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Optischer Sender oder Verstärker (Laser) Die Erfindung bezieht sich
auf einen optischen Sender oder Verstärker mit einem rotationssynimetrischen stimulierbaren
Kristallmedium, das auf einem Teilbereich seiner Außenfläche einer Anregungsstrahlung
ausgesetzt ist.
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Eine der zunehmend wichtigeren Weiterentwicklungen ist - aus
offensichtlichen Gründen - die Verbesserung des Leistungsführungsvermögens
von optischen Sendern oder Verstärkern mit stimulierbarem Kristallmedium. Um die
Leistung der stimuliert-emittierten Strahlung zu erhöhen, ist es notwendig, die
Leistung der Anregungsenergiequelle zu erhöhen, ebenso die Intensität der dem stimulierbaren
Medium zugeführten Anregungsenergie.
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Bei den bekannten optischen Sendern oder Verstärkern, bei denen die
Anregungsenergie von außen her in das stimulierb#are Kristallmedium eingeführt wird,
war. es bisher generell unvermeidlich, daß die Außenfläche des Kristallmediums in
unterschiedliehen Bereichen mit mehr oder weniger unterschiedlicher Anregungsstrahlungsintensität
beaufschlagt wird.
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Wie gefunden wurde, tritt dabei eine entsprechend ungleichförmige
Anregung des stimulierbaren Kristallmediums auf, so vor allem eine Vorzugsanregung
an denjenigen Stellen des Kristallmediums, welche mit höherer Anregungsstrahlungsintensität
als die übrigen beaufschlagt werden. Eine derartige erzeugte Vorzugsanregung führt
nun zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades (Verhältnis der Energie der stimuliert-emittlerten
Strahlung zur zugefÜhrten Anregungsstrahlungsenergie) des optischen Senders oder
Verstärkers.
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. Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Wirkungsgrad eines
optischen Senders oder Verstärkers der einleitend beschriebenen Art zu erhöhen.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet,
daß das stimulierbare Medium des optischen Senders oder Verstärkers um seine Achse
drehbar angeordnet ist, so daß nach einem Umlauf des Mediums seine gesamte Außenfläche
der Anregungsenergie gleichförmig ausgesetzt ist.
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Hierdurch wird jegliche Vorzugsanregung, d. h. eine ungleichförmige
Anregung, vermieden, welche bisher das Leistungsführungsvermögen eines solchen optischen
Senders oder Verstärkers verschlechterte.
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Da der Wirkungsgrad eines optischen Senders oder Verstärkers der in
Rede stehenden Art allgemein mit tieferen Betriebstemperaturen zunimmt, ist es auch
üblich geworden, das stimulierbare Kristallmedlum zu kühlen, z. B. in einer Glasröhre
od. dgl. unterzubringen und das Kühlmittel durch die Röhre zu schicken, so daß die
Außenfläche des stimulierbaren Kristallmediums im Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel
steht. Bei derartigen Kühlvorrichtungen muß jedoch das Kühlmittel mit ausreichender
Strömungsgeschwindigkeit zugeführt werden, um eine Blasenbildung auf der Außenfläche
des stimulierbaren Kristallmediums zu verhindern. Denn die Blasen verschlechtern
den thermischen Kontakt der Außenfläche des stimulierbaren Kristallmediums mit dem
Kühlmittel mit der Folge, daß lokale Überhitzungen entstehen, die unter Umständen
ein Schmelzen des stimulierbaren Kristallmediums verursachen. Auch werden die bei
einer solcherart erfolgenden Kühlung erzielten Vorteile zu einem wesentlichen Teil
wieder durch Reflexions- sowie Absorptionsverluste wettgemacht, die beim Passieren
der Anregungsstrahlung durch die Glasröhre sowie durch das Kühlmittel selbst hindurch
auftreten.
