DE1614422C - Optischer Sender - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender (Laser) zur Erzeugung von Impulsen hoher Leistung (Riesenimpulslaser), bestehend aus einem stabförmigen stimulierbaren Festkörpermedium, beispielsweise Rubin, das in Verbindung mit geeignet ausgebildeten und angeordneten Reflektoren einen optischen Resonator bildet, einem im Rückkopplungsweg des optischen Resonators angeordneten optischen Schalter, einer Anregungslichtquelle und einem die Anregungslichtquelle auf das sümulierbare Medium abbildenden Spiegelsystem.

Die Lichtleistung von Riesenimpulsen kann sehr hohe Werte bis in die Größenordnung von vielen MW/cm² annehmen. Hier besteht die Gefahr von Materialzusammenbrüchen selbst bei so harten Materialien wie Rubin, die dabei besonders an der Stirnseite auftreten, an der der Riesenimpuls ausgekoppelt wird. Das gleiche gilt für die Resonatorspiegel, die entweder eine hohe Impulsenergie reflektieren oder eine hohe Impulsleistung auskoppeln müssen.

Es ist bereits vorgeschlagen worden/diese Gefahr lädürch wesentlich herabzusetzen, daß die Auskoppung des Laseriichtes aus dem stabförmigen stimüierbaren Medium wenigstens über zwei Flächen-Bereiche vorgenommen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für iinen optischen Sender der einleitend beschriebenen \rt eine weitere Lösung anzugeben, die den geschilderten Schwierigkeiten in einfacher Weise begegnet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Vergrößerung der ausstrahlenden Fläche unter Verringerung der ausgangsseitigen Leuchtdichte der das stabförmige stimulierbare Medium mit seinen Reflektoren einschließende optische Resonator für einen Lauf weg des Laserlichts durch das stimulierbare Medium zwischen jeweils zwei in dessen Erstreckung aufeinanderfolgenden Auskoppelflächenbereichen bemessen ist, der klein gegen die Gesamtlänge des stimulierbaren Mediums ist.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es in vorteilhafter Weise möglich, selbst sehr große Impulsleistungen zu erzeugen, ohne daß Materialzusammenbrüche und Zerstörungen an den Spiegeln befürchtet werden müssen. Die verschiedenen Teilimpulse an den verschiedenen Auskoppelflächenbereichen können durch eine geeignete Optik in erwünschter Weise zu einem Summenimpuls vereinigt werden.

Bei einer einfachen Ausführungsform nach der Erfindung ist der optische Resonator vom Fabry-Perot-Typ, bei dem das stabförmige stimulierbare Medium in zwei und mehr Teilstäbe mit zur Stabachse senkrechten Stirnflächen unterteilt ist, die vorzugsweise die gleiche Länge aufv/eisen. Zwischen den Teilstäben sind der Strahlenauskopplung dienende Strahlteiler vorgesehen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform nach der Erfindung, bei der ebenfalls ein optischer Resonator vom Fabry-Perot-Typ zur Anwendung gelangt, bei dem das stabförmige stimulierbare Medium in zwei und mehr Teilstäbe vorzugsweise gleicher Länge unterteilt ist, sind die Stirnflächen dieser Teilstäbe zur Bildung von Auskoppelflächenbereichen gegen die Stabachse unter einem geeigneten Winkel von vorzugsweise 45° geneigt.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführung des Resonators stellt sich das stabförmige stimulierbare Medium seiner äußeren Formgebung nach aus in Achsrichtung mit ihren Ober- und Unterseiten aneinandergesetzten gleichartigen Scheibenteilen mit Parallelogrammquerschnitt dar, der so bemessen ist, daß ihre in ihrer Aufeinanderfolge aneinandergrenzenden schrägen Seitenflächen paarweise auf gegenüberliegenden Seiten zwei sich in Achsrichtung erstreckenden Reihen von 45°-Prismen bilden, die hierbei um eine Scheibenteilbreite gegeneinander versetzt sind. Ferner weicht der Querschnitt der beiden Endscheibenteile des stabförmigen stimulierbaren Mediums insofern vom Parallelogramm ab, als die schrägen Seitenflächen, die nicht mehr zu einem 45°-Prisma ergänzt sind, durch senkrecht zu ihren Ober- und Unterseiten verlaufende Seitenflächen ersetzt sind, die die Begrenzungsflächen des Rückkopplungsweges im stabförmigen stimulierbaren Medium darstellen, und daß wenigstens jeder zweite der in Achsrichtung aufeinander gegenüberliegenden Seiten aufeinanderfolgenden schrägen Seitenflächen der Scheibenteile voll reflektierend ausgebildet sind.

Bei den angegebenen Ausführungsformen des optischen Resonators nach der Erfindung werden' im Strahlengang der rückgekoppelten Teilstrahlen zweckmäßig modenselektive Bauteile, beispielsweise Blenden, angeordnet.

