DE1439245C3

DE1439245C3 - Arrangement for cooling a laser

Info

Publication number: DE1439245C3
Application number: DE19631439245
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Phys. Dr. Andress; Heinz Dipl.-Phys. Dr. Froehlich; Ingo Dipl.-Phys. Pritsching
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-06-01
Filing date: 1963-06-01
Publication date: 1974-03-14
Also published as: DE1439245B2; DE1439245A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Kühlen eines Lasers hoher Leistung mit optischer Anregung des stimulierbaren Mediums, das ebenso wie die Anregungslichtquelle von Kühlmittel umströmt ist, wobei im Raum zwischen Anregungslichtquelle und stimulierbarem Medium vorbeiströmende Filtersubstanzen zum Ausfiltern derjenigen Anteile der Anregungsstrahlung vorgesehen sind, die für die optische Anregung nicht ausgenutzt werden können.The invention relates to an arrangement for cooling a high power laser with optical Excitation of the stimulable medium, which like the excitation light source of coolant is flowed around, with flowing past in the space between the excitation light source and the stimulable medium Filter substances are provided for filtering out those portions of the excitation radiation that cannot be used for optical excitation.

Die meisten bekannten Lasersubstanzen arbeiten bei Temperaturen der Größenordnung von 70° K und tiefer am besten, weil eine spontane, also nicht induzierte Emission mit tieferen Temperaturen seltener wird. Bei tieferen Temperaturen kann deshalb bei gleicher Anregungsenergie eine größere Umkehr der Besetzungsdichte erreicht werden. Da der Wirkungsgrad, mit dem die Anregungsenergie vom Laser in die gewünschte Lichtenergie umgesetzt wird, meist klein ist, ergibt sich bei einem Laser hoher Leistung und beim stetigen Betrieb die Notwendigkeit, für ausreichende Kühlung zu sorgen. Bei stetigem Betrieb können beispielsweise Kühlleistungen um 30 kW erforderlich werden.Most known laser substances work at temperatures of the order of 70 ° K and lower is best, because a spontaneous, i.e. not induced emission with lower temperatures is less common will. At lower temperatures, a greater reversal can therefore occur with the same excitation energy the occupation density can be achieved. Because the efficiency with which the excitation energy from the laser is converted into the desired light energy, which is usually small, results in a high-power laser and in continuous operation the need to ensure adequate cooling. With constant operation For example, cooling capacities of around 30 kW may be required.

Es sind Kühleinrichtungen bekannt, die das stimulierbare Medium mittels flüssigen, auf die Temperatur des Stickstoffs unterkühlten Sauerstoffs kühlen. Diese Kühlmaßnahme ist aufwendig, wenn größere Kühlleistungen erforderlich sind. Da die als Anregungslichtquelle verwandten Gasentladungslampen wesentlich zur Erwärmung beitragen, sind auch schon absorbierende Filtersubstanzen um das stimulierbare Medium angeordnet worden. Diese Filter sollen vom stimulierbaren Medium Strahlungen solcher Frequenz abhalten, die nicht zum Anregen (Pumpen) bzw. für die induzierte Emission beitragen und deren Energie sich in dem stimulierbaren Medium in Wärmeenergie umsetzen würde. Um die so vor dem stimulierbaren Medium entstehende Wärme abzuführen und das Kühlmittel des stimulierbaren Mediums nicht zusätzlich zu belasten, verwendet man flüssige, durchlaufende Filtersubstanzen. Hierzu werden relativ große Mengen der Filtersubstanz benötigt. There are cooling devices known that the stimulable medium by means of liquid, to the temperature of the nitrogen to cool the supercooled oxygen. This cooling measure is expensive if larger Cooling capacities are required. As the gas discharge lamps used as the excitation light source make a significant contribution to warming, there are also absorbing filter substances around the stimulable Medium has been arranged. These filters are supposed to emit radiation from the stimulable medium Keep frequencies that do not contribute to the excitation (pumping) or to the induced emission and whose energy would be converted into thermal energy in the stimulable medium. To the so To dissipate heat generated in front of the stimulable medium and the coolant of the stimulable In order not to burden the medium additionally, liquid, continuous filter substances are used. For this relatively large amounts of the filter substance are required.