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Es ist auch bekannt, das stimulierbare Kristallmedium mit einer durchgehenden
Bohrung zu versehen, durch die ein Kühlmittel hindurchgeschickt wird. Aber auch
hier müßte das Kühltnittel mit unerwünscht hoher Geschwindigkeit hindurchgeschickt
werden, um jede Blasenbildung zu vermeiden. Des weiteren können mit einer solchen
Kühlung möglicherweise auftretende Blasen keinesfalls wirksam beseitigt werden,
da die schließlich von der Kühlmittelströmung abgelösten, unmittelbar längs der
Bohrungswandung
entlang streichenden Blasen grundsätzlich den gleichen schädlichen Effekt wie die
noch haftenden Blasen zeitigen werden.
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Es ist auch bekannt, eine durchgehende oder eine einseitig verschlossene
Bohrung im stimulierbaren Kristallmedium zu dem Zweck vorzusehen, hier die Anregungsenergiequelle
unterzubringen. Hierdurch entstehen aber ersichtlich unerwünschte Beschränkungen
hinsichtlich der Größe und damit des Leistungsführungsvermögens der Anregungsenergiequelle,
weil das stimulierbare Kristallmedium selbst aus den verschiedensten Gründen nicht
zu groß gemacht werden kann.
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Die obenerwähnte erfindungsgemäße Maßnahme zur Verbesserung des Wirkungsgrades,
nämlich das stimulierbare Kristallmedium um seine Achse rotieren zu lassen, ermöglicht
nun zugleich eine besonders vorteilhafte, betriebssichere und nichtsdestoweniger
einfache Kühlung des stimulierbaren Kristallmediums, wenn dasselbe, wie an sich
bekannt, mit einem Sackloch versehen wird.
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Hierzu ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß ein Kühlmittel
mittels eines Rohres zentral gegen den Boden des Sacklochs eingeführt wird, so daß
die durch die Drehung des Mediums ausgelösten Zentrifugalkräfte das Kühlmittel mit
gutem Wärmekontakt gegen die Innenwandung des Mediums drücken und das Kühlmittel
zwingen, aus dem Sackloch längs dessen Innenwandung nach außen abzufließen.
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Es werden daher unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft alle im
Kühlmittel vorhandenen und entstehenden Dampfblasen wegen ihres geringeren spezifischen
Gewichts von der Wandung des Sacklochs sofort abgedrängt und bewegen sich in Richtung
auf die Drehachse zu. Das Kühlmittel steht daher dauernd in ungestörtem Kontakt
mit der Innenwandung des Sacklochs, wodurch eine wirksame und ungehinderte Wärmeabfuhr
selbst bei nur mäßiger Kühlmittelzufuhr aufrechterhalten werden kann.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand einer in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsform beschrieben; es zeigt F i g. 1 eine teilweise schematisierte
Gesamtansicht eines optischen Senders oder Verstärkers und F i g. 2 a, 2
b, 2 c je Detailansichten der Anordnung nach F i g. 1 in Schräg-
bzw. Längsmittelschnittansicht.
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In F i -. 1 ist ein optischer Sender oder Verstärker
11 mit einem stimulierbaren Kristallmedium 16 dargestellt. Er dient
zum Erzeugen eines stimulierten phasenkohärenten monochromatischen Lichtstrahls
12. Das stimulierbäre Kristallmedium 16 ist als optischer Resonator
17 ausgebildet und in den F i g. 2 a bis 2 c im einzelnen dargestellt.
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Kristalline Medien, die sich für eine Lichtverstärkung durch stimulierte
Strahlungsemission eignen, sind z. B. Rubin, der aus mit stimulierbaren dreiwertigen
Chrom-Ionen dotiertem kristallinem Aluminium-Oxyd besteht, ferner Fluoride (CaF.)
mit eingebauten stimulierbaren Ionen, wie äreiwertige Uran- oder Neodym-Ionen, und
Scheelit (CaW04) mit eingebauten stimulierbaren Ionen, wie dreiwertigen Neodym-lonen.
Weitere Materialien sind ebenfalls bekannt.
