DE3143057A1

DE3143057A1 - Waveguide and TEA laser

Info

Publication number: DE3143057A1
Application number: DE19813143057
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Altmann; Ernst Dipl.-Phys. Dr. 8175 Greiling Lill
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1981-10-30
Filing date: 1981-10-30
Publication date: 1983-05-19
Also published as: DE3143057C2

Abstract

In a waveguide laser or TEA laser, the frequencies are split and the geometric structure of the transversal modes is oriented by disturbing the resonator symmetry. The resulting frequency differences have beat frequencies and hence result in modulation of the emitted radiation.

Description

Wellenleiter und TEA-Laser Waveguides and TEA lasers

Die Erfindung betrifft einen Wellenleiter- und TEA-Laser mit Intensitäts- und/oder Frequenzmodulation. The invention relates to a waveguide and TEA laser with intensity and / or frequency modulation.

Da in Wellenleiterlasern (und TEA-Lasern) die Beugungsverluste durch Totaireflektion an der seitlichen Begrenzung erheblich reduziert werden, können diese mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Sie besitzen deshalb ein relativ breites Spektrum von technischen Anwendungen. Because in waveguide lasers (and TEA lasers) the diffraction losses through Total deflection at the side boundary can be considerably reduced these are operated with high efficiency. You therefore have a relative wide range of technical applications.

Für eine Reihe dieser Anwendungen ist es notwendig, die ausgekoppelte Strahlung in definierter Weise zu modulieren.For a number of these applications it is necessary to use the decoupled To modulate radiation in a defined way.

Die bisher hierzu benutzten Verfahren (resonatorexterne und resonatorinterne Methoden wie Q-Switching, akusto-optische Modulation und elektro-optische Verfahren) sind dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation durch eine additive Maßnahme bewirkt wird. Sie erfordern daher im allgemeinen einen erheblichen technischen Aufwand.The methods used so far for this purpose (resonator-external and resonator-internal Methods such as Q-switching, acousto-optical modulation and electro-optical methods) are characterized in that the modulation is effected by an additive measure will. They therefore generally require considerable technical effort.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Wellenleiter- oder TEA-Laser eine Intensitäts- und/oder Frequenzmodulation bereits im Laserresonator selbst, d.h. The invention is based on the object in a waveguide or TEA laser, an intensity and / or frequency modulation already in the laser resonator itself, i.e.

im wesentlichen ohne additive Maßnahmen zu bewirken.essentially without effecting additive measures.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Wellenleiter bzw. TEA-Laser gelöst, wie er durch den Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. According to the invention, this object is achieved with a waveguide or TEA laser solved as it is characterized by claim 1. Developments of the invention are described in the subclaims.

Nach der Erfindung wird eine Intensitäts- und/oder Frequenzmodulation bereits im Resonator des Wellenleiters selbst durch Benutzung von Schwebungen zwischen bestimmten Transversalmoden bzw. durch Kopplung von mehreren Transversalmoden erreicht. Dabei läßt sich die Frequenz dieser Schwebungen und dementsprechend die Modulation in einem sehr weiten rrequenzbereich (6321 9 A1 GHz) verändern. According to the invention, there is an intensity and / or frequency modulation already in the resonator of the waveguide itself by using beats between certain transverse modes or achieved by coupling several transverse modes. The frequency of these Beats and accordingly change the modulation in a very wide frequency range (6321 9 A1 GHz).

In der DE-Patentanmeldung P 3125544.2, auf die vollinhaltlich Bezug genommen wird, wurde.gezeigt, daß sich die transversale Modenstruktur eines Lasers quantenmechanisch berechnen läßt, wenn man das Photon als Teilchen mit der realtivistischen Masse M = h/(c \) auffaßt, h = PlancUsches Wirkungsquantum c = Lichtgeschwindigkeit a = Wellenlänge. In DE patent application P 3125544.2, to the full content reference is taken, it was shown that the transverse mode structure of a laser Can be calculated quantum mechanically, if one can calculate the photon as a particle with the realtivistic Mass M = h / (c \) perceives, h = PlancU's quantum of action c = speed of light a = wavelength.

