DE1464744A1

DE1464744A1 - Festkoerper-Laser und Verfahren zur Erregung des Laserkoerpers

Info

Publication number: DE1464744A1
Application number: DE19631464744
Authority: DE
Inventors: Keck Paul Henry; Keck Max Johann
Original assignee: KECK MAX JOHANN; KECK PAUL HENRY
Current assignee: KECK MAX JOHANN; KECK PAUL HENRY
Priority date: 1962-02-16
Filing date: 1963-02-16
Publication date: 1969-05-08
Also published as: GB1039781A; US3230474A

Description

RECHTSANWÄLTE

Bayerisches Oberstes Landesgericht · Oberlandesgericht München · Landgerichte München

U647U

tünchen I und Ii

8 Mönchen22, Widei.mayar/t*- s'O Telefon [0811] 297194 Postscheck: München 170280 Bankkonto: Bayerische Hypotheken- und

Wechselbank München Re 8787

16.2.1963 4353 S/H

Paul Henry Keck, Richardson, USA, und Max Johann Keck, West Lafayette, USA

Pestkörper-Laser und Verfahren zur Erregung des Laserkörpers

Die Erfindung "bezieht sich auf Laser und insbesondere auf die Konzentration und Steuerung des Pumplichtes für einen Festkörper-Laser.

Aus Festkörpern "bestehende optische Maser oder Laser weisen einen Stab aus aktivem Material auf, dessen Enden ebenflächig und planparallel poliert und mit einem lichtreflektierenden Überzug Tersehen sind, wobei ein Ende teilweise durchlässig ist, um eine Ausgangsstrahlung von diesem Ende zu ermöglichen. Die Seiten des Stabes sind frei gelassen, um den Zutritt des Pumplichtes zu ermöglichen. Im allgemeinen tritt das von einer starken Lichtquelle stammende Pumplicht durch die Seitenwandungen ein, um Atome in dem festen Stab zu erregen. Licht von geeigneter Wellenlänge, die langer als diejenige des Pumplichtes iBt, wird dann angeregt und verursacht Emission der erregten Atome. Licht mit der Ausgangs-Wellenlänge, welches sich entlang der Achse des Stabee ausbreitet, wird durch

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die angeregte Emission verstärkt. Infolge der Reflexion von den Enden des Stabes fährt der Lichtfluß fort, sich innerhalb des Stabes aufzubauen und es wird eine kohärente Welle ausgebildet. Etwas von dem Licht in der kohärenten Welle tritt durch die teilweise durchlässige Endfläche aus, um einen sehr intensiven gerichteten Lichtstrahl von sehr enger Bandbreite oder Y/ellenlängenstreuung zu bilden. Das wesentlichste Merkmal eines Festkörper-Lasers ist, daß das Ausgangslicht fast monochromatisch ist.

TJm die Laser-Wirkung herbeizuführen, ist es notwendig, daß das in den Stab einfallende Puinplicht eine Intensität hat, die mindestens über einem gewissen Schwellenwert liegt. Der Schwellenwert hängt von dem jeweiligen Stabe ab. Die Verstärkung in dem Stab durch die angeregte Emission muß ausreichend sein, um die Ausstrahlungsverluste auszugleichen. Dies bedeutet, daß erregte Atome mit einer gegebenen Intensität zur Verfügung stehen müssen. Ss kann gezeigt werden, daß die Anzahl (N) von erregten Atomen, welche in jeder Sekunde zur Verfügung stehen müsssen, folgenden V/ert hat: ₉

_Ή Sy/ 1

¹ - (Tfln2)l/2 · φ + *

In dieser Formel bedeuten

In = natürlicher Logarithmus

ώ = Anteil von Atomen, welche in irgendeiner anderen Weise ausschwingen als in dem erwünschten Übergang

+ = Lebensdauer des Lichtes in dem Resonator ν = Volumen des Resonators

= Wellenlänge des emittierten Lichtes in dem Material

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y - Frequenz des emittierten Lichtes /\ y = Breite der in Spontanemission emittierten Linie

