DE1226724B - Optischer Sender oder Verstaerker mit einem Einstellmechanismus fuer einen Spiegel - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIs

Deutsche KL: 21 g - 53/0Θ·«?

Nummer: 1226 724

Aktenzeichen: N 23853 VIII c/21 g

Anmeldetag: 8. Oktober 1963

Auslegetag: 13. Oktober 1966

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender oder Verstärker mit einem vorzugsweise flüssigen oder gasförmigen stimülierbaren Medium innerhalb eines optischen Resonators mit Spiegeln, deren Achsen parallel zueinander einstellbar sind.

Es sei bemerkt, daß ein optischer Sender oder Verstärker eine Quelle kohärenter Strahlung ist im Bereich des Sichtbaren Infraroten oder Ultravioletten. Das Wort »Licht« und von diesem abgeleitete Benennungen sollen daher so allgemein verstanden werden, daß sie auch z. B. Infrarot- und Ultraviolettstrahlung umfassen.

Der Einstellmechanismus bekannter optischer Sender oder Verstärker wird z. B. durch eine Anzahl von Stellschrauben gebildet, durch welche die Lage eines federnd aufgehängten Trägerkörpers eingestellt werden kann, wobei das optische Bauteil mit diesem Träger verbunden ist. Die federnde Aufhängung des Trägerkörpers und die Verwendung von Einstellschrauben machen die Bauart solcher optischen ao Systeme verwickelt, da während der Herstellung solcher Systeme die genaue Bemessung der erforderlichen Einzelteile und der Präzisionszusammenbau viel Zeit beanspruchen.

Weiter ist es bei Flüssigkeit«- und Gassendern oder Verstärkern oft sehr erwünscht, daß die Spiegel mit dem flüssigen oder gasförmigen Medium in Berührung sind, wobei mindestens einer der Spiegel einstellbar und die das stimulierbare Medium enthaltende Kammer dennoch gut verschlossen ist. Dies läßt sich mit einem bekannten optischen Einstellmechanismus mit Stellschrauben schwer durchführen.

Die Erfindung bezweckt unter anderem, einen optischen Sender oder Verstärker eingangs erwähnter Art zu schaffen mit einer besonders einfachen, gedrängten und gut hantierbaren Bauart und wobei weiter in einfacher Weise der Spiegel mit dem flüssigen oder gasförmigen stimülierbaren Medium in Berührung sein kann und dessen Herstellung und Zusammenbau besonders einfach sind.

Ein' optischer Sender oder Verstärker der obenerwähnten Art ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der eine der beiden Spiegel an einem Trägerkörper befestigt ist, dessen konisch verlaufender Teil in einer entsprechenden Öffnung eines Stützkörpers um eine Achse drehbar und dicht eingepaßt ist, und daß ein konisch verlaufender Teil des Stützkörpers seinerseits in einer entsprechenden Öffnung der Stirnwand um eine Achse drehbar und dicht eingepaßt ist, wobei die gedachten Drehachsen einen spitzen Winkel α und Optischer Sender oder Verstärker mit einem
Einstellmechanismus für einen Spiegel

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dr. H. Scholz, Patentanwalt,

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:
Gustaaf Adolf Wesselink,
Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 11. Oktober 1962 (284259)

die Spiegelachse und die Drehachse einen spitzen Winkel β miteinander bilden.

Ist der Winkel β kleiner als der Winkel«, so ist der Raumwinkel, innerhalb dessen die optische Achse N einstellbar ist, gleich einem Raumwinkel zwischen zwei Kegelmänteln mit der gleichen Umdrehungsachse, deren Spitzen an der gleichen Stelle liegen und deren Spitzenwinkel gleich 2a+2/? und 2a—2ß sind.

Ist der Winkel β größer als der Winkel α oder gleich diesem, so ist der Raumwinkel, innerhalb dessen die optische Achse N einstellbar ist, gleich dem Raumwinkel bestimmt durch einen Kegelmantel mit einem Spitzenwinkel 2α+Iß. Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines optischen Senders oder Verstärkers nach der Erfindung ist der Winkel β mindestens gleich dem Winkel α.