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Der optische Resonator 17 ist im dargestellten Fall aus einem
stimulierbaren Einkristall 19 (F i g. 2 a bis 2 c) aufgebaut. Der
Kristall 19 hat eine Symmetrieachse 21 und eine hierzu rotationssymmetrische
Außenfläche 22. Der Kristall 19 ist des weiteren von seine Länge in Achsrichtung
bestimmenden Stirnflächen 24 und 26 begrenzt. Im Innem des Kristalls
19 ist ein Sackloch 27 vorgesehen, das von der Stirnfläche 24 aus
in das Innere des Kristalls koaxial zur Symmetrieachse 21 verläuft. Das Sackloch
ist durch eine Innenwandung 28 begrenzt, die sich aus einer Mantelfläche
29 und einer Bodenfläche 31 zusammensetzt. Die Stirnflächen 24 und
26 sind mit einem reflektierenden dielektrischen Material in der Weise belegt,
daß die Stirnfläche 24 vollständig reflektierend und die Stirnfläche 26 teilweise
reflektierend ist. Das Sackloch 27 kann eine Blindbohrung 36 sein,
die in den Kristall 19 so weit niedergebracht ist, daß ein dünner, zwischen
der Bodenfläche 31 der Bohrung und der Stirnfläche 26 gelegener Teil
38 des Kristalls 19 stehenbleibt (F i g. 2 a und 2
b). Es kann aber'auch (F i g. 2 c) eine durchgehende Bohrung
39 im Kristall 19 vorgesehen sein, die durch einen Stopfen 41, z.
B. einen Saphir-Stopfen, zur Bildung des Sacklochs 27
einseitig verschlossen
ist. Dieser Stopfen übernimmt daher die Funktion des dünnen Teils 38 des
Ausführungsbeispiels nach F i g. 2 a und 2 b.
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Der Kristall 19 ist innerhalb eines Reflektors 43 angeordnet
(F i g. 1). Der Kristall 19 ist mit einer Kühlmittelversorgungseinrichtung
44 verbunden, die den Kristall 19 während des Betriebs auf vorbestimmter
Betriebstemperatur hält. Der Reflektor 43 weist einen Mantel 46 mit reflektierender
Innenfläche 47 in Form eines Rotations-Ellipsoides auf, dessen beiden Brennpunkte
bei 48 und 49 liegen. Eine Quelle 51 optischer Anregungslichtstrahlung
52 ist im Brennpunkt 48 längs einer Linie 53 angeordnet, die senkrecht
zur Verbindungslinie 54 der beiden Brennpunkte 48 und 49 steht. Die Quelle
51 erzeugt hochintensives Anregungslicht 52, das im Brennpunkt 49
in Form einer Linie 56 fokussiert wird, die sich über die volle Länge des
Kristalls 19 erstreckt. Da das Anregungslicht 52 längs der Geraden
53 erzeugt und in Form der Linie 56 fokussiert wird, können die Brennpunkte
48 und 49 als Brennlinien 53 bzw. 56 angesehen werden, die die Brennpunkte
48 und 49 schneiden und senkrecht zur Geraden 54 stehen.
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Eine Spindel 61 hält den Kristall 19 innerhalb des Reflektors
43, wobei die Symmetrieachse 21 desselben mit der Brennlinie 56 zusammenfällt.
Die Spindel 61 wird mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Antriebsmechanismus,
beispielsweise mit bis zu 50 000 Umdrehungen pro Minute, angetrieben,
so daß der Kristall 19 um seine Symmetrieachse 21 gedreht wird. Hierdurch
wird die Außenfläche 22 des Kristalls 19 dem Anregungslicht 52 gleichförmig
ausgesetzt. Der Kristall 19 wird daher gleichmäßig angeregt undd erzeugt
im Wege einer stirnulierten Emission den kohärenten Lichtstrahl 12. Der Lichtstrahl
12 wird auf einen Gegenstand 63 fokussiert, der zur Bearbeitung in axialer
Ausrichtung zur Brennlinie 56
angeordnet ist.