Dies ist auch im Falle des Wellenleiterlasers möalich. This is also possible in the case of the waveguide laser.

Die reflektierenden Wandungen des Wellenresonators (im allgemeinen zwei ebene Spiegel, verbunden durch ein totalreflektierendes zylindrisches Rohr) wirken auf die darin befindlichen Photonen wie ein Potentialtopf endlicher Tiefe (Form und Tiefe des Potentials sind in weiten Grenzen konstruktiv beeinflußbar) auf ein eingeschlossenes Masseteilchen. Dies läßt sich mathematisch bestätigen, indem man die Photonenmasse in den quantenmechanischen Ausdruck für die Energieniveaus eines Teilchens in einem derartigen Potentialtopf einsetzt. Man bekommt dann einen mathematischen Ausdruck für die Frequenzabstände der Transversalmoden, der mit dem aus der Theorie der Wellenleiter erhaltenen Ausdruck identisch ist. Die transversalen Moden eines Wellenleiterlasers lassen sich daher als Eigenzustände der transversalen Bewegung der Photonen auffassen. Nach demselben Verfahren erhält man auch die aeometrische Struktur der Transversalmoden.The reflecting walls of the wave resonator (generally two level mirrors connected by a totally reflecting cylindrical tube) act on the photons in it like a potential well of finite depth (The shape and depth of the potential can be influenced constructively within wide limits) on an enclosed mass particle. This can be confirmed mathematically, by converting the photon mass into the quantum mechanical expression for the energy levels of a particle begins in such a potential well. Then you get one mathematical expression for the frequency spacings of the transverse modes, which starts with the expression obtained from the theory of waveguides is identical. The transversal Modes of a waveguide laser can therefore be described as eigenstates of the transverse Understand the movement of the photons. The aeometric one is obtained by the same procedure Structure of the transverse modes.

Die zugehörigen Energieniveaus sind bezüglich der x- und y-Richtung entartet (z sei die Richtung der optischen Achse), wenn die Wandungen des Resonators exakt rotationssymmetrisch bezüglich der optischen Achse sind. Bereits kleine Störungen dieser azimuthalen Symmetrie, wie sie z.B. durch eine kleine Dejustierung der Spiegel (weitere Störungsmöglichkeiten siehe unten) verursacht werden, führen zu einer Aufspaltung dieser entarteten Niveaus. Gleichzeitig geht die geometrische transversale Struktur der Moden oder Eigenfunktionen aus einer zylindrischen Syiimetrie in eine orthogonale x-y-Symmetrie über. Die Or--entierung der zugehörigen Koordinatenachsen hängt dabei von der Richtung der resultierenden Gesamtstörung ab, wie sich mit Hilfe der quantenmechanischen Störungstheorie zeigen läßt. Die transversalen Strukturen der einzelnen Moden besitzen daher dieselbe räumliche Orientierung, so daß s-e sich in definierter Weise überlagern. The associated energy levels are with respect to the x and y directions degenerate (let z be the direction of the optical axis) if the walls of the resonator are exactly rotationally symmetrical with respect to the optical axis. Even small disturbances this azimuthal symmetry, such as that caused by a small misalignment of the mirror (see below for further possible malfunctions) lead to a split of these degenerate levels. At the same time the geometric goes transversal Structure of modes or eigenfunctions from a cylindrical syiimetry into a orthogonal x-y symmetry over. The orientation of the associated coordinate axes depends on the direction of the resulting overall disturbance, how to use it the quantum mechanical perturbation theory shows. The transversal structures of the individual modes therefore have the same spatial orientation, so that s-e superimpose in a defined way.

Dies führt zur Entstehung von Schwebungsfrequenzen zwischen den transversalen Moden.This leads to the creation of beat frequencies between the transversal ones Fashions.

Ein besonders einfaches und technisch problemlos realisierbares Beispiel bieten die Moden TERM01 und TEM10. A particularly simple and technically problem-free example offer the modes TERM01 and TEM10.