Aus »Physical Review«, Bd. 126, Nr. 4 vom 15. 5. 1962, S. 1406 bis 1409, ist bekannt, daß man durch Ausfiltern des ultravioletten Anteils aus dem Spektrum des Anregungslichtes einen stetigen Laserbetrieb erreichen kann. Nach aus den deutschen Auslegeschriften 1 158 629 und 1 162 480 bekannten früheren Vorschlägen können zu diesem Zweck optischeFrom "Physical Review", Vol. 126, No. 4 of May 15, 1962, pp. 1406 to 1409, it is known that through Filtering out the ultraviolet portion from the spectrum of the excitation light a steady laser operation can reach. According to earlier known from the German Auslegeschriften 1 158 629 and 1 162 480 Proposals can be optical for this purpose

ίο Filter zwischen der Anregungslichtquelle und dem stimulierbaren Medium angeordnet werden, um die - auf das Medium auffallende ultraviolette Energie zu begrenzen. Eine Überheizung der als Anregungslichtquelle dienenden Gasentladungslampen kann durch Wasserkühlung verhindert werden.ίο Filter between the excitation light source and the stimulable medium are arranged in order to the - on the medium incident ultraviolet energy limit. Overheating of the gas discharge lamps used as the excitation light source can result Water cooling can be prevented.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung der stimulierbaren Medien in Lasern der eingangs genannten Art zu verbessern. Sie beruht auf der Erkenntnis, daß die Kühlung wesentlich verbessert werden kann, wenn die nicht benötigte Strah-' lungsleistung bereits dort abgeführt werden kann, wo sie entsteht, nämlich an der Anregungslichtquelle.The invention is based on the object of cooling the stimulable media in lasers to improve the type mentioned at the beginning. It is based on the knowledge that the cooling improves significantly can be if the radiation power that is not required can already be dissipated there where it arises, namely at the excitation light source.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß erstens dem Kühlmittel für die Anregungslichtquelle Filtersubstanzen beigegeben sind und zweitens dieses Kühlmittel von einem reflektierenden Filter umschlossen ist.According to the invention, this object is achieved in that, firstly, the coolant for the excitation light source Filter substances are added and, secondly, this coolant from a reflective Filter is enclosed.

Die reflektierenden Filter können z. B. aus festen Interferenzschichten auf Quarzwandungen bestehen oder aus einer flüssigen Reflexionsschicht zwischen zwei Wandungen. Es bietet mitunter Vorteile, um die Anregungseinrichtung koaxial Kühlstufen (Kühlmittel mit Filtersubstanz, reine Kühlmittel, Filtersubstanzen und reflektierende Schichten) anzuordnen.The reflective filters can e.g. B. consist of solid interference layers on quartz walls or from a liquid reflective layer between two walls. It sometimes offers advantages to the Excitation device coaxial cooling stages (coolant with filter substance, pure coolant, filter substances and reflective layers).

Verstärkereinrichtungen mit Lasern können nach einem aus der deutschen Auslegeschrift 1 158 629 bekannten früheren Vorschlag so aufgebaut sein, daß in einer Brennachse eines elliptischen Gehäuses die Achse einer optischen Anregungslichtquelle und in der anderen Achse die des stimulierbaren Mediums angeordnet ist.Amplifier devices with lasers can according to one known from German Auslegeschrift 1 158 629 earlier proposal be so constructed that in a focal axis of an elliptical housing the Axis of an optical excitation light source and the other axis that of the stimulable medium is arranged.

