DE1281065B

DE1281065B - Optischer Sender oder Verstaerker

Info

Publication number: DE1281065B
Application number: DEH58587A
Authority: DE
Inventors: Robert S Congleton; Lawrence H Ott
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1965-03-01
Filing date: 1966-02-17
Publication date: 1968-10-24
Also published as: US3399359A; GB1109202A; SE315053B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIs

Deutsche Kl.: 21 g - 53/00

Nummer: 1 281065

Aktenzeichen: P 12 81 065.0-33 (H 58587)

Anmeldetag: 17. Februar 1966

Auslegetag: 24. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender oder Verstärker mit einem stabförmigen stimulierbaren Medium, das in einem optischen Resonator und zugleich zusammen mit einer Anregungslichtquelle innerhalb einer Anregungskammer angeordnet ist, die mit einem wärmeleitenden Körper, der über einen sich in Längsrichtung erstreckenden Oberflächenabschnitt der Mantelfläche des von dem stimulierbaren Medium gebildeten Stabes einen Wärmeaustausch ermöglicht.

Es ist erforderlich, die Arbeitstemperatur des stimulierbaren Mediums zu regeln, weil bei einer zu geringen Temperatur des optischen Senders oder Verstärkers die Regelung des Sendeimpulses schwierig wird, während bei zu hohen Temperaturen die Intensität des ausgesendeten stimulierten Strahles abnimmt und darüber hinaus sogar die stimulierte Strahlung aufhören kann. Auf dem Gebiet der optischen Sender mit »Q-Schaltung«, wie sie beispielsweise in Ortungsgeräten Anwendung finden, hat es sich für einen wirksamen Betrieb als wesentlich herausgestellt, daß die Temperatur des Rubinstabes im Bereich von etwa 30° C ± 10° C gehalten wird, um bei hoher Folgefrequenz eine optimale Energieabgabe zu erhalten. Aus diesem Grunde wurde bereits vorgeschlagen, den stimulierbaren Stab mit einem wärmeleitenden Körper zu koppeln, der es ermöglicht, je nach Bedarf von diesem Stab Wärme abzuführen oder dem Stab Wärme zuzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Güte des thermischen Weges zu verbessern, der das stimulierbare Medium mit zum Wärmeaustausch dienenden Mitteln verbindet, ohne das stimulierbare Medium irgendwelchen mechanischen Spannungen auszusetzen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen dem stimulierbaren Stab und dem wärmeleitenden Körper eine dünne Schicht eines stabilen, glänzenden Metalls angeordnet wird, das einen hohen Wärmeleitungskoeffizienten und einen niedrigen Dampfdruck aufweist und bei der Betriebstemperatur des Stabes einen flüssigen Zustand annimmt, so daß es sowohl den Stab als auch den Körper benetzt. Durch diese flüssige Zwischenschicht wird zwischen dem stimulierbaren Medium und dem dem Wärmeaustausch (zur Wärmeabfuhr oder Wärmezufuhr) dienenden wärmeleitenden Körper ein außerordentlich guter Wärmekontakt geschaffen, ohne daß es erforderlich wäre, die entsprechenden Oberflächenabschnitte der Mantelfläche des Stabes und des wärmeleitenden Körpers mit äußerster Präzision aneinander anzupassen und hohe Anpreßdrücke aufzuwenden.

Optischer Sender oder Verstärker

Anmelder:

Hughes Aircraft Company,

Culver City, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Phys. R. Kohler

und Dipl.-Phys. H. Schwindling, Patentanwälte,

7000 Stuttgart, Hohentwielstr. 28

Als Erfinder benannt:
Lawrence H. Ott, Altadena, Calif.;
Robert S. Congleton,
Canoga Park, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 1. März 1965 (436 221) -

as Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet als stabiles glänzendes Metall Gallium Verwendung. Gallium ist ein silberweißes Metall und ist in einem sehr großen Temperaturbereich flüssig. Sein Schmelzpunkt beträgt 28,78° C und sein Siedepunkt 2403° C. Außerdem hat es selbst bei hohen Temperaturen einen sehr geringen Dampfdruck, der beispielsweise bei 1315° C nur 1 Torr beträgt. Gallium hat weiterhin für einfallendes Licht ein hohes Reflexionsvermögen und benetzt Metalle und andere Stoffe, einschließlich Rubin.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

F i g. 1 teilweise in Seitenansicht und teilweise im Schnitt einen optischen Sender nach der Erfindung, F i g. 2 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 1,

F i g. 3 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines optischen Senders nach der Erfindung und

F i g. 4 einen Querschnitt durch den optischen Sender nach Fig. 3.

