DE69719697T2

DE69719697T2 - Lichtverstärkervorrichtung mit zwei einfallenden Bündeln

Info

Publication number: DE69719697T2
Application number: DE69719697T
Authority: DE
Inventors: Gilles Brassart; Thierry Fayette; Eric Mottay; Jean-Pierre Treton
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1996-12-04
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2017-12-03
Also published as: FR2756672A1; EP0847115B1; EP0847115A1; DE69719697D1; US6061377A; FR2756672B1

Description

Die Erfindung betrifft Verstärkervorrichtungen insbesondere für Leistungslaser.
Derzeitige Verstärkervorrichtungen enthalten im allgemeinen ein Verstärkungsmilieu, ein optisches Pumpsystem und eine Kühlvorrichtung.
Das Pumpsystem wird durch Leistungs-Laserdioden gewährleistet, deren Wirksamkeit höher als das optische Pumpen mit Blitzlampen ist. Die Laserdioden, die in Form von einheitlichen Emissionsleisten vorliegen, haben heute eine hohe Leuchtkraft. Mit Dioden, die Impulse emittieren, ergibt die Stapelung von Leisten Verstärkungsstrukturen mit einer hohen Integrationsrate.
Um eine hohe Lichtenergie je Volumeneinheit in den Verstärkungsmilieus zu speichern und die durch die Wärmebelastung induzierten Effekte zu verringern, bevorzugt man statt üblicher zylindrischer Stäbe parallelepipedische Platten, deren Abmessungen von den gewünschten Beleuchtungseigenschaften abhängen.
Nach dem Stand der Technik verwenden Lichtverstärkervorrichtungen mit einer Platte aus Verstärkungsmilieu Pumpmittel für das Verstärkungsmilieu, wobei die Platte aus Verstärkungsmilieu zwei zueinander parallele Seitenflächen besitzt. Fig. 1 zeigt eine Konfiguration nach dem Stand der Technik mit einem Lichtstrahl 2, einem Verstärkungsmilieu 1, optischen Pumpmitteln 3 und Kühlmitteln 4. Die Seiten 01 und 02 sind parallel geschnitten und so poliert, daß der Eingang und der Ausgang für den Lichtstrahl in die Platte unter dem Brewster-Einfallswinkel erfolgen. Der Wert des Tangens des Einfallswinkels i ist gleich dem Brechungsindex n des Milieus bei der Wellenlänge des Lichts. Der Einfallswinkel i des Lichts ist mit dem Brechungswinkel r durch folgende Beziehung verknüpft: i + r = π/2.
Die Länge L der Platte wird abhängig von der Dicke e und der geraden Anzahl 2 N von Brechungen definiert, denen der Strahl bei totaler Reflexion innerhalb der Milieus unterworfen ist: L = 2N·e·cotg(i-r)
Die Pumpmittel 3, im allgemeinen Dioden, liegen üblicherweise vor einer der Hauptseitenflächen der Platte, während die Kühlvorrichtung 4 vor der anderen Hauptseitenfläche liegt.
In einer solchen Konfiguration wird aufgrund der parallelen Seiten 01 und 02 das Bild eines Gegenstands durch die Platte in derselben Richtung wie der Gegenstand gesehen. Für zahlreiche Anwendungen ist dies ein Nachteil, weshalb die Erfindung vorschlägt, dieses Problem zu lösen, indem eine Verstärkervorrichtung hoher Leistungen vorgeschlagen wird, die eine Inversion des Bilds liefert.
Aus der Druckschrift Patent Abstracts of Japan, vol. 10, nº197 (E-418)[2253] ist eine Lichtverstärkervorrichtung bekannt, die aufweist:
- eine Platte aus Verstärkungsmilieu, bestehend aus einem oberen Bereich mit zwei Seitenflächen und einem unteren Bereich mit ebenfalls zwei Seitenflächen, wobei zwei der Seitenflächen auf einer ersten Seite des Verstärkungsmilieus liegen und die beiden anderen an einer zweiten Seite des Verstärkungsmilieus entgegengesetzt zur ersten Seite liegen,
- mindestens einen ersten und einen zweiten Lichtstrahl, die vom Verstärkungsmilieu verstärkt werden (der erste Lichtstrahl wird in das Verstärkungsmilieu in Höhe einer ersten Seite und der zweite Lichtstrahl wird in Höhe einer zweiten Seite eingespeist),
- und optische Pumpmittel für das Verstärkungsmilieu (siehe Zusammenfassung und die Fig. 1 bis 3),
- wobei die beiden Seitenflächen des oberen Bereichs der Platte des Verstärkungsmilieus zueinander antiparallel sind,
- und wobei die beiden Seitenflächen des unteren Bereichs der Platte aus Verstärkungsmilieu zueinander ebenfalls antiparallel sind.
Die Erfindung schlägt eine Verstärkervorrichtung mit zwei Strahlen vor, die je über eine Seite des Verstärkungsmilieus in dieses eindringen und in Höhe einer zweiten Seite austreten, die zur ersten antiparallel ist.
