DE2752539A1 - Laser - Google Patents
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Description
Firma SANDERS ASSOCIATES, INC., Daniel Webster Highway, South, Nashua N.H. 03061, USA
Laser
Die Erfindung betrifft einen Laser, insbesondere einen solchen, der im Spezialbereich des sogenannten Tiefenrots sendet.
Viele militärische Systeme können einen Nutzen aus der Entwicklung
von Strahlungsquellen ziehen, welche mit den Empfängern abgestimmt ("in band") sind. So erfordern beispielsweise optische
Zielsuchsysteme Laserquellen im Bereich zwischen demfeichtbaren
und dem infraroten Licht des elektromagnetischen Spektrums. Dies ergibt sich daraus, daß die Rücksendung von einem optischen
System (sein Querschnitt) am höchsten ist im vorgesehenen
Für
Verwendungsbereich./die Peststellung visueller oder televisueller optischer Systeme sind deshalb Strahlungsquellen im Spezialbereich zwischen 0,4 und 0,9 um erforderlich.
Verwendungsbereich./die Peststellung visueller oder televisueller optischer Systeme sind deshalb Strahlungsquellen im Spezialbereich zwischen 0,4 und 0,9 um erforderlich.
Es befinden sich derzeit nur wenige Festkörper-Laserquellen in
Entwicklung, welche die erforderliche Leistungsfähigkeit für diese Anwendungen haben. Doppel-Nd-Laser, die bei 0,53 \im arbeiten,
sind für viele Anwendungszwecke deshalb nicht geeignet, weil die Strahlung für das bloße Auge sichtbar ist. Er1LiYF4-Laser,
die bei 0,85 μπι arbeiten, sind deshalb für bestimmte An-
809822/08 42
wendungszwecke untauglich, weil die Wellenlänge sich zu weit
im Infrarotbereich befindet. Rubin-Laser, die bei 0,69 um ausstrahlen,
sind grundsätzlich 3-Niveau-Laser mit hoher Ansprechschwelle, die einen Betrieb nur mit sehr niedriger Wiederholungsfrequenz
erlauben.
Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Schaffung einer optisch gepumpten Laserquelle, die im Bereich des sogenannten Tiefenrots
des Spektrums strahlt und bei hoher Leistungs- und Energiedichte eine hohe Wiederholungsfrequenz aufweist. Diese Laserquelle
so"bei Raumtemperatur mit hoher Leistungs- und Energiedichte eine Strahlung bei 0,75 um ausstrahlen. Schließlich soll ein
Festkörperlaser mit hoher Wiederholungsfrequenz geschaffen werden,
der zwischen 0,53 und 0,85 um arbeitet.
Gemäß der Erfindung wird diese Ausgabe dadurch gelöst, daß ein
bei 0,75 um arbeitender, optisch gepumpter Festkörper-Laser
geschaffen wird, bei welchem ein mit Holmium (Ho3 ) dotierter Lithium-Yttrium-Fluorid-Kristall (LiYF4) verwendet wird.
Auf der Zeichnung zeigen:
Fig. 1: das Kernschema eines idealisierten Ions, Fig. 2: ein Kernschema von Ho3 :LiYF-, und
Fig. 3: ein Blockschaltbild eines bei 0,75 um arbeitenden
Lasers.
Es gibt viele Elektronenübergänge, welche zur Ausstrahlung eines Laserlichts in dem interssierenden Bereich führen könnten.
Eine hohe Leistungs- und Energiedichte bei Zimmertemperatur
809822/084 2 _5_
in einem optisch gepumpten FEstkörper-Laser muß jedoch der
Kernaufbau der in Betracht gezogenen Systeme bestimmten Anforderungen
genügen. Solche Anforderungen gibt es sowohl für die in Betracht gezogenen Elektronenübergänge in einigen Ionen
als auch für das Grundmaterial, in welches die Ionen eindotiert
werden.
Der gewählte übergang besteht im allgemeinen aus einem oberen
Laser-Niveau (A in Fig. 1), einem unteren Laser-Niveau (B),dem Grundniveau (C) und den Pumpenbanden. Zur Erzielung einer hohen
Leistungsdichte sind für diesen übergang folgende allgemeine Bedingungen gegeben:
1. Eine Energietrennung zwischen B und A entsprechend der
Frequenz des gewünschten Laserübergangs, speziell eine Frequenztrennung zwischen etwa 13000 und 14000 cm
2. Eine breite Energietrennung zwischen den Niveaus B und C1
und zwar im Vergleich mit KT (K=BoItzmann-Konstante,
T=Temperatur), um so ein 4-Niveau-System sicherzustellen.
3. Eine Reihe dicht benachbarter Niveaus oberhalb A, um einen schnellen Abfall zwischen den Niveaus der Pumpbanden
und dem oberen Laser-Niveau (A) zu erhalten.
Das Kernschema von Holmium, insbesondere der S- - 1T- übergang
in Holmium, erfüllt diese Anforderungen. Es muß jedoch noch ein geeignetes kristallines Grundmaterial für diesen übergang
gefunden werden, in welchem Grundmaterial das Holmium einige zusätzliche spektroskopische Eigenschaften aufweist, die weiter
unten erläutert werden.
809822/0842 _6_
Um die oben beschriebenen besonderen Eigenschaften zu erhalten,
muß ein kristallines Grundmaterial gefunden werden, in welchem die Grundmaterial-Holmiumion-Kombination folgende Eigenschaften
aufweist:
1. Eine schmale spektrale Linienbreite des A-B-Fluoreszenzübergangs
(hohe Güte).
2. Eine lange Lebenszeit der Fluoreszenz des A-Niveaus.
3. Eine Durchü&sigkeit des Grundmaterials im Bereich der
Holmium-Pumpbanden (0,5 bis 0,2
4. Ein hoher Widerstand gegenüber STörungen, welche durch die Pumpstrahlung im Bereich der Pumpbanden induziert
werden.
5. Brauchbare thermische und mechanische Eigenschaften sowie
die Fähigkeit eines einwandfreien Kristallwachstums bei Vorhandensein des gewünschten Anteils an Holmium.
Alle diese Forderungen werden durch eine Ion-Grundmaterial-Kombination
erfüllt, welche durch die Formel Ho:LiYF4 gegeben ist.
Das Termschema von Ho:LiYF. ist in Fig. 2 dargestellt.
In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Laser von Fig. 3 weist einen Laser-Resonatorraum
auf, der durch Resonatoren, nämlich zwei hochreflektierende Spiegel 10 und 12 begrenzt wird. Selbstverständlich können
die gezeichneten Spiegel auch durch gekreuzte Porroprismen ersetzt werden, um Probleme einer fehlenden Ausfluchtung zu vermeiden,
wie allgemein bekannt ist. In diesem Fall werden dann im Mittelpunkt des Resonatorraums Elemente angebracht, um das
8S9822/Ö842
Laserlicht nach außen abzulenken. Es ist aber auch möglich, nur ein einziges Porroprisma zu verwenden, wobei dann der
Laserausgang am verbleibenden Spiegel stattfindet.
Innerhalb des Resonatorraums und längs dessen optischer Achse befindet sich ein Lasermaterial 14 und eine Güteschaltung 16.
Vorzugsweise ist das Lasermaterial 14 ein Stab aus Ho3+:LiYF..
Benachbart dem Laserstab 14 befindet sich ein Pumpstrahler 18,
um den Laserstab in einen hohen invertierten Energiezustand zu bringen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Pumpstrahler 18
um eine Blitzlichtlampe. Die Blitzlichtlampe 18 liegt an der Spannung einer Stromquelle 20.
Die Güteschaltung 16 dient dazu, die Laserenergie im Resonatorraum
zu halten, bis im Stab 14 ein genügend hoher invertierter Energiezustand erreicht ist. Als Güteschaltung wird vorzugsweise
eine Pockelzelle verwendet.
Die schaltung der Güteschaltung 14 wird durch eine Verzögerungsschaltung 22 gesteuert, die durch ein Signal der Stromquelle
20 ausgelöst wird. Die Mittel zur Anregung der Blitzlichtlampe 18 und die speziellen Mittel zur Steuerung des Gtiteschaltung
16 stellen keinen Teil der Erfindung dar(und es können auch andere
in der Lasertechnik bekannten Elemente für diese Zwecke Verwendung finden.
Während des Betriebs empfängt der Pumpenstrahler 18 einen STromimpuls
von der Stromquelle 20 und sendet einen Punktimpuls geeigneter Wellenlänge aus, um so die Moleküle im Laserstab 14 an-
809822/0842 Λ
zuregen. Die Güteschaltung 16 wird durch die Verzögerungsschaltung
22 betätigt, derart, daß der optische Resonatorraum in einen Zustand niedriger Güte bzw. hohen Verlustes versetzt wird.
Nach Ablauf einer gewissen Zeitspanne, in welcher die angeregtem Atome im Stab 14 einen Zustand hoher invertierter Energie
erreicht haben,wird die an die Güteschaltung 16 gelegte Spannung
abgeschaltet, womit der optische Resonatorraum in einen Zustand niedrigen Verlustes und hoher Güte gelangt. Nahezu gleichzeitig
mit der Umschaltung wird aus dem Resonatorraum ein Laserimpuls abgegeben.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt,sondern es sind diesem gegenüber
zahlreiche Abwandlungen möglich, ohne den Bereich der ER-findung zu verlassen.
809822/08A?
Leerseite
Claims (6)
- DIPL ING. KLAUS BEHN DIPL PHYS ROBERT MÜNZHUBERPATENTANWÄLTEWIDENMAVERSTRASSE β Ο SOOO MÜNCHEN 22 TEL. (OBS) 22 28 3O 29 010223. November 1977 A 27777 Mü/ibPATENTANSPRÜCHE(L)1J Optisch gepumpter Festkörper-Laser mit einem Laser-Resonatorraum, einem im Resonatorraum angeordneten Laserkörper und einem den Laserkörper mit Pump-energie bestrahlenden Pumpstrahler, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkörper eine Laserstrahlung einer Wellenlänge von 0,75 \im abgibt.
- 2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß im Resonatorraum eine Güteschaltung angeordnet ist.
- 3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkörper ein mit Holmium dotierter LitMum-Yttrium-Fluorid-Kristall ist.
- 4. Laser mit in einem Resonatorraum ausgerichtetem Kristallstab und mit einem den Kristallstab mit Pumpenergie beaufschlagenden Pumpstrahler, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall aus einem Grundmaterial aus LitiiLum-Yttrium-Fluorid und aktiven Holmium-Laserionen besteht.
- 5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß derPumpstrahler eine Strahlungsquelle enthält, die im Bereich derBankhau· Merck. Flnck A Co.. München. (BLZ 7OO3O400) Konlo-Nr. 2B4B49 Bankhaus H. Aulhauaar. München. Nr 2813OO Poatacheck: München 2OSO4 BOOHolmium-Pumpbanden eine intensive Strahlung abgibt.
- 6. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpstrahler eine Blitzlichtlampe enthält-809822/0842 3"
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