Der optische Sender 11 nach den F i g. 1 und 2 enthält als stimulierbares Medium einen Rubinstab 13, der in einem optischen Resonator angeordnet ist, der von zwei Silberspiegeln 15 gebildet wird, von denen in F i g. 1 nur einer dargestellt ist. Diese Silberspiegel

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bestehen jeweils aus einer auf die Stirnflächen des Mantelfläche des Rubinstabes 13 in gutem Wärme-Stabes 13 aufgebrachten Silberschicht. Der optische kontakt mit der Anregungskammer 25, so daß eine Resonator könnte statt dessen auch von zwei üblichen ausreichende Wärmemenge abgeführt werden kann, äußeren Spiegeln gebildet werden, die die stimulierte um den Rubinstab 13 mit einer hohen Folgefrequenz Strahlung reflektieren und die Stimulation unterhal- 5 betreiben zu können. Bei dieser Ausführungsform der ten. Wenigstens einer der beiden Spiegel 15 ist teil- Erfindung dient die Struktur der Anregungskammer weise durchlässig, um den Austritt eines brauchbaren 25 selbst als Wärmesenke für den Rubinstab und wird Ausgangssignals zu ermöglichen. Der optische Sender ihrerseits an der Außenfläche mit üblichen Mitteln 11 weist weiterhin eine übliche, rohrförmige Xenon- gekühlt, beispielsweise durch Verdampfen eines Kühl-Blitzlampe 17 als Quelle für die Anregungsenergie io mittels im Bereich der Kühlrippen 27. auf, die parallel zu dem Rubinstab 13 in dessen Nähe Der Rubinstab 13 und die Blitzlampe 17 sind bei angeordnet ist. Die Lampe 17 hat an ihren beiden diesem Ausführungsbeispiel dicht nebeneinander anEnden Elektrodenanschlüsse 19, die mit einer nicht geordnet und daher wärmemäßig »eng gekoppelt«, näher dargestellten elektrischen Energiequelle ver- wie es in der Technik der optischen Sender zur Erbindbar sind, beispielsweise einer Kondensatorbatte- 15 zielung eines hohen Anregungswirkungsgrades berie oder einem bekannten Impulsgenerator. Die Blitz- kannt ist. Dieser Vorteil wird hier mit dem Vorteil lampe 17 enthält Elektroden 21, von denen nur eine kombiniert, der durch die Anwendung von Gallium dargestellt ist, die an jedem Ende der Lampe ange- 41 zwischen dem Rubinstab 13 und der Anregungsordnet sind und mittels Drähten 23 mit den Anschlüs- kammer 25 angeordnet ist, um eine Vorrichtung mit sen 19 verbunden sind. Der Rubinstab 13 und die 20 erhöhter Wirksamkeit zu schaffen. Blitzlampe 17 sind von einer aus Aluminium be- Bei einem optischen Sender der Ausführungsform stehenden Anregungskammer 25 umschlossen, die an nach den Fig. 3 und 4 findet als stimulierbares ihrer Außenseite eine Anzahl von Kühlrippen 27 und Medium ein zylindrischer Stab 111 aus mit Chrom eine hochreflektierende, polierte Innenfläche 29 auf- dotiertem Saphir (rosa Rubin) Verwendung. Der weist. Die Anregungskammer 25 ist außerdem mit 35 stimulierbare Stab ist wieder in einem optischen Reeiner Nut 31 versehen, die so gestaltet ist, daß sie sonator angeordnet, der durch zwei reflektierende einen sich über die Länge des Rubinstabes 13 erstrek- Silberspiegel 113 begrenzt wird, die auf die beiden kenden Oberflächenabschnitt der Mantelfläche dieses Enden des Stabes aufgebracht sind. Die eine der Stabes aufnimmt. Der Stab 13 wird mit Hilfe von reflektierenden Flächen 113 wird von einem etwas Bohrungen 33, in die seine Enden eingreifen, mit der 30 stärkeren Silberniederschlag gebildet als die andere, Oberfläche der Nut 31 in Berührung gehalten. Die so daß sie weniger Licht als die andere durchläßt. Der