben beschriebenen Vorrichtungen und schafft einen Lasergenerator, der Impulse mit einer Wellenlänge von 1,3 Mikron und einer höheren Leistung abgeben kann, als sie nach der herkömmlichen Technik erreicht werden.

Nachfolgend wird dis Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Figuren 2 und 3 zeigen Energieniveaudiagramme, die die Funktionsbeschreibung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung illustrieren.

Fig. 4 zeigt schematisch eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Gemäß Fig. 1 wird ein optischer Resonanzraum durch zwei auf einer optischen Achse 3 aufeinander ausgerichtete Reflektoren 1 und 2 begrenzt, von denen der eine Reflektor 2 halb

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lichtdurchlässig idb. Im Resonanzraum ist ein aktives Lasermaterial 4 untergebracht. Ferner sind hier nicht dargestellte Mittel zur Anregung des aktiven Materials 4 vorgesehen, die beispielsweise urn das aktive Material 4 herum angeordnete Blxtzentladungsröhren umfassen. Im Resonanzraum sind zudem Mittel vorhanden, mit denen mindestens ein Lichtimpuls ausgelöst werden kann. Diese Mittel umfassen einen elektrooptischen Modulator 5 wie beispielsweise eine Pockelszelle und einen Polarisator 6, wie beispielsweise eine entsprechend dem Brewster-Winkel geneigte optische Platte. Der Resonanzraum schließt außerdem einen akustischen Modulator 7 ein, der aus einem auf die Achse 3 des Resonanzraums zentrierten Quarzblock bestehen kann, auf dem ein elektroakustischer Transduktor 9 befestigt ist.

Auf der Seite des halb lichtdurchlässigen Reflektors 2 ist außerhalb des Resonanzraums eine auf die Achse 3 zentrierte Impulswahlvorrichtung angeordnet. Diese Impulswahlvorrichtung kann einen elektrooptischen Modulator wie beispielsweise eine zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren 11 und 12 angeordnete Pockelszelle 10 umfassen. Noch weiter nach außen auf der Seite des halb lichtdurchlässigen Reflektors befindet sich ein auf die Achse 3 zentrierter Jodlaserverstärker 13, der aus einem Rohr besteht, das ein beispielsweise aus einer Mischung einer Jodverbindung wie beispielsweise C₃F₇J und Argon bestehendes aktives Gas einschließt. Schließlich weist die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung noch Mittel 14 zum Regeln des Drucks des aktiven Gases im Verstärker 13 auf, der etwa gleich dem Atmosphärendruck sein kann.

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Gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung handelt es sich bei dem aktiven Material 4 um ein mit Neodym dotiertes aktives Material, beispielsweise aus mit Neodym dotiertem Glas. Die Vorrichtung enthält Auswahlmittel, mit denen erreicht wird, daß in den Verstärker 4 lediglich derjenige Strahlungeanteil des Oszillators gelangt, der in einem weiter unten genau angegebenen Frequenzbereich liegt. Diese Auswahlmittel umfassen mehrere Dielektrikumschichten 15 und 16 auf der reflektierenden Oberfläche der Reflektoren 1 bzw. 2 des optischen Resonanzraums sowie ein im Resonanzraum angeordnetes Interferenzfilter 17. Jedoch kann diese Frequenzauswahl auch mit Hilfe von im optischen Resonanzraum untergebrachten Beugungsgittern oder Fabry-Perot-Meßgeräten erreicht werden.

Der durch die Reflektoren 1 und 2 begrenzte optische Laserresonanzraum, in dem der mit Neodym dotierte Glasstab 4 mit seinen Erregungsmitteln angeordnet ist, erzeugt mit Hilfe des akustooptischen Modulators 7 Impulse im blockierten Mode. Mit dem elektrooptischen Modulator 5, dem der Polarisator 6 zugewandt ist, kann eine Reihe von diesen aus dem optischen Resonanzraum über den halb lichtdurchlässigen Reflektor 2 aus-

der, tretenden Impulsen ausgelöst werden. Mit Hilfe^Pockelszelle 10, die zwischen den gekreuzten Polarisatoren 11 und 12 liegt, können bis auf einen durch den Pfeil 18 dargestellten Impuls alle Impulse zurückgehalten werden; der einzige durchgelassene Impuls stellt ein in den Verstärker 13 gelangendes Lichtsignal dar.