Mit der Anordnung nach der Erfindung wird erreicht, daß die Wärmestrahlung und die Energie des für das stimulierbare Medium nicht verwendbaren Frequenzbereiches weitgehend mit der wirtschaftlicheren und einfacheren Kühlung bei höheren Temperaturen mit Hilfe an sich bekannter Kühlmittel wirksam weggekühlt wird.
Neben der Kühlung der Anregungseinrichtung gemaß der Erfindung läßt sich das stimulierbare Medium durch ein an sich bekanntes Kühlverfahren kühlen, an das jetzt aber wesentlich geringere Anforderungen bezüglich der Kühlleistung zu stellen sind. Daraus folgen geringerer Aufwand und weitgehende Freizügigkeit in der Wahl der Kühlmittel. Die Anordnung nach der Erfindung erlaubt, die Betriebstemperatur der einzelnen Kühlstufen so einzustellen, daß man jeweils im optimalen Arbeitsbereich liegt.
Als Filtersubstanzen kommen alle Stoffe in Frage, die im Spektralbereich der wegzufilternden Strahlung ausreichend starke Absorptionsbande besitzen und dabei aber im Bereich der verwertbaren Linien des Anregungslichtes möglichst durchlässig sind. Geeignet sind z. B. Kupfersulfat und Kaliumchromat im Wasser dissoziiert. Das Wasser ist gleichzeitig zum Kühlen gut geeignet. Ohne Wasser als Kühlmittel sind auch organische Flüssigkeitsfilter geeignet.
Für reflektierende Filter, die z.B. auf ein dasWith the arrangement according to the invention it is achieved that the thermal radiation and the energy of the frequency range that cannot be used for the stimulable medium is largely effectively cooled away with the more economical and simpler cooling at higher temperatures with the aid of known coolants.
In addition to the cooling of the excitation device according to the invention, the stimulable medium can be cooled by a cooling method known per se, but which now has to meet significantly lower requirements with regard to the cooling capacity. This results in less effort and extensive freedom in the choice of coolant. The arrangement according to the invention allows the operating temperature of the individual cooling stages to be set so that one is in the optimal working range in each case.
Suitable filter substances are all substances which have sufficiently strong absorption bands in the spectral range of the radiation to be filtered away, but which are as transparent as possible in the range of the usable lines of the excitation light. Suitable are e.g. B. copper sulfate and potassium chromate dissociated in water. The water is also well suited for cooling. Organic liquid filters are also suitable without water as a coolant.
For reflective filters that e.g.

3 43 4

Kühlmittel umschließendes Quarzrohr aufgetragen Strahlung wird dann z. B. durch eine als Spiegel wirsein können, eignen sich als Interferenzfilter wir- kende Versilberung oder durch einen Aluminiumkende dünne Schichten von Stoffen, wie z.B. Bari- spiegel elliptischer Oberfläche9 des Anregungsrauumtitanat. Solche Interferenzfilter sind nur in einem mes 2 in der zweiten Brennlinie der Schnittellipse geschmalen Frequenzbereich durchlässig, wo sich die 5 sammelt. Auf der spiegelnden Schicht kann eine die an Vorder- und Rückseite der Schicht reflektierten nicht verwerteten Frequenzbereiche filternde Schicht Anteile der Strahlung durch Interferenz auslöschen. 10 aufgebracht werden, die wieder ein Interferenzfil-Solche Filter absorbieren selbst praktisch keine ter sein kann. Mitunter ist es vorteilhaft, den Raum 2 Energie, sondern reflektieren im übrigen in weiten von einem die genutzten Frequenzen durchlassenden Bereichen die unerwünschte Strahlung. Die optische io Kühlmittel, wie Stickstoffgas, durchströmen zu las-Dicke einer solchen Schicht wäre im einfachsten Fall sen. Bei nicht so hoher Anforderung an die Kühllei-Coolant enclosing quartz tube applied radiation is then z. B. we be through one as a mirror silver plating or an aluminum edge are suitable as an interference filter thin layers of materials, such as bar mirror elliptical surface9 of the excitation room titanate. Such interference filters are only narrowed in a mes 2 in the second focal line of the cut ellipse Frequency range permeable where the 5 collects. On the reflective layer a die can Unused frequency ranges, which are reflected on the front and back of the layer, filtering layer Eliminate parts of the radiation through interference. 10 are applied, which again has an interference fil-Such Filters themselves absorb practically no ter. Sometimes it is advantageous to use room 2 Energy, but also reflect to a large extent from one that allows the frequencies used to pass through Areas the unwanted radiation. The optical io coolant, such as nitrogen gas, flow through to las-thickness such a layer would be sen in the simplest case. If the demands on the cooling line are not so high

X z.B. bei einem Rubin-Laser, der mit Licht von «tung ist es zweckmäßig, den Raum2 zu evakuieren,X e.g. with a ruby laser, which with light from the direction it is advisable to evacuate room 2,