Genauer betrachtet ist Gegenstand der Erfindung eine Lichtverstärkervorrichtung mit einer Platte aus Verstärkungsmilieu bestehend aus einem oberen Bereich mit zwei Seitenflächen und einem unteren Bereich mit zwei Seitenflächen, wobei zwei der Seitenflächen an einer ersten Seite des Verstärkungsmilieus und die beiden anderen Seitenflächen an der zweiten Seite des Verstärkungsmilieus entgegengesetzt zur ersten Seite liegen, mit mindestens einem ersten und einem zweiten Lichtstrahl, die im Verstärkungsmilieu verstärkt werden, und mit optischen Pumpmitteln für das Verstärkungsmilieu, wobei die beiden Seitenflächen des oberen Bereichs der Platte aus Verstärkungsmilieu zueinander antiparallel sind und auch die beiden Seitenflächen des unteren Bereichs der Platte aus Verstärkungsmilieu zueinander antiparallel sind, dadurch gekennzeichnet, daß
- der erste Lichtstrahl in das Verstärkungsmilieu durch eine erste Seitenfläche eintritt und aus dem Verstärkungsmilieu durch eine zweite Seitenfläche austritt, die zur ersten Seitenfläche antiparallel ist,
- der zweite Lichtstrahl in das Verstärkungsmilieu durch eine dritte Seitenfläche eintritt und aus dem Verstärkungsmilieu durch eine vierte Seitenfläche austritt, die zur dritten Seitenfläche antiparallel ist,
- die erste und die vierte Seitenfläche an der ersten Seite des Verstärkungsmilieus liegen,
- und die zweite und die dritte Seitenfläche an der zweiten Seite des Verstärkungsmilieus liegen.
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung verlaufen die Seitenflächen 11 und 13 parallel zueinander und auch die Seitenflächen 12 und 14 verlaufen parallel zueinander.
Vorzugsweise können die Seitenflächen 11, 12, 13, 14 gemäß dem Brewsterwinkel geschnitten sein, wobei die Lichtstrahlen 2 und 2' im Verstärkungsmilieu an den Hauptseiten 15 und 16 des Verstärkungsmilieus total reflektiert werden.
Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung verlaufen die Seitenflächen 11 und 13 antiparallel zueinander und auch die Seitenflächen 12 und 14 verlaufen antiparallel zueinander. Vorzugsweise können die Seitenflächen 11, 12, 13, 14 gemäß einem Einfallswinkel null bezüglich der Lichtstrahlen 2 und 2' geschnitten sein, wobei die Lichtstrahlen 2 und 2' an den Hauptseiten 15 und 16 des Verstärkungsmilieus optimal reflektiert werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Verstärkervorrichtung mit vier Lichtstrahl-Durchquerungen durch das Verstärkungsmilieu. Genauer betrachtet ist diese Verstärkervorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel, die ausgehend von einem ersten einfallenden Lichtstrahl vier Lichtstrahlen erzeugt, die durch das Verstärkungsmilieu verlaufen, Mittel zur Veränderung der Polarisation des ersten Lichtstrahls und Mittel zur Auswahl und Extraktion einer der Polarisationen der in der Verstärkervorrichtung erzeugten Lichtstrahlen aufweist.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt wäre.
Fig. 1 zeigt eine Verstärkervorrichtung nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Verstärkervorrichtung nach der Erfindung, bei dem die Seitenflächen 11 und 13 zueinander parallel sind und auch die Seitenflächen 12 und 14 zueinander parallel sind.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Verstärkervorrichtung nach der Erfindung, bei dem die Seitenflächen 11 und 13 zueinander antiparallel sind und auch die Seitenflächen 12 und 14 zueinander antiparallel sind.
Fig. 4a zeigt von vorne ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstärkervorrichtung mit Pumpmitteln gegenüber den Seiten 17 und 18 und Kühlmitteln gegenüber den Seiten 15 und 16.
Fig. 4b zeigt von oben dieses dritte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstärkervorrichtung von oben mit den Pumpmitteln gegenüber den Seiten 17 und 18 und Kühlmitteln gegenüber den Seiten 15 und 16.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel für einen Laser-Hohlraum, in den eine Verstärkervorrichtung gemäß der Erfindung integriert ist.
Ganz allgemein enthält die erfindungsgemäße Verstärkrvorrichtung eine Platte aus einem Verstärkungsmilieu, Pumpmittel und Kühlmittel, wobei zwei zu verstärkende Lichtstrahlen in das Verstärkungsmilieu über zwei einander gegenüberliegende Seiten des Verstärkungsmilieus eintreten. Die Länge L der Platte aus Verstärkungsmilieu ist abhängig von ihrer Dicke e und von der ungeraden Anzahl (2N+1) von Reflexionen der beiden Lichtstrahlen innerhalb des Verstärkungsmilieus wie folgt definiert:
L = (2N + 1)·e·cotg(i-r)
Das Bild eines Gegenstands durch die Platte wird somit bezüglich des Gegenstands invertiert.