Aus der vorstehenden Gleichung ergibt sich, daß die Anzahl der erforderlichen erregten Atome dem Volumen des· Stabes proportional ist. Ferner muß, da die Lebensdauer des Lichtes in dem Stab der Länge des Stabes proportional ist, die Pumpkraft der Querschnittsfläche proportional sein. Bei bekannten Einrichtungen ist der Stab so angeordnet worden, daß er Licht von einer Lichtquelle mit hoher Intensität empfängt. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel ist der Stab innerhalb einer wendelförmig gestalteten Blitzlampe angeordnet. Diese bekannten Einrichtungen waren für intermittierenden Betrieb geeignet. Gegenstand neuerer Forschungen war es, einen Laser kontinuierlich zu betreiben.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrifft deshalb die Konzentration und Regelung des einem Laaer-Stab zugeführten Pumplichtes. Sine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Pumplicht von solchem Pegel und solchen Eigenschaften zu vermitteln, daß ein kontinuierlicher Laser-Betrieb ermöglicht wird.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Laser-System zu schaffen, welches bei verhältnismäßig niedrigem Pegel erregt werden kann und ferner eine Laser-Modulation zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß ist insbesondere ein Laser-System vorgesehen, welches eines.Laser-Stab aufweist, der in einer Kammer angeordnet ist, welche eineöffnung von begrenzter Flächenausdehnung aufweist, welche zu der Achse des Laser-Stabs ausgerichtet ist. Die Wandungen der Kammer sind

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stark reflektierend, um alles Licht in der Kammer zurückzuhalten, welches eingeführt wird. Ferner ist eine Lichtquelle vorgesehen, um in der Kammer einen Lichtfluß mit hohem Pegel zu erreichen, worauf jfehrfach-Reflexionen in der Kammer den effektiven Fluß des Pumplichtes verstärken, welches von der Stange absorbiert wird, um darin eine anger regte Emission zu erzeugen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zur Erregung eines Lasers vermittelt. Es wird ein Lichtfluß hergestellt, welcher Energie in einem Absorptionsband des Lasers umfaßt. Der Lichtfluß wird in den Bereich des Lasers eingeführt und durch Reflexion von Punkten, die in solcher Anordnung verteilt sind, daß sie den Laser einschließen, gegen den Laser gerichtet, um den Lichtfluß auf den Bereich des Lasers zu beschränken, wo er von dem Laser absorbiert wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Licht von einer im wesentlichen festen oder kontinuierlichen Anordnung von Punkten reflektiert, die den Laser einschließen, um im wesentlichen totale Reflexion des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtflusses zu erzeugen.

Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Laserstab in einer Kugel angeordnet, wobei ein Ende des Stabes zu einer Ausgangsöffnung in der Kugel ausgerichtet ist und die Dimensionen der Ausgangsöffnung denjenigen des Stabes entsprechen. Die Innenwandungen der Kugel sind stark reflektierend, um alles eingeführte Licht zurückzuhalten. Ferner ist eine Lichtquelle vorgesehen und ein Licht-Kondensorsystem, welches zwischen der Lichtquelle und der Kammer angeordnet ist. Das Licht wir,d mittels des Kondensorsystems durch eine Eingangsöffnung in der Wandung in die

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Kammer eingeführt. Vorzugsweise sind die Eingangs- und Ausgangsöffnungen der Kammer sehr klein im Verhältnis zu dem Gesamtvolumen der Kammer und das Verhältnis des Kammervolumens zum Volumen des Stabes wird auf dem kleinstmöglichen Wert gehalten.