Ebenfalls von Vorteil ist es, im Rückkopplungsweg der Teilstrahlen an jeder Auskoppelstelle einen optischen Schalter anzuordnen.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung weist das stabförmige stimulierbare Medium einen Querschnitt auf, der einem gleichseitigen Dreieck entspricht. Die den Katheten dieses Dreiecks zugehörigen Stabflächen sind vollfeflektierend. Die Reflektoren, die zusammen mit dem stimulierbaren Medium den optischen Resonator bilden, bestehen einerseits aus dem prismatischen stimulierbaren Medium selbst und andererseits aus wenigstens einem teildurchlässigen Spiegel, der auf Seiten der Hypotenusenfläche des prismatischen stimulierbaren Mediums so angeordnet ist, daß der Strahlengang des Laserlichts senkrecht zur Stabachse verläuft.

Zweckmäßig ist das stimulierbare Medium ein 45°- Prismastab, dessen Hypotenusenfläche gegenüber und seitenparallel hierzu der teildurchlässige Reflektor angeordnet ist.

Soll die Resonatoranordnung von einem flüssigen Kühlmittel, beispielsweise Wasser, benetzt werden, so ist es sinnvoll, das stimulierbare Medium plattenförmig mit einem Verhältnis von Länge zu Breite wesentlich größer als eins auszubilden. Diesem plattenförmigen stimulierbaren Medium ist dabei auf der Ober- und der Unterseite ein hierzu parallel ausgerichteter Resonatorspiegel zugeordnet, von denen der eine Resonatorspiegel eben und teildurchlässig und der andere Resonatorspiegel ein 45°-Prisma in Stabform ist. Das 45°-Prisma besteht seinerseits in diesem Falle aus einem lichtdurchlässigen Stoff mit einem Brechungsindex η > 1,88, beispielsweise Schwerstflintglas, Rutil oder Diamant.

An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,

F i g. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,

F i g. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,

F i g. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung.

Der Riesenimpulslaser nach F i g. 1 ist vom Fabry-Perot-Typ, bei dem zwischen den beiden Reflektoren Rl und Al' in der optischen Achse des Resonators drei das stimulierbare Medium darstellende Teilstäbe A11, A12 und A13, ein in seiner Lichtdurchlässigkeit steuerbarer Schalter 5 und Strahlteiler Str angeordnet sind. Die Strahlteiler Str sind jeweils zwischen den Teilstäben bzw. einem Teilstab und dem ihm benachbarten Reflektor oder Schalter angeordnet. Die Stirnflächen der Teilstäbe ,411, Λ12 und A13 verlaufen senkrecht zur Stabachse und damit parallel zu den ReflektorenR1 und Rl'. Die senkrecht zur Resonatorachse über die Strahlteiler Str ausgekoppelten Impulsteilstrahlen sind mit T bezeichnet.

Die Laseranordnung nach F i g. 2 ist ebenfalls vom Fabry-Perot-Typ. Sie unterscheidet sich von der An-

Ordnung nach F i g. 1 lediglich durch vier Teilstäbe A 21 bis A 24, deren Stirnfläche als Strahlteiler alle in der gleichen Richtung unter einem Winkel von 45° verlaufen. Die Auskopplung der Teilstrahlen aus dem Resonator erfolgt also hier über die schräg angeschnittenen Stirnflächen der Teilstäbe. Die Stirnflächen können gegebenenfalls zur Vermeidung von Totalreflexionen beispielsweise etwas aufgerauht sein.

Fig. 3 zeigt einen Riesenimpulslaser, dessen stimulierbares Medium A 3 in seiner äußeren Formgebung als aus mehreren in Achsrichtung mit ihren Ober- und Unterseiten aneinandergesetzten gleichartigen Scheibenteilen mit Parallelogrammquerschnitt zusammengesetzt gedacht werden kann. Zur Verdeutlichung dieses Sachverhaltes ist eines der Teilstücke durch unterbrochene SchnitÜinien in der Fig. 3 angegeben. Der Parallelogrammquerschnitt ist derart bemessen, daß sich in der Aufeinanderfolge dieser gedachten Scheibenteile paarweise auf gegenüberliegenden Seiten zwei sich in Achsrichtung erstreckende Reihen von 45°-Prismen bilden, die um eine Teilstückbreite gegeneinander versetzt sind. Der Querschnitt der beiden gedachten Endscheibenteilstücke des stabförmigen stimulierbaren Mediums A 3 weicht insofern vom Parallelogramm ab, als die schrägen Seitenflächen, die nicht mehr zu einem 45°-Prisma ergänzt sind, durch senkrecht zu ihren Oberseiten verlaufende Seitenflächen 3 ersetzt sind. Diese Seitenflächen bilden die Begrenzungsflächen des Rückkopplungsweges im stabförmigen stimulierbaren Medium. Parallel zu den beiden an der Oberseite des stabförmigen stimulierbaren Mediums verlaufenden Seitenflächen 3 sind zwei Resonatorspiegel R 3 und R 3' angebracht. Zwischen der an der Oberseite des stimulierbaren Mediums A 3 verlaufenden Seitenfläche 3 und dem Resonatorspiegel R 3 ist ein in seiner Lichtdurchlässigkeit steuerbarer Schalters¹ angebracht. Die mit 2 bezifferten schrägen Flächen des stimulierbaren Mediums sind ausnahmslos totalreflektierend ausgebildet, während die mit 1 bezifferten schrägen Flächen der Auskopplung der Teilstrahlen T dienen und hierzu teilreflektierend ausgebildet sind.