Bohrungen 33 sind in Endstücken 35 angeordnet, die stab 111 ist längs einer Brennlinie der polierten, ellipmit Hilfe von Schrauben 37 an der Kammer 25 befe- tischen Zylinderspiegelfläche 115 einer als Alumistigt sind. Die Endstücke 35 sind außerdem mit Boh- nium bestehenden Anregungskammer 117 angeordrungen 39 versehen, die dazu dienen, die Blitzlampe 35 net. Längs der anderen Brennlinie dieser Kammer ist 17 in geringem Abstand parallel zum Rubinstab 13 zu eine geradlinige Entladungsblitzlampe 119 angeordhalten. Wie erwähnt, besteht die Anregungskammer net, die die zur Anregung benötigte Lichtenergie 25 aus Aluminium, jedoch könnte statt dessen auch liefert und in nicht näher dargestellter Weise an eine ein anderes gut wärmeleitendes Material verwendet geeignete Impulsquelle angeschlossen ist. Der Stab werden. 40 Ul wird im wesentlichen auf seiner ganzen Länge Zur Herstellung eines guten thermischen Kontaktes von einem wärmeleitenden Träger 121 gehalten, der zwischen dem stimulierbaren Stab 13 und der Nut 31 durch eine entsprechende Öffnung 123 aus der Kamder Anregungskammer 25 ist zwischen dem Stab und mer 117 hinausragt. Die öffnung 123 ist auf der der der Oberfläche der Nut eine dünne Schicht eines sta- Lampe 119 abgewandten Seite des stimulierbaren bilen glänzenden Metalls 41 angeordnet, beispiels- 45 Stabes 111 angebracht. Der Träger 121 ist an seinem weise eine Schicht aus Gallium oder einer Gallium- außerhalb der Anregungskammer 117 liegenden AbLegierung. Um jeden möglichen Angriff des Galliums schnitt mit Rippen 131 versehen, die eine außer^rlb auf das Aluminium der Anregungskammer 25 auszu- der Kammer liegende Wärmeaustauschfläche bilden, schalten, ist die Oberfläche der Nut 31 mit einer dün- Um zwischen dem Stab 111 und dem Träger 121 nen Schicht eines wärmeleitenden Metalls 43 be- 50 einen besseren Wärmekontakt zu schaffen, sind in der schichtet, das gegen Angriffe des Galliums beständig oben beschriebenen Weise zwischen dem Stab 111 ist. Die Schicht 43 kann beispielsweise aus Nickel, und der Nut, die an dem oberen, dem Stab benach-Rhodium oder einer Kombination von Nickel und barten Rand 125 des Trägers 121 angebracht ist, die Rhodium bestehen. Die Dicke der Schicht 41 aus dem an Hand der F i g. 1 und 2 beschriebenen Metallstabilen glänzenden Metall kann etwa 5 tun betragen, 55 schichten 41 und 43 angeordnet, während die Schutzschicht etwa 0,25 um dick sein Wenn im Betrieb die Blitzlampe 119 gezündet kann. Wegen dieser geringen Abmessungen sind diese wird, fällt im wesentlichen die gesamte Menge ihrer Schichten in der Zeichnung nicht im einzelnen dar- Lichtenergie direkt oder nach Reflexion auf den gestellt. Die Schutzmetallschicht 43 ist dann nicht stimulierbaren Stab 111 ein, und es wird dessen Enererforderlich, wenn die Pumpkammer 25 selbst aus 60 gie in einen überbesetzten Anregungszustand angeeinem Material besteht, das gegen Gallium wider- hoben. Nach einer solchen Anregung entlädt der standsfähig ist. Die Galliumschicht 41, die sehr gute Rubin die gespeicherte Energie als intensiven Strahl Reflexionseigenschaften hat, ist von sehr großem Vor- monochromatischen und kohärenten Lichtes, der teil, weil sie dem Mantelabschnitt des stimulierbaren gewöhnlich von extrem kurzer Dauer ist, durch Stabes 13, der mit der Nut 31 in Berührung steht, 6g wenigstens eine der beiden reflektierenden Fläeine spiegelartige Oberfläche verleiht, wodurch der chenll3.

Anregungswirkungsgrad erhöht v/ird. Außerdem Durch Absorption der von der Lampe 119 abhält sie den entsprechenden Oberflächenabschnitt der gegebenen Licht- und Wärmeenergie steigt die

Temperatur des Rubinstabes IH an. Durch die Anwendung des beschriebenen wärmeleitenden Pfades zwischen dem Stab 111 und dem Träger 121 kann jedoch die Temperatur des Stabes 111 während des Betriebes in einen gewünschten Temperaturbereich eingestellt werden.

Bei der in den F i g. 3 und 4 dargestellten Vorrichtung hat der stimulierbare Stab einen Durchmesser von etwa 6 mm und eine Länge von etwa 65 mm und ist über den oberen, mit einer Nut versehenen Rand 125 mit einer als Träger 121 dienenden Kupferplatte verbunden, die eine Dicke von etwa 2,2 mm aufweist. Dieser kupferne Träger 121 dient in Verbindung mit der Schicht 41 aus glänzendem Metall und der dünnen Schicht 43 aus Schutzmetall als ein in zwei Riehtungen wirkender wärmeleitender Pfad zwischen dem Stab 111 und dem zum Wärmeaustausch dienenden Abschnitt mit den Rippen 131.

Wenn unter bestimmten Betriebsbedingungen nur eine mäßige Kühlung erforderlich ist, kann das ao Herausragen einer ziemlich großen Fläche des Trägers 121 aus der Anregungskammer 117 ausreichend sein; es werden dann keine Kühlrippen 131 benötigt. Wenn jedoch eine hohe Kühlleistung oder eine Regelung des Temperaturbereiches erforderlich ist, kann as der Träger 121 mit einem üblichen Wassermantel oder bekannten thermoelektrischen Kühlmitteln versehen sein.

Die Galliumschicht 41 befindet sich im gesamten Bereich der Arbeitstemperaturen des stimulierbaren Mediums im flüssigen Zustand. Bei Temperaturen von 30 ⁰C und mehr ist Gallium flüssig. Um die flüssige Phase auf einen Temperaturbereich unter 30 ⁰C zu erstrecken, kann das Gallium mit geringen Mengen von Indium oder Zinn legiert werden. Eine Gallium-Indium-Legierung mit einem Legierungsverhältnis von 85 :15 Gewichtsteilen schmilzt bei etwa 20 ⁰C. Bei etwa der gleichen Temperatur schmilzt auch eine Gallium-Zinn-Legierung mit einem Gewichtsverhältnis von 97:3. Daher können auch solche Legierungen an Stelle von reinem Gallium verwendet werden.

Ein anderes Material, das ebenso Verwendung finden könnte, ist eine Gallium-Lithium-Legierung.

Bei Laboratoriumsversuchen zur Bestimmung des thermischen Widerstandes der Kontaktstelle zwischen dem Rubin und dem Träger mit und ohne Gallium wurde ein Rubin von etwa 6 mm Durchmesser und etwa 65 mm Länge in gutem, trockenem Kontakt an einem kupfernen Träger befestigt. Der Rubin wurde mit einer geeichten Quelle erwärmt, um die Erwärmung während des Betriebes nachzuahmen. Der Wärmefluß erfolgte von dem Rubin über die Verbindungsstelle zu dem Träger und dann zu einer wassergekühlten Wärmesenke. Nachdem sich ein Wärmegleichgewicht eingestellt hatte, wurden die Temperaturen an wichtigen Stellen mit Hilfe von sieben Thermoelementen gemessen. Es wurde festgestellt, daß der Wärmewiderstand des trockenen Überganges 4,3 ⁰C pro W/cm² betrug, während der thermische Widerstand bei der Verwendung von Gallium, das sowohl den Rubin als auch den Träger benetzte, nur etwa 2,1 ⁰C pro W/cm² betrug.

