DE2132281B2 - Anordnung zur Phasensynchronisation mehrerer Laseroszillatoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung 45 jedoch keine phasenkohärente Überlagerung der Teilzur Phasensynchronisation der kohärenten Strahlung wellen.

aus mehreren stimulierbaren Medien, vorzugsweise In der USA.-Patentschrift 3 414840 ist eine Syü-

unabhängig angeregter optischer Sender (Laser), de- chronisationsvorrichtung für Leistungslaser beschricren optische Resonatoren jeweils einen individuellen ben, wobei mehrere Laserresonatoren mittels teil-Resonatorreflektor aufweisen, während der zweite 50 durchlässiger unter 45° zur Lichtausbreitungsrich-Resonatorreflektor allen optischen Sendern gemein- tung aufgestellter Spiegel gekoppelt sind. Auch hiersam ist, wobei zwischen den stimulierbaren Medien bei ist eine phasenkohärente Überlagerung der Teil- und dem genv^nsamen zweiten Resonatorreflektor wellen nicht möglich.

ein flachenhaft wirksames optisches Bauteil angeord- Aus der französischen Patentschrift 1 441 585 ist

net ist. 55 ebenfalls eine Anordnung zur Synchronisation von

Bei Lasern beruht die Verstärkung der elektro- Riesenimpulslasern bekannt, bei denen mehrere opmagnetischen Leistung auf der Ausnutzung von Ab- tische Resonatoren mittels teildurchlässiger Spiegel sorptions- und Emissionsvorgängen in der Materie. gekoppelt sind. Auch hier ist die Summationswelle Da die innere Energie von Atomen und Molekülen keineswegs in Amplitude und Phase definiert,
im allgemeinen nur in bestimmten Energietermen 60 Nach der Erfindung wird eine einzige phasensynvorhanden ist, erfolgt die Abgabe oder Aufnahme chrone Summationswelle dadurch erzeugt, daß das der inneren Energie in der Regel in diskreten Energie- flachenhaft wirksame optische Bauteil als einzige betragen, die durch den gegenseitigen Abstand der optische Störfläche die Teilwellen phasenkohärent betreuenden Energieterme, die an der Energieauf- überlagert.

nähme oder -abgabe beteiligt sind, bestimmt sind. 65 Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis Dabei ist der Abstand zweier Energieterme E_m und zugrunde, daß bei der Vereinigung der Strahlen der E_n durch die Beziehung E_m—E_n = A- ν gegeben. verschiedenen Teilresonatoren durch die optische Hierin bedeuten h die Plancksche Konstante und ν Störfläche, die die Eigenschaft hat, bei phasenkohä-

renter Überlagerung von Teilwellen eine einzige in Amplitude und Phase einfach definierte Summationswelle zu erzeugen, alle Teilstrahlen kohärent sein müssen. Das heißt, daß in einem solchen System jeder Einzeloszillator die geringste Schwelle dann hat, wenn er phasenkohärent mit allen anderen Oszillatoren anschwingt, wodurch sich aus dem Rauschen heraus eine kohärente Schwingung aller Teilsysteme zwangläufig ausbildet

Die optische Störfläche ist dabei zweckmäßigerweise ein Gitter, das als Hologramm ausgebildet ist, wobei dieses Hologramm wegen des hohen Wirkungsgrades vorzugsweise ein Volumen-Phasen-Hologramm ist

Vorteilhafterweise weist das Hologramm eine Interferenzstruktur auf, die durch Überlagerung einer Kugelwelle mit einer Serie von Kugelwellen entsteht, deren Ursprungsort die Strahltaille der verschiedenen Einzelresonatoren ist. Ein solcnes Hologramm rekonstruiert bei der Beleuchtung mit einer Vielzahl ao identischer, in sich kohärenter Teilwellen eine ebene Welle, die von dem gemeinsamen Reflektor in das System zuriickreflektiert wird. Bei Inkohärenz der Teilwellen entsteht dagegen ein kompliziertes räumliches Beugungsmuster mit zeitlichen Schwankungen, as von dem nur ein geringer Bruchteil von dem gemeinsamen Reflektor zuriickreflektiert wird.

An Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden.

Die schematisch dargestellte Anordnung nach der Figur zeigt zwei verschiedene Laseroszillatoren I und 2, beispielsweise zwei Halbleiterlaser, denen jeweils ein individueller erster Reflektor 3 und 4 zugeordnet ist Mit 5 ist die optische Störfläche, beispielsweise ein Volumen-Phasen-Hologramm, bezeichnet, und mit 6 der allen Laseroszillatoren gemeinsame zweite Reflektor.