Das Signal 18 hat eine Wellenlänge von etwa 1,3 Mikron, wenn Mehrfach-Dielektrikumschichten 15 und 16 und das Inter-

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ferenzfilter 17 wie oben erklärt eingesetzt werden.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm für die Energieniveaus des mit Neodym dotierten Glases, die in Richtung des Pfeils 20 anwachsen.

In diesem Diagramm entspricht das Niveau 21 dem. von den nicht angeregten Elektronen eingenommenen Grundzustand. Bei Erregung beispielsweise durch das Licht einer Entladungsröhre können die Elektronen vom Niveau 21 zum höheren Niveau

22 übergehen, von dem sie spontan auf ein metastabiles Niveau

23 abfallen. Die auf dem Niveau 23 befindlichen Elektronen fallen anschließend entlang dem Pfeil 27 auf das Niveau 24 ab und geben dabei Strahlung der Wellenlänge 1,3 Mikron ab, oder entlang dem Pfeil 28 auf das niedrigere Niveau 25 unter Abgabe von Strahlung der Wellenlänge 1,06 Mikron oder schließlich entlang dem Pfeil 29 auf das niedrigste Niveau 26 unter Abgabe von Strahlung der Wellenlänge 0,9 Mikron. Das in Fig. 2 gezeigte Diagramm berücksichtigt nicht, daß jedes der Niveaus 22, 23, 24, 25, 26 mehrere Uhterniveaus aufweisen kann.

Die dem Pfeil 28 und der Wellenlänge 1,06 Mikron entsprechende Strahlung ermöglicht die größte Verstärkung, und daher wird diese Wellenlänge meistens bei mit Neodym dotierten Glaslasern verwendet. Der in Fig. 1 dargestellte Laseroszillator strahlt dagegen auf einer Wellenlänge von 1,3 Mikron entlang dem Pfeil 27 der Fig. 2 wegen der Mehrfach-Dielektrikumschichten und 16, die das Licht in einem kleinen Wellenbereich reflektieren, der die Sendespektrallinien des mit Neodym dotierten Glases in der Nähe von etwa 1,3 Mikron enthält und die in der Nähe von

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1,06 Mikron und Q,9< Mikron liegenden Spektrallinien ausschließt, da diese Mehrfach-Dielektrikumschlchten das außerhalb dieses Wellenlängenberelehs liegende Licht absorbieren« Das Interferenzfilter 17» dessen Funktion genau die gleiche 1st,wie die der Schichten 15 und 16, wird nur benötigt, wenn der durch die Mehrfach—Dlelektrikumschichten 15 und 16 begrenzte Wellenlängen— bereich noch enger gehalten werden muß.

In Fig. 3 werden die Energieniveaus von Jod dargestellt. Wird das aktive Gas eines Jodlasergenerators angeregt, so gehen die Elektronen vom Grundzustand 3O auf eine höhere Energieebene entlang dem Pfeil 31 über, die zwei Niveaus 32 und 33 aufweist. Die Rückf aliebene der Elektronen weist vier Niveaus 34, 35, 36 und 3? auf« Die Laserabstrahlung kann daher gemäß acht Spektrallinien erfolgen (von denen sechs in Wirklichkeit zulässig sind), die den Kombinationen der zwei oberen Niveaus mit den vier unteren Niveaus entsprechen. Der Welleniängenabstand zwischen den verschiedenen Sendespektralllnien des Jods ist sehr gering

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und beträgt etwa IO Mikron _t wobei die mittlere Wellenlänge 1,315 Mikron 1st.

Die In der Nähe von 1,3 Mikron liegenden Sendespektral— linien des Glases überdecken vollkommen die verschiedenen Jod— spektrallinlen. Daraus ergibt sich, daß das Strahlungsspektrum des Signals 18 (siehe Fig. 1} , das in den Verstärker 13 gelangt, sämtliche Sendewellenlängen des Jods überdeckt. Unter diesen Bedingungen wird das durch den Verstärker 13 laufende Signal 18 auf den Frequenzen der verschiedenen Sendespektra !linien des Jods verstärkt, und die am Ausgang des Verstärkers 13 erzielte Pulsleistung ist wesentlich höher als in den Vorrichtungen gemäß der bekannten Technik, bei denen die Wellenlänge

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der Strahlung des aus dem Jodoszillator austretenden Signals lediglich einer einzigen Sendespektrallinie entspricht.