Sie haben die in Figuren la und b wiedergegebenen transversalen Strukturen. Ihre Oberlagerung ist in Figur 1 c wiedergegeben.They have the transverse structures shown in Figures la and b. Their superimposition is shown in Figure 1c.

Da zwischen den Frequenzen der zugehörigen elektromagnetischen Trägerwellen wegen der Aufspaltung der zugehörigen Energieniveaus eine Frequenzdifferenz »p besteht, kommt esin den vier Quadranten zu Intensitätsschwebungen mit der Frequenz a». Die Phase dieser Schwebung ist in den schraffierten und nichtschraffierten Bereichen um 180 Grad gegeneinander versetzt. Because between the frequencies of the associated electromagnetic carrier waves due to the splitting of the associated energy levels, there is a frequency difference »p, in the four quadrants there are intensity fluctuations with the frequency a ». the The phase of this beat is in the hatched and non-hatched areas offset by 180 degrees from one another.

Die durch die Schwebung verursachte Modulation der Intensität kann theoretisch in Teilbereichen der Quadranten 100 % betragen. Experimentell wurden etwa 80 % realisiert. The modulation of the intensity caused by the beat can theoretically 100% in parts of the quadrants. Were experimental about 80% realized.

Da die Frequenz dieser Schwebung einerseits bei ideal azimuthaler Symmetrie verschwindet und andererseits der Frequenzabstand zum transversalen Mode mit der nächsthöheren Ordnungszahl im allgemeinen die Größenordnung 100 MHz hat, kann die Frequenz der Schwebung in einem sehr weiten Bereich durch gezielte Anderunn der azimuthalen Symmetrie definiert variiert werden. Eine Auskopplung dieser modulierten Intensität ist analog zur DE-Patentanmeldung P 3125544.2 in einfacher Weise dadurch möglich, daß man den Auskoppelbereich auf einen der Quadranten oder auf zwei diagonal gegenüberliegende Quadranten beschränkt.Since the frequency of this beat is on the one hand at ideal azimuthaler Symmetry disappears and, on the other hand, the frequency difference to the transverse mode with the next higher ordinal number is generally in the order of 100 MHz, the frequency of the beat can be adjusted over a very wide range by specific changes the azimuthal symmetry can be varied in a defined manner. A decoupling of this modulated Intensity is analogous to DE patent application P 3125544.2 in a simple manner possible that one of the decoupling area on one of the quadrants or on two diagonally opposite quadrants restricted.

In ähnlicher Weise wie dies hier für die Moden TEMO1 und TEM10 gezeigt wurde, sind Schwebungen zwischen Moden höherer Ordnung und zwischen Moden unterschiedlicher Ordnung möglich. Da sich die Aufspaltung der Energieniveaus in Abhängigkeit von der Ordnungszahl ändert, läßt sich durch gleichzeitige Anregung mehrerer Moden eine gleichzeitige Modulation mit verschiedenen Frequenzen erzielen. In a similar way as shown here for modes TEMO1 and TEM10 beats are between higher order modes and more different between modes Order possible. Since the breakdown of the energy levels depends on the ordinal number changes, can be by simultaneous excitation of several modes a achieve simultaneous modulation with different frequencies.

Da sich die verschiedenen Transversalmoden an verschiedenen Stellen überlappen, kann man allein durch verschiedenartige Gestaltung der Auskoppelblende eine Änderung der Intensitätsmodulation des abgestrahlten Lichts erreichen. Because the different transverse modes are in different places overlap can only be achieved by different designs of the decoupling diaphragm achieve a change in the intensity modulation of the emitted light.

Derselbe Effekt kann auch durch eine änderung der Orientierung der wirkenden Störung, z.B. durch Drehung des gekippten Spiegels erreicht werden.The same effect can also be achieved by changing the orientation of the acting disturbance, e.g. by turning the tilted mirror.