Die optische Störfläche 5 läßt sich in Art eines Hologramms für beliebige Anzahl und Anordnungen von Laseroszillatoren 1, 2... leicht realisieren. Bei Verwendung eines Volumen-Phasen-Hologramms als optische Störfläche 5 kann dabei ein Wirkungsgrad nahe 100% erreicht werden, so daß die verschiedensten Arten von Laseroszillatoren in ihrer Phase synchronisiert werden können.

Besonders gut eignet sich die erflndungsgemäße Anordnung zum axialen optischen Anregen eines Kristallasers mit einer großen Zahl von Halbleiterlasern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 die durch die Differenz der Energieterme bestimmte Patentansprüche: Frequenz. Nach dieser Beziehung wird bei Absorp tion dem Teilchen im Energieterm En die Energie

1. Anordnung, zur Phasensynchronisation der h · ν zugeführt, das dabei in den höheren Energiekohärenten Strahlung aus mehreren stimulierba- 5 term E_m übergeht Bei Emission sendet das Teilren Medien, vorzugsweise unabhängig angeregter chen, das sich im Energieterm E_n, befindet die Strahoptischer Sender (Laser), deren optische Resona- lungsenergie h · ν aus und kehrt damit in den niedritoren jeweils einen individuellen Resonatorreflek- geren Energieterm E_n zurück.

tor aufweisen, während der zweite Resonator- Sind die Phasen und Richtungen der ausgesandten reflektor allen optischen Senden? gemeinsam ist, io Strahlungenergie verschieden, so wird von der sogewobei zwischen den stimulierbaren Medien und nannten »spontanen Emission« gesprochen. Sie ist dem gemeinsamen zweiten Resonatorreflektor ein inkohärent und für eine Verstärkung nicht geeignet flachenhaft wirksames optisches Bauteil angeord- Sie ist die Ursache des Rauschens. Der Verstärkungsnet ist, dadurch gekennzeichet, daß mechanismus dagegen beruht auf der sogenannten das flachenhaft wirksame optische Bauteil als 15 »induzierten Emission«. Sie wird durch folgenden einzige optische Störfläche (S) durch phasen- Vorgang beschrieben: Trifft ein Strahlungsquant h · ν kohärente Überlagerung von Teilwellen eine ein- auf ein angeregtes Teilchen im Energieterm E_m, so zige phasensynchrone Summationswelle erzeugt. kann dieses unter Ausseiidung eines Strahlungsquants

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- h-v in den niedrigeren EnergietermE_n übergehen, kennzeichnet, daß die optische Störfläche (S) ein 20 In diesem Fall haben aber diese beiden Quanten im (nicht notwendig periodisches) Gitter ist Gegensatz zur spontanen Emission gleiche Phase

3. Anordnung nach Anspruch 1 bis 2, da- und gleiche Richtung. Die elektromagnetische Strahdurch gekennzeichnet, daß die optische Stör- lung ist kohärent und wegen der Quantenverdoppfläche (5) als Hologramm ausgebildet ist. lung verstärkt

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch ge- »5 Im optischen Bereich stehen einfache Energiekennzeichnet, daß das Hologramm ein Volumen- quellen, deren Strahlung gleiche Frequenz und Phasen-Hologramm ist. gleiche Phase haben, mit ausreichender Leistung

5. Anordnung nach Ansprüchen 3 und 4, da- nicht zur Verfügung. Die durch die Lichtenergie andurch gekennzeichnet daß das Hologramm eine geregten Quantenübergänge erfolgen deshalb auch Interferenzstruktur aufweist, die durch Übertage- 3° nicht gleichphasig. Eine Möglichkeit die Anregungsrung einer näherungsweisen Kugelwelle mit einer leistung für beispielsweise ausgedehnte stimulierbare Serie von Kugelwellen entsteht, deren Ursprungs- Kristallmedien zu erhöhen, besteht darin, eine Vielort die Strahltaille der verschiedenen Einzelreso- zahl gleichphasiger Anregungsenergiequellen gleicher natoren ist. Frequenz zu verwenden, wie sie beispielsweise Laser-

6. Verwendung einer Anordnung nach einem 35 dioden darstellen. Dazu ist jedoch erforderlich, daß oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 zum opti- diese Laserdioden phasenmäßig synchronisiert werschen Anregen von Festkörperlasern. den.

In der USA.-Patentschrift 3 577 093 ist eine Anordnung zur optischen Kopplung mehrerer Laser-40 oszillatoren mittels eines Pentaprismas beschrieben,

um derart einen Laserstrahl größerer Apertur und

hoher Leistung zu erhalten. Mit dieser Anordnung kt es zwar möglich, eine räumliche Vereinigung der Strahlen verschiedener Laseroszillatoren zu erzielen,