DE19711774A1 - Beam recombination device for phase-conjugated double-pass amplifier - Google Patents

Beam recombination device for phase-conjugated double-pass amplifier

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Abstract

The device recombines timewise displaced beams of several phase-conjugated double-pass amplifiers, whereby a beam of a laser oscillator pulsed with a predetermined frequency f is spatially separated in several beams of the frequency f\/N, where N is the number of the amplifiers. The separated beams are amplified independently of each other in phase-conjugated double-pass amplifiers, and are recombined conditionally through the phase conjugation, automatically to a resulting beam.

Description

Es wird eine Vorrichtung zur zeitlich versetzen Zusammenführung der in mehreren parallel betriebenen Doppel-Paß Verstärkern verstärkten Strahlen vorgeschlagen. Die Vorrichtung ermöglicht es, den Strahl eines gepulsten Laser-Oszillators der Repeti­ tionsrate f in N (N: ganze Zahl) Strahlen mit einer Repetitionsrate f/N aufzuspalten und diese dann jeweils unabhängig voneinander in einem Verstärker zu verstärken. Die Strahlzusammenführung der getrennt verstärkten Strahlen wird durch den Einsatz von phasenkonjugierenden Spiegeln in den einzelnen Verstärkern bewerkstelligt.It will be a device for staggering the merging of several parallel-pass double-pass amplifiers amplified beams are proposed. The Device allows the beam of a repeti pulsed laser oscillator tion rate f in N (N: integer) splitting beams with a repetition rate f / N and then amplify them independently in an amplifier. The beam merging of the separately amplified beams is through the use accomplished by phase conjugate mirrors in the individual amplifiers.

Dies geschieht mit Hilfe einer Vorrichtung bestehend aus N parallel ausgerichteten, kreisförmigen Platten, die jeweils auf einem Winkelsegment von 360°/N hochreflek­ tierend für die Laserwellenlänge beschichtet ist, ansonsten jedoch für die Laserwel­ lenlänge Antireflex (im folgenden AR) beschichtet sind (im folgenden als Segment­ spiegel bezeichnet). Die Segmentspiegel werden so aufgereiht, daß die reflektieren­ den Winkelsegmente zweier benachbarter Platten um einem Winkel von 360°/N gegeneinander verdreht sind, so daß sich die hochreflektierenden Segmente der Platten nicht überlappen. Die starr miteinander verbundenen Segmentspiegel rotieren mit einer Frequenz f um eine Drehachse, die kollinear zur Oberflächennormale orien­ tiert ist. Bin unter einem Winkel zur Rotationsachse einfallender Laserstrahl erleidet nach der Reflexion an den hochreflektierenden Segmenten der Platten einen Strahl­ versatz, der von der Plattenebene abhängt. Dabei transmittiert der Strahl vor dem Erreichen eines hochreflektiereden Segmentes die AR-beschichteten Bereiche anderer Segmentspiegel, die den Laserstrahl jedoch nicht beeinflussen. Durch eine geeignete Synchronisation des Lasers mit der Plattenanordnung kann erreicht werden, das die Laserpulse nacheinander an den Segmenten der einzelnen Platten reflektiert werden und somit räumlich getrennt werden. Der Ablenkwinkel hängt dabei nicht von dem Drehwinkel der Platten ab, da die Oberflächennormale kollinear zur Drehachse liegt.This is done using a device consisting of N parallel, circular plates, each highly reflective on an angular segment of 360 ° / N is coated for the laser wavelength, but otherwise for the laser world lenlength Antireflection (in the following AR) are coated (in the following as a segment called mirror). The segment mirrors are lined up so that they reflect the angular segments of two neighboring plates at an angle of 360 ° / N are twisted against each other, so that the highly reflective segments of the Do not overlap panels. The rigidly connected segment mirrors rotate with a frequency f around an axis of rotation that is collinear to the surface normal is. I suffered a laser beam incident at an angle to the axis of rotation a beam after reflection from the highly reflective segments of the plates offset that depends on the plate level. The beam transmits in front of the Reaching a highly reflective segment, the AR-coated areas of others Segment mirrors that do not affect the laser beam. By a suitable one Synchronization of the laser with the plate arrangement can be achieved that the Laser pulses are successively reflected on the segments of the individual plates and thus be spatially separated. The deflection angle does not depend on that Angle of rotation of the plates, since the surface normal is collinear to the axis of rotation.

Die so erzeugten Laserstrahlen werden jeweils in einem phasenkonjugierten Doppel-Paß Verstärker verstärkt und nach der Verstärkung, bedingt durch die Eigenschaften der Phasenkonjugation, automatisch in der Segmentspiegelanordnung wieder zu­ sammengeführt.The laser beams generated in this way are each in a phase-conjugated double pass Amplifier amplified and after amplification, due to the properties  the phase conjugation, automatically in the segment mirror arrangement again brought together.

Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist erläutert.An embodiment of the device is explained.

Mit Hilfe von Phasenkonjugation lassen sich Phasenstörungen in Laser-Verstärkern kompensieren. Dies wird typischerweise in sogenannten Oszillator-Verstärker Anord­ nungen ereicht. Dabei wird der Laserstrahl eines Oszillators hoher Strahlqualität durch einen Verstärker geschickt. Bedingt durch verschiedene Phasenstörungen (insbesondere die thermische Linse bei Festkörperlaser-Verstärkern) kommt es dabei zu einer signifikanten Verschlechterung der Strahlqualität. Reflektiert man den Strahl nach einem Durchgang durch den Verstärker jedoch an einem phasenkonjugierenden Element, so werden die Wellenfronten des einfallenden elektromagnetischen Feldes umgekehrt, so daß nach einem zweiten Durchgang durch den Verstärker die ursprün­ glichen Phasenflächen wiederhergestellt werden. Der durch zwei Verstärkerdurch­ gange verstärkte Strahl wird in der Regel mit Hilfe einer Polarisationsdrehung aus dem System ausgekoppelt.With the help of phase conjugation, phase disturbances in laser amplifiers can be eliminated compensate. This is typically arranged in so-called oscillator amplifiers achievements. The laser beam from an oscillator is of high beam quality sent through an amplifier. Due to various phase disorders (especially the thermal lens in solid-state laser amplifiers) to a significant deterioration in beam quality. If you reflect the beam after passing through the amplifier on a phase conjugate Element, so are the wavefronts of the incident electromagnetic field vice versa, so that after a second pass through the amplifier the original phase areas are restored. The through two amplifiers amplified beam is usually turned off with the help of a polarization rotation decoupled from the system.

Die Erfindung betrifft eine Zusammenführung der Strahlen aus mehreren zeitlich versetzt aktiven Doppel-Paß-Verstärken, die mit Hilfe eines gemeinsamen Oszillators angesteuert werden.The invention relates to a combination of the beams from a plurality of times offset active double-pass amplifiers using a common oscillator can be controlled.

Stand der TechnikState of the art

Mit phasenkonjugierten Doppel-Paß-Verstärkern bestehend aus zwei seriell angeord­ neten, blitzlampengepumpten Nd:YAG-Verstärkerstäben werden zur Zeit mittlere Leistungen von bis zu 200 Watt erzielt. Dabei wird das phasenkonjugierte Element auf der Grundlage stimulierter Brillouin-Streuung (SBS) realisiert.With phase-conjugated double-pass amplifiers consisting of two arranged in series nten, flashlamp-pumped Nd: YAG amplifier rods are becoming medium-sized Achievements of up to 200 watts achieved. The phase conjugate element realized on the basis of stimulated Brillouin scattering (SBS).

Durch die thermisch bedingte Bruchgrenze der Verstärkerstäbe von 10-15 kW mittlerer elektrischer Pumpleistung, sowie durch den begrenzten Wirkungsgrad im gütegeschalteten Grundmodebetrieb auf etwa 1%, beträgt die mit zwei Verstärker­ stäben maximal erreichbare Ausgangsleistung etwa 200-300 Watt. Ferner kann es bei hohen mittleren Leistungen zu thermischen Problemen im SBS-Medium und daraus resultierenden Alterungsprozessen kommen.Due to the thermally induced breaking limit of the reinforcing bars of 10-15 kW medium electrical pump power, as well as by the limited efficiency in Q-switched basic mode operation to about 1% is that with two amplifiers maximum achievable output power about 200-300 watts. Furthermore, it can high average performance on thermal problems in and from the SBS medium resulting aging processes come.

Das Problem der Erhöhung der Ausgangsleistung phasenkonjugierter Doppel-Paß-Ver­ stärker wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Haupt­ anspruches gelöst.The problem of increasing the output of phase conjugate double pass ver According to the invention, the characteristic features of the head make it stronger  claim solved.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung erläutert.In the following an embodiment of the device is explained.