Falls der auf 1,3 Mikron abstrahlende Laser zur Plasmaerzeugung verwendet wird, ist es häufig notwendig, einen Impuls von etwa O,l Nanosekunde Dauer zu erzeugen. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist dann den Vorteil auf, kürzere Impulse als Vorrichtungen bekannter Technik zu liefern. Es ist nämlich sehr viel leichter, kurze Impulse im blockierten Mode in einem Glaslaser als in einem Jodlaser zu erhalten. Während mit einem Jodlaseroszillator Impulse von etwa 0,5 Nanosekunden Dauer zu erreichen sind, können mit einem Glasoszillator Signale ausgesandt werden, deren Dauer etwa 10 bis 50 Picosekunden beträgt. In der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird die Impulsdauer auf eine größere Länge gebracht* die nach Durchqueren des Verstärkers 13 etwa 0,1 Nanosekunden betragen kann. Diese Verlängerung der Impulsdauer ergibt sich daraus, daß die Spektralbreite des in den Verstärker gelangenden Signals größer als der Durchlaßbereich des Verstärkers ist.

Es ist schließlich noch zu bemerken, daß die Dauer des Ausgangsimpulses dadurch reguliert werden kann, daß der Gasdruck im Verstärker 13 mit Hilfe der Vorrichtung 14 verändert wird.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in Fig. 4 dargestellt ist, unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten im wesentlichen dadurch, daß der Laseroszillator nicht im blockierten Mode arbeitet. In Fig. 4 schließt ein aus zwei auf eine Achse 43 zentrierten Reflektoren 41 und 42 bestehender optischer Resonanzraum einen mit Neodym dotierten Glasstab 44 ein, der mit hier nicht dar-

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gestellten Anregungsmitteln zusammenwirkt, sowie eine eine Pockelszelle 45 und einen Polarisator 46 umfassende Vorrichtung zum Auslösen eines Impulses. Der etwa 30 Nanosekunden dauernde aus dem optischen Resonanzraum austretende Lichtimpuls läuft durch ein Begrenzerorgan, einen als Begrenzer wirkenden elektrooptischen Modulator wie eine Pockelszelle 50, die zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren 51 und 52 angeordnet ist. Dieser Modulator läßt lediglich einen Bruchteil der Lichtenergie des Impulses durch, der etwa einer Zeitdauer von einer Nanosekunde entspricht. Dieser Lichtenergiebruchteil stellt ein Signal 58 dar, das anschließend durch den Jodgasverstärker 53 verstärkt wird; dieser Verstärker ist mit Mitteln 54 versehen, mit denen der Gasdruck verändert werden kann.

Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung enthält Auswahlmittel, die in den Verstärker 53 den Strahlungsanteil des Signals 58 gelangen lassen, der in einem Wellenlängenbereich liegt, der die in der Nähe von 1,3 Mikron liegenden Sendespektrallinien des mit Neodym dotierten Glases überdeckt, wobei dieser Wellenlängenbereich die in der Nähe von 1,06 Mikron und 0,9 Mikron liegenden Sendespektrallinien des mit Neodym dotierten Glases ausschließt. Diese Auswahlmittel umfassen Mehrfach-Dielektrikumschichten 55 und 56, die auf der reflektierenden Fläche der Reflektoren 41 bzw. 42 aufgebracht sind, sowie ein Interferenzfilter 57. Die in Fig. 4 dargestellte Vorrichtung arbeitet genauso wie die in Fig. 1 gezeigte. Mit dieser Vorrichtung ist es ebenfalls möglich, leistungsstärkere Ausgangsimpulse zu erzielen als bei Vorrichtungen gemäß der bekannten

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Technik. Jedoch ist die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung weniger gut für die Erzeugung von Ausgangsimpulsen einer Dauer von etwa 0,1 Nanosekunden geeignet, denn die Dauer des aus dem Oszillator austretenden Signals 58 wird nach unten durch die Möglichkeiten des Modulators 50 bis 52 auf etwa eine Nanosekunde beschränkt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet Anwendung, wenn man kurze und leistungsstarke Lichtimpulse erreichen will. Die Erfindung ist besonders für das Studium von dichtem und heißem Plasma geeignet.