Die Einstellgenauigkeit für die optische Achse iV nimmt in dem Maße zu, wie die Winkel α und β kleiner sind. Es wird in der Praxis meistens nur eine genaue Einstellmöglichkeit innerhalb eines kleinen Raumwinkels gefordert. Daher sind die Winkel <x und β vorzugsweise kleiner als 10° oder sogar kleiner als 4°.

- Vorzugsweise besteht wenigstens der Trägerkörper aus optischem Material, wie z. B. Glas und

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Quarz. Aus solchem Material kann man leicht durch Schleifen sich einander gut anpassende;*- für■■ lacht durchlässige drehbare Körper herstellen.

Eine besonders günstige Ausführungsform eines optischen Senders oder Verstärkers nach der Erfindung wird dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel eben ist und daß der Trägerkörper einen dem Spiegel gegenüberliegenden ebenen Oberflächenteil aufweist, der praktisch senkrecht' zur einstellbarer! Normalen N des Spiegels verläuft. In diesem Fall kann die Lage des Spiegels einfach kontrolliert werden mittels eines Lichtstrahls, den man an diesem Oberflächenteil und/oder über den Trägerkörper an der Rückseite des Spiegels reflektieren läßt.

Wenn der Spiegel z. B. ein ebener Spiegel ist, kann dieser aus. einer Glasplatte mit einer metallisierten Oberfläche oder einer "geschliffenen Spiegelmetallplatte bestehen. Der Spiegel kann z. B. durch Kitten am Trägerkörper befestigt werden. Eine einfachere Bauart besteht jedoch darin, daß der Spiegel durch einen spiegelnden Oberflächenteil, z. B. einen metallisierten Oberflächenteil des Trägerkörpers, gebildet wird. Die optische Achse N eines ebenen Spiegels ist eine Spiegelnormale.

Als Spiegel kann z. B'. auch ein sphärischer oder parabolischer verwendet werden. In diesem Fall ist, wie üblich, die optische Achse N die Symmetrieachse durch die Mitte derjenigen Kugel bzw. durch den Brennpunkt desjenigen Paraboloids, wovon die Spiegeloberfläche einen Teil bildet.

Die Erfindung wird nachstehend"an Hand einiger Ausführungsbeispiele und der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt echematisch im Querschnitt eine erste Ausführungsform eines optischen Senders oder Verstärkers mit einem Einstellmechanismus für einen Spiegel nach der Erfindung;

Fig. 2 zeigt schematisch im Querschnitt, jedoch in größerem Maßstab den Einstellmechanismus des optischen Senders oder-Verstärkers nach Fig. 1; -

Fig. 3a.und 3b zeigen die Raumwinkel, in denen die optische Achse N des Spiegels des Einstellmeehanism^ nach Fi g. 2 einstellbar ist;

F i g. 4 zeigt schematisch im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Senders oder'Verstärkers nach der Erfindung. '■■■-• Fig:-1 zeigt einen optischen Sender oder Verstärker mit) einem flüssigen· oder-gasförmigen Medium, mit einer Kammer 41, die ein stimulierbares Medium enthält, indem kohärente Strahlung erzeugt werden kann und bei dem die ausgesandte Strahlung an zwei einander gegenüberliegenden, vorzugsweise ebenen Spiegeln· 42"und 43 reflektiert werden kann, die auf je einer Seite des stimulierbaren Mediums liegen, und· wobei -eine optische Achse N, im vorliegenden Fall eine Normale N, auf der Oberfläche 44 des Spiegels 42 parallel zur optischen Achse H (Normale :H) auf der Oberfläche 45 des Spiegels. 43■eingestellt werden kann.