In Abb. 1 ist die Anordnung zur Strahlaufspaltung bzw. Zusammenführung für den Fall dargestellt, daß der Oszillatorstrahl auf vier Verstärker aufgespalten wird. Die Anordnung besteht aus vier planparallelen Platten (3a-3d), die starr miteinander verbunden auf einer Drehachse (6) gelagert sind. Die Oberflächennormale aller vier Platten sind parallel zur Drehachse ausgerichtet. Die Platten (3a-3d) sind jeweils auf einem 90° Bogensegment (5) hochreflektierend für die Laserwellenlänge beschichtet, die restliche Fläche der Plattenoberfläche (4) ist Antireflex(AR)-beschichtet. Die Platten sind so montiert, daß die reflektierenden Segmente (5) jeweils um 90° gegeneinander verdreht sind, so daß sie sich, in Richtung der Rotationsachse betrach­ tet, nicht überlappen. Ein unter einem Winkel auf das Plattensystem auftreffender Laserstrahl (1) wird je nach Drehwinkel der Anordnung an den reflektierenden Segmenten der Platte 3a, 3b, 3c oder 3d reflektiert und somit in vier gegeneinander versetze Teilstrahlen (2a-2d) aufgespalten. Wenn der einfallende Laserstrahl (1) auf das reflektierende Segment der Platte 3a trifft erfolgt eine Umlenkung in Teilstrahl 2a, nach einer Drehung der gesamten Anordnung um 90° um die Drehachse (6) passiert der Strahl (1) ungehindert die AR-Beschichtung von Platte 3a und trifft auf das reflektierende Segment von Platte 3b, so daß er in Teilstrahl 2b umgelenkt wird. Eine analoge Betrachtung gilt für die Teilstrahlen 2c und 2d.In Fig. 1 the arrangement for beam splitting or merging is shown in the event that the oscillator beam is split onto four amplifiers. The arrangement consists of four plane-parallel plates ( 3 a - 3 d) which are rigidly connected to one another and are mounted on an axis of rotation ( 6 ). The surface normal of all four plates are aligned parallel to the axis of rotation. The plates (3 a- 3 d) are each coated on a 90 ° arc segment (5) highly reflective for the laser wavelength, the remaining area of the plate surface (4) is anti-reflective (AR) -coated. The plates are mounted so that the reflective segments ( 5 ) are each rotated by 90 ° to one another so that they do not overlap when viewed in the direction of the axis of rotation. A laser beam ( 1 ) striking the plate system at an angle is reflected depending on the angle of rotation of the arrangement on the reflecting segments of the plate 3 a, 3 b, 3 c or 3 d and thus in four mutually offset partial beams ( 2 a - 2 d) split up. When the incident laser beam ( 1 ) strikes the reflecting segment of the plate 3 a, the beam is deflected into partial beam 2 a, after rotating the entire arrangement by 90 ° about the axis of rotation ( 6 ) the beam ( 1 ) passes the AR coating unhindered of plate 3 a and meets the reflecting segment of plate 3 b, so that it is deflected into partial beam 2 b. An analogous consideration applies to the partial beams 2 c and 2 d.

Wenn der einfallende Laserstrahl mit einer Frequenz f gepulst ist, läßt sich bei einer Drehzahl von f/4 der Segmentspiegelanordnung bei geeigneter Synchronisierung erreichen, daß jeder vierte Puls am Segmentspiegel 3a reflektiert wird. Desgleichen gilt für die Segmentspiegel 3b-3d. Somit kann der einfallende Laserstrahl (1) der Frequenz f in vier räumlich getrennte Strahlen der Frequenz f/4 aufgespalten werden. Entscheidend dabei ist, daß die erzeugten Teilstrahlen richtungsstabil sind, da die Drehachse der Anordnung mit der Oberflächennormalen zusammenfällt.If the incident laser beam is pulsed at a frequency f, it can be achieved at a speed of f / 4 of the segment mirror arrangement with suitable synchronization that every fourth pulse is reflected on the segment mirror 3 a. The same applies to the segment mirrors 3 b- 3 d. The incident laser beam ( 1 ) of frequency f can thus be split into four spatially separate beams of frequency f / 4. It is crucial here that the partial beams generated are directionally stable, since the axis of rotation of the arrangement coincides with the surface normal.