Die in F i g. 4 dargestellte besonders bevorzugte Anordnung nach der Erfindung benötigt neben dem stimulierbaren MediumA4 und einem Schalters¹ — durch die strichpunktierte Linie lediglich angedeutet — zum wahlweisen Öffnen und Schließen des Strahlenganges nur einen teildurchlässigen ResonatorspiegeijR4. Das stimulierbare Medium A 4 weist dabei den Querschnitt eines 45°-Prismas auf. Der große Vorteil dieser Formgebung des stimulierbaren Mediums besteht darin, daß der prismatische Stab zugleich den vollreflektierenden Spiegel des Resonators abgeben kann. Hierzu ist es lediglich, wie in Fig. 4 dargestellt, notwendig, den teilreflektierenden Resonatorspiegel¹ R 4 auf der gegenüberliegenden Seite der Hypotenusenfläche des stimulierbaren Mediums A 4, und zwar seitenparallel hierzu anzuordnen. Der weitere Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß alle ausgekoppelten Teilstrahlen T in den Grenzen der Abmessungen des Resonatorspiegels R 4 bereits zusammengefaßt sind und alle die gleiche Richtung aufweisen.

Bei hoher Leistung tritt oftmals das Problem der Kühlung der gesamten Anordnung auf. Werden hierbei wie im Falle der Resonatoranordnung nach der F i g. 4 oder einem sonstigen üblichen Resonatoraufbau als Reflektoren mit Rücksicht auf die relativ hohe Belastbarkeit 45°-Prismen verwendet, so muß in der Regel die Oberfläche des Prismas von der Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, freigehalten werden, sofern hierdurch ein Grenzwinkel der Totalreflexion a<45°, der die Spiegelwirkung bedingt, nicht mehr gewährleistet werden kann. Wie sich zeigt, ist eine Flüssigkeitskühlung bei der Anordnung nach F i g. 4 nicht ohne weiteres möglich. Um in Wasserimmersion den Grenzwinkel der Totalreflexion «<C45° erhalten zu können, ergibt sich für

. , .__o. 1 «2 (stim.Med.)

sin(a = 45°) = — ₌ —-±— -^mitnl > 1,33

η «1 (Wasser) =

und sind 45° = 0,707 für «2 ^ 1,88. Der Brechungsindex von Rubin beträgt nur 1,78, von Neodymglas 1,6. Eine Benetzung ist hier also nur dann zulässig, wenn an Stelle von Wasser eine Kühlflüssigkeit mit entsprechend geringerem Brechungsindex zur Anwendung gelangt. Soll auf Wasser als Kühlmittel nicht verzichtet werden, so ist es sinnvoll, das stimulierbare Medium plattenförmig auszubilden, und zwar mit einer der Hypotenusenfläche des prismatischen Stabes des stimulierbaren Mediums A 4 nach der F i g. 4 entsprechenden Grundfläche, dem auf der dem Resonatorspiegel R 4 abgewandten Seite ein 45°-Prismastab mit seiner Hypotenusenfläche angesetzt ist. Der Prismastab, der hierbei hinsichtlich seiner Abmessungen mit denen des stimulierbaren Mediums A 4 nach F i g. 4 zweckmäßig übereinstimmt, kann nunmehr aus einem geeigneten lichtdurchlässigen Stoff mit einem Brechungsindex η > 1,88 verwirklicht werden. Geeignete Materialien sind Schwerstflintglas SFS 1 (n = 1,889), Kristalle, wie Rutil (n = 2,7), Diamant (n = 2,6) und im Infrarot Halbleiter (Ge, Si η > 3).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender (Laser) zur Erzeugung von Impulsen hoher Leistung (Riesenimpulslaser),. bestehend aus einem stabförmigen stimulierbaren Medium, beispielsweise Rubin, das in Verbindung mit geeignet ausgebildeten und angeordneten Reflektoren einen optischen Resonator bildet, einem im Rückkopplungsweg des optischen Resonators angeordneten optischen Schalter, einer Anregungslichtquelle und einem die Anregungslichtquelle auf das stimulierbare Medium abbildenden Spiegelsystems, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der ausstrahlenden Fläche unter Verringerung der ausgangsseitigen Leuchtdichte der das stabförmige stimulierbare Medium (Al bis A4) mit seinen Reflektoren (R 1 bis R 4) einschließende optische Resonator für einen Laufweg des Lasetlichts durch das stimulierbare Medium zwischen jeweils zwei in dessen Erstreckung aufeinanderfolgenden Auskoppelfiächenbereichen (Str bzw. 1 bzw. R 4) bemessen ist, der klein gegen die Gesamtlänge des stimulierbaren Mediums ist.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1 mit einem optischen Resonator vomFabry-Perot-Typ, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige stimulierbare Medium in zwei und mehr Teilstäbe (A 11 bis A13) mit zur Stabachse senkrechten Stirnflächen unterteilt ist, die vorzugsweise die gleiche Länge aufweisen, und daß zwischen den Teilstäben der Strahlauskopplung dienende Strahlteiler (Str) vorgesehen sind.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1 mit einem optischen Resonator vomFabry-Perot-Typ, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige stimulierbare Medium in zwei und mehr Teilstäbe (A 21 bis A 24) vorzugsweise gleicher Länge unterteilt ist und daß die Stirnflächen dieser Teilstäbe zur Bildung von Auskoppelstellen gegen die Stabachse unter einem geeigneten Winkel von vorzugsweise 45° geneigt sind.

4. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige stimulierbare Medium (A3) sich seiner äußeren Formgebung nach aus in Achsrichtung mit ihren Ober- und Unterseiten aneinandergesetzten gleichartigen Scheibenteilen mit Parallelogrammquerschnitt darstellt, deren Parallelogrammquerschnitt derart bemessen ist, daß ihre in ihrer Aufeinanderfolge aneinandergrenzenden schrägen Seitenflächen (1, 2) paarweise auf gegenüberliegenden Seiten zwei sich in Achsrichtung erstreckende Reihen von 45°-Prismen bilden, die hierbei um eine Scheibenbreite gegeneinander versetzt sind, daß ferner der Querschnitt der beiden Endscheiben des stabförmigen stimulierbaren Mediums insofern vom Parallelogramm abweicht, als die schrägen Seitenflächen, die nicht mehr zu einem 45°-Prisma ergänzt sind, durch senkrecht zu ihren Ober- oder Unterseiten verlaufende Seitenflächen (3) ersetzt sind, die die Begrenzungsflächen des Rückkopplungsweges im stabförmigen stimulierbaren Medium darstellen, und daß wenigstens jede zweite (2) der in Achsrichtung auf einander gegenüberliegenden Seiten aufeinanderfolgenden schrägen Seitenflächen (1, 2) der Scheibenteil vollrefiektierend ausgebildet ist.

. . 5. Optischer Sender nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch 'gekennzeichnet, daß im Strahlengang der rückgekoppelten Teilstrahlen modenselektive Bauteile, beispielsweise Blenden, angeordnet sind.

6. Optischer Sender nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Rückkopplungsweg der Teilstrahlen an jeder Auskoppelstelle ein optischer Schalter (S) angeordnet ist.

7. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige stimulierbare Medium (A 4) als langgestrecktes Prisma ausgebildet ist, dessen Querschnitt ein gleichseitiges Dreieck ist, daß ferner die den Katheten dieses Dreiecks zugehörigen Prismenflächen totalreflektierend sind und daß die das stimulierbare Medium zu einem optischen Resonator ergänzenden Reflektoren auf Seiten der Hypotenusenfläche dieses Dreiecks so angeordnet sind, daß der Strahlengang des Laserlichts senkrecht zur Stabachse des Prismas verläuft.

8. Optischer Sender nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium (A4) ein 45°-Prismastab ist, zu dessen Hypotenusenfläche seitenparallel ein teildurchlässiger Reflektor (R 4) angeordnet ist.

9. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium Rechteckplattenform mit einem Verhältnis von Länge zu Breite wesentlich größer als eins aufweist, daß ferner dem plattenförmigen stimulierbaren Medium auf der Ober- und Unterseite ein hierzu parallel ausgerichteter Resonatorspiegel zugeordnet ist, von denen der eine Resonatorspiegel eben und teildurchlässig und der andere Resonatorspiegel ein 45°-Prisma in Stabform ist.

10. Optischer Sender, insbesndere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das einen Reflektor darstellende 45°-Prisma aus einem lichtdurchlässigen Stoff mit einem Brechungsindex η > 1,88, beispielsweise Schwerstflintglas, Rutil oder Diamant besteht.