" Die für die Erfindung nicht wesentlichen^ Einzelteile des optischen Senders oder Verstärkers, Z;B. eine Lichtquelle zum Anregen' des Stimulierbären Mediums -in der Kammer 41, zu welchem Zweck die Wand* 45 der Kammer wenigstens örtlich für Licht durchlässig sein muß, sind in der Figur nicht dargestellt. ■ '

- 'Gemäß der Erfindung ist der Spiegel'42 mit einem Trägerkörper 48 -versehen, der mit einem konisch verlaufenden Teil in einer^;konisbh verlaufenden ^ rung eines Stützkörpers 46 drehbar um eine Linie A untergebracht ist. Dieser -^fSfützkörper 46 ist mit einem konisch verlaufenden Teil in einer konisch verlaüfenderröffnüng in' der *Kammerwand'-45 drehbar "um eineJ'Linie E^ untergebracht/ wobei ,die Linien A und B einen Winkel α, kleiner als 90°, miteinander bilden und die Normale iV und die Linie A einen Winkel ß, kleiiier als 90°, miteinander bilden. Außerdem verschließt der Stützkörper 46 mit dem Trägerkörper 48 die Öffnung (s. auch Fig. 2, die den in einer Öffnung eines schematisch gezeigten Bauteils 21 der Kammerwand untergebrachten Stützkörper 46 mit dem Trägerkörper 48 und auch die Linien A und B und die Normale N klarer zeigt).

Der Stützkörper 46 und der Trägerkörper 48 sind mit einem Flansch 23 bzw. 26~versehen, so daß diese Körper bequem gedreht werden können» --■ -

Der beschriebene optische Sender oder Verstärker ist billiger und einfacher als die bekannten öptischeii Sender mit einem einstellbaren Spiegel, wobei die Einstellbarkeit, z. B-. mittels Einstellschrauben und einer · federnden Aufhängung des Spiegels^ erzielt wird. -Außerdem kann bei dem beschriebenen optischen Sender-oder Verstärker der einstellbare Spiegel ohne bauliche Bedenken mit einem gasförmigen oder flüssigen stimulierbaren Medium in Berührung^ sein, was bei den bekannten optischen Sendern oder Verstärkern kaum möglich ist. Weiter wird der Einstellmechanismus .nach; der· Erfindung praktisch nicht von -Temperaturschwankungen gehindert, die im Betrieb des optischen Senders auftreten können. "*"·'

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende (s. auch Fig. 3a):

Bei Drehung des Stützkörpers 46 oder des· Trägerkörpers 48 bewegt sich- die Linie B nicht. Wird der Stützkörper 46 gedreht, so beschreibt die ϊΑτά&Α einen Kegelmantel mit der Linie JB-als Kegelachse und mit einem Spitzenwinkel gleich 2 a. Deutlichkeitshalber ist der SchnittkreisX dieses Kegelmantels mit einer durch die gestrichelte Linie B gehenden Ebene- dargestellt. Diese Ebene ist senkrecht zu der Linie" 5 und zur Zeichnungsebene in einem beliebigen Abstand von dem Spiegel 1. Der Kreis K ist in der Zeichenebene dargestellt und muß somit über 90° von der gestrichelten Linie H her gedreht gedacht werden. Die noch weiter zu erwähnenden Sehnittkreise sind auf gleiche Weise gezeichnet.

Bei jeder Lage der Linie A wird bei Drehung des Trägerkörpers 8 um die Linie A von der Normalen N auf der Spiegelfläche 44 ein Kegelmantel mit der Linie A als Kegelachse beschrieben. Der Winkel zwischen den Linien A und N ist der Winkel ß, und der Winkel des Kegels ist somit 2ß. Dieser Kegelmantel hat z. B, eben Schnittkreis L, wenn die Linien durch den Punkt P des Kreises K geht.

Da zu jedem möglichen Punkt P auf dem Kreis K ein Kreis L gehört, füllen alle denkbaren Kreise L die Ebene innerhalb des Kreises M ganz aus, wobei der Kreis M die Umhüllende der Kreise L ist. Die Normale N kann -somit jede Lage innerhalb eines Raumwinkels einnehmen, der von einem Kegelmantel mit der Linie B als Kegelachse und mit dem Kreis M als Schnittkreis eingeschlossen wird. Der Winkel dieses Kegels beträgt 2α+2β. · ·""""

In dem beschriebenen Fall ist der Winkel β größer als der Winkel α, wodurch der Mittelpunkt Γ des Kreises K innerhalb * der Kreise- L liegt. Ist der