Eine genaue Erläuterung der vorliegenden Erfindung sowie weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

Pig. 1 eine schematische Darstellung eines Festkörper-Lasers ,

einen in Pig. I benutzten Spiegel, ein Schaubild, welches die Verstärkung des Pumplichtes durch die Verwendung einer sphärischen Kammer zeigt, ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel, wobei eine große Eingangsöffnung vorgesehen ist,

Fig.6 einen Schnitt entlang der Linie 6-6 der

Pig. 5,
Pig. 7 eine Ausführung des Systems nach Pig. 6

mit rechteckigem Querschnitt und Fig. 8 eine Abwandlung des Systems nach Pig. 6

Die Fig. 1 zeigt einen Laserstab 10, der aus einem Material besteht, welches für angeregte Emission durch optisches Pumpen geeignet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Stab 10 aus mit Neodym angereichertem Glas gebildet. Der Stab 10 ist in einer Kugel 11 angebracht, wobei der Stab von den Wandungen der Kugel 11 abgestützt wird und sich durch öffnungen 12 u.

Pig.	2
Pig.	3
Pig.	4
Pig.	5

^909819/0907 BADOR₁G₁NA₁

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in den ?/andungen der Kugel 11 erstreckt. Die Abmessungen des Stabes 10 liegen in der Größenordnung von 1 qmm im Querschnitt und 12 mm Länge. Die Kug-el 11 ist hohl und hat einen Innendurchmesser von etwa 10 mm.

Die Enden des Stabes 10 sind eben und planparallel poliert. Die Enden des Stabes 10 haben einen mehrfachen dielektrischen Überzug, so daß sie etwa zu 98 fo reflektierend sind.

Nahe der Oberfläche der Kugel und gegenüber einer Öffnung ist eine linse 15 angebracht, die einen Teil eines Kondensor-Systems bildet. Das Kondensor-System umfaßt ferner linsen 16 und 17, die in geeigneter gegenseitiger Zuordnung zwischen der Kugel 11 und einer lichtquelle 20 angebracht sind. Die lichtquelle 20 befindet sich vor einem großen Ellipsoid-Spiegel mit einer Pocuslänge f und einer wirksamen Öffnungszahl f/0,4. Durch dieses System wird ein Bild der lampe 20 an der Eingangspupille 17 des Kondensors abgebildet. Der Kondensor erzeugt seinerseits ein Bild des Spiegels 21 in der Öffnung 14. Auf diese V/eise wird lichtfluß von hoher Intensität in die Kugel 11 eingeführt. Das licht wird dann von allen Innenwandungen der Kugel 11 reflektiert, ein Teil davon trifft auf den Stab 10 und "wird von diesem absorbiert, um die Atome im Stab zu erregen.

V/ährend es die vielfachen Reflexionswege innerhalb der Kugel durchläuft, wird das licht irgendwann durch die Stange 10 hindurchtreten. Indem die Öffnungen 12 und 13 ebenso wie die Öffnung 14 mit geringstmöglicher fflächenausdehnung'ausgebildet werden, wird der Verlust von licht innerhalb der Kugel so gering wie möglich gehalten. Die

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BAD

Energie innerhalb der Kugel wird "benutzt, um den Stab 10 izu erregen und auf diese Weise kann die Energie durch Emission aus einem oder beiden Enden des Stabes 10 nach Wunsch abgeführt werden. Weitere Energieverluste ergeben sich durch die Erhitzung der Kugel und des Stabes.

Die Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung des Spiegels 21. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Spiegel 5 Zoll dick und hat einen Durchmesser von etwa 24 Zoll. Die Entfernung von dem Mittelpunkt des Spiegels zu der Lampe 20 beträgt 12,751 Zoll. Die länge der Hauptachse ist 25,503 Zoll und die Länge der Nebenachse 22,086 Zoll. _ Die Pupille 17 ist 38,254 Zoll vom Scheitelpunkt des ™

Spiegels 21 entfernt. Auf diese Weise wird ein sehr starker Lichtfluß in die Kugel eingeführt. Dieser Lichtfluß bewirkt dann angeregte Emission im Stab 10.