Die vorstehend beschriebene Verwendung von Gallium oder seiner Legierungen vermindert demnach den thermischen Widerstand zwischen dem stimulierbaren Medium und seiner Wärmesenke. Weitere Vorteile bestehen darin, daß ein wünschenswerter Flüssigkeitskontakt erzielt wird, da der Schmelzpunkt des Galliums oder seiner Legierungen unterhalb des Bereiches der Betriebstemperaturen des stimulierbaren Rubinstabes liegt, daß der Dampfdruck des Galliums außerordentlich niedrig ist und daher keine Gefahr eines Verdampfens besteht, das zu einer Verunreinigung der Kammer führen könnte, daß das Gallium sowohl den Rubin als auch das Metall benetzt und daher von der Verbindungsstelle durch Stöße oder Vibrationen nicht leicht entfernbar ist und daß es eine gute reflektierende Oberfläche bildet und daher das Licht in das stimulierbare Medium zurückleitet.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern Abweichungen davon möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere ist die Erfindung auch anwendbar, wenn andere feste stimulierbare Medien als Rubin Anwendung finden. Bei von den Ausführungsbeispielen abweichenden Ausführungsformen der Erfindung können einzelne der Erfindungsmerkmale für sich oder mehrere in beliebiger Kombination Anwendung finden.

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker mit einem stabförmigen stimulierbaren Medium, das in einem optischen Resonator und zugleich zusammen mit einer Anregungslichtquelle innerhalb einer Anregungskammer angeordnet ist, die mit einem wärmeleitenden Körper versehen ist, der über einen sich in Längsrichtung erstreckenden Oberflächenabschnitt der Mantelfläche des von dem stimulierbaren Medium gebildeten Stabes einen Wärmeaustausch ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem stimulierbaren Stab (13) und dem wärmeleitenden Körper (25, 31) eine dünne Schicht (41) eines stabilen, glänzenden Metalls angeordnet ist, das einen hohen Wärmeleitungskoeffizienten und einen niedrigen Dampfdruck aufweist, bei der Betriebstemperatur des Stabes einen flüssigen Zustand annimmt und sowohl den Stab als auch den wärmeleitenden Körper benetzt.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stabile, glänzende Metall Gallium oder eine Galliumlegierung ist.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das stabile, glänzende Metall von einer Gallium-Zinn-, Gallium-Indium- oder Gallium-Lithium-Legierung gebildet wird.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche., dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeleitende Körper von der vorzugsweise aus Aluminium bestehenden Anregungskammer (25) gebildet wird, daß der genannte Oberflächenabschnitt des Stabes (13) in eine entsprechende Längsnut (31) an der Innenseite der Anregungskammer eingebettet ist und daß das stabile, glänzende Metall als dünne Schicht (41) zwischen dem Stab und der Oberfläche der Nut angeordnet ist.

5. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeleitende Körper von

einer vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Tragplatte (121) gebildet wird, die mit einem Rand (125) den Stab (111) längs des gesamten Oberflächenabschnittes abstützt, daß die Tragplatte gegenüber der Anregungskammer (117) thermisch isoliert ist und aus der Anregungskammer hinausragt und daß das stabile, glänzende Metall als dünne Schicht (41) zwischen dem Rand der Platte und dem Stab angeordnet ist.

6. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem wärmeleitenden Körper (25, 31) und der Schicht (41) des

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stabilen, glänzenden Metalls eine dünne Schutzschicht (43) aus einem wärmeleitenden Werkstoff angeordnet ist, die mit dem Körper und der glänzenden Metallschicht in Berührung steht und gegenüber dem stabilen, glänzenden Metall beständig ist.

7. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (43) aus Nickel, Rhodium oder einer Kombination der beiden Metalle besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1879 666.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 628/1418 10.68 Θ Bundesdruckerei Berlin