Wie experimentell nachgewiesen werden kann, koppeln auch beim Wellenleiterlaser die transversalen Moden spontan, wie dies durch den stabilen Resonator bereits in der DE-Patentanmeldung P 3125544.2 gezeigt wurde. Durch die spontane Kopplung vieler Moden unterschiedlicher Frequenz kommt es in Abhängigkeit von der Anzahl der angeregten Moden und deren Anregungsgrad zur Bildung von sehr kurzzeitigen Pulsen (Chirps) sehr hoher Intensität. Zur Erzeugung kurzer Pulse ist bisher die Methode der Kopplung der longitudinalen Moden bekannt. As can be proven experimentally, coupling with waveguide lasers is also possible the transverse modes spontaneously, as indicated by the stable resonator already in the DE patent application P 3125544.2 was shown. Through the spontaneous coupling of many There are modes of different frequencies depending on the number of excited ones Modes and their degree of excitation for the formation of very short-term pulses (chirps) very high intensity. The coupling method has been used so far to generate short pulses known of the longitudinal modes.

Der Vorteil der Kopplung der transversalen Moden besteht darin, daß diese spontan erfolgt. Die Methode der transversalen Modenkopplung ist insbesondere für die Kombination von Lasern und aktiven Medien geeignet, bei denen es aufgrund einer eingeschränkten Verstärkungsbandbreite nicht zu einer Kopplung einer ausreichenden Zahl longitudinaler Moden kommen kann.The advantage of coupling the transverse modes is that this happens spontaneously. The transverse mode locking method is particular suitable for the combination of lasers and active media where there is due a limited gain bandwidth does not result in a coupling of a sufficient one Number of longitudinal modes can come.

Wie beschrieben, führt jede änderung an den Komponenten (Spiegel, totalreflektierendes Rohr und aktives Medium) eines Wellenleiterlasers zu einer änderung der Frequenzdifferenz der transversalen Moden. Insbesondere die Aufspaltung der optischen Frequenzen von Moden, die im ideal azimuthalsymmetrischen Fall entartet sind, hängt sehr empfindlich von derartigen änderungen ab. Einige Möglichkeiten der äußeren, gegebenenfalls zeitabhängigen Einwirkungen auf einen Wellenleiter- oder TEA-Laser sind im folgenden zusammengefaßt: 1. Verkippen der Endspiegel, 2. Anderung der Resonatorlänge, 3. sämtliche Möglichkeiten der mechanischen Verformung des Rohrs, insbesondere Querschnittsveränderung und Durchbiegungen, 4. Anderung der Resonatorlänge in Zusammenhang mit einer unsymmetrischen Rohrgeometrie, 5. asymmetrische Verteilung des Reflektionsgrads der Rohrwände, 6. Veränderungen der Parameter des aktiven Mediums, 7. sämtliche Kombinationsmöglichkeiten dieser Einwirkungsmöglichkeiten; usw.. As described, every change to the components (mirror, totally reflecting tube and active medium) of a waveguide laser to one change of the frequency difference of the transversal modes. In particular, the split of the optical frequencies of modes which degenerate in the ideally azimuthally symmetrical case are depends very sensitive from such changes. Some Possibilities of external, possibly time-dependent effects on one Waveguide or TEA lasers are summarized below: 1. Tilting the End mirror, 2. change of resonator length, 3. all possibilities of mechanical Deformation of the pipe, in particular changes in cross-section and deflections, 4. Change of the resonator length in connection with an asymmetrical tube geometry, 5. asymmetrical distribution of the degree of reflection of the pipe walls, 6. changes the parameters of the active medium, 7. all possible combinations of these Possibilities of influence; etc..

Die genannten Methoden können sowohl mechanisch als auch elektromechanisch (piezoelektrische Komponenten) realisiert werden. The methods mentioned can be both mechanical and electromechanical (piezoelectric components) can be realized.