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Die Kühlmittelversorgungseinrichtung 44 weist ein übliches Kühlsystern
184 auf, das flüssiges Kühlmittel 64 unter der Steuerung eines dessen Zufuhrmenge
regelnden Magnetventils 186 über eine Leitung 176
zu einer Leitung
66 liefert, um die gewünschte Betriebstemperatur des Kristalls
19 aufrechtzuerhalten. Beispielsweise sind 77' K eine für einen bei
6934 Ä
Wellenlänge stimuliert enüttierenden Rubinkristall als Betriebtemperatur
geeignet. Daher ist in diesem Fall
Stickstoff, der bei
771 K flüssig ist, als Kühlmittel geeignet.
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Die Leitung 66 verläuft durch die Spindel 61 hindurch
zur Blindbohrung 36 des Kristalls 19, setzt sich innerhalb der Blindbohrung
36 in Form einer bei 178
befestigten Hohlnadel 179 fort und
richtet den Kühlmittelstrom 64 gegen die Bodenfläche 31 der Blindbohrung
36. Die durch die Drehung des Kristalls 19
erzeugten Zentrifugalkräfte
bewirken dann eine Auswärtsströmung des Kühlmittels 64, wodurch dieses gegen die
Mantelfläche 29 der Bohrung gedrängt wird und anschließend, nach oben gerichtet,
aus der Blindbohrung 36 wieder herausströmt. Die während des Betriebs im
Kristall 19 erzeugte Wärme wird also auf das Kühlmittel 64 wirksam übertragen.
Die Drehgeschwindigkeit des Kristalls 19 und die Kühlmittelzufuhrmenge innerhalb
der Leitung 66 können so eingestellt werden, daß ein Kühlmittelaustrag aus
der Blindbohrung 36 in einer Menge erfolgt, die sicherstellt, daß ein Kochen
des Kühlmittels 64 und eine Blasenbildung an der Grenzfläche 68 zwischen
Kühlmittel und Innenwandung verhindert werden. Das Kühlmittel 64 strömt dann nach
oben aus der Blindbohrung 36 durch einen ringförmigen Rückflußweg
71 heraus, der teils durch die Spindel 61 und die Leitung
66, teils durch die Mantelfläche 29 der Bohrung 36 und die
Hohlnadel 179 gebildet ist. Vom Rückflußweg 71 fließt schließlich
das Kühlmittel 64 über eine Muffe 181 und eine Leitung 182 zum Kühlsystern
184 zurück.
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Das untere Ende 151 der Spindel 61 ist mit einer als
Fassung für den Kristall 19 dienenden öffnung 152 versehen, die mit
einer konischen Innnenfläche 153 der Spindel 61 in Verbindung steht.
Der Durchmesser der Öffnung 152 entspricht dem Außendurchmesser 34 des Kristalls
19. Der Kristall 19 wird in die Öffnung 152 bei Raumtemperatur
unter leichtem Preßsitz eingesetzt. Wenn dann der Kristall 19 auf die Betriebstemperatur
durch das Kühlmittel 64 abgekühlt wird, kühlt sich auch die Spindel 61 ab,
die einer größeren thermisichen Kontraktion als der Kristall 19 unterliegt,
wodurch die Öffnung 152 den Kristall 19 für seine Drehung sicher hält.
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In der öffnung 152 ist eine Ringnut 154 zur Aufnahme eines
Dichtungsringes 156 vorgesehen. Letzterer besteht zweckmäßig aus Polytetrafluoräthylen.
Zum Erhalt einer guten Dichtwirkung ist der Innendurchmesser des Dichtungsringes
156 kleiner als der Außendurchmesser 134 des Kristalls 19.