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung, die in Fig. 2 gezeigt ist, enthält die Platte aus Verstärkungsmilieu in ihrem oberen Bereich zwei Seitenflächen 11 und 12, die antiparallel gemäß dem Brewster-Winkel geschnitten sind, und im unteren Bereich zwei Seitenflächen 13 und 14, die ebenfalls antiparallel gemäß dem Brewster-Winkel geschnitten sind. Nach dieser ersten Variante der Erfindung liegen die Seitenflächen 11 und 13 in einer gemeinsamen Ebene, ebenso wie die Seitenflächen 12 und 14 in einer gemeinsamen Ebene liegen. Ein erster Lichtstrahl 2 tritt in das Verstärkungsmilieu über die Seitenfläche 13 ein und ein zweiter Lichtstrahl tritt in das Verstärkungsmilieu über die Seitenfläche 14 ein. Pumpmittel 3 von Laserdioden-Typ liegen einer Hauptseite 15 des Verstärkungsmilieus gegenüber und Kühlmittel 4 liegen einer zweiten Hauptseite 16 des Verstärkungsmilieus entgegengesetzt zur Hauptseite 15 gegenüber.
Gemäß einer zweiten in Fig. 3 gezeigten Variante sind die Seitenflächen 11 und 13 zueinander antiparallel und auch die Seitenflächen 12 und 14 sind zueinander antiparallel. Ein erster Lichtstrahl 2 tritt in das Verstärkungsmilieu über die Seitenfläche 11 unter einem Einfallswinkel null ein und ein zweiter Lichtstrahl 2' tritt in das Verstärkungsmilieu über die Seitenfläche 14 ebenfalls unter einem Einfallswinkel null ein. Um eine optimale Reflexion der Lichtstrahlen 2 und 2' an den Hauptseitenflächen 15 und 16 zu gewährleisten, sind die Hauptseitenflächen 15 und 16 innerhalb des Verstärkungsmilieus dielektrisch behandelt, um diese optimale Reflexion zu begünstigen.
Es sei bemerkt, daß die Strahlen 2 und 2' auch unter einem beliebigen anderen Einfallswinkel zwischen dem Einfallswinkel null und dem Brewster-Einfallswinkel eintreten können.
Gemäß einem dritten Beispiel der Verstärkervorrichtung können die Kühlmitteln, die in den Fig. 4a und 4b gezeigt sind (Kühlmittel 41 und 42), verdoppelt sein und zu beiden Seiten der Platte aus Verstärkungsmilieu gegenüber den Hauptseitenflächen 15 und 16 liegen. Die Pumpmittel können ebenfalls verdoppelt sein (Pumpmittel 31 und 32) und zu beiden Seiten der Platte aus Verstärkungsmilieu gegenüber den Hauptseitenflächen 17 und 18 liegen, wie Fig. 4b zeigt.
Eine solche Konfiguration erlaubt eine besonders wirksame Kühlung, die mit einer intensiven optischen Pumpoperation gekoppelt ist, welche leistungsfähige Kühlmittel erfordert.
Beispielsweise liegt je nach der Anzahl von in der erfindungsgemäßen Verstärkervorrichtung gestapelten Dioden der Verstärkungskoeffizient eines Impulses einer Dauer von einigen zehn Nanosekunden zwischen 50 und 100, wenn das Verstärkungsmilieu beispielsweise aus mit Neodym dotiertem Phosphatglas besteht.
Es sei bemerkt, daß jede beliebige Art von Verstärkermilieus in der erfindungsgemäßen Verstärkervorrichtung verwendet werden kann. Die Platten aus Verstärkungsmilieu können typisch eine Länge von etwa 10 cm für eine Dicke von etwa einigen 10 um aufweisen, wobei die Breite der verschiedenen Lichtstrahlen zwischen 2 und 3 um liegt.
Die erfindungsgemäße Verstärkervorrichtung kann vorzugsweise in Resonatoren verwendet werden, die für die Erzeugung von leistungsstarken Impulsen bestimmt sind. Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Resonators, der eine erfindungsgemäße Konfiguration der Verstärkervorrichtung verwendet. Der Resonator wird durch die beiden Spiegel 21 und 22 definiert. Der Spiegel 21 bewirkt maximale Reflexion für die Lichtstrahlen 2 und 2º. Der Spiegel 22 besitzt eine variable Reflexionskraft für die Strahlen. Die beiden Spiegel besitzen Krümmungsradien, deren Wert von der Länge des Hohlraums und dem thermischen Verhalten des Verstärkungsmilieus abhängt, das in der Verstärkervorrichtung liegt. Der Resonator wird durch einen optischen Schalter vom Typ einer Pockelszelle ausgelöst, die einen Polarisator 23, ein λ/4-Plättchen 24 und eine Pockelszelle 25 mit longitudinalem Feld enthält. Ein optisches Winkelprisma 26 faltet den Resonanzhohlraum und erzeugt den Lichtstrahl 2' in Höhe der Platte aus Verstärkungsmilieu. Ein Prisma 27 bildet den optischen Ausgang des Hohlraums.
Verwendet man beispielsweise eine Platte aus Verstärkungsmilieu vom Typ Nd:YAG und eine geeignete Anzahl von Dioden für das optische Pumpen, dann ist der sich aus dem oben beschriebenen Hohlraum ergebende Resonator in der Lage, eine Energie der Lichtimpulse zu liefern, die zwischen einigen mJ und einigen 100 mJ mit einer Impulsdauer zwischen einige ns und einigen 10 ns variiert.