Winkel /3 kleiner als der Winkel ά, so liegt der Mittelpunkt T außerhalb der Kreise L. Dieser Fall ist schematisch in Fig. 3b dargestellt. Aus dieser Figur ergibt es sich, daß der Raumwinkel, innerhalb dessen die Normale N einstellbar ist, in diesem Fall von zwei Kegelmänteln eingeschlossen wird, welche die gleiche durch die Linie B gebildete Kegelachse haben, welche jedoch verschiedene Kegelspitzenwinkel haben, d.h. 2ac+2β und 2 a—2ß, und verschiedene Schnittkreise, d. h: M und R: Vorzugsweise ist der Winkel β jedoch" mindestens gleich dem Winkel a, wodurch der Mittelpunkt T innerhalb der Kreise L liegt.

Eine bestimmte Verdrehung des Stützkörpers 46 oder des Trägerkörpers 48 liefert bei größeren Winkeln α und β eine größere Änderung der Lage der Normalen N als bei kleineren Winkeln « und ß. Die Einstellgenauigkeit nimmt dabei bei kleineren Winkeln α und β zu. Da außerdem in der Praxis gewöhnlich eine große Einstellgenauigkeit einer optischen Achse nur innerhalb eines kleinen Raumwinkels erfordert wird, sind die Winkel α und β vorzugsweise kleiner als 10° oder sogar kleiner als 4°.

Es wird einleuchten, daß die Linien A, B und N bei Systemen nach der Erfindung sich nicht in einem Punkt zu schneiden brauchen. Lediglich die Richtung dieser Linien ist von. Bedeutung, und in denjenigen Fällen, in denen die Linien A, B und N sich nicht oder nur in verschiedenen Punkten schneiden, können sie parallel zu sich selber verschoben gedacht werden, bis sie sich in einem Punkt schneiden, so daß wieder die vorstehend beschriebene Erwägung zum Feststellen der Größe des Raumwinkels, innerhalb dessen die optische Achse N einstellbar ist, gilt. Daher soll die Angabe »Winkel zwischen zwei Linien« auch für diejenigen Fälle gelten, in denen die betreffenden Linien sich nicht schneiden. In diesen Fällen ist der Winkel gemeint, den die Linien einschließen, nachdem sie parallel zu sich selber verschoben worden sind, bis sie sich schneiden.

Die Bohrungen in den Körpern 21 und 45 und die da hineinpassenden Teile der Körper 46 und 48 sind konisch, so daß die betreffenden Stellen der Körper 21, 46 und 48 gleichzeitig fixierbar sind.

Wenn der Trägerkörper 48 und auch der Stützkörper 46 und die Wand 21, 45 aus Glas oder Quarz bestehen, dann können diese Körper bequem passend geschliffen werden. Weiter kann man in diesem Fall über den Trägerkörper 48 an der Rückseite des Spiegels 42 einen Lichtstrahl reflektieren lassen, mittels dessen die Lage des Spiegels kontrolliert werden kann. Vorzugsweise ist die Oberfläche 24 parallel zur Spiegelfläche 44, und die Spiegelfläche 44 wird einfach durch einen metallisierten Oberflächenteil des Trägerkörpers 48 gebildet.

F i g. 4 zeigt ein Beispiel eines optischen Senders oder Verstärkers nach der Erfindung mit zwei einstellbaren Spiegeln. Die Einstellmöglichkeit wird auf diese Weise vergrößert. Die Kammer 51 des optischen Senders oder Verstärkers ist hier von einer rohrförmigen Wand 55, ζ. B. aus Glas oder Quarz, mit konischen Enden 60 umgeben, die als Halter für die optischen Systeme der gleichen Art wie die nach Fig. 2 dienen. Die Spiegel der optischen Systeme sind mit 52, die Trägerkörper mit 58 und die Stützkörper mit 56 bezeichnet.

Aus den geschilderten Beispielen ergibt sich, daß der Einstellmechanismus nach der Erfindung eine überraschend einfache Bauart für optische'Sender oder Verstärker ermöglicht.