Selbstverständlich kann im Rahmen der Erfindung der Lichtmodulator_r der den Oszillator im blockierten Mode arbeiten läßt, ein elektrooptischen Modulator oder ein sättigungsfähiges Absorptionsmittel sein; außerdem kann der Verstärker 13 aus mehreren Verstärkern in Reihe bestehen. Ferner kann der Laseroszillator, der auf der Wellenlänge von etwa 1,3 Mikron mit einer zur Abdeckung der Jodspektrallinien ausreichenden Spektralbreite sendet, nicht nur ein mit Neodym dotierter Glasoszillator, sondern auch ein mit Neodym dotierter Kristalloszillator oder Flüssigkeitsoszillator sein.

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Claims

PATENTANS PRÜCHE

( Iy- Lasergenerator, der auf einer bei etwa 1,3 Mikron liegenden Wellenlänge sendet und einen Laseroszillator mit einem optischen Resonanzraum, einem aktiven Material, mit Anregungsmitteln für dieses aktive Material und mit Mitteln zum Auslösen mindestens eines Lichtimpulses im das angeregte aktive Material enthaltenden Resonanzraum und mindestens einen Verstärker umfaßt, der am Ausgang des Oszillators angeordnet ist und ein aus einer Jodverbindung bestehendes aktives Gas sowie Mittel zur Anregung dieses aktiven Gases enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Material (4) des Oszillators mit Neodym dotiert ist und daß der Oszillator Auswahlmittel (15, 16, 17) aufweist, durch die in den Verstärker (13) die Strahlung gelangt, die in einem Wellenlängenbereich liegt, in den die in der Nähe von 1,3 Mikron liegenden Sendespektrallinien des Neodyms und die verschiedenen Sendespektrallinien des aktiven Gases fallen, wobei dieser Wellenlängenbereich diejenigen Sendespektrallinien des Neodyms ausschließt, die in der Nähe von 1,06 und 0,9 Mikron liegen.

2 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator ein Begrenzerorgan (50, 51, 52) für den Impuls aufweist, das lediglich einen Bruchteil der Lichtenergie dieses Impulses durchläßt, welcher in einen sehr kurzen Zeitraum fällt, wobei der dem Verstärker zugeführte Lichtimpuls aus diesem Bruchteil besteht.

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3 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator einen Lichtmodulator (7) aufweist, der im optischen Resonanzraum angeordnet ist, so daß der Oszillator eine Reihe von Impulsen im blockierten Mode abgibt, sowie am Ausgang des Resonanzraums angeordnete Mittel (10, 11, 12) aufweist, die dafür sorgen, daß in den Verstärker (13) lediglich einer dieser Impulse gelangt und die übrigen zurückgehalten werden, wobei der dem Verstärker (13) zugeführte Lichtimpuls ein Impuls dieser Reihe ist.

4 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Reguliermittel (14) für den Druck des aktiven Gases des Verstärkers (13) vorgesehen sind.

5 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlmittel (15, 16, 17) ein Interferenzfilter (17) oder ein Beugungsgitter oder ein Fabry-Perot-Meßgerät aufweisen.

6 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlmittel (15, 16, 17) aus einer geeigneten Behandlung der Reflexionsflächen (1, 2) des Resonanzraums sowie aus einem Interferenzfilter (17) bestehen.

7 - Vorrichtung gemäß Amspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Begrenzerorgan (5O, 51, 52) aus einem elektrooptischen Modulator besteht.

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8 - Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ausgang des Resonanzraums angeordneten Mittel (10, 11, 12),mit denen in den Verstärker (13) lediglich ein Impuls der Impulsfolge eingelassen werden soll, einen zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren (11, 12) angeordneten elektrooptischen Modulator (10) umfassen.

9 - Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtmodulator (7) ein akustooptischer Modulator, ein elektrooptischer Modulator oder ein sättigungsfähiges Absorptionsmittel ist.

10 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (5, 6) zum Auslösen mindestens eines Lichtimpulses im optischen Resonanzraum einen elektrooptischen Modulator (5) und einen Polarisator (6), die in diesem Resonanzraum angeordnet sind, umfassen.

11 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem aktiven Material um mit Neodym dotiertes Glas handelt.

12 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem aktiven Material um ein mit Neodym dotiertes Kristall handelt.

13 - Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem aktiven Material um eine mit Neodym dotierte Flüssigkeit handelt.

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