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Der optische Sender oder Verstärker 11 nach F i g. 1
weist des weiteren einen Rahmen 81 auf, der zur Halterung des Reflektormantels
46 in einer Lage vorgesehen ist, in der die Verbindungslinie 54 der Brennpunkte
48 und 49 etwa horizontal verläuft. Die reflektierende Innenfläche 47 ist durch
einen Reflexionsbelag gebildet, der ein dem Absorptionsspektrum des Kristalls
19 entsprechendes Reflexionsspektrum hat. Der Reflexionsbelag ist beispielsweise
Aluminium, so daß ein maximales Reflexionsvermögen hinsichtlich des Anregungslichtes
52 der Quelle 51 vorhanden ist, wenn als stimulierbarer Kristall ein
Rubin-Kristall verwendet wird.
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Die Lampe 82 der Anregungslichtquelle 51 ist innerhalb
eines Kühlwassermantels 83 montiert, und zwar so, daß ihre Mittelachse mit
der »Brennlinie« 53 des Reflektors 43 zusammenf ällt. Eine Stromversorgungsquelle
86 liefert die Energie für die Lampe 82 zur Erzeugung des Anregungslichtes
52, beispielsweise in Form von Lichtimpulsen 87, die eine solche Intensität
besitzen, daß bei ihrer Fokussierung auf den Kristall 19 dieser zu stimulierter
Emission angeregt wird. Kühlwasser 88 wird von einer Versorgungsquelle
89 dem Wassermantel 83 in erforderlichem Ausmaß zugeführt.
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Wird der Kristall 19 nicht gedreht, so werden verschiedene
Teile seiner Außenfläche mit verschiedenen Beleuchtungsflußdichten beaufschlagt.Daher
erfahren bestimmte Teile der Außenfläche des Kristalls 19 eine Vorzugsanregung.
Wenn andererseits der Kristall 19
gedreht wird, wird jeder dieser Teile während
jeder Umdrehung der gleichen mittleren Beleuchtungsflußdichte ausgesetzt. Hierdurch
erreicht man, daß praktisch alle Gebiete des Kristalls zur Stimulation gleichmäßig
angeregt werden, wodurch der Wirkungsgrad beachtlich zunimmt.
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Im einzelnen wird die Betriebstemperatur des Kristalls 19 von
einem Thermoelement 201 mit einem Temperaturfühler 202 überwacht, das am unteren
Ende 151 der Spindel 61 benachbart der öffnung 152
sitzt. Infolge
der Nähe der Meßstelle zum Kristall 19
ist die gemessene Temperatur der des
Kristalls 19
praktisch gleich. Ein Befestigungsring 203 legt den Temperaturf
ühler 202 an der Spindel 61 fest. Gegenüberliegende Leiter 204, die an der
Spindel 61 befestigt sind, führen das im Temperaturf ühler 202 erzeugte Signal
über einen Schleifring und eine Ab-
nahmebürste (nicht dargestellt) einem
Temperaturregelkreis 209 zu. Letzterer steuert in Abhängigkeit des zugeführten
Temperatursignals das Magnetventil 186 zur entsprechenden Regelung der Kühlmittelzufuhr
derart, daß die Temperatur des Kristalls 19 auf dem vorgeschriebenen Wert
bleibt.
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Da die Kühlung des Kristalls 19 von innen her erfolgt, kann
das Kühlmittel 64 nicht das von außen her dem Kristall 19 zugeführte Anregungslicht
52
dämpfen. Auch hierdurch wird ein größerer Wirkungsgrad ermöglicht. Die
hohe Kühlmittelflußgeschwindigkeit im Verein mit der hohen Kristallumdrehungszahl
von beispielsweise bis zu 50 000 Umdrehungen pro Minute verringert die Wahrscheinlichkeit,
daß innerhalb des Sackloches 27 im Kühlmittel 64 Blasen auftreten. Selbst
wenn sich hier im Kühlmittel Blasen bilden sollten, werden diese wegen ihrer im
Vergleich zur Dichte des Kühlmittels wesentlich kleineren Dichte sofort in Richtung
auf die Drehachse 21 gedrängt, also in einen Bereich, wo sie den an der Grenzfläche
68 stattfindenden Wärmeaustausch nicht stören.