In Abb. 2 ist die Verstärkung der Teilstrahlen in den Verstärkern dargestellt. Der Strahl (4) eines Laser-Oszillators (1) fällt nach dem Paßieren eines Polarisator (2) und einer optische Diode (3) auf die in Abb. 1 dargestellte Vorrichtung (5) und wird dort, wie oben beschrieben, in vier Teilstrahlen (7) aufgespalten. Diese Paßieren jeweils einen Verstärker (8) und werden danach an phasenkonjugierenden Elementen (9) reflektiert, so daß sie die Verstärker (8) ein zweites Mal passieren. Durch die phasenkonjugierenden Eigenschaften werden die Teilstrahlen in der Vorrichtung (5) wieder zu einem gemeinsamen Strahl (10) zusammengeführt, der bedingt durch die Polarisationsdrehung der optischen Diode (3) am Polarisator (2) ausgekoppelt werden kann. Die mittlere Ausgangsleistung des Gesamtsystemes entspricht dem vierfachen der Leistung, die mit einem Verstärker erzielt werden kann. Fig. 2 shows the amplification of the partial beams in the amplifiers. The beam ( 4 ) of a laser oscillator ( 1 ) falls after the passage of a polarizer ( 2 ) and an optical diode ( 3 ) onto the device ( 5 ) shown in Fig. 1 and is there, as described above, in four partial beams ( 7 ) split. These pass each one amplifier ( 8 ) and are then reflected on phase conjugate elements ( 9 ) so that they pass through the amplifier ( 8 ) a second time. Due to the phase-conjugating properties, the partial beams in the device ( 5 ) are brought together again to form a common beam ( 10 ), which can be coupled out due to the polarization rotation of the optical diode ( 3 ) on the polarizer ( 2 ). The average output power of the overall system corresponds to four times the power that can be achieved with an amplifier.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur zeitlich versetzten Strahlzusammenführung mehrerer phasenkon­ jugierter Doppel-Paß Verstärker dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Frequenz f gepulste Strahl eines Laser-Oszillators in mehrere räumlich getrennte Strahlen der Frequenz f/N (N: Anzahl der Verstärker) aufgespalten wird, die dann jeweils un­ abhängig voneinander in einem phasenkonjugierten Doppel-Paß Verstärker verstärkt werden und bedingt durch die Phasenkonjugation automatisch wieder zu einem resultierenden Strahl zusammengeführt werden.1. Device for the temporally staggered beam merging of several phase-conjugated double-pass amplifiers, characterized in that the pulse of a laser oscillator pulsed at frequency f is split into several spatially separated beams of frequency f / N (N: number of amplifiers) are then amplified independently of one another in a phase-conjugated double-pass amplifier and, due to the phase conjugation, are automatically combined again into a resulting beam. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlaufspaltung durch mehrere starr miteinander verbundene, um die Oberflächennormale rotierende, kreisrunde Platten realisiert wird, die auf einem Winkelsegment mit einem Winkel von 360°/N für die verwendete Laserwellenlänge hochreflektierend beschichtet sind, auf dem übrigen Winkelsegment jedoch transmittiv sind. Der aufzuspaltene Laser­ strahl wird unter einem geeigneten Winkel zur Rotationsachse bzw. Oberflächennor­ male eingestrahlt und je nach Drehwinkel der Anordnung an reflektierenden Segmen­ ten von in verschiedenen Ebenen liegenden Platten umgelenkt, so daß der einfallende Strahl in eine der Anzahl der Segmentspiegel entsprechende Zahl von parallel versetzten Teilstrahlen zerlegt wird. Durch eine Synchronisation der Drehung der Segmentspiegel zur Pulsfolge des einfallenden Strahles wird erreicht, daß die erzeug­ ten Teilstrahlen mit der Frequenz f/N gepulst sind.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the beam splitting by several rigidly connected, rotating around the surface normal, circular plates is realized on an angular segment with an angle of 360 ° / N are highly reflective coated for the laser wavelength used, on the rest of the angular segment, however, are transmissive. The laser to split beam becomes normal at a suitable angle to the axis of rotation or surface male and depending on the angle of rotation of the arrangement of reflective segments deflected by plates lying in different levels, so that the incident Beam into a number of parallel corresponding to the number of segment mirrors offset partial beams is broken down. By synchronizing the rotation of the Segment mirror to the pulse sequence of the incident beam is achieved that the generate th partial beams are pulsed with the frequency f / N. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ver­ stärker aus mehreren einzelnen Verstärkern zusammensetzen.3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the Ver put together more from several individual amplifiers. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppel­ durchgang durch die Verstärker statt mit einem phasenkonjugierenden Element mit einem konventionellen Spiegel bewerkstelligt wird.4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the double pass through the amplifier instead of using a phase conjugate element a conventional mirror is accomplished. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang des Systemes durch eine beliebige Anzahl konventioneller optischer Komponenten wie z. B. Linsen, Umlenkspiegel, Blenden und polarisationsbeeinflussende Kom­ ponenten ergänzt wird.5. Arrangement according to claim 1 to 4, characterized in that the beam path of the system by any number of conventional optical components such as B. lenses, deflecting mirrors, diaphragms and polarization-influencing com components is added. 6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskopplung des Strahles aus dem System durch eine nicht auf Drehung der Polarisationsrichtung beruhende optische Diode realisiert wird.6. Arrangement according to claim 1 to 5, characterized in that the decoupling of the beam from the system by not rotating the direction of polarization based optical diode is realized.
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