Besteht das Medium aus einer Flüssigkeit, so können Mittel vorgesehen werden, durch welche im Betrieb die Flüssigkeit durch die Kammer 41, 51 fließen kann: Auf diese Weise wird unter anderem die Temperaturregelung des optischen Senders oder Verstärkers im Betrieb vereinfacht. In diesem Fall kann bei bestimmten Medien die Anregung des Me-

lö diums erfolgen, bevor das Medium in die Kammer einströmt. Die Wand dieser Kammer braucht dabei nicht für Licht durchlässig zu sein.

Es sei bemerkt, daß bei optischen Sendern oder Verstärkern mindestens einer der Spiegel teilweise für Licht durchlässig ist, um die in dem Teil erzeugte Strahlung, die sich zwischen den Spiegeln hin und her bewegt, stets teilweise heraustreten zu lassen. Ist z. B. der Spiegel 43 (Fig. 1) teilweise durchlässig, so muß die Platte 49 für Licht durchlässig

ao sein; ist der Spiegel 42 teilweise durchlässig, so muß der Trägerkörper durchlässig sein. Bei dem optischen Sender oder Verstärker nach F i g. 4 ist mindestens einer der Spiegel 52 teilweise durchlässig, während der zugehörende Trägerkörper 58 lichtdurchlässig ist.

Es wird einleuchten, daß die Erfindung nicht auf die geschilderten Ausführungsformen beschränkt ist. Zum Beispiel können bei einem optischen Sender oder Verstärker nach F i g. 5 die durch gestrichelte Linien angedeuteten Zwischenwände vorgesehen werden, die z. B. aus für Licht durchlässigen planparallelen Glas- oder Quarzplatten bestehen, in denjenigen Fällen, in denen das Medium die Spiegel nicht berühren soll. Bei dem Einstellmechanismus nach Fig. 2 kann z.B. auf der Oberfläche 24 auch ein Spiegel angebracht werden, während dessen Spiegelfläche praktisch senkrecht zur Linie N verläuft. Mittels eines an dieser Spiegelfläche reflektierten Lichtbündels kann auf einfache Weise die Lage des Spiegels 42 bestimmt werden, während der Träger 48 nicht für Licht durchlässig zu sein braucht.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker mit einem vorzugsweise flüssigen oder gasförmigen stimulierbaren Medium innerhalb eines optischen Resonators mit Spiegeln, deren optische Achsen parallel zueinander einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der eine der beiden Spiegel (42) an einem Trägerkörper (48) befestigt ist, dessen konisch verlaufender Teil in einer entsprechenden Öffnung eines Stützkörpers (46) um eine Achse (^4) drehbar und dicht eingepaßt ist, und daß ein konisch verlaufender Teil des Stützkörpers (46) seinerseits in einer entsprechenden Öffnung der Stirnwand (21) um eine Achse (B) drehbar und dicht eingepaßt ist, wobei die gedachten Drehachsen (A und B) einen spitzen Winkel α und die Spiegelachse (N) und die Drehachse (^4) einen spitzen Winkel β miteinander bilden.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel β größer oder gleich dem Winkel χ ist.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1 oder 2,

' dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Winkel α und β jeweils maximal 10°, vorzugsweise maximal 4°, betragen.

4. Optischer Sender nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Trägerkörper (48) aus einem optischen Material, z.B. Glas oder Quarz, besteht.

5. Optischer Sender nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (42) eben ist und daß der Trägerkörper (48) einen dem Spiegel (42) gegenüberliegenden ebenen Oberfläcnenteil (24) aufweist, der praktisch senkrecht zur einstellbaren Normalen N des Spiegels (42) verläuft.

6. Optischer Sender nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (42) durch einen spiegelnden Oberflächenteil des Trägerkörpers (48) gebildet wird. ■■

In Betracht gezogene Druckschriften:
Electronics vom 27.10.1961, S. 39 bis 47, insbesondere S. 45, Fig. 7B;

Radio Mentor, April 1962, S. 300 bis 308, insbesondere S. 304, Fig. 9.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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