Claims

1. Lichtverstärkervorrichtung mit einer Platte aus Verstärkungsmilieu (1) bestehend aus einem oberen Bereich mit zwei Seitenflächen (11, 12) und einem unteren Bereich mit zwei Seitenflächen (13, 14), wobei zwei der Seitenflächen (11, 13) an einer ersten Seite des Verstärkungsmilieus und die beiden anderen Seitenflächen (12, 14) an der zweiten Seite des Verstärkungsmilieus entgegengesetzt zur ersten Seite liegen, mit mindestens einem ersten und einem zweiten Lichtstrahl (2, 2'), die im Verstärkungsmilieu verstärkt werden, und mit optischen Pumpmitteln (3) für das Verstärkungsmilieu, wobei die beiden Seitenflächen des oberen Bereichs der Platte aus Verstärkungsmilieu zueinander antiparallel sind und auch die beiden Seitenflächen des unteren Bereichs der Platte aus Verstärkungsmilieu zueinander antiparallel sind, dadurch gekennzeichnet, daß

- der erste Lichtstrahl (2) in das Verstärkungsmilieu durch eine erste Seitenfläche (13, 11) eintritt und aus dem Verstärkungsmilieu durch eine zweite Seitenfläche (12) austritt, die zur ersten Seitenfläche antiparallel ist,

- der zweite Lichtstrahl (2') in das Verstärkungsmilieu durch eine dritte Seitenfläche (14) eintritt und aus dem Verstärkungsmilieu durch eine vierte Seitenfläche (11, 13) austritt, die zur dritten Seitenfläche antiparallel ist,

- die erste und die vierte Seitenfläche an der ersten Seite des Verstärkungsmilieus liegen,

- und die zweite und die dritte Seitenfläche an der zweiten Seite des Verstärkungsmilieus liegen.

2. Lichtverstärkervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Seitenfläche und die vierte Seitenfläche zueinander parallel verlaufen und auch die zweite und die dritte Seitenfläche zueinander parallel verlaufen.

3. Lichtverstärkervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Seitenfläche und die dritte Seitenfläche zueinander parallel verlaufen und auch die zweite und die vierte Seitenfläche zueinander parallel verlaufen.

4. Lichtverstärkervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (11, 12, 13 und 14) gemäß dem Brewster-Winkel geschnitten sind, wobei der erste und der zweite Lichtstrahl im Verstärkungsmilieu an den beiden Hauptseitenflächen (15, 16) vollkommen reflektiert werden.

5. Lichtverstärkervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (11, 12, 13 und 14) gemäß dem Einfallswinkel null bezüglich des ersten und zweiten Lichtstrahls (2, 2') geschnitten sind, wobei diese beiden Strahlen an den beiden Hauptseitenflächen (15, 16) optimal reflektiert werden.

6. Lichtverstärkervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Pumpmittel (3), die vor einer ersten Hauptseitenfläche (15, 16) der Platte aus Verstärkungsmilieu liegen, und Kühlmittel (4) aufweist, die vor der der ersten Hauptseitenfläche gegenüberliegenden anderen Hauptseitenfläche (16, 15) liegen.

7. Lichtverstärkervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Pumpmittel (31, 32), die vor mindestens einer ersten Hauptseitenfläche (17, 18) liegen, und Kühlmittel (41, 42) aufweist, die vor mindestens einer anderen Hauptseitenfläche (15, 16) liegen.

8. Optischer Resonator mit Reflexionsspiegeln (21, 22, 26) und einer Verstärkervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Optischer Resonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Pockelszelle (25) mit longitudinalem Feld, ein λ/4-Plättchen (24) und einen Polarisator (23) besitzt, um den optischen Resonator impulsmäßig zu betreiben.