Fig. 3 veranschaulicht die Wirkungszunähme in einem Laser durch Verwendung einer reflektierenden Umschließung für den Laserstab 10 mit sehr kleinen Öffnungen. Wenn der Einfallsfluß fa_Q die Lichtmenge darstellt, die durch die Öffnung 14 in die Umschließung eingeführt wird, so kann der G-esamtfluß tf in der Umschließung wie folgt ausgedrückt werden:

^₀₊IJi₀₊AJi₀ RjV (2)

Dabei ist R die gesamte oder zerstreute Reflexion. '

Die Gleichung (2) kann in folgender Form ausgedrückt werdens

0 = ^O ^X Α (3)

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Es sei bei diesem Ausführungsbeispiel angenommen, daß die Reflektivität R gleich 0,95 ist, daß die öffnungen 12, 13 und 14 etwa 3 °/° der Gesamtoberfläciie beanspruchen und daß die Absorption des Stabes 10 1 $ beträgt. In diesem Pail beträgt die wirksame Reflektivitätskonstante R 0,91. Die Gleichung (3) kann deshalb wie folgt geschrieben werden;

Indem das Gehäuse 11 für den Laserstab 10 verwendet wird, welches stark reflektierende Wandungen und Lichtwege mit geringstem Verlustgrad hat, wird das wirksame Pumplicht um den Faktor 10 vergrößert. Die Wirksam— keit dieses Systems hängt von den Eigenschaften der Wandungsoberfläche, den Abmessungen der Öffnungen und dem Volumen der Kugel im Verhältnis zum Volumen des Stabes ab.

Der Stab 10 besteht- vorzugsweise aus mit Neodym angereichertem Glas. Um einen Neodym-Stab über den Schwellenwert zu erregen, ist es erforderlich, daß Energie von mindestens etwa 30 Watt je Kubikzentimeter absorbiert wird. Im Gegensatz hierzu ist bei Verwendung von Rubin als Laser-Material eine Erregung in der Größenordnung von 500 Watt je Kubikzentimeter erforderlich. Zur Erreichung dieses Höchstwertes hängt die Flußdichte deshalb von den Abmessungen des Stabes im Verhältnis zu denen der Kugel ab. Der Lichtfluß aus dem Kondensor wird über das ganze Volumen der Kugel 11 zerstreut. In diesem Fall ist die Flußdichte im Stab proportional dem Gesamtfluß 0, geteilt durch das Volumen V¹ der Kugel. Diese Flußdichte ist in dem Stab selbst wirksam. Je höher also die Flußdichte innerhalb der Kugel ist, desto

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größer ist die Energie, die nutzbringend im Stab 10 angewendet wird. Aus diesem Grund ist ee sehr vorteilhaft, innerhalb der Kugel möglichst alles von einer gegebenen Lichtquelle ausgestrahlte licht zurückzuhalten.

Aus Pig. 3 geht hervor, daß bei einer Reflektivität R = 0,90 der gesamte Fluß dem Neunfachen des einfallenden Flusses entspricht. Die Funktion nimmt dann mit der Reflektivität zu. Wenn die effektive Reflektivität 0,99 betrüge, würde der Gesamtfluß innerhalb des Gehäuses auf das Neunundneunzigfache ansteigen. Es ist jedoch bekannt, daß Oberflächen mit einer so hohen Reflektivität wie 0,99 schwierig zu erzeugen sind. Es können jedoch Oberflächen jedenfalls in dem Bereich hergestellt werden, der in Hg. dargestellt ist und der durch Zurückhalten des Lichtflusses innerhalb eines Gehäuses für einen Laser erzielbare Gewinn ist ohne.weiteres ersichtlich.

Bei einem in der Praxis ausgeführten Ausführungsbeispiel, bei welchem in dem System ein Neodym-Laserstab verwendet wurde, wurde eine Xenon-Lampe angewendet. Die Lampe war von der Art, wie sie von der Firma Osram, Berlin und München,vertrieben wird. Die Bezeichnung der Lampe ist XBO-1600. Sie hatte eine Nennleistung von 1600 Y/att.