Mit Hilfe der genannten Einwirkungsmöglichkeiten kann eine definierte zeitlich konstante oder auch eine zeitabhängige Intensitätsmodul ation der ausgekoppelten Strahlung durchgeführt werden. Insbesondere piezoelektrische Komponenten können zu einer zeitabhängigen Anderung der Laserparameter benutzt werden, wodurch eine Frequenzmodulation der abgestrahlten Strahlung möglich wird. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Intensitäts- undgoder Frequenzmodulation mit konventionellen Verfahren gekoppelt werden kann. A defined Time-constant or also a time-dependent intensity modulation of the decoupled Radiation to be carried out. In particular, piezoelectric components can can be used for a time-dependent change in the laser parameters, whereby a Frequency modulation of the emitted radiation is possible. Besides, be on it pointed out that the intensity andgoder frequency modulation according to the invention with conventional methods can be coupled.

Ein Beispiel für die Anwendung eines erfindungsgemäß modulierten Wellenleiter- oder TEA-Lasers ist die Entfernungsmessung nach dem Radarprinzip. An example of the application of a modulated according to the invention Waveguide or TEA laser is distance measurement based on the radar principle.

Neben dem bisher behandelten Gesichtspunkt einer Erzeugung von Intensitäts- und/oder frequenzmodulierter Strahlung durch Störung der Resonatorgeometrie ist auch an eine Anwendung des erfindungsgemäßen Lasers in umgekehrter Richtung zu denken. Durch eine Messung der Modulationsfrequenz der ausgekoppelten Strahlung können Deformierungen des Resonators, die durch äußere Kräfte verursacht werden, festaestellt werden. So kann auf diese Weise z.B. die Durchbiegung eines Bauteils quantitativ ermittelt werden. In addition to the previously discussed aspect of generating intensity and / or frequency-modulated radiation due to disturbance of the resonator geometry also to think of an application of the laser according to the invention in the opposite direction. By measuring the modulation frequency the coupled radiation can deformations of the resonator caused by external forces, be determined. In this way, for example, the deflection of a component can be determined quantitatively.

Da außerdem die Orientierung der x-y-Geometrie der transversalen biodenstruktur von der Richtung der Störung abhängig ist, kann aus der Orientierung des Modenbildes die Richtung der Durchbiegung bestimmt werden. Das angegebene Verfahren stellt daher ein sehr empfindliches Meßgerät für die Verformung von Gegenständen, Erschütterungen, Verformung infolge thermischer Einflüsse usw. dar. Die Durchbiegung eines Bauteils ist hier nur als Beispiel genannt.In addition, the orientation of the x-y geometry of the transversal bioden structure depends on the direction of the disturbance, can be derived from the orientation of the mode picture the direction of deflection can be determined. The specified procedure therefore represents a very sensitive measuring device for the deformation of objects, vibrations, Deformation as a result of thermal influences, etc. The deflection of a component is only given here as an example.

An ihrer Stelle können beliebige andere Störungen der Resonatorsymmetrie zu Meßzwecken benutzt werden.Any other disturbances of the resonator symmetry can be used in their place be used for measurement purposes.

Claims

Patent claims: Waveguide and TEA lasers with intensity and / or Frequency modulation, not shown by devices for targeted Changes in the symmetry and / or the optical and geometrical parameters of the system Resonator + active medium to control the frequency differences of the transversal Modes and inducing beat frequencies between the transverse modes.

2. Laser according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z ei c h ne t that the output in the output mirror is limited to sub-areas which the radiate desired beat frequencies

3. Laser according to claim 2, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that with simultaneous excitation of several transverse modes different ordinal numbers different coupling areas for simultaneous Coupling different beat frequencies are provided.

4. Laser according to one of claims 1 to 3, g e k e n n -z e i c h n e t through devices for a time-dependent, targeted change in symmetry and / or the optical and geometric parameters of the resonator + active system Medium for the purpose of frequency modulation of the coupled-out radiation.

5. Use of a laser according to one of claims 1 to 4 for conclusion on the symmetry and / or the optical and geometric parameters of the system resonator + active medium influencing disturbance size and direction due to a detected modulation, orientation and / or polarization of the coupled radiation.

6. Application of a laser according to one of claims 1 to 4 for the Distance measurement based on the radar principle.