4 ' ' um ein Betauen von Wandungen zu verhindern, da4 '' to prevent condensation on walls, there

rund 400 nm angeregt werden kann, etwa 100 nm. sonst Störungen verursacht werden könnten. Aucharound 400 nm can be excited, around 100 nm. Otherwise interference could be caused. Also

Durch geeignete Schichtkombination können so 15 sonst wird ein Betauen von Wandungen vermieden, alle Energien reflektiert werden, deren Frequenzbe- wenn solche Kühlmittel verwendet werden, die innerreiche im stimulierbaren Medium nicht verwertbar halb des Temperaturgradienten zwischen der Kühlsind. Die reflektierenden Filter können auf mehrere einrichtung der Anregungslichtquelle und derjenigen Kühlstufen verteilt sein, so daß in jeder Stufe ein an- für das stimulierbare Medium keine Ausbildung derer Frequenzteil der nicht nutzbaren Strahlung re- 20 eines Zweiphasen-Zustandes zeigen. Koaxial um das flektiert und weggekühlt wird. Durch geeignete ab- stimulierbare Medium 4 ist ein reflektierendes FiI-sorbierende Filtersubstanzen im Kühlmittel lassen ter 8 angeordnet, und der Zwischenraum 7 ist von sich diese Energien in beliebiger Höhe wegkühlen. einem Kühlmittel zur Gewährleistung der erforderli-Dadurch kann die Anregungslichtquelle bei optima- chen Betriebstemperatur für das stimulierbare Meier Arbeitstemperatur betrieben werden. 25 dium durchflossen. Dazu ist z. B. flüssiger SauerstoffA suitable combination of layers can otherwise avoid condensation on walls, all energies are reflected, the frequency of which if such coolants are used that are not usable within the stimulable medium within the temperature gradient between the cooling. The reflective filters can be applied to several devices of the excitation light source and the one Cooling stages be distributed so that in each stage there is no training for the stimulable medium whose frequency part of the unusable radiation shows re 20 a two-phase state. Coaxial around the is flexed and chilled away. A reflective film is absorbent by means of a suitable stimulable medium 4 Filter substances in the coolant leave ter 8 arranged, and the space 7 is from these energies cool themselves away in any amount. a coolant to ensure the necessary the excitation light source can be used at the optimum operating temperature for the stimulable Meier Operating temperature. 25 medium flowed through. For this purpose z. B. liquid oxygen

Die weitere Erläuterung der Erfindung soll an geeignet. InThe further explanation of the invention is intended to be appropriate. In

Hand schematischer Schnittzeichnungen einer geeig- F i g. 2 ist unter einer vergrößerten schematischenHand schematic sectional drawings of a suitable F i g. 2 is below an enlarged schematic

neten Anregungsanordnung durchgeführt werden, bei Darstellung der Anregungslichtquelle 3 aus F i g. 1 inNeten excitation arrangement can be carried out with the illustration of the excitation light source 3 from FIG. 1 in

der Ausführungsbeispiele einer Kühlanordnung nach einem Diagramm zwischen der Ordinate mit aufge-of the exemplary embodiments of a cooling arrangement according to a diagram between the ordinate with

der Erfindung dargestellt sind. 30 tragener Temperatur T und dem auf der Abszisseof the invention are shown. 30 temperature T and that on the abscissa

F i g. 1 zeigt ein Gehäuse 1, das gemäß 9 einen In- aufgetragenen Radius r der Temperaturverlauf im ru-F i g. 1 shows a housing 1 which, according to FIG.

nenraum2 in Form eines elliptischen Hohlzylinders henden Kühlmittel zwischen der Anregungslicht-nenraum2 in the form of an elliptical hollow cylinder standing coolant between the excitation light

umschließt, der stirnseitig durch planparallele Ab- quelle 3 und dem reflektierenden Filter 6 skizziert,encloses, which is sketched on the front side by plane-parallel source 3 and the reflective filter 6,

deckungen unter und über der Zeichenebene als ab- Man erkennt im Wiederanstieg der Temperatur nachCoverings below and above the plane of the drawing can be seen in the rise in temperature

geschlossen zu denken ist. In den beiden Brennlinien 35 einem Minimum vor dem Filter 6 die Erwärmungis to be thought closed. In the two focal lines 35 a minimum in front of the filter 6 is the heating

durch die Brennpunkte der Schnittellipse liegt in der durch Absorption vom Filter 6 reflektierter, nichtdue to the focal points of the cut ellipse, the one reflected by absorption by the filter 6 is not

