DE69509638T2

DE69509638T2 - System zur minimisierung der durch thermisch induzierte doppelbrechung bedingten depolarisation eines laserstrahls

Info

Publication number: DE69509638T2
Application number: DE69509638T
Authority: DE
Inventors: William Bischel; George Frangineas; Daniel Negus; Murray Reed
Original assignee: Coherent Inc
Current assignee: Coherent Inc
Priority date: 1994-02-15
Filing date: 1995-02-13
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2015-02-14
Also published as: DE69509638D1; US5504763A; JPH09509010A; EP0745282A1; WO1995022187A1; EP0745282B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein System zur Minimierung der Depolarisation eines Laserstrahls aufgrund thermisch induzierter Doppelbrechung in einem stabförmigen optischen Element und insbesondere in einer stangenförmigen Verstärkereinrichtung. Das System ist insbesondere für die Verbesserung der Leistungsfähigkeit eines phasenkonjugierenden Festkörperverstärkers mit hoher Leistung und hoher Wiederholungsrate vorteilhaft.

Hintergrund der Erfindung

Es besteht ein merkliches Interesse an der Entwicklung gepulster Festkörper-Laserverstärker mit hoher Leistung und hoher Wiederholungsrate. Bei diesen Systemen wird ein kleiner Hauptlaseroszillator verwendet, um Pulse mit niedriger Leistung zu erzeugen. Die Pulse haben vorzugsweise einen einzigen Längs- und Quermode. Die Pulse sind in eine Verstärkerzelle gerichtet, die eine Festkörper- Verstärkereinrichtung, z. B. einen Nd:YAG-Stab, umfaßt. Die Festkörper-Verstärkereinrichtung wird typischerweise durch ein Blitzlicht angeregt, doch vor kurzem sind Diodenlaser als Anregungsquelle verwendet worden. Die Pulse vom Hauptlaser werden durch die in der Verstärkereinrichtung gespeicherte Energie verstärkt.
Ein Problem, das die Entwicklung von Verstärkern mit höherer Leistung gehemmt hat, besteht darin, daß die Anregung der Verstärkereinrichtung eine merkliche Wärme erzeugt, welche die Temperatur des Stabes erhöht. Der Laserstab wird typischerweise von außen gekühlt, was zu radialen Temperaturgradienten innerhalb des Stabes führt. Wenn die Pumpleistung ansteigt, können uneinheitliche Temperaturverteilungen thermisch induzierte Spannungen erzeugen, welche die Wellenfront des Strahls deformieren und die Leistungsfähigkeit des Lasers herabsetzen.
Verschiedene Ansätze sind vorgeschlagen worden, um diese Wellenfrontdeformationen zu entfernen oder auszugleichen. Eine der besseren Ansätze wird in einem Artikel "Phase Conjugation: Reversing Laser Aberrations", auf den Seiten 95 bis 104 in Photonics Spectra, August 1986, von D. M. Pepper, D. A. Rockwell und H. W. Bruesselbach beschrieben. Bei diesem Ansatz werden die Eigenschaften eines phasenkonjugierenden Spiegels ausgenutzt, um die Wellenfront des Strahles so umzukehren, daß, wenn sie zurück zur Verstärkereinrichtung gesendet wird, die Deformationen kompensiert werden können.
Fig. 1 stellt eine vereinfachte schematische Ausführung eines Festkörper-Verstärkers 10 nach dem Stand der Technik da, der einen phasenkonjugierenden Spiegel verwendet, wie er vorstehend im zitierten Artikel von Pepper et al. beschrieben worden ist. Wie in Fig. 1 dargestellt, werden Pulse niedriger Leistung durch einen kleinen Hauptoszillator 12 erzeugt. Die Ausgangsrulse werden in die Verstärkereinrichtung 14 des Verstärkers eingekoppelt. Die Verstärkereinrichtung wird durch ein Blitzlicht 16 erregt. Wie vorstehend erwähnt, zeigt die thermische Ladung der Verstärkereinrichtung Phasenfrontdeformationen im Strahl.
Wenn die deformierte Welle zurück in die Verstärkereinrichtung mittels eines herkömmlichen Reflektors reflektiert wird, verstärken sich die Phasenfrontdeformationen durch die thermisch induzierten Spannungen im Kristall immer mehr. Im Gegensatz dazu werden die Deformationen umgekehrt, wenn die Wellenfront mittels eines phasenkonjugierenden Spiegels 18 (PCM) reflektiert werden. Durch den Verlauf der reversierten bzw. umgekehrten Deformationen zurück über die Verstärkereinrichtung, können die Deformationen kompensiert werden. Eine λ/4-Platte 20 kann zwischen dem Spiegel 18 und der Einrichtung 14 zum Drehen der Polarisation des Strahles so angeordnet werden, daß dieser aus dem Verstärker unter Einsatz eines Polarisationsverteilers bzw. polarisierenden Strahlteilers 22 ausgekoppelt werden kann.
Es gibt verschiedene Arten phasenkonjugierender Spiegel, die in der in Fig. 1 dargestellten Ausführung verwendet werden können. Der vorstehend zitierte Artikel von Pepper et al. schlägt den Einsatz einer stimmulierten Streueinrichtung, z. B. ein stimmuliertes Brillouin Scattering (SBS) oder ein stimmuliertes Raman Scattering (SRS) vor. Ein gekapseltes transparentes, mit Freon gefülltes Rohr bildet ein herkömmliches SBS-Element.
In der US-PS-4 734 911, veröffentlicht von H. W. Bruesselbach, und in der WO 87/05751 wird die Entwicklung des Lasersystems aus Fig. 1 beschrieben, wobei zwei Nd:YAG-Stäbe in Reihe entlang des Strahlenweges zwischen dem Polarisationsverteiler und dem phasenkonjugierenden Spiegel angeordnet sind. Die Stäbe haben die gleiche Länge aber unterschiedliche Durchmesser. Entlang des optischen Pfades des Laserstrahls an Punkten zwischen den Stäben selbst und zwischen den Stäben und dem phasenkonjugierenden Spiegel sind Linsen angeordnet. Es wird festgestellt, daß, wenn eine der zwischen den Stäben angeordneten Linsen nicht vorhanden ist, der Außendurchmesser eines Stabes die Phaseninformation entfernt, die durch den anderen Stab in den Strahl eingebracht wird. Diese Linse ist so angeordnet, daß sie die Apertur des einen Stabes in der Apertur des anderen Stabes darstellt, wobei ihre Querausdehnung so gewählt ist, daß eine ausreichende divergierende Phaseninformation gesammelt wird, um die gewünschte konjugierte Phasenwiedergabegüte bereitzustellen. Da der Abstand zwischen den Stäben und dem konjugierten Phasenspiegel groß sein kann, werden außerdem Zwischenverstärker-Wiedergabelinsen verwendet.
Das Konzept der Zwischenverstärkerwiedergabe, wie es beim Stand der Technik verwendet wird, wird z. B. in "Suppression of Self-Focusing through Low-Pass Spatial Filtering and Relay Imaging", von Hunt et al., Applied Optics, Band 17, Nr. 13, Seite 2053, 1. Juli 1978 erörtert.
Der von Bruesselbach beschriebene Ansatz scheint ausreichend für moderate Wiederholungsraten und somit einer moderaten thermischen Ladung der verstärkten Verstärkereinrichtung zu sein. Bruesselbach zeigt, daß sein System im Speziellen bei etwa 10 Hz arbeitet. Es wäre wünschenswert, ein System mit einer Wiederholungsrate von 100 Hz oder höher zu betreiben. Wenn die Wiederholungsrate auf dieses Niveau angehoben wird, wird die Pumpleistung, welche in die Verstärkereinrichtung eingekoppelt wird, merklich höher. In dieser Situation ergeben die thermisch induzierten Spannungen eine merkliche Doppelbrechung, die starke Depolarisationseffekte im Strahl hervorrufen. Tatsächlich können Depolarisationsverhältnisse mit mehr als 50% mit Blitzlichtleistungen im Kilowatt-Bereich erwartet werden. Das Depolarisationsverhältnis wird als Energie in der ungewollten (orthogonalen) Polarisation definiert, die durch die gesamte Energie geteilt wird.
Unglücklicherweise ist die Fähigkeit des phasenkonjugierenden Spiegels die Phasenfront eines Strahles, (die als Wiedergabegüte des phasenkonjugierenden Spiegels bezeichnet wird) umzukehren, von der Polarisationsreinheit des ankommenden Strahls abhängig. Wenn der Strahl auf eine beliebig große Ausdehnung depolarisiert wird, wird folglich keine wirkliche Phasenfrontumkehrung durch einen einfachen phasenkonjugierenden Spiegel, basierend auf einer SBS-Zelle, erreicht. Wenn die deformierte Phasenfront zurück in die Verstärkereinrichtung läuft, ist es nicht das selbe, wie das, was aus diesem herauskommt, dann werden die Deformierungen nicht vollständig kompensiert, wodurch die Leistungsfähigkeit des Systems herabgesetzt wird.
Das Konzept der Kompensierung thermischer Doppelbrechung durch Führen des Strahls durch einen Stab unmittelbar nach einer Polarisationsdrehung um 90 Grad ist bekannt. Siehe z. B. W. C. Scott und M. De Wit, "Birefringence Compensation of TEMoo Mode Enhancement in a Nd:YAG Laser", Applied Physics Letters, Band 18, Nr. 1, Seiten 3 bis 4 (1971); W. Koechner, Solid State Laser Engineering, Springer-Verlag, New York, 1976, Seiten 200 und 355 bis 365, und US-PS-4,949,358, veröffentlicht am 14. August 1990 von Kantorski, vom gleichen Anmelder wie die vorliegende Erfindung.
In einem Artikel "Performance of a Nd:YAG Oscillator/Amplifier with Phase-Conjugation via Stimulated Brillouin Scattering", auf den Seiten 83 bis 92 in Applied Physics B, Photophysics and Laser Chemistry, Band B36, Nr. 2, Februar 1985, von I. D. Carr und D. C. Hanna, wird der Einsatz eines ebenen Spiegels mit einer 100%-igen Reflexion und ein Faraday-Rotator für 45 Grad mit einem Nd:YAG-Verstärker zum Kompensieren von Doppelbrechungen und der Einsatz einer äquivalenten Struktur, zum Kompensieren einer Doppelbrechung in einem Verstärkersystem mit 4 Durchläufen beschrieben. Gemäß Carr und Hanna besteht eine der Bedingungen, die für eine wirksame Kompensierung der Doppelbrechung zutreffen muß, die erreicht wird, wenn ein herkömmlicher Spiegel verwendet wird, darin, daß der durch den Verstärker verlaufende Strahl kollimiert werden muß. Beim Messen eines Doppelbrechungsverlustes gegenüber der Wiederholungsrate bei einer Rate von 5 Hz bis 15 Hz fanden Carr und Hanna heraus, daß der Verlust sprungartig von 5 auf 15% ansteigt und daß der Einsatz einer negativen Linse zum Rekollimieren des Strahles für seinen Rückweg durch den Verstärker den Verlust bei 15 Hz von etwa 15% auf 5% herabsetzt.
In einem Artikel "Four pass YAG:Nd Laser amplifier with compensation for aberration and polarization distortions of the wavefront" von N. F. Andreev, S. V. Kuznetsov, O. V. Palashov, G. A. Pasmanik und E. A. Khazanov, auf den Seiten 800 bis 802, Soviet Journal of Quantum Electronics, Band 22 (1992) September, Nr. 9, wird ein System beschrieben, in dem der Hauptoszillator einen Puls durch ein Strahlenexpandierungsteleskop, einen Soft-Stop, einen Ausgangskopplungspolarisierer, einen ersten Faraday-Rotator und einen weiteren Polarisierer zu dem einzelnen Nd:YAG- Verstärkerelement führt. Der verstärkte Strahl, der eine horizontale Polarisation aufweist, wird durch einen zweiten Faraday-Rotator, gefolgt von einem zweiten Teleskop, zu einem ebenen matten Spiegel geführt. Das zweite Teleskop besteht aus einer Streulinse und einer Sammellinse in dieser Reihenfolge, weiterlaufend vom zweiten Faraday-Rotator zum ebenen Spiegel. Das zweite Teleskop soll die sphärische Linse kompensieren, die in dem Verstärkerelement eingesetzt ist und stellt sicher, daß, nachdem die Strahlung durch den ebenen Spiegel reflektiert worden ist, die zum zweiten Mal durch das Verstärkerelement laufenden Strahlen, annähernd dem gleichen Wege folgen, wie die zum ersten Mal durchlaufenden Strahlen. Es wird festgestellt, daß die Depolarisation durch den zweiten Durchlauf von den zweiten Faraday-Rotator kompensiert werden. Da die Polarisation durch den zweiten Faraday-Rotator in vertikaler Richtung geändert wird, wird die Strahlung zu einem phasenkonjugierenden Spiegel über einen weiteren Polarisierer geführt. Nach dem dritten und vierten Durchlauf durch das Verstärkerelement ist die Polarisation wieder in horizontaler Richtung ausgerichtet und die Strahlung wird über den ersten Faraday-Rotator und den Ausgangskopplungspolarisierer aus dem System ausgekoppelt. Es wird festgestellt, daß, um eine vollständige Kompensation der Doppelbrechung beim zweiten Durchlauf durch das Verstärkerelement zu erreichen, jeder Strahl genau dem gleichen Weg folgen muß. Dieser Artikel berichtet, daß bei einer Wiederholungsrate von 25 Hz die Aberationen ansteigen, und zwar aufgrund des Ansteigens der Pumpleistung, wobei diese Pumppulsenergie vermindert werden muß, um einen kleinen Wert für das Energieverhältnis der depolarisatierten Komponente gegenüber der Gesamtenergie bei der Polarisation zu erhalten und berichtet ferner davon, daß die Laserausgangsenergie auf einen Bereich von 0,85 bis 0,95 Jule abfällt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lehre zur Minimierung der Polarisationseffekte bereitzustellen, die durch eine thermisch induzierte Spannungs-Doppelbrechung erzeugt werden.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System zu erzeugen, bei dem die Depolarisationseffekte so minimiert werden, daß die Phasenfrontdeformationen kompensiert werden können.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in den Ansprüchen 1 und 5 definiert, auf die nun Bezug genommen wird. Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung stellen folgende Merkmale bereit:
ein Verstärkersystem, bei dem die Depolarisationseffekte der Verstärkereinrichtung minimiert werden;
einen Festkörper-Laserverstärker, der bei einer Wiederholrate mit mehr als 100 Hz arbeiten kann ohne daß die Leistung herabgesetzt wird;
ein Festkörper-Laserverstärker, der wirksam über einen vollständigen Wiederholungsratenbereich und thermischer Ladung betrieben werden kann, ohne merkliche Nacheinstellungen.
Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft bei einem Verstärkersystem, das einen phasenkonjugierenden Spiegel umfaßt, der einen hochpolarisierten Strahl für maximale Wiedergabegüte benötigt.
Da bei einer Ausführungsform der Erfindung die Gesamtvergrößerung, die durch die zwischengeschaltete Abbildungseinrichtung bereitgestellt wird, auf 1 : 1 ausgelegt ist, ist die Größe der Zwischenabbildung die gleiche, wie die des Originalbilds. Vor der Wiederherstellung der Abbildung wird die Polarisation des Strahles um 90 Grad gedreht. Durch diese Anordnung wird der Modenanteil des Strahles, der während des ersten Durchlaufs in radialer Richtung polarisiert wird, während des zweiten Durchlaufs in tangentialer Richtung polarisiert, so daß der Polarisationszustand zu Beginn im wesentlichen wieder hergestellt werden kann.
Kein Stand der Technik, auf den vorstehend Bezug genommen wurde, offenbart das Konzept der Benutzung einer zwischengeschalteten Abbildungseinrichtung zum Abbilden des Strahls mit einheitlicher Vergrößerung, um das Abbilden des Stahls zurück in die Verstärkereinrichtung zu maximieren, damit die Kompensation maximiert wird.
Experimente haben gezeigt, daß die hierin beschriebenen Depolarisationseffekte bei niedrigen bis mittleren Wiederholungsraten und gemäßigter thermischer Belastung durch Einsatz einer fixierten negativen Linse oder eines nicht abbildenden Teleskops anstelle eines zwischengeschalteten Abbildungssystems ausgeglichen werden können. Eine Kompensation unter Verwendung dieser vorhergehenden Ansätze ist jedoch nur über einen Nahbereich einer thermischen Belastung wirksam und kann nicht diese Wiederholungsratenbehändigkeit demonstrieren. Das von N. F. Andreev et al. beschriebene System, wie vorstehend erwähnt, ist beispielhaft für ein System, das ein nicht abbildendes. Teleskop in einem Verstärker mit 4 Durchläufen verwendet, der mit einer Wiederholungsrate von 20 bis 25 Hz arbeitet. Im Gegensatz dazu ermöglicht das hierin beschriebene zwischengeschaltete Abbildungssystem einen Betrieb über den gesamten Bereich der Wiederholungsraten und der Leistungsbelastung.
Ferner wird bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Abbildung, vor dem zweiten Durchlauf durch die Verstärkereinrichtung invertiert. Durch diese Anordnung können die Effekte einer räumlichen ungleichmäßigen Verstärkungsverteilung, die z. B. auftreten kann, wenn der Stab von einer Seite gepumpt wird, kompensiert werden.
Bei einem bevorzugten Verstärkersystem, welches die vorliegende Erfindung verkörpert, wird der Strahl, nachdem die Polarisation des Strahls unter Einsatz der zwischengeschalteten Abbildungstechnik, kompensiert worden ist, zu einem phasenkonjugierenden Reflektor geführt. Der phasenkonjugierende Reflektor dient zum Umkehren der Phase des Strahls. Da die Depolarisation des Strahls minimiert worden ist, ist die Wiedergabegüte des phasenkonjugierenden Reflektors hoch und die Qualität der Phasenumkehr der Deformationen sind gut. Wenn der Strahl ein zweites Mal durch die Verstärkerzelle hindurchläuft, können die Phasendeformationen im wesentlichen entfernt werden und die Leistungsfähigkeit des Systems verbessert werden.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich.

Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des phasenkonjugierenden Verstärkers nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 eine schematische Darstellung des phasenkonjugierenden Verstärkers, der das Polarisations-Kompensations-Schema der vorliegenden Erfindung verwendet.
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines phasenkonjugierenden Verstärkers für vier Durchläufe, der das Kompensationsschema der vorliegenden Erfindung verwendet.
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines konjugierten Verstärkers für zwei Durchläufe, der das Kompensationsschema der vorliegenden Erfindung verwendet.
Fig. 5 ein Diagramm, welches die unterschiedlichen Depolarisationen aufzeigt, die auftreten, wenn für den in Fig. 4 dargestellten Verstärker die Vergrößerung eines zwischengeschalteten Abbildungssystems variiert wird.
Fig. 6 eine Darstellung des Strahlenquerprofils, wenn dieser die Verstärkereinrichtungen in dem in Fig. 4 dargestellten Verstärker durchläuft.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Wenden wir uns nun Fig. 2 zu. Es wird eine vereinfachte schematische Darstellung eines phasenkonjugierenden Laserverstärkers 30 gezeigt, der das hierin vorgeschlagene Polarisationsschema verwendet. Wie in dem System in Fig. 1, werden die Ausgangspulse von einem Hauptoszillator 12 in eine stabförmige Verstärkereinrichtung des Verstärkers 14 eingekoppelt. Wegen der im Stab durch das Blitzlicht 16 erzeugten Wärme, erzeugen die thermisch induzierten Spannungen Doppelbrechungen, die den Eingangslaserstrahl depolarisieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Depolarisationseffekte der thermischen Doppelbrechung durch Einsatz einer zwischengeschalteten Abbildungseinrichtung oder einem Teleskop 34 minimiert, um eine reale Wiedergabe des Strahls zu erzeugen, der dann zurück in die Verstärkereinrichtung geführt wird. Die optischen Eigenschaften der Abbildungseinrichtung werden im speziellen so ausgewählt, daß eine reale Abbildung des Strahls bezüglich der Größe, Winkel und Position reproduziert wird und ein zweites Mal durch die Verstärkereinrichtung geführt wird. Das zwischengeschaltete Abbildungssystem 34 wird gewählt, da es diese Ergebnisse unabhängig von der Ausdehnung der Fokusierung erreichen kann, die durch das Variieren einer thermischen Linse in der Verstärkereinrichtung verursacht wird.
Eine Zwischenabbildung kann mit unterschiedlichen optischen Mehrfach-Linsenelementen oder Spiegeln mit unterschiedlichen Größen und Abständen erzeugt werden. Für Beschreibungszwecke soll der Ausdruck "zwischengeschaltetes Linsensystem" beliebige bekannte optische Elemente, die dazu geeignet sind, Licht zu fokusieren, umfassen. Die einfachste Darstellung, wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt zwei identische Linsen 36 und 38. Unter der Annahme, daß diese Linsen jeweils eine Brennweite F aufweisen, sind diese in einem Abstand 2F angeordnet. Außerdem beträgt der Abstand D zwischen der Abbildung in der Verstärkereinrichtung 14 (Objektebene) und dem Reflektor 44 (Bildebene) 4F, um eine Vergrößerung von 1 : 1 zu erzeugen. Folglich lautet die Basisgleichung zum Anordnen der zwischengeschalteten Linsen wie folgt:
D = 4F (1)
Das Linsenpaar braucht nicht zwischen der Verstärkereinrichtung und dem Reflektor 44 zentriert angeordnet zu sein.
Der Strahl wird an einem Punkt P zwischen den Linsen 36 und 38 fokusiert. Ferner wird ein Zwischenbild des Strahls, wie er mittig in Längsrichtung der Verstärkereinrichtung 14 vorhanden ist, am Reflektor 44 erzeugt. Die Vergrößerung dieses Zwischenbildes muß nicht 1 : 1 betragen. Dieses Zwischenbild wird dann zurück durch die zwischengeschaltete Linsenbaugruppe 34 zurückgeführt und in der Verstärkereinrichtung 14 wiedergewonnen. An dieser Stelle muß die Größe des Zwischenbildes die gleiche Größe aufweisen wie das Originalbild. Wie vorstehend erwähnt, sind die Strahlen in dieser Bildebene identisch hinsichtlich Winkel und Position mit den Strahlen, die während des ersten Durchgangs durch die Einrichtung die Einrichtung durchqueren.
Eine Depolarisationskompensation wird durch Drehen der Polarisation des Strahls um 90 Grad erreicht, bevor der Strahl wieder in die Verstärkereinrichtung eintritt. Es gibt eine Vielzahl von optischen Elementen, die verwendet werden können, um diese Polarisationsdrehung zu bewirken. Bei der in Fig. 2 gezeigten Darstellung wird ein Faraday-Rotator 46 verwendet. Der Faraday-Rotator 46 dient zum Drehen der Polarisation des Strahls um 45 Grad beim ersten Durchlauf. Der Rotator 46 dreht den Strahl um weitere 45 Grad beim Rücklauf.
Wie vorstehend erwähnt, werden durch Drehen der Polarisation um 90 Grad die Komponenten des Strahls, die während des ersten Durchlaufs durch den Stab radial polarisiert werden, während des zweiten Durchlaufs tangential polarisiert. Durch Verwenden des zwischengeschalteten Abbildungssystems wird das Zusammentreffen der Strahlen, die in beiden Richtungen laufen, maximiert, so daß eine maximale Kompensation erreicht werden kann. Wie vorstehend erwähnt, kann dieses Ergebnis durch Verändern thermischer Belastungen erreicht werden, die in der Einrichtung unterschiedliche thermische Linseneffekte erzeugen.
Wenn der Strahl die Verstärkereinrichtung ein zweites Mal durchlaufen hat, wird dieser durch den Polarisierer 50 und den Drehspiegel 52 in den phasenkonjugierenden Reflektor 18 geführt. Der Reflektor 18 funktioniert in einer Art und Weise, die vorstehend beschrieben wurde und kehrt die Phasenfront des Strahls um, der die Deformationen umfaßt, die in der Verstärkereinrichtung erzeugt wurden. Da die Polarisation des Strahls im wesentlichen erhalten blieb, dient in dieser Darstellung der Polarisierer als effektiver Koppler in dem phasenkonjugierenden Pfad des Systems. Außerdem stellt die hohe Polarisationsreinheit sicher, daß die Wiedergabegüte des Reflektors 18 so hoch bleibt, daß, wenn der Strahl zurück zur Verstärkereinrichtung geführt wird, die Phasenfrontdeformationen im höchsten Grad korrigiert werden können. Bei dieser Darstellung durchläuft der Strahl die Verstärkereinrichtung 14 zwei weiterer Male. Da die Polarisation des Strahls ein zweites Mal durch den Faraday-Rotator 46 gedreht wird, durchquert er den Polarisierer 50 und wird durch den Polarisierer 56 aus dem Verstärker reflektiert.
Es wird angenommen, daß das vorliegende Polarisations- Kompensations-System für beliebige Situationen verwendet werden kann, bei denen ein stabförmiges optisches Element vorhanden ist, das entweder auf natürliche Weise nicht doppelbrechend ist oder so ausgerichtet ist, daß es keine Doppelbrechung erzeugt, was aber Spannungsdoppelbrechungen aufweist, wenn es thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Es wird angenommen, daß die vorliegende Erfindung insbesondere für eine Polarisationskompensation in Verstärkereinrichtungen, z. B. Nd:YAG, Nd:YSGG und Nd:Glas oder einer anderen mit seltenen Erden dotierten YAG oder Glas, geeignet ist. Wie nachfolgend erörtert werden soll, kann das ein zwischengeschaltetes Abbildungssystem verwendende Kompensationsschema auch durch das Führen des Strahls durch zwei unterschiedliche, aber im wesentlichen identische Stäbe in einer Weise analog dem bekannten Spannungs-Doppelbrechungskompensationsschemata eingesetzt werden.
Die Fig. 3 und 4 sind schematische Darstellungen, die zwei alternative phasenkonjugierende Verstärker- Konstruktionen darstellen, die ein Depolarisationsschema der vorliegenden Erfindung verwenden. Fig. 3 stellt eine Konfiguration für vier Durchläufe, ähnlich zu Fig. 2, dar. Fig. 4 stellt eine Konfiguration für zwei Durchläufe dar, wobei zwei separate Festkörper-Stäbe verwendet werden, und wobei ein Stab verwendet wird, um die durch den anderen Stab verursachten Depolarisationseffekte auszugleichen.
Wenden wir uns zuerst dem in Fig. 3 dargestellten Verstärker 110 zu. Der Hauptoszillator 112 wird durch eine Diode, die durch einen Festkörper-Laser gepumpt wird, gebildet. Bei der bevorzugten Ausführungsform liegt der Resonator des Oszillators in Form eines Ringes vor. Der Ring wird durch zwei Endspiegel und durch Bereitstellen zweier winkliger Reflexionsflächen an den Enden der Verstärkereinrichtung, in diesem Falle Nd:YAG, gebildet. Diese Konstruktion wird im einzelnen in der am 1. Oktober 1991 veröffentlichten US-PS-5,052,815 beschrieben. Ein akustisch-optischer Modulator wird verwendet, um Q-getacktete Pulse zu erzeugen. Der AO-Modulator liefert ferner empfohlene Verluste in einer Richtung und dient als optische Diode, die bewirkt, daß der Oszillator 112 unidirektional arbeitet. Durch die Ringform und durch Betreiben des Oszillators dicht über dem Schwellenwert (Vorlasern) bevor der Q-Schalter geöffnet wird, wird ein Einfrequenzbetrieb erreicht. Das letztere Vorlaser-Merkmal dient zum Speisen der Q-Taktpulse mit einem Strahl niedriger Leistung und nur einer Frequenz. Dieser Ansatz zum Erzeugen eines Betriebs mit nur einer Frequenz wird in "Single Frequency Q-switched Operation of a Diode-Laser Pumped Nd:YAG Ring Laser Using an Acousto-Optic Modulator", von Bromley und Hanna, Optics Letters, 16, Seiten 378-380, 1991, beschrieben. Die Theorie eines unidirektionalen Betriebs wird durch Reed and Bischel "Acousto-optics modulators as unidirectional devices in ring lasers", Optics Letters, 17, Seiten 691-693, 1992 beschrieben.
Die kleine Ringform ermöglicht, daß der Oszillator Q- getacktete Ausgangspulse erzeugt, die etwa 10 Nannosekunden lang sind. Die Pulse haben eine Energie von 25 Mikrojoule bei einer Wellenlänge von 1,06 Mikrosekunden. Der Ausgangsstrahl 114 ist in der horizontalen Ebene linear polarisiert und weist eine gaußsche Form mit einem Strahlendurchmesser von etwa 0,1 Millimeter auf.
Der Ausgangsstrahl 114 wird von einem Strahlendurchmesser von 0,1 mm unter Verwendung von Linsen 116 und 118 vergrößert. Der Strahl wird dann durch eine Platte 120 mit einer Apertur 122 mit 8 mm durchgeführt, damit der Strahl einen Durchmesser von 1/e² aufweist. Der Strahl mit dem Durchmesser von 8 mm wird dann durch einen Polarisationsstrahlenteiler 126 und in einen Faraday-Rotator 130 geführt, der die Polarisation des Strahls um 45 Grad dreht. Die Kombination aus Faraday-Rotator 140 und Polarisierer 126 dient als optischer Isolator, um zu verhindern, daß reflektiertes Licht zurück in den Oszillator 112 strahlt und den Einfrequenzbetrieb stört, und stellt eine Einrichtung zum Auskoppeln des zurückkommenden verstärkten Strahls aus der Laserverstärkerkette bleibt, wie nachfolgend beschrieben. Der sich nach vorne ausbreitende Strahl wird dann durch eine λ/2-Platte 132 geführt, um die Polarisation zurück in die horizontale Ebene zu drehen.
Der Strahl wird dann durch eine Vakuumraum- Filteranordnung 136 geführt, die aus den Linsen 138 und 140 (Brennweiten von 14,5 cm bzw. 10 cm) und einer Platte 142 mit einer Apertur 144 (Durchmesser etwa 380 bis 400 um) besteht. Der Raumfilter 136 liefert eine Vielzahl von Funktionen. Der Filter dient als erstes zum Vermindern des Strahlendurchmessers von 8 mm auf 5,5 mm. Für den vorderen Strahl mit dem Durchmesser von 8 mm sollen die Beschädigungen an den optischen Komponenten, z. B. an dem Faraday-Rotator, minimiert werden. Der kleinere hintere Strahl mit einem Durchmesser von 5,5 mm ermöglicht, daß der Strahl in die Apertur mit einem Durchmesser von 6,35 mm (1/4 Zoll) des Nd:YAG-Stabes 150 ohne Überschneiden eingekoppelt werden kann. Der Raumfilter 136 dient ferner zum Zwischenschalten einer Abbildung der Apertur 122 auf die vordere Oberfläche 152 des Nd:YAG-Stabes 150, um ein Strahlenprofil bereitzustellen, das für den Verstärkungsvorgang möglichst eine Form eines Hutes aufweist. Außerdem schützt der Raumfilter 136 davor, daß der Hochverstärkungsverstärker optische Schäden davonträgt, wodurch Störungen nahe oder an der Achse der Rückstrahlungen des Ausgangsstrahls bewirken würde. Der Raumfilter entfernt ferner die harten Ränder am Strahl, die durch die Apertur 122 bewirkt werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit optischer Schäden an den Komponenten im Hochverstärkungsverstärker vermindert werden. Letztlich verhindert der Raumfilter Brechungsringe vom Nahfeldstrahlprofil des Ausgangsstrahls, die aufgrund der leichten Beschneidung an den Aperturen innerhalb des optischen Strahlenweges des Verstärkers vorkommen würde.
Nach Anregung des Raumfilters wird der Strahl 114 durch die Spiegel 160 und 162 umgelenkt und in die Verstärkerzelle 164 geführt. Die Zelle 164 umfaßt einen Nd:YAG-Stab 150, der durch ein einzelnes Blitzlicht 166 gepumpt wird. Alternativ können Diodenlaser anstelle des Blitzlichtes als optische Pumpquelle verwendet werden. Für Nd:YAG oder ähnliche Materialien sind die Blitzlichtpulse 250 bis 300 Mikrosekunden lang. Wenn das Blitzlicht 166 ausgelöst wird, wird die Verstärkung im Stab aufgebaut. Eine Verstärkungsüberschreitung 150 für einen Durchlauf ist für diese Verstärkerzelle demonstriert worden. Nach Beendigung des Blitzlichtpulses wird der Puls vom Hauptoszillator 112 ausgelöst und die Energie im Verstärker (bis zu 500 mJ) kann während den vier Durchläufen extrahiert werden, wie nachfolgend erörtert. Da die Führungsflanke des Hauptoszillator-Pulses vorzugsweise verstärkt wird und wegen der Dynamik der SBS-Reflexion, wird die Pulsbreite auf etwa 4 Nanosekunden verkürzt.
Wie vorstehend erwähnt, ist es wünschenswert, den Laser bei Wiederholungsraten zu betreiben, die 100 Hz übersteigen. Bei diesem Niveau werden etwa 4 KW der durchschnittlichen Leistung durch das Blitzlicht 166 verbraucht. Diese Leistungsmenge bewirkt eine merkliche thermische Spannungs- Doppelbrechung im Stab 150, was die Wellenfront deformiert und den Strahl depolarisiert.
Auf ähnliche Weise, wie sie in Fig. 2 gezeigt wird, durchläuft der depolarisierte Strahl, der den Stab erregt, durch eine zwischengeschaltete Linsenanordnung 170. Diese zwischengeschaltete Linsenanordnung umfaßt zwei identische Linsen 172, 174. Typische Brennweiten für diese Linsen sind 15 cm, die um 30 cm beabstandet sind. Die Linsen sind an den Enden der evakuierten Zelle 176 abdichtend angeordnet. Da der Strahl innerhalb der Zelle fokusiert wird, ist es wünschenswert, den Brennpunkt in einem Vakuum so anzuordnen, daß die Luft nicht stört. Die zwischengeschaltete Linsenanordnung 170 erzeugt ein Zwischenbild einer Ebene in der Mitte des Nd:YAG-Stabes 150 an der Ebene eines Porro- Prismas 180.
Das Ausgangssignal aus der zwischengeschalteten Linsenanordnung wird durch eine λ-Platte 182 geführt und vom Porro-Prisma 180 reflektiert. Alternativ können ein Spiegel und Faraday-Rotator, was eine äquivalente optische Anordnung ist, verwendet werden. Die primäre Funktion von Porro- Prisma/λ-Platte (oder Faraday-Rotator/Spiegel) besteht darin, den Strahl zurückzustrahlen, während die beliebige Polarisation des Strahls um 90 Grad gedreht wird. Der Einsatz des Porro-Prismas in Verbindung mit einer λ-Platte zum Drehen der Polarisation um 90 Grad ist eine auf diesem Gebiet bekannte Technik (siehe J. Richards, "Birefringence compensation in polarization coupled lasers", Applied Optics, Band 26, Nr. 13, Seiten 2514-2517, 1987, und den darin enthaltenden Referenzen). Der reflektierte Strahl wird dann wieder mittels der Linsenanordnung 170 von der Ebene des Porro-Prismas 180 in die Mitte des Stabes 150 vorübergehend dargestellt. Das Größenverhältnis zwischen dem Bild im Stab beim ersten Durchlauf und dem Zwischenbild beträgt 1 : 1. Diese einheitliche Größe des Zwischenbildes stellt eine maximale Koinzidenz der Strahlen vom ersten und zweiten Durchlauf in dem Stab sicher, was wir als ein wichtiges Element zum Erhalten einer guten Depolarisationskompensation offengelegt haben.
Wenn der Polarisationszustand des reflektierten Strahls um 90 Grad gedreht wird und zurück durch die gleiche (oder eine gleichermaßen gepumpte) Verstärkereinrichtung ohne ein Zwischenbild zurückgeführt wird, kann der Ausgangsstrahl des zweiten Durchlaufs ein Depolarisationsverhältnis von 15% bei einer Pumpleistung von 3,5 KW aufweisen, wie in unserem Labor demonstriert. Jedoch mit der Zwischen-Abbildungstechnik waren wir in der Lage, ein Depolarisationsverhältnis für den Ausgangsstrahl von weniger als 1,3% bei einer Pumpleistung von 3,5 KW zu demonstrieren, und dieses Depolarisationsverhältnis ist auf weniger als 0,4% bei 2 KW der durchschittlichen Pumpleistung gefallen. Diese Verbesserung hinsichtlich der Größenordnung des Depolarisationsverhältnisses ist direkt der Tatsache zuzuschreiben, daß wir die Strahlen des ersten und zweiten Durchlaufs so nahe wie möglich unter Verwendung der Zwischen- Abbildungstechnik angepaßt haben. Die Tatsache, daß das Depolarisationsverhältnis in einer Größenordnung von 1% oder weniger liegt, ist für einen guten Betrieb des phasenkonjugierenden Lasersystems kritisch.
Eine zweite Funktion des Porro-Prismareflektors besteht darin, das Bild des Strahls zwischen dem ersten und zweiten sowie dem dritten und vierten Durchlauf durch den Stab zu invertieren. Der Einsatz einer Bildumkehr sorgt für einige zusätzliche und überraschende Ergebnisse. Im speziellen ist in vielen Verstärkerkonstruktionen ein einzelnes Blitzlicht an einer Seite der Verstärkereinrichtung angeordnet. Bei dieser Konstruktion tendiert eine Seite der Verstärkereinrichtung dazu, härter gepumpt zu werden als die andere Seite, was zu einer ungleichförmigen oder schräg verlaufenden Intensitätsverteilung im Strahl führt. Wenn die Abbildung des Strahls beim zweiten Durchlauf durch die Einrichtung invertiert wird, durchläuft der Teil des Stahls, der auf eine geringere Erstreckung verstärkt wurde, den Bereich der höheren Verstärkung, so daß die radiale Intensität des zweifach durchlaufenden Strahls gleichmäßiger ist.
Während sich das letztere ergibt und selbst vorhergesagt werden kann, war es nicht klar, daß eine solche Geometrie/Form in der vorliegenden Anordnung verwendet werden kann, da es wichtig ist, daß der Strahl im wesentlichen identische Bereiche des Stabes durchläuft, so daß die durch die Doppelbrechung beim ersten Durchlauf verursachte Depolarisation beim zweiten Durchlauf kompensiert wird. Da es bekannt ist, daß eine Seite der Einrichtung härter gepumpt wird als die andere, war es nicht ersichtlich, daß die thermisch induzierte Doppelbrechung an beiden Seiten der Einrichtung ähnlich sein würde. Tatsächlich scheint es nun so, daß, während es eine eindeutige Ungleichförmigkeit hinsichtlich der Verstärkungsverteilung für das Übertragen von Energie zum Strahl vorhanden ist, es nicht desto weniger eine wesentliche radiale Gleichförmigkeit hinsichtlich der Verteilung der thermisch induzierten Spannungs-Doppelbrechung gibt. Es wird angenommen, daß die radiale Gleichförmigkeit der Spannungs-Doppelbrechung aufgrund der Tatsache vorhanden ist, daß die Spannungs-Doppelbrechung über die Zeit und ein stetiges Zustandsphänomen ist, das von der Kühlungsform abhängiger ist als von der Pumpform. Im Gegensatz dazu, ist die ungleichförmige Pumpenergieverteilung nur während kurzer Intervalle vorhanden, wenn sich die Einrichtung im angeregten Zustand befindet. Folglich ist es möglich, das Bild umzukehren, um sicherzustellen, daß die Intensität des Strahls in radialer Richtung gleichförmiger ist während das gewünschte hohe Niveau der Polarisationskompensation erhalten bleibt.
Der Rest des Strahlenweges ist ähnlich des in Fig. 2 gezeigten. Im speziellen wird der Strahl 114 durch den Verteiler 186 und den Reflektor 188 geführt und mittels einer Linse 189 in und auf einen phasenkonjugierenden Spiegel 190 (PCM) fokusiert. Der phasenkonjugierende Spiegel 190 umfaßt eine SBS-Zelle. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die SBS-Zelle durch ein transparentes mit Kohlenstoffdisulfid gefülltes, längliches Rohr gebildet. Wie vorstehend erwähnt, dient der PCM 190 zum umkehren der Strahlenfront, so daß, wenn dieser zurück in den Stab 150 läuft, die Wellenfrontdeformationen kompensiert werden. Der Strahl läuft zurück durch den Stab 150 und die zwischengeschaltete Linsenanordnung 170 und wird vom Prisma 180 zurückreflektiert. Der vierte Durchlauf durch den Stab kompensiert die Depolarisation, die durch den dritten Durchlauf durch den Stab induziert wurde. Wie vorstehend erwähnt, invertiert das Porro-Prisma das Strahlenbild, so daß die radiale Intensität gleichförmiger wird.
Wenn der Strahl das vierte Mal den Stab durchlaufen hat, wird er durch den Polarisierer 186 transmittiert, durch die Reflektoren 162 und 160 abgelenkt und durch den Raumfilter 136, die λ-Platte 132 und den Faraday-Rotator 130 geführt. Die Kombination aus λ-Platte 132 und Faraday-Rotator 130 dreht die Polarisation um 90 Grad und der Strahl wird durch den Polarisierer 126 aus der Vierfach-Durchlaufverstärker- Strahllinie ausgekoppelt. Die Kombination aus Polarisierer 126, Faraday-Rotator 130 und der λ-Platte 132 dient als Isolator mit einem Extinktionsverhältnis von mehr als 1000 : 1, um die Rückkopplung in den Oszillator 112 zu minimieren.
Mit dem vorstehend beschriebenen System haben wir mehr als 40 Watt der durchschnittlichen Leistung bei einer 100 Hz- Wiederholungsrate in einem dicht streubegrenzten, oben flachen Strahlungsprofil erreicht. Obwohl keine detaillierten Messungen der Laser-Linienbreite vorgenommen wurden, glauben wir, daß die Linienbreite umwandlungsbegrenzt war. Mit Freon 113 als SBS-Einrichtung wurde eine Pulslänge von etwa 3 bis 4 Nanosekunden FWHM beobachtet, wobei eine scharfe Führungsflanke mit einer Anstiegszeit von etwa 500 Picosekunden vorhanden war. Die Systemdepolarisierung betrug weniger als 1% für die erforderlichen 2,8 KW der durchschnittlichen Leistungsbelastung für das Blitzlicht. Der durchschnittliche Leistungsbetrieb wurde durch Beschichtung gegen optische Beschädigungen an der Oberfläche des Faraday- Rotators 130 begrenzt.
Die in Fig. 3 gezeigte Konstruktion ist optimal für die Maximierung der Wiederholungsrate des Systems, während eine Pulsenergie von weniger als 400 mJ mit einem Strahlendurchmesser von 8 mm erhalten bleibt. Wenn eine höhere Energie pro Puls gewünscht wird, wird das in Fig. 4 gezeigte System 210 bevorzugt, welches zwei separate Stäbe verwendet.
Wenden wir uns nun Fig. 4 zu. Ein Hauptoszillator 112 wird bereitgestellt, um einen gepulsten Ausgangsstrahl 214 zu erzeugen. Der Strahl 214 durchläuft eine Linse 216, eine λ/2-Platte 218 und einen Faraday-Rotator 220. Der Strahl wird dann durch eine Linse 222 und eine Platte 224 mit einer Apertur 226 geführt. Wie bei der Ausführungsform in Fig. 3, wirken die Linsen 216, 222 und die Apertur 226 zusammen, um den Strahlendurchmesser zu vergrößern und dann den Strahl auf einen Durchmesser von 1/e² zu beschneiden. Die λ/2-Platte 218 und der Faraday-Rotator 220 dienen als optischer Isolator in einer Weise, die der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ähnelt.
Der Strahl wird dann durch Reflektoren 228 und 230 umgelenkt und durch einen Polarisierer 238 und in eine Vakuum-Raumfilteranordnung 236 geführt. Wie bei der Ausführungsform in Fig. 3, umfaßt die Raumfilteranordnung ein Linsenpaar 238 und 240 und eine innere Platte 242 mit einer Apertur 244. Der Raumfilter dient den gleichen Funktionen wie vorstehend beschrieben.
Bei der Ausführungsform in Fig. 4 umfaßt der Verstärkerkopf 246 zwei Laser-Stäbe 248 und 250. Beide Stäbe werden durch das gleiche Blitzlicht 252 erregt. Die Endflächen jedes Stabes 248 und 250 sind in einem Winkel von etwa 2,3 Grad angebracht. Die Stäbe sind in einer Zelle 246 befestigt, so daß sich die Keile (wedges) gegenüberliegen und sich die Einfallsebene in der horizontalen Ebene befindet. Wenn der Strahl durch die Mitten jedes Stabes gezogen wird, sich zum Reflektor 260 hin ausbreitend, wird er an der Staboberfläche gebrochen und kreuzt einen Punkt etwa 25 cm von der Zelle 246. Der Kreuzpunkt bildet die Anordnungsstelle für den Reflektor 260.
Die Stäbe 248 und 250 sollten fast identisch sein, um eine richtige Depolarisationskompensation sicherzustellen, wie vorstehend für die Anwendung mit einem einzigen Stab beschrieben. Es wird angenommen, daß diese Erfordernis eingeschränkt ist, um sicherzustellen, daß die Stäbe im wesentlichen die gleichen Abmessungen und die im wesentlichen gleiche Dotierungskonzentrationen aufweisen. Es scheint nicht notwendig zu sein, größere Längen zu verwenden, um eine Konfirmität sicherzustellen, z. B. durch Herausnehmen zweier Stäbe aus dem gleichen Bereich des gleichen Kristallblocks oder sogar das Auswählen von Stäben aus dem gleichen Block.
Nachdem der Strahl aus dem ersten Stab 248 herausgeführt worden ist, wird er zurück in den zweiten Stab 250 über den gekrümmten Reflektor 260 geführt. Das Linsenpaar 262 und 264 und der gekrümmte Reflektor 260 bilden die zwischengeschaltete Abbildungsanordnung dieser Ausführungsform. Wie in der vorhergehenden Ausführungsform dient die zwischengeschaltete Linsenanordnung oder Teleskop zum Erzeugen einer Abbildung des Strahls im Stab 250, wenn dieser entlang der Mitte des Stabes 248 vorhanden ist. Die Ebene an der Mitte des Stabes 248 wird durch die Linse 262 vergrößert, um ein Zwischenbild am Reflektor 260 zu erzeugen. Die Ebene am Reflektor 260 wird dann wieder in der Ebene in der Mitte des Stabes 250 unter Verwendung der Linse 264 und des Reflektors 260 abgebildet (und genau auf die Originalgröße verkleinert). Typische Brennweiten für die Linsen 262 und 264 sind 7 cm und ein typischer Krümmungsradius des Spiegels 260 beträgt 10 cm. Der Abstand zwischen Linsen und Spiegel beträgt etwa 17 cm. Der Abstand ist so gestaltet, daß dem Strahl ein Krümmungsradius von etwa 1 m (expandierend) gegeben ist, wenn dieser in den Stab 250 eintritt, und zwar unter der Bedingung, daß die Stäbe ungepumpt sind. Dies ermöglicht, daß das sogenannte thermische Lensing der Stäbe unter gepumpten Bedingungen teilweise kompensiert wird.
Die zwischengeschaltete Abbildungsanordnung bewirkt, daß der Strahl zweimal zwischen den Stäben 248 und 250 fokusiert wird. Diese beiden Fokuspunkte liegen innerhalb einer Vakuumzelle 270, um ein Lufteinbruch zu verhindern. Die zwischengeschaltete Abbildungsanordnung erzeugt ferner eine Bildumkehrung mit der Glättung des Resultants des räumlichen Verstärkungsprofils, wie unter Bezugnahme auf dem in Fig. 3 gezeigten Porro-Prisma beschrieben. Vor Eintritt in den Stab 250 wird der Polarisationszustand des Strahls um 90 Grad mittels dem optischen Rotator 272 gedreht. Es sei angenommen, daß die Stäbe im wesentlichen identisch sind, wie vorstehend definiert, somit wird die Depolarisation des Strahls, die durch den Stab 248 induziert wird, durch den Durchlauf des Strahls durch den Stab 250 kompensiert. Für diese Konstruktion haben wir ein Depolarisationsverhältnis am Ausgang des Stabes 250 von weniger als 0,4% bei 4,0 KW Leistung für die Lampe demonstriert. Bei dieser Pumpleistung übersteigt die Depolarisation eines einzigen Stabes ohne vorhandene zwischengeschaltete Abbildungstechnik 50%.
Der aus dem Stab 250 austretende Strahl durchquert die λ/4-Platte 274 und wird dann durch die Linse 276 in den phasenkonjugierenden Reflektor 278 fokusiert. Der PCM 278 kann aus Kohlenstoffdisulfid hergestellt sein, wie vorstehend erwähnt. Bei der Darstellung in Fig. 4 ist die Depolarisationskompensation vollständig, so daß die λ/4-Platte 276 zum Drehen der Polarisation um 90 Grad für den zweiten Durchlauf durch das Verstärkersystem verwendet werden kann und es möglich ist, daß der Polarisierer 232 den Strahl aus dem Strahlenrückweg auskoppelt.
Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen kehrt der phasenkonjugierende Reflektor 278 die Wellenfront des Strahls um. Der Strahl wird dann zur Verstärkerzelle 246 umgelenkt, wo er durch den Stab 250, den Rotator 272 und die zwischengeschalteten Linsen 264 und 262 hindurchläuft. Dann wird der Strahl durch den Stab 248 geführt, wo die Depolarisation des Strahls, die durch den Durchlauf durch Stab 250 induziert wird, kompensiert wird.
Der Strahl wird dann auf den Polarisierer 232 gerichtet, wo dieser aus dem Verstärker reflektiert wird. Die verstärkten Ausgangspulse können direkt verwendet werden oder werden durch verschiedene nichtlineare Elemente, z. B. durch einen Verdoppler 290 oder Verdreifacher 292 geführt.
Wie vorstehend erwähnt, ist es wichtig, daß das zwischengeschaltete Abbildungssystem so konstruiert ist, daß es eine Vergrößerung von 1 : 1 aufweist, so daß die Größe des Zwischenbildes die gleiche Größe aufweist wie der Strahl im Stab beim ersten Durchlauf. Fig. 5 stellt dar, wie drastisch das Depolarisationsniveau ansteigen kann, wenn das Verhältnis nicht beobachtet wird. Diese Daten wurden einem Verstärker entnommen, der eine Konstruktion aufweist, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist.
Fig. 5 ist ein Diagramm, bei dem die horizontale Achse dem Vergrößerungsniveau entspricht (1.00 stellt das Verhältnis 1 : 1 dar). Die vertikale Achse entspricht der Depolarisationsangabe in Prozent, die auftritt, wenn die Vergrößerung varriert. Die Kurve A stellt die Messung der Depolarisation nach einem einzigen Durchlauf durch die Verstärkereinrichtung dar. Kurve B stellt die signifikanteren Parameter der Systemdepolarisation dar, die nach zwei Durchläufen durch die Verstärkereinrichtung auftritt.
Wie ersichtlich, liegt die Systemdepolarisation bei einem Minimum, wenn die Vergrößerung im wesentlichen 1 : 1 beträgt. Wenn das Vergrößerungsniveau 1 : 1 nur um 6% (z. B. 0,94 : 1) verändert wird, steigt die Systemdepolarisation von einem Minimum bei etwa 1% auf 4%. Folglich kann eine Änderung von weniger als 10% hinsichtlich der Vergrößerung die Depolarisation um das vierfache verändern.
Es ist herausgefunden worden, daß der signifikanteste Faktor bei der Minimierung der Depolarisation die 1 : 1 Steuerung des Vergrößerungsniveaus ist. Wenn die Verstärker bei einem festgelegten Leistungspegel betrieben werden, ist es möglich, diese 1 : 1 Vergrößerung ohne Verwendung eines zwischengeschalteten Abbildungssystems zu erzeugen. Jedoch ist ein zwischengeschaltetes Abbildungssystem ideal, um das gewünschte 1 : 1-Vergrößerungsniveau über einen großen dynamischen Eingangsleitungsbereich zu erhalten.
Es gibt eine merkliche Flexibilität hinsichtlich der Gestaltung der Elemente des zwischengeschalteten Abbildungssystems, um dieses Ziel zu erreichen. Um jedoch die Leistungsfähigkeit zu optimieren, sollten bestimmte Kriterien betrachtet werden. Z. B. ist bei niedrigen Wiederholungsraten und Leistungspegeln die im Stab erzeugte positive thermische Linse klein. Das zwischengeschaltete Abbildungssystem sollte gerade genug negative Fokusenergie zuführen, daß keine Strahlenleistung durch die Apertur des Stabes im niedrig belasteten Zustand beschnitten wird. Fig. 6 zeigt eine Darstellung des Strahlenquerprofils in den beiden Stäben 248 und 250 in der Ausführungsform von Fig. 4. Es ist ersichtlich, daß sich bei niedriger Belastung der Strahl 214 rapide nach seinem Austritt aus dem Stab vergrößert. Im Gegensatz dazu, zieht sich bei maximaler Belastung der Strahl zusammen. Jedoch sei vermerkt, daß innerhalb des Stabes das Strahlenprofil fast ähnlich für jeden Belastungszustand ist. Die Tatsache, daß die Strahlendivergenz außerhalb der Stäbe unterschiedlich ist, kann durch den phasenkonjugierenden Reflektor korrigiert werden.
Es wurde demonstriert, daß durch diese Gestaltung ein Depolarisationsverhältnis des verstärkten Ausgangsstrahls von weniger als 0,5% für eine durchschnittliche Pumpleistung der Lampe von 4,0 kW bei einer Wiederholungsrate von 100 Hz erreicht werden kann. Bei diesem Pumpniveau können etwa 45 Watt der Durchschnittsleistung aus dem Verstärker extrahiert werden. Die durchschnittliche Leistung des Lasers kann auf etwa 40 Watt bei 100 Hz durch Ansteigen der durchschnittlichen Leistung an der Lampe ansteigen. Zur Zeit ist die durchschnittliche Ausgangsleistung dieses Systems bei 100 Hz auf etwa 65 Watt begrenzt, und zwar aufgrund der katastrophalen optischen Beschädigung der Beschichtung an der Außenoberfläche des Stabes 248 bei höheren Pegeln. Diese optische Beschädigung wird nicht bei Wiederholungsraten von 10 Hz oder an einer Linse 240 beobachtet, die das gleiche Teilchenflußniveau erfährt. Verbesserungen hinsichtlich der Beschichtungstechniken sollten diese Einschränkung jedoch beheben. Der Ausgangsstrahl hat ein dichtes streubegrenztes Hutprofil, mit nur sehr geringen Brechungsmerkmalen. Das Strahlenprofil variiert nicht merklich mit der Änderung der Wiederholungsrate (durchschnittliche Leistung der Lampe). Unter Verwendung von Kohlenstoffdisulfid beträgt die vorübergehende Pulsbreite etwa 5 bis 6 Nanosekunden FWHM mit einem glatten Profil und einer steilen Führungsflanke mit einer Anstiegszeit von etwa 1 Nanosekunde. Wir nehmen an, daß die Pulslinienbreite für diese Pulsform transformationsbegrenzt ist.
Bei dieser Ausführungsform hat die maximale Einzelpulsenergie, die aus dem Verstärkersystem bei niedrigen Wiederholungsraten extrahiert worden ist, 1 Joule für eine Eingangsenergie für ein Blitzlicht von etwa 55 Joule betragen. Keine Einstellung an den optischen Komponenten ist notwendig, um dieses Ergebnis zu erhalten, wenn das System bei einer hohen Wiederholungsrate optimiert worden ist. Alle anderen optischen Parameter bleiben im wesentlichen die gleichen, wie die vorher beschriebenen.
Obwohl es eine Flexibilität hinsichtlich der Auswahl der optischen Elemente für das zwischengeschaltete Abbildungssystem gibt, ist der Abstand zwischen den optischen Elementen, die zum Erzeugen des Zwischenbildes verwendet werden, kritisch, um die Depolarisierung des kompensierten Strahls zu minimieren. In den komplexeren Ausführungen, die in den Fig. 3 und 4 gezeigt werden, sind zwei unterschiedliche Konstruktionen verwendet worden, um das Zwischenbild zu erhalten. Bei der Ausführungsform in Fig. 3 mit einem Verstärker mit vier Durchläufen wurde eine Linsenkonstruktion mit zwei Linsen verwendet, die zu der in Fig. 2 dargestellten ähnlich ist. Das Zwischenbild der Mitte des Stabes 152 am Porro-Prisma 180 ist jedoch etwa um einen Faktor 2 vergrößert, so daß die Wahrscheinlichkeit einer optischen Beschädigung des Porro-Prismas minimiert wird. (Wie vorstehend erwähnt, können die Zwischenbilder eine Vergrößerung größer als 1 aufweisen, solange das Bild verkleinert wird, bevor es zum Stab zurückgeführt wird.) Der Abstand D zwischen der Objektebene (Mitte des Stabes) und der Bildebene (Position des Porro-Prismas 180) für das Hauptproblem der Anordnung eines Zwischenbildes, das um M vergrößert worden ist, kann aus folgender Gleichung berechnet werden.
D = (M + 1)[(M + 1)f - (M - 1)D&sub1;] (2)
wobei f die Brennweite der Linse 172, (M · f) die Brennweite der Linse 174, D&sub1; der Abstand von der Objektebene zur Linse 172, (M + 1)f der Abstand der Linsen 172 und 174 ist. Es sei bemerkt, daß, wenn die Vergrößerung des Zwischenbildes 1 : 1 beträgt, die Stelle des Zwischenbildes die gleiche ist, wie vorher bezüglich Gleichung (1) beschrieben. Gleichung (2) ist für die Stelle der Bildebenen in Luft (die einen Brechungsindex von etwa 1 hat) richtig. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist die Berechnung ein wenig komplizierter, da die Mitte des Stabes 152 auf das Porro- Prisma 180 durch etwa 6,4 cm des Nd:YAG-Kristalls abgebildet wird, das einen Brechungsindex von etwa 1,72 aufweist. Die genaue Position der Bildebene kann einfach unter Verwendung einer ABCD-Matrix berechnet werden, die dem Fachmann bekannt ist.
Die in Fig. 4 dargestellte Verstärker-Ausführungsform für zwei Durchläufe verwendet eine andere Zwischenabbildungskonstruktion. Im wesentlichen kann eine unendliche Anzahl von Linsen oder gekrümmten Spiegeln verwendet werden, um ein Zwischenbild über eine beliebige Distanz abzubilden. Die beiden Linsen, eine Spiegelkonstruktion in Fig. 4 ist äquivalent zu einer Dreilinsenkonstruktion. Gleichung (3) gibt den Abstand D zwischen der Objektebene und der Bildebene für eine zwischengeschaltete Linsenanordnung, die drei Linsen umfaßt, von denen zwei identisch sind, und eine einheitliche Vergrößerung des Bildes vor:
D = 4f&sub0; + 4f&sub1; + (f&sub1;²/f&sub0;) (3)
wobei f&sub1; die Brennweite der identischen Linsen (z. B. 262 und 264 in Fig. 4), f&sub0; die Brennweite der dritten Linse oder Spiegels (z. B. Spiegel 260 in Fig. 4) ist, die bzw. der zwischen den beiden identischen Linsen (Linsen 262 und 264) in einem Abstand f&sub1; + 2f&sub0; von jeder Linse angeordnet ist. Wie vorstehend erörtert, kann die genaue Position der Bildebene, wenn die Objektebene durch ein optisches Material (z. B. dem Nd:YAG-Stab) abgebildet wird, dessen Brechungsindex sich von einem anderen unterscheidet, auf einfache Weise von einem Fachmann berechnet werden.
Ferner können von einem Fachmann Verallgemeinerungen der Gleichung (3) für eine beliebige Anzahl von Linsen oder Spiegeln berechnet werden.
Eine vorsichtige Ausrichtung und Positionierung der Elemente in der zwischengeschalteten Abbildungsanordnung ist kritisch, um das Depolarisationsverhältnis zu minimieren. In der Praxis wird ein Iterationsausrichtungsverfahren verwendet, um das Depolarisationsverhältnis des Verstärkeroszillatorstrahls zu minimieren, welcher in den phasenkonjugierenden Spiegel 278 eintritt. Es wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Das Depolarisationsverhältnis wird nach dem Stab 250 gemessen. Ein Minimum wurde gefunden, wenn der axiale Abstand vom Stab für die Linse 262 verändert wird, während die horizontale und vertikale Position der Linse 264 wiederholt wird. Dieses Minimum im Depolarisationsverhältnis ist typischerweise kleiner als 0,5% für eine Blitzlicht- Pumpleistung von 3,5 kW bei einer Wiederholungsrate von 100 Hz. Ein Erreichen eines Depolarisationsverhältnisses von kleiner als 1% ist wichtig, um eine gute Phasenfrontrekonstruktion, gefolgt von einer Reflexion durch den phasenkonjugierenden Spiegel, zu erhalten, wenn ein Verstärkersystem, wie es in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, beobachtet wird.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, können verschiedene Änderungen und Modifikationen durch einen Fachmann darin vorgenommen werden, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

1. Optisches System zur Minimierung der durch thermisch induzierte Doppelbrechung bedingten Depolarisation eines Laserstrahls in einer stabförmigen optischen Einrichtung (14), wenn der Strahl in Längsrichtung die stabförmige optische Einrichtung durchläuft, umfassend:

eine Einrichtung (34, 44) zum Empfangen des durch die stabförmige optische Einrichtung (14) gelaufenen Strahles und zum Richten des Strahles zurück in die stabförmige optische Einrichtung (14) und

eine Einrichtung (46) zum Drehen der Polarisation des Strahles um neunzig Grad bevor der Strahl zur stabförmigen optischen Einrichtung (14) zurück gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangs- und

Richtungseinrichtung (34, 44) eine zwischengeschaltete Abbildungseinrichtung (34) umfaßt zum Ausbilden eines realen Bildes einer Objektebene, die in der stabförmigen optischen Einrichtung (14) angeordnet ist, durch welche der die stabförmige optische Einrichtung (14) durchlaufende Strahl zur Empfangs- und Richtungseinrichtung (34, 44) läuft, und daß die Empfangs- und Richtungseinrichtung (34, 44) so ausgebildet ist, daß diese in der Objektebene eine endgültige, reale Abbildung der Objektebene bereitstellt, wobei die Vergrößerung der endgültigen, realen Abbildung im Verhältnis zur Objektebene im wesentlichen eins zu eins beträgt und die zwischengeschaltete Abbildungseinrichtung (34) die Phase und die relativen Winkel und Positionen der Strahlen in der endgültigen, realen Abbildung wie in der realen Objektebenen bewahrt.

