DE2105480B2 - Method and arrangement for generating reproducible and steep giant laser pulses - Google Patents
Method and arrangement for generating reproducible and steep giant laser pulsesInfo
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Description
Ausstrahlung ist, innerhalb des optischen Resonators eine optische Rückkopplung in der Weise durchgeführt wird, daß eine über eine Polarisationsweiche innerhalb des optischen Resonators ausgekoppelte schwache Strahltingskomponente, die senkrecht zur allgemeinen, durch die Brewsterwinkel der Stirnflächen festgelegten Polarisationsrichtung schwingt, einer optoelektronischen Rückkopplungssc.haltung zugeführt wird, die den Güteschalter auf höchste Güte umschaltet und so einen Riesenimpuls auslöst.Radiation is an optical feedback carried out in this way within the optical resonator is that a decoupled via a polarization switch within the optical resonator weak radiation component, which is perpendicular to the general, through the Brewster angle of the end faces specified direction of polarization oscillates, an optoelectronic feedback system is supplied, which switches the Q-switch to the highest quality and thus triggers a huge pulse.
Ein optischer Sender (Laser) zur Durchführung dieses Verfahrens enthält einen optischen Resonator, bei dem die Stirnflächen sowohl seines stimulierbaren Mediums als auch seines elektrooptischen Güteschalters vorzugsweise unter dem Brewsterwinkel angeordnet sind und bei dem der elektrooptische Güteschälter über eine Rückkopplungsschaltung betätigt ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß eine unter dem Brewsterwinkel angeordnete Stirnfläche innerhalb des optischen Resonators als Polarisationsweiche ausgenützt ist, die die als Signal für die Rückkopplungsschaltung verwendete schwache Strahlungskomponente seitlich in Richtung auf eine Photodiode auskoppelt, die zusammen mit einem Anpassungsnetzwerk und einem Hochspannungsgenerator die Rückkopplungsschaltung bildet. "An optical transmitter (laser) for performing this procedure contains an optical resonator, in which the end faces of both its stimulable medium and its electro-optical Q-switch are preferably arranged at the Brewster angle and in which the electro-optical quality switch is operated via a feedback circuit, and is characterized in that one under The end face arranged at the Brewster angle within the optical resonator as a polarization switch is utilized that the weak radiation component used as a signal for the feedback circuit laterally decoupled in the direction of a photodiode, which together with a matching network and a high voltage generator forms the feedback circuit. "
Vorzugsweise ist die als Polarisationsweiche ausgenützte Stirnfläche, die dem stimulierbareu Medium benachbarte Stirnfläche des elektrooptischen Güteschalters. The end face used as a polarization switch is preferably that of the stimulable medium adjacent end face of the electro-optical Q-switch.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der elektrooptisehe Güteschalter aus einem LiNbO3-KristalI besteht.It is particularly advantageous if the electro-optical quality switch consists of a LiNbO 3 crystal.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, sowie der Anordnung zur Ausführung des Verfahrens, ergeben sich steile Riesenimpulse mit reproduzierbaren Ansticgsflanken und Impulsspitzen. Die Zeitkonstante des Impulsanstiegs liegt in der Größenordnung von 1 nsec. Da diese Impulse unabhängig von Störungen durch Alterung, Stromversorgung, sowie Auswechslung der Entladungsblitzlampe sind, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung für die Anwendung in einem optischen Entfernungsinesser und für die Impulsholographie.With the method according to the invention, as well as the arrangement for carrying out the method, result steep giant impulses with reproducible starting edges and impulse peaks. The time constant of the pulse rise is of the order of 1 nsec. Because these impulses are independent of interference due to aging, power supply and replacement of the discharge flash lamp, this is suitable Method according to the invention and the arrangement for use in an optical distance meter and for pulse holography.
Im folgenden soll die Erfindung an Hand der Figur näher erlü-itert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to the figure.
1 bezeichnet das stimulierbare Medium, beispielsweise einen YAG-Stab, das zusammen mit einem optischen Güteschalter 2, beispielsweise einem LiNbO,-Kristall, im optischen Resonator angeordnet iit, der von den beiden Spiegeln 3 und 4 begrenzt ist. Die Anoidnung eines Polarisators im optischen Resonator erübrigt sich, da die dem optischen Güteschalter zugewandte Stirnfläche des stimulierbaren Mediums sowie die vom Lichtstrahl, der hier gestrichelt gezeichnet ist, durchsetzten Stirnflächen des elektrooptischen Kristalls 2 unter dem Brewsterwinkel zur Lichtstrahlrichtung angeordnet sind. Durch diese Anordnung von Flächen unter dem Brewsterwinkel werden Fabry-Perot-Effekte vermieden, die infolge Temperaturänderungen eine unterschiedliche Güte des optischen Resonators im für den Lichtdurchgang »offenen« Zustand hoher Güte bewirken können. 5 stellt eine Photodiode dar, die über ein Anpassungsnetzwerke "üt einem Hochspannungsgenerator7 verbunden ist, der wiederum mit den beiden Elektroden, die zur Transmissionsänderung des Güteschalters 2 dienen, verbunden ist.1 designates the stimulable medium, for example a YAG stick, which together with an optical Q-switch 2, for example a LiNbO, crystal, arranged in the optical resonator, which is limited by the two mirrors 3 and 4. The anodization of a polarizer in the optical resonator is unnecessary, since the end face of the stimulable medium facing the optical Q-switch as well as the end faces of the electro-optical through which the light beam, which is drawn here by dashed lines, passes Crystals 2 are arranged at the Brewster angle to the direction of the light beam. Through this Arrangement of surfaces under the Brewster angle, Fabry-Perot effects are avoided, which as a result Temperature changes result in a different quality of the optical resonator for the passage of light Can bring about an "open" state of high quality. Figure 5 illustrates a photodiode that has matching networks "in a high-voltage generator7 is connected, which in turn with the two electrodes that change the transmission of the Q-switch 2 serve, is connected.
Die Wirkungweise der Anordnung ist die folgende: Das stimulierbare Medium 1 wird im für den Lichtdurchgang »gesperrten« Zustand des optischen Güteschalters 2 von einer hier nicht gezeigten optisehen Anregungsanordnung gepumpt. Die Anregung des stimulierbaren Mediums erreicht dann nach einiger Zeit den Schwellenwert, und es baut sich eine Laserschwingunc auf. Das Anschwingen des Lasers im gesperrten Zustand des optischen Güteschalters wird von der Photodiode registriert, da die Photodiode so angeordnet ist, daß sie das auf eine der Brewsterflächen, z. B. des Güteschalters, fallende und von dieser durch Reflexion ausgekoppelte Licht empfängt. Das daraus resultierende Signal wird über ein Anpassungsnetzwerk 6 einem Hochspannungsgenerator 7 zugeführt, der den optischen Güteschalter betätigt und den optische- Resonator auf hohe Güte in den offenen Zustand umschaltet. Nach dem Umschalten kann die Photodiode keine Licht mehr emp-The mode of operation of the arrangement is as follows: The stimulable medium 1 is used for the Light passage "blocked" state of the optical Q-switch 2 from an optical not shown here Pumped excitation arrangement. The excitation of the stimulable medium then reaches after some Time the threshold value, and a laser oscillation builds up. The oscillation of the laser in the locked state of the optical Q-switch is registered by the photodiode as the photodiode is arranged so that it is on one of the Brewster surfaces, e.g. B. the Q-switch, falling and of this receives light coupled out by reflection. The resulting signal is transmitted via a Adaptation network 6 is fed to a high-voltage generator 7 which actuates the optical Q-switch and switches the optical resonator to high Q in the open state. After switching the photodiode can no longer receive light
ao fangen, da im geöffneten Zustand an den Brewsterflächen keine Reflexion auftritt.ao catch, because in the open state on the Brewster surfaces no reflection occurs.
Aus einer Abschätzung für die Leistungsverstärkung erhält man eine Nettoverstärkung pro Umlauf von 6,5. Die gesamte Leistungsverstärkung pro Umlauf bei einer Auskopplung von 20% ergibt sich daraus zu etwa 8. Mit diesem Wert beträgt bei einem 50 cm langen optischen Resonator mit YAG-Stab von 5 cm Länge und 6 mm Durchmesser die Zeitkonstante der Anstiegsflanke des Riesenimpulses etwa 1,8 nsec.A net gain per cycle is obtained from an estimate for the power gain from 6.5. The total power gain per cycle with a decoupling of 20% results from this to about 8. With this value for a 50 cm long optical resonator with a YAG rod of 5 cm in length and 6 mm in diameter, the time constant of the rising edge of the giant pulse is about 1.8 nsec.
Der Impuls selbst ist etwa 15 nsec lang und erreicht in der Spitze etwa die Leistung von 200 kW. Eine schnelle Umschaltzeit des optischen Güteschalters resultiert aus der niederen Halbwellenspannung, die bei einem LiNbO3-Kristall von 30 mm Länge, qua-The pulse itself is about 15 nsec long and has a peak power of about 200 kW. A fast switching time of the optical Q-switch resulting from the lower half-wave voltage of 30 mm at a LiNbO 3 crystal length, square
dratischem Querschnitt und 20 pF Kapazität etwa 500 V beträgt.Dratic cross-section and 20 pF capacitance is around 500 V.
Die aus der Leistungsverstärkung pro Umlauf von 8 resultierende Zeitkonstante von 1,8 nsec kann noch verkürzt werden, wenn bei Benutzung von kräftigen Entladungsblitzlampen weitere brechende Flächen unter dem Brewsterwinkel in den Resonator eingebracht oder aber für die Bauteile im optischen Resonator (Laserstab, Schalter) Materialien mit höherem Brechwert benutzt werden. Dadurch tritt eine höhere Sperrwirkung und infolgedessen eine größere Überbesetzung im Umschaltzeitpunkt auf, die eine Verkürzung der Zeitkonstanten des Impulsanstiegs zur Folge hat.The time constant of 1.8 nsec resulting from the power gain per cycle of 8 can still can be shortened if further refractive surfaces are used when using powerful discharge flash lamps introduced into the resonator at the Brewster angle or for the components in the optical resonator (Laser rod, switch) materials with a higher refractive index can be used. As a result, a higher occurs Blocking effect and, as a result, greater overstaffing at the time of switching over, which is a shortening the time constant of the pulse rise.
Für Entladungsblitzlampen, die eine Leistungsver-Stärkung pro Umlauf von 8 nicht erreichen, muß die Sperrwirkung des Güteschakers verringert werden. Die Verringerung der Sperrwirkung des Schalters erfolgt im allgemeinen durch eine Verkleinerung der Αηζε'.ιΐ der brechenden Flächen unter dem Brewsterwinkel. Man kann z. B. die dem stimulierbaren Medium abgewandte Stirnfläche des LiNbO3-KristalIs senkrecht zur Stabachse abschneiden und direkt einen dielektrischen Resonatorspiegel aufdampfen. Eine weitere Möglichkeit, die Sperrwirkung zu verringem, besteht darin, den LiNbO3-Schalter nur mit einem Teil der vollen Schaltspannung zu betreiben.For discharge flash lamps that do not achieve a power gain per cycle of 8, the blocking effect of the quality shaker must be reduced. The blocking effect of the switch is generally reduced by reducing the Αηζε'.ιΐ of the refracting surfaces below the Brewster angle. You can z. B. cut off the end face of the LiNbO 3 crystal facing away from the stimulable medium perpendicular to the rod axis and directly vaporize a dielectric resonator mirror. Another possibility to reduce the blocking effect is to operate the LiNbO 3 switch with only part of the full switching voltage.
Es ist auch möglich, die vorgeschlagene Anordnung in Kombination mit einem Dauerstrichlaser zu betreiben. Infolge der Rückkopplung des Güteschalters über die Photodiode entsteht dann in der Emission eine Impulskette, die bei der Puls-Code-Modulation Anwendung finden kann.It is also possible to use the proposed arrangement in combination with a continuous wave laser operate. As a result of the Q-switch's feedback via the photodiode, the emission then occurs a pulse chain that can be used in pulse code modulation.
Claims (4)
trooptischen Güteschalters (2) mit beginnender Ein Verfahren zur Erzeugung von steilen Laser-Ausstrahlung erreicht ist, innerhalb des optischen Riesenimpulsen mittels eines einen optischen Güte-Resonators eine optische Rückkopplung in dci *o schalter und eine Rückkopplungsschaltung enthalten-Weise durchgeführt wird, daß eine über eine Po- den Lasers ist aus dem Artikel »Picosecond Laser larisationsweiche innerhalb d^s optischen Reso- Pulses« in der Zeitschrift »Proceedings of the nators ausgekoppelte schwache Strahlungskom- IEEE«, Bd. 57, Nr. 1, Januar 1969, S. 2 bis 25, insponente, die senkrecht zur allgemeinen, durch die besondere S. 10 bekannt. Bei diesem Verfahren wird Brewsterwinkel der Stirnflächen festgelegten Pu- 25 zum Zeitpunkt der Erreichung der Umkehrung der larisationsrichtung schwingt, einer optoelektro- Besetzungsverteilung bzw. des Schwellenwertes im nischen Rück^opplungsschaltung (S bis 7) züge- stimulierbaren Medium ein aus dem Inneren des opführt wird, die den Gütesch; 'ter (2) auf höchste tischen Resonators ausgekoppeltes Signal einer Güte umschaltet und se einen Riesenimpuls aus- Rückkopplungsschaltung zugeführt, wodurch der oplöst. 30 tische Schalter betätigt und umgeschaltet wird. Der1. Process for generating steep laser ignition pulse and light pulse of the discharge pulses by means of an optical resonator, the flash lamp is subject to fluctuations, so that sen end faces to the beam path a Brew- 5 the bearing giant pulses form different energy angle and its electrical taxable if the switching time of a Güterer switch of optical quality is derived from the ignition pulse time of the discharge from the excitation source in the feedback flash lamp. Another follow-up circuit by one from the optical part results from the fact that the light yield with the higher resonator decoupled polarized partial beam io herem age of the lamp is worse, whereby the is actuated, thereby marked-height of the giant pulses decreases. In addition, to achieve reproducible causes, different properties from the lamp to steep pulses of the highest possible energy to the lamp and irregularities in the power supply time of maximum optical excitation of the stimulus supply further fluctuations in the pulse height, mulable medium (1), ie, when the 15 If there are also thermally induced changes in the optical resonator (3, 4) in relation to the existing Fabri-Perot effects, further irregularities arise from this, despite the fact that the electronics are switched to the lowest quality.
trooptischen Q-switch (2) with beginning A method for generating steep laser radiation is achieved, within the optical giant pulses by means of an optical Q-resonator an optical feedback in dci * o switch and a feedback circuit-way is carried out that a via A Po- den Lasers is from the article "Picosecond Laser larisationsweiche inside d ^ s optical Reso-Pulse" in the journal "Proceedings of the nators decoupled weak radiation committee", Vol. 57, No. 1, January 1969, p. 2 to 25, insponente, perpendicular to the general, known by the particular p. 10. In this method, the Brewster angle of the end faces is fixed at the time when the reversal of the polarization direction is reached, an optoelectro-occupation distribution or the threshold value in the niche feedback circuit (S to 7), a tensile-stimulable medium is introduced from inside the , the Gütesch; 'ter (2) switches the signal of a quality that is decoupled to the highest table resonator and a giant pulse is fed to the feedback circuit, whereby the oplöst. 30 tables switch is operated and toggled. Of the
mulierbaren Medium (1) benachbarte Stirnfläche Die vorliegende Erfindung geht aus von einem des elektrooptischen Güteschalters (2) ist. Verfahren zum Erzeugen von steilen Laser-Impulsen3. Optical transmitter (laser) according to claim 2, 50 hold. Here, too, an undesirably long time occurs, characterized in that the end face used as the polarization switchover time, which increases the time constant of the slope switch, increases the flank of the giant pulse,
mulable medium (1) adjacent end face The present invention is based on one of the electro-optical Q-switch (2). Method for generating steep laser pulses
baren und steilen Laser-Riesenimpulsen mittels eines Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin,The present invention relates to a method that is decoupled from the optical resonator, polar and an arrangement for generating reproduced partial beams is actuated,
able and steep giant laser pulses by means of a The method according to the invention consists in
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