Zeichnung links die Achse einer Anregungslicht- nutzbarer Strahlung. InDrawing on the left shows the axis of a radiation that can be used for excitation light. In

quelle 3, wozu Gasentladungslampen geeignet sind, F i g. 3 sind um eine Anregungslichtquelle 3 nach und ist rechts die Achse des stabförmigen stimulier- Fig. 1 weitere Kühlstufen mit einem Kühlmittel 11, baren Mediums 4 angeordnet. Als stimulierbares Me- 40 dem Filtersubstanzen beigegeben sein können, und dium eignen sich z.B. bekanntlich Kalzium-Wolfra- einem reflektierenden Filter 12 vorgesehen,
mat, das mit seltenen Erden dotiert ist, oder auch mit Mit einer Anordnung zur Kühlung nach der Erfin-Chromionen Cr³ dotierte Rubinkristalle sowie auch dung ergibt sich eine vielfältige Anforderungen ententsprechend dotierte Gläser. Die Anregungslicht- sprechende Kühlung. Man ist in der Lage, Filter verquelle 3 ist gemäß der Erfindung in einem koaxialen 45 schiedener Art mit verschiedenen Kühlmitteln nach Raum 5 von einem Kühlmittel umströmt, das Filter- Gesichtspunkten der chemischen Verträglichkeit und Substanzen zur Ausfilterung der für das stimulierbare Wirtschaftlichkeit auszuwählen und gute Anpassung Medium 4 nicht nutzbaren Frequenzen enthält. Eine an die Gegebenheiten zu erzielen. Vor allem ist weit-Schicht aus fester reflektierender Filtersubstanz 6, gehende Freizügigkeit bei der Wahl der Kühlsubalso z.B. ein Interferenzfilter (Bariumtitanat), um- 50 stanz für das stimulierbare Medium selbst gegeben, gibt auf einer Quarzwandung 6 a diesen Raum. Die insbesondere ist flüssiger Sauerstoff oder flüssiger von der Anregungslichtquelle ausgehende genutzte Stickstoff verwendbar.source 3, for which gas discharge lamps are suitable, FIG. 3 are around an excitation light source 3 and the axis of the rod-shaped stimulating Fig. 1 further cooling stages with a coolant 11, baren medium 4 is arranged on the right. As a stimulable medium 40 to which filter substances can be added, and dium are, for example, as is known, calcium-tungsten, a reflective filter 12 is provided,
mat, which is doped with rare earths, or with ruby crystals doped with an arrangement for cooling according to the invention chromium ions Cr ³ as well as manure results in a variety of requirements correspondingly doped glasses. The excitation light speaking cooling. You are able to filter verquelle 3 is according to the invention in a coaxial 45 different types with different coolants to room 5 flowed around by a coolant, the filter point of view of chemical compatibility and substances to filter out the stimulable economy and select good adaptation Medium contains 4 unusable frequencies. Achieve one to the realities. Above all, there is a wide layer of solid reflective filter substance 6, extensive freedom of movement in the choice of cooling sub, for example an interference filter (barium titanate), around 50 for the stimulable medium itself, gives this space on a quartz wall 6 a. In particular, liquid oxygen or liquid nitrogen emanating from the excitation light source can be used.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Arrangement for cooling a high power laser with optical excitation of the stimulable Medium around which coolant flows like the excitation light source, with im Space between the excitation light source and the stimulable medium, filter substances flowing past to filter out those portions of the excitation radiation that are necessary for the optical excitation cannot be exploited, characterized in that firstly filter substances are added to the coolant (5) for the excitation light source (3) and second, this coolant (5) is enclosed by a reflective filter (6).

2. Cooling arrangement according to claim 1, characterized in that around the excitation light source (3) coaxial cooling stages consisting of coolant with filter substance (5, 11) and solid, reflective filter layers (6, 12) are arranged.