Bei dem hier beschriebenen Laser-System, das für kontinuierlichen Betrieb bestimmt ist, wurde die vorstehend erwähnte Lampe und das oben beschriebene Kondensor-System benutzt, um in die Kugel 11 einen Pumplichtfluß von hoher Intensität mit einem für das Pumpen nutzbarem Wellenbereich von etwa 580-600 mn einzuführen. In Fig. 1 dargestellte Lichtfilter 18 können angewendet werden, um das Pumplieht auf das wirksame Band zu beschränken. Bei mit Neodym

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angereichertem Glas liegt das wirksamste Licht in einem verhältnismäßig schmalen Band von 560-610 mu. Die Xenonlampe hat eine "beträchtliche Ausgangsleistung in einem verhältnismäßig "breiten Spektrum, während der Neodym-Stab eine Anzahl von Absacptionsbändern hat, dessen stärkstes bei 590 mu liegt. Deshalb ist die Verwendung einer Xenon-Lampe als Lichtquelle nicht die wirkungsvollste denkbare Möglichkeit. Bei Verwendung einer derartigen Lichtquelle kann aber der Filter 18 verwendet werden, um das Band zu begrenzen.

Der Filter 18 kann von einer Art sein, wie sie in der Praxis als Interferenzbandfilter bekannt und im Handel erhältlich sind. Geeignete Filter werden von der Fish-Schurman—Corporation, 70 Portman Road, New Rochelle, New York, vertrieben.

Zum Betrieb mit kontinuierlichen Wellen wurde Licht aus der Quelle 20 in di-e Kugel 11 über demjenigen Pegel eingeführt, der ausreichend ist, um die Laser-Wirkung in dem Stab 10 herbeizuführen. Der Laser-Strahl kann nach der vorliegenden Erfindung moduliert werden. Zu diesem Zweck wird die Laser-Wirkung des Stabes 10 durch eine Signalquelle oder eine Modulator-Einheit 22 gesteuert. Die Einheit 22 ist mittels des Kanals 23 an eine Kerr-Zelle 24 angeschlossen, welche dazu dient, die Menge des Lichtes aus der Quelle 25 zu steuern,, welche in die Kugel 11 eingeführt.wird. Ein zweites Kondensor-System 26 wird angewendet, um das Licht aus der Quelle 24 in die Kugel zu leiten. Das Licht von der Quelle 20 kann so stark sein, daß der Laser-Stab 10 entweder gerade unter oder am Schwellenwert erregt wird. Signal-moduliertes Licht, welches durch die

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Zelle 24 hindurehtritt, kann dann den Stab 10 im Laser-Bereich erregen. Auf diese Weise kann eine verhältnismäßig kleine Lichtmenge verwendet werden, um den Laser zu modulieren. Der Betrieb, kann sich auf Ein- und Ausschalten beschränken, gesteuert durch Modulation von unter bis über den Schwellenwert. Andererseits kann der entlang der Achse 10 a austretende Strahl durch ein kontinuierlich variiertes Signal oder ein andere Informationen enthaltendes Signal moduliert werden. Dies kann erreicht werden, indem der Laserstab 10 durch Licht von der Lichtquelle 20 auf einen Wert erregt wird, der mindestens dem Schwellenwert gleich ist. Dann führt das durch die Steuerung der Kerr-Zelle 24 modulierte Licht zu einer zusätzlichen Erregung für die Las er-Wirkung.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Quelle für das Pumplicht aus einem Natriumlicht, dessen Strahlung durch zwei scharfe Linien dargestellt werden kann, die beide innerhalb des stärksten Absorptionsbandes von Neodym liegen. Eine Linie liegt bei 588,9975 mft und die

',■ andere bei 589,5932 mi. Die gelben Natriumlinien treten an den Stellen der stärksten Absorption des Neodym auf und ermöglichen so ein sehr wirksames Pumpen,ohne dass Filter erforderlieh wären oder ein Energieverlust in anderen Bändern auftreten würde, auf welche der Stab nicht anspricht.

