DE2731112C3

DE2731112C3 - Anordnung zur Erzeugung von zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellen-

Info

Publication number: DE2731112C3
Application number: DE19772731112
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 7830 Emmendingen Jantz; P. Dr.-Phys. 7809 Denzlingen Koidl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1977-07-09
Filing date: 1977-07-09
Publication date: 1980-08-07
Also published as: DE2731112A1; DE2731112B2

Description

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Empfang des reflektierten Signals gemäß

JS =

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß Oberbegriff der Ansprüche I und 2, wie sie aus der π US-PS 38 42 184 bekannt ist, unter Verwendung eines bekannten Güteschalters.

Stand der Technik

1. Zur rüschen und zuverlässigen Entfernungsmessung werden in neuerer Zeit häufig Laser eingesetzt, die durch eine besondere Vorrichtung, die sogenannte Güteschaltung des Resonators, in der Lage sind, sehr kurze und intensive Lichtpulse auszusenden (RT. Arecchi, Laser Handbook, ι» Amsterdam 1972, Vol. 2, Seite 1745 bis 1804). Diese Impulse werden von dem Objekt reflektiert, dessen Entfernung E sich aus der Laufzeit U bis zum errechnet (c=Lichtgeschwindigkeit).

For diese Aufgabe wird derzeit vorzugsweise der Nd: YAG Laser verwendet, weil er die zur Messung weit entfernter und schlecht reflektierender Objekte erforderliche hohe Lichtleistung liefert und sehr zuverlässig mit hoher Effizienz arbeitet

2. Ein gravierender Nachteil dieses Lasers in Verbindung mit der genannten Anwendung ist jedoch seine große Augenschädlichkeit Seine auf das Auge einwirkende 1,06 um-Strahlung wird nahezu ungeschwächt auf die Retina fokussiert; ihre Leistungsdichte steigt dadurch auf das 1 Wache und verursacht schon bei sehr geringer primärer Strahlungsleistung Verbrennungen des Augenhintergrundes. Gleiches gilt natürlich auch für alle sichtbaren Laserweilenlängen (z.B. den Rubinlaser). Entfernungsmesser, die solche Laser einsetzen, sind deshalb nur sehr eingeschränkt verwendbar.

3. Dementsprechend werden seit einiger Zeit große Anstrengungen unternommen, ein leistungsfähiges Lasersystem zu entwickeln, welches eine Wellenlänge At emittiert, die bereits in der Augenkammer absorbiert wird, wodurch die Fokussierung auf die Retina unterbleibt Um diesen Effekt zu erzielen, muß At > 1,4 μ sein, was auch in den einschlägigen Sicherheitsbestimmungen zum Ausdruck kommt. (Verwaltungsberufsgenossenschaft, Unfallverhütungsvorschrift 25 Laserstrahlen [VBG 93], 1973). Ein aussichtsreicher Kandidat ist z. B. das mit Erbium dotierte Yltrium-Aluminat (Er : YAP-Laser) mit A, = 1,66 μπι; J.-Appl. Phys. Bd. 42 (1971), S. 301 bis 305.

Dem Vorteil einer um ca. 6 Größenordnungen gesteigerten Augensicherheit >teht jedoch der Nachteil gegenüber, daß Wellenlängen. A_t> 1,4 μιη schlecht zu detektieren sind Weder die Silicium-Diode noch irgendein Photomultiplier sind für solche Strahlung empfindlich. Es bietet sich demnach an, das in den letzten Jahren intensiv erforschte Verfahren der Frequenzwandlung mittels nichtlinear-optischer Summenbildung einzusetzen, das in F i g. 1 skizziert ist Zu diesem Zweck wird die nachzuweisende Strahlung der Frequenz o>]=2 π c/X\ in einem geeigneten nichtlinearen Medium mit einer zweiten, der sogenannten Pumpstrahlung 0)2 gemischt wodurch gemäß

f/13 = (l!| + ll'z

ein wesentlich höherfrequentes Signal wj erzeugt wird, dessen Intensität dem primären Signal (Οι proportional ist; vgl. A. Yariv, Quantum Electronics, 2. Aufl., New York 1975, S. 454 bis 460. Bei geeigneter Wahl der Pumpfrequenz a>2 fällt 0)3 dann in einen Spektralbereich, der den Einsatz hochempfindlicher Detektoren, vorzugsweise des S 20 Photomultipliers, erlaubt. Es konnte kürzlich gezeigt werden, daß die Frequenzwandlung, die außer dem genannten Vorteil noch eine Reihe anderer Vorzüge aufweist, mit hoher Quanteneffizienz durchführbar ist; vgl. Applied Physics Letters Bd.3l(1977),Nr.2.S.99bis10t.

4, Dem Vorteil einer wesentlich gesteigerten Empfindlichkeit dieses Verfahrens steht der beträchtliche apparative Aufwand gegenüber, der sich insbesondere durch den zusStzlich erforderliehen Pumplaser (Wellenlänge λϊ) ergibt. Er muß hohe Leistung während der Zeit

I ⁼ t_max t_mfn

abgeben, wobei tmm und t^ die minimale bzw, maximale Laufzeit des Laserpulses sind. Hohe Leistung ist erforderlich, weil von ihr die Effizienz der Konversion abhängt

5. Weiterhin sind Laser beschrieben (US-PS 34 82 184 und DE-OS 21 20 429), die jeweils zwei Strahlen erzeugen. Bei beiden Lasern kann jedoch das Zeitverhalten nicht gesteuert werden, da die beiden Teilstrahlen gleichzeitig emittiert werden. Zum anderen sind die wählbaren Frequenzen eng benachbart; sie liegen innerhalb der Linienbreite des Laserübergangs. Somit ist diese Anordnung nicht geeignet, die Signal· und Pumpstrahlung in der erforderlichen Zeitfolge zu erzeugen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung gemäß Oberbegriff so auszugestalten, daß die Verzögerung und die Pulsbreite des zweiten Laserpulses genau einstellbar ist Weiterhin soll der für die Erzeugung des Signalpulses u>\ bereits vorhandene Laser durch einfache Zusatzbausteine und eine geeignete elektronische Steuerung so ausgestaltet werden, daß er in der Lage ist nacheinander, und zwar genau in einer steuerbaren zeitlichen Reihenfolge, nicht nur das Signal Wi, sondern auch die Pumpstrahlung o)2 zu emittieren.

Diese Aufgaben werden bei einer Anordnung zur Erzeugung von zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge gemäß Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 2 enthaltenen Merkmale gelöst

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 3.

Durch diesen vergleichsweise geringfügigen Aufwand ist es möglich, den für die Frequenzwandlung der nachzuweisenden Strahlung bisher erforderlichen zweiten Laser einzusparen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden im Vergleich zum Stand der Technik an Hand der F i g. 1 —6 erläutert, es zeigt

Fig. 1 Schema des bekannten Verfahrens der optischen Summenfrequenzbildung

F i g. 2 Schema eines gütegeschalteten Lasers

F i g. 3 Schema eines Lasers, bei dem die Güteschaltung in bekannter Weise durch eine Pockelszelle realisiert ist

Fig.4 Das zur Lösung der gestellten Aufgabe erforderliche zeitliche Verhalten der Laseremission mit den Frequenzen ωι und o>2

F i g. 4b Zeitliche Ansteuerung der Pockelszellen zur Erzielung des gewünschten Zeitverhaltens bei Realisierung der Erfindung nach Anspruch I und 3 oder 2 und 3

Fig.5 Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 1 und 3

Fig.6 Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 2 und 3

Da es sich bei der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen beschrieben ist, um eine Funktionserweiterung des für die Erzeugung des kurzen Sendepulses vorhandenen gütegeschalteten Lasers (giant pulse

laser) handelt, ist in Fig,2 zunächst diese Anordnung schematisch dargestellt
Es bedeuten:

1 a 100% Resonatorspiegel

1 b Auskoppelspiegel, ca. 50% Reflexion

2 a Aktives Lasermaterial, z. B. Er : YAP

2 b Energiequelle zur Erzeugung der

Besetzungsinversion

3 Güteschalter

Im allgemeinen wird die Güteschaltung durch eine Pockelszelle und einen Polarisator realisiert, wie in F i g. 3 dargestellt.

Es bedeuten:

3 Pockelszelle

3' Steuergerät für Pockelszelle

4 Polarisator

An der Pockelszelle (3) liegt zur Herabsetzung der Resonatorgüte die materialabhängige Viertelwellenspannung V/2, die von einem Steuergerät (3') erzeugt wird, d.h. die Polarisationsebene von Uzhi, welches nach Reflexion an [Xb) insgesamt 2mal die Zelle (3) passiert hat, ist um 90° gedreht und kann den Polarisator (4) nicht mehr passieren. Zur schnellen Wiederherstellung der Resonatorgüte wird V/2 zur Zeit Ib abgeschaltet was zur Emission des erwähnten kurzen und intensiven Lichtpulses führt

Die Güteschaltung ist auch durch eine Kerrzelle oder

jo passive Flüssigkeitsschalter realisierbar. Als Energieversorgung (2/^dient eine Blitzlampe.

Die für die Laufzeitmessung und Aufkonversion des reflektierten Signals erforderlichen Laserstrahlungen sind in F i g. 4a als Zeitdiagramm dargestellt

j5 Es ist unbedingt erforderlich, daß die Frequenz a>2 von ωι verschieden ist weil andernfalls die Signalkonversion <»3 = aji+ü)2 von der Frequenzverdopplung der Pumpstrahlung überdeckt würde.
Anstatt nun zur Erzeugung des a>2 Lichtpulses einen

4ü zweiten Laser bereitzustellen, wird diese Aufgabe von dem vorhandenen Laser zusätzlich wahrgenommen. Hierzu sind folgende apparative Ergänzungen erforderlich, wie in F i g. 5 dargestellt
Es bedeuten

5 schaltbares polarisationsdrehendes Element

5' Steuergerät für 5

6 Glan-Polarisator

7 Frequenzverdoppler

8 100% Spiegel
9 Photodetektor

Zur Konkretisierung wird angenommen, daß das schaltbare, polarisationsdrehende Element (5) eine Pockehzelle ist. Die zusätzlich in F i g. (5) dargestellten Bauelemente erfüllen folgende Funktionen:

a) An der Pockdszelle (5) liegt zunächst die Halbwellenspannung V, die durch das Steuergerät (5') erzeugt wird, so daß die Polarisationsebene von Licht bei einmaligem Durchgang um 90° gedreht wird.

b) Da der Polarisator (6) relativ zu Polarisator (4) um 90° gedreht angeordnet ist, kann Licht, das durch (4) polarisiert und in (5) in seiner Polarisationsrichtung um 90° gedreht wurde, auch (6) passieren. Solange also Kan (5) anliegt, sind die Zusatzelemente (5) und (6) funktionslos, so daß die Erzeugung des Sendepulses ωι, wie oben beschrieben, nicht behindert wird.

c) Wird jedoch, und zwar nach der Erzeugung des Pulses ωι, die Halbwellenspannung Van (5) abgeschal-

tet, kann das von (4) polarisierte Licht (6) nicht mehr passieren. Der Glan-Polarisator wirkt jetzt als Spiegel, der das in (2a) erzeugte Laserlicht in Richtung auf den 100% Spiegel (8) umlenkt. Dadurch entsteht ein neuer, durch die Spiegel (ia)unü (8) definierter Resonator. Da keine Auskopplung vorgesehen ist (2x100% Reflexion), baut sich in diesem neuen Resonator eine hohe Intensität der Frequenz ωι auf.

Zu diesem Zweck muß natürlich die Blitzlampe (2b) noch aktiv sein.

d) Durch Einbringen eines frequenzverdoppelnden Mediums (7). wie z. B. die nichtlinear-optischen Kristalle KDP oder LiNbOj. kann im Resonator die I. Oberwelle 2 ο), mit hoher Umwandlungsrate (sogenannte intracavity-Verdopplung) erzeugt werden. Da die Phasenanpassung durch Ausgleich der Dispersion durch die Doppelbrechung erzielt wird, ist die Polarisation der Oberwelle 2 OJ₁ relativ zur Grundwelle ω, stets um 90^c gedreht. Der Polarisator (6) ist somit für die in (7) erzeugte Strahlung durchlässig. Dadurch wird ohne weitere Maßnahmen die Oberwelle aus dem Resonator ausgekoppelt, wie in Fig. 5 angedeutet ist. Diese Anordnung hat den zusätzlichen Vorteil, daß die 2 Μι-Strahlung nicht in das aktive Lasermaterial gelangt, wo sie u. U. absorbiert werden könnte.

e) Die Oberwelle 2 oj| kann nun, nach leicht realisierbarer Abfilterung von Restlicht der Frequenz Wi. als Pumpwelle für die Aufkonversion verwandt werden, d. h. es ist in dieser Anordnung

Für das aufkonvertierte Signal uilt dann

Für das Beispiel des Er : YA P Lasers ergibt sich aus λι = 1.66 μπι die Pumpwellenlänge Λ2 = 0.83 μπι und somit λι = 0.53 μηι. im Bereich bester Empfindlichkeit des die Strahlung insbesondere von Festkörperlasern im Normalbetrieb aufgrund von Relaxationsschwingungen sehr unregelmäßig (sogenanntes spiking). Diese Relaxationsschwingungen müssen — in bekannter Weise — -, durch negative Rückkopplung (W. Koechner, Solid-State Engineering, New York 1976, S. 95) unterdrückt werden, indem die Güte des Resonators bei zunehmender Laserleistung herabgesetzt wird Diese Aufgabe kann zusätzlich von der Zelle (5) wahrgenommen

to werden. Zu diesem Zweck wird das von dem Spiegel (Itfj durchgelesene Restlicht von einem Photodetektor (9) nachgewiesen, dessen elektrisches Signal, entsprechend verstärkt, der Zelle 5 zugeführt wird.
Sie wird dadurch teilweise reaktiviert und koppelt

ι -, einen von der Intensität abhängigen Teil der Laserstrahlung über Polarisator (6) aus. Da der Spiegel (\b)nur ca. 50% reflektiert, entsteht auf diese Weise ein intensitätsabhängiger Resonatorverlust, wodurch die geforderte negative Rückkopplung bewirkt wird. Dieses Verfahren

:u ist bekannt, jedoch ist hier von Bedeutung, daß die Anordnung F i g. 5 diese auch bei einem separaten Pumplaser notwendige Zusatzfunktion mit übernehmen kann. Als echter Aufwand, der dem eingesparten separaten Laser gegenübergestellt werden muß, sind

r, also nur die verlängerte Brenndauer der Blitzlampe (2b). der Frrquenzvcrdoppler (7) und der Resonatorspiegel (8) anzusehen.

Die Erfindung, wie bisher beschrieben, ist mit gängigen optischen und elektrooptischen Bauelementen

so realisierbar. Eine zusätzliche Vereinfachung, nämlich die Einsparung des Verdopplet (7). ist möglich, wenn im aktiven Lasermaterial (2a) ein zweiter Übergang ωι zu stimulierter Emission gebracht werden kann, die als Pumpstrahlung geeignet ist. Dies ist z. B. beim

i-, Er:YAP-Laser der Fall, wobei A₂ =0,85 μπι (IEEE Journal of Quantum Electronics QE-9 [1973], S. 1079 bis 1086). Es müssen jedoch besondere Vorkehrungen getroffen werden, die bewirken, daß die beiden Laserfrequenzen entsprechend dem Zeitdiagramm

4(i F i g. 4a emittiert werden und die jeweils nicht benötigte Frequenz unterdrückt wird. Wie Fig.6 zeigt, ist mit

f) Die Dauer der Pumpstrahlung (O₂ kann durch entsprechende Ansteuerung der Pockelszelle (5) der gewünschten Entfernungstiefe angepaßt werden. Auch die Synchronisation von Sende- und Pumpstrahlung, die bei der Verwendung zweier separater Laser schwierig zu realisieren ist. kann mit der vorgeschlagenen Anordnung problemlos bewerkstelligt werden. Das gewünschte Zeitverhalten (Fig. 4a) wird erreicht, durch den in Fig. 4b uargestellten zeitlichen Verlauf der Steuerspannungen in den Pockelszellen (3) und (5).

g) Um eine gleichmäßige Konversionseffizienz ζυ gewährleisten, muß die Pumpstrahlung während T konstante Intensität haben. Ohne besondere Maßnahmen ist dies im allgemeinen nicht der Fall, vielmehr ist

beschriebene Anordnung hierfür ebenfalls geeignet. Der Verdoppler fällt weg. Der Spiegel (Ib) muß durch geeignete dielektrische Beschichtung die Eigenschaft erhalten, ωι wie bisher zu ca. 50% zu reflektieren, für ω₂ jedoch durchlässig zu sein. Alternativ kann ein Schmalbandfilter (10), das ω₂- absorbiert, vor (ib) angebracht werden. Dadurch wird verhindert, daß der Laser in der ersten Arbeitsphase auf ω? anschwingt. Entsprechend ist in den zweiten Resonator (la—8) ein Dämpfungsmittel (11) für ωι bringen. Die Auskopplung der Pumpstrahlung erfolgt über den jetzt fiir ω₂-teildurchlässigen Spiegel (8'). Alle sonstigen in Abschnitt 3 beschriebenen Merkmale und Funktionen bleiben erhalten.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

t, Anordnung zur Erzeugung von zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge mit einem durch ein polarjsationsabnängig strahlumlenkendes EIement verzweigten Laser und einem im ersten Resonatorzweig eingefügten Güteschalter dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der zeitlichen Aufeinanderfolge der Laserpulse sowie zur Steuerung der Länge des zweiten Pulses zwischen einem im gemeinsamen Teil des Resonators eingefügten Polarisator (4) und dem polarisationsabhängig strahlumlenkenden Element (6) ein schaltbares polarisationsdrehendes Element (5) mit angeschlossenen Steuermitteln (5') angeordnet ist, daß im zweiten Resonatorzweig zur Erzeugung einer zweiten Laserfrequenz ©2 ein Frequenzverdoppler (7) angeordnet und der diesen zweiten Resonatorzweig abschließende Resonatorspiege! (8) hochrefleklief end ausgebildet ist
2. Anordnung zur Erzeugung von zwei Laserpulsen unterschiedlicher Wellenlänge mit einem durch ein polarisationsabhängig strahlumlenkendes Element verzweigten Laser und einem im ersten Resonatorzweig eingefügten Güteschalter dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der zeitlichen Aufeinanderfolge der Laserpulse sowie zur Steuerung der Länge des zweiten Pulses zwischen einem

im gemeinsamen Teil des Resonators eingefügten jo Polarisator (4) und dem polarisationsabhängig strahlumlenkeaden Element (6) ein schaltbares polarisationsdrehendes Elemes· (5) mit angeschlossenen Steuermitteln (5') angeordnet ist, daß das Lasermalerial (2a) zur stimulierten Emission von zwei Laserfrequenzen ωΐ, ω? geeignet ist, daß der den zweiten Resonatorzweig abschließende Spiegel (8') für die Laserfrequenz Wy teilweise reflektierend ausgebildet ist und daß im ersten Resonatorzweig Dämpfungsmittel (10) für die Laserfrequenz ω? und im zweiten Resonatorzweig Dämpfungsmittel (11) für die Laserfrequenz ω\ vorgesehen sind.
3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das schaltbare polarisationsdrehende Element (5) oder der 4^r> Güteschalter (3) oder beide durch Pockelzellen realisiert sind.