2. Optisches System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangs- und Richtungseinrichtung eine Einrichtung (180) umfaßt, die die endgültige, reale Abbildung im Verhältnis zur Objektebene invertiert.

3. Optisches System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangs- und Richtungseinrichtung eine Spiegeleinrichtung (44) umfaßt, die derart angeordnet ist, daß der durch die stabförmige optische Einrichtung (14) gelaufene Strahl in die stabförmige optische Einrichtung (14) zurück reflektiert wird, und daß die zwischengeschaltete Abbildungseinrichtung (34) und die Rotationseinrichtung (46) zwischen der optischen Einrichtung (14) und der Reflektoreinrichtung (44) angeordnet sind.

4. Optisches System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (14) eine Verstärkereinrichtung ist, die zur Anregung über einen breiten Bereich von Anregungsparametern und zum Bereitstellen einer Reihe von thermischen Doppelbrechungswirkungen in der Verstärkereinrichtung (14) geeignet ist, wobei das System einen phasenkonjugierenden Reflektor (18) zum Umkehren der Wellenfront des Strahles und zum Zurückrichten des Strahls auf einen Pfad zur optischen Einrichtung (14) umfaßt, so daß Wellenfrontverzerrungen korrigiert werden können.

5. Optisches System zur Minimierung der durch thermisch induzierte Doppelbrechung bedingten Depolarisation eines Laserstrahls in einer ersten und einer zweiten stabförmigen optischen Einrichtung (248, 250), wenn der Strahl die stabförmigen optischen Einrichtungen durchläuft, umfassend:

eine zwischengeschaltete Abbildungseinrichtung (260, 262, 264) zum Ausbilden einer Abbildung eines durch die erste stabförmige optische Einrichtung (248) gelaufenen Strahls in der zweiten stabförmigen optischen Einrichtung (250), und

eine Einrichtung (272) zum Drehen der Polarisation des Strahls um neunzig Grad, nachdem der Strahl in die erste stabförmige optische Einrichtung (248) gerichtet wurde, wobei die Einrichtung zur Polarisationsdrehung (272) derart angeordnet ist, daß sie wirkt, bevor der Strahl die zweite stabförmige optische Einrichtung (250) durchläuft, wobei die erste und die zweite stabförmige Einrichtung (248, 250) im wesentlichen identisch sind, wobei die zwischengeschaltete Abbildungseinrichtung (260, 262, 264) die Phase des Strahls und die relativen Winkel und Positionen der Strahlen in dem Bild der Strahlen bewahrt und die durch die zwischengeschaltete Abbildungseinrichtung (260, 262, 264) bereitgestellte Verstärkung im wesentlichen eins zu eins beträgt.

6. Optisches System gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischengeschaltete Abbildungseinrichtung einen gekrümmten Reflektor (260) umfaßt.

7. System gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der optischen Einrichtung (248, 250) ein Verstärkungsmedium umfasst, welches geeignet ist, über einen breiten Bereich der Anregungsparameter angeregt zu werden und eine Reihe thermischer Doppelbrechungswirkungen in der Verstärkungsmedium zu erzeugen, wobei das System weiterhin einen phasenkonjugierenden Reflektor (278) zum Umkehren der Wellenfront des Strahls und zum Zurückrichten des Strahl die stabförmige optische Einrichtung umfaßt, so daß die Wellenfrontverzerrungen korrigiert werden können.