Neodym hat eine Emmission bei 1£6 mti. Um die von dem Neodym-Stab emittierte Fluoreszenz zu absorbieren, kann ein selektives Absorptionsmittel wie beispielsweise eine Kupfersulfatlösung innerhalb der Kugel 11 angeordnet sein. Eine solche Lösung absorbiert kein Licht in dem Pumpfrequenzbereich. Ihre Anwesenheit ist zweckmässig, um zu verhindern, dassLicht der Emissions-Wellenlänge den Stab 10 in anderen Richtungen als der Richtung des Laser-Strahls anregt.

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In dem Stab 10 und in der Kugel 11 auftretende Wärme kann durch bekannte Mittel, wie beispielsweise die Verwendung eines Kühlbades oder eines durch die Kugel umlaufenden Kühlmittels abgeführt werden.

Bei dem System nach den Fig. 1 und 2 war der La.s.erstab in einer Kugel angebracht, um den Lichtfluss zu begrenzen und in den Laserstab einzuführen. Bei der abgewandelten Ausführungsform, die in Pig. 4 dargestellt ist, wird das Pumplicht in einen zylind±ischen Körper 30 eingeführt, in welchem ein Laserstab 31 angeordnet ist. Das Licht tritt in den Zylinder durch eine öffnung 32 mit Hilfe eines Lichtkondensor-Systems 33 ein. Der Körper 30 besteht aus einem Feststoff. Der La.Serstab 31 ist innerhalb des festen Zylinders 30 angebracht und auf eine Öffnung 34 ausgerichtet, um die Ausgangsstrahlung zu ermöglichen. Mit Ausnahme der Öffnungen 34 und 32 ist der äussere Überzug 35 auf dem zylindrischen Körper 30 nicht unterbrochen. Auf diese Weise wird das Pumplicht mit Ausnahme der Absorptionsverluste zurückgehalten. Das Licht in dem Zylinder 30 wird von den inneren Wandungen des Überzuges reflektiert. Der letztere ist vorzugsweise sehr stark reflektierend, so dass im wesentlichen alles Licht für die Absorption durch.den Stab 31 zur Verfügung steht.

Bei der Abwandlung nach den Fig. 5 und 6 ist ein zylindrischer Körper 5Θ 40 von einem reflektierenden Überzug 41 umgeben. Ein Laser-Stab 42 ist ko-axial innerhalb des Zylinders 40 angebracht und auf eine Öffnung 43 ausgerichtet, um den Laser-Ausgang zu ermöglichen. Licht wird in das System eingeführt über die grosse Öffnung am Ende des Zylinders gegenüber der öffnung 43· Bei einer bevorzugten Form weist dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung eine reflektierende Prismenvorriohtung auf, welche kreisförmig ausgebildet und am offenen Ende des Zylinders angebracht ist. Der Zylinder ist insbesondere mit Wandungsflächen, wie beispielsweise der Fläche 45 versehen, die so angeordnet sind,

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dass das einfallende Licht gegen die Zylinderwandungen so reflektiert wird, dass es sich, entlang Reflextionswegen im Zylinder bis zu dessen geschlossenem Ende bewegt, wo es reflektiert wird. Wenn das Licht sich durch den Zylinder 40 bewegt, erstrecken sich, die einzelnen Teilwege durch den Stab 42. Auf diese. Weise wird das Licht konzentriert und so im ■ Zylinder zurückgehalten-, dass es mehrmals durch den Laser-Stah hindurchtritt. Wie vor allem aus Fig. 6 ersichtlich, ist der Stab 42 axial im Zylinder 40 angeordnet. Der Stab 42 kann aus mit Neodym angereichertem Glas bestehen, der in einer Matrize aus Glas ohne Neodym-Anreicherung angebracht ist.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Stäbe 31 und 42 aus Hubin und die Zylinder, in denen sie angebracht sind, aus Saphir bestehen.

Die Mg. 7 und 8 veranschaulichen eine Abwandlung des Systems nach Pig. 5· In diesem Fall ist das Gehäuse, in welchem der Laser-Stab 50 angebracht ist, nicht von zylindrischer Form. Die Wandungen sind vielmehr im Längsschnitt kurvenförmig, so dass, während die intensität des Lichtflusses während der Bewegung von dem offenen zum geschlossenen Ende des Gehäuses infolge Absorption in dem Stab 50 abnimmt, die Anzahl der Durchtritte durch den Stab 50 je Längeneinheit grosser wird, d.h. der Reflexionswinkel sich verkleinert. Auf diese Weise ist die je Volumeneinheit absorbierte Lichtmenge an verschiedenen Punkten entlang dem Stab über die ganze Länge des Stabes im wesentlichen gleich. Bei einer Abwandlung kann das in Fig. 5 gezeigte System so abgeändert werden, dass das Bauteil 42 im Querschnitt kreisförmig bleibt und über seine Längenerstreckung einen sich verändernden Durchmesser aufweist, um die gleiche Wirkung zu erzielen wie mittels der kurvenförmigen Wandungen des in den Fig. 7 und 8 gezeigten rechteckigen Gehäuses. Ein Gehäuse mit rechteckigem Querschnitt kann bei dem System nach Fig. 5 und, falls gewünscht, ein Gehäuse mit kreisförmigem Querschnitt bei dem System nach Fig. 8 angewendet werden.

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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist der Laserstab von einer kugelförmigen Hülle mit stark reflektierenden Wandungen umschlossen. Bei den Systemen nach den Fig. 4 und 5 wird der Stab von einer konzentrischen oder zylindrischen Hülle mit stark reflektierenden Wandungen umschlossen. In jedem lall kann die Hülle massiv oder hohl ausgebildet sein. Infolge der vielen RefIe xfcdonen des Pu,mp"-Lichtflusses bei seiner Bewegung gegen die Wandungen der Hülle und von diesen zurück wird der Laser-Stab sehr wirksam erregt. Bei den Fig. 7 und 8 ist die Hülle so gestaltet, dass die Erregung entlang der Stabachse gleichförmig ist. Es ist leicht verständlich, dass andere Erregungs-Verteilungen erreicht werden können, indem die umschliessende Hülle entsprechend gestaltet wird«

In Übereinstimmung mit der vorstehenden Beschreibung wird also ein Laser geschaffen, welcher durch die Konzentration und Steuerung des Pumplichtes mit Hilfe eines Behälters für den Stab gekennzeichnet ist, wobei der Behälter vorzugsweise Öffnungen von geringstmöglicher Grosse und stark reflektierende Wandungen aufweist. Die stark reflektierenden Wandungen sind vorzugsweise nicht unterbrochen. Der Laser umfasst ferner Lichtquellen und Kondensor-Systeme, die zwischen der Lichtquelle und einer Eingangsöffnung am Gehäuse angeordnet sind, um das Licht zu konzentrieren und es durch eine öffnung des Gehäuses in das letztere einzuführen.

Merkmale des vorstehend beschriebenen Systems, welche die Modulation und die Erregung mittels Natrium-Dampfes betreffen, sind in einer gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung (Az.ι . ) beschrieben und beansprucht.

Die Erfindung ist im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Es sind aber zahlreiche Abwandlungen möglich, ohne den Rahmen des Erfindungsgedankens zu verlassen·

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Claims

Pat entans prüche

Festkörper-Laser, gekennzeichnet durch

a) einen Laser-Stab,

Td) ein den Laser- Stab umschließendes Gehäuse, dessen dem Laser-Stab zugekehrte Yiandungsflächen hohe Reflexionskraft besitzen,wobei eine erste, auf das Ende des Laser-Stabes ausgerichtete Öffnung und eine zweite Öffnung in dem Gehäuse vorgesehen sind,

c) eine Lichtquelle und .

d) ein zwischen der Lichtquelle und der zweiten Öffnung w angeordnetes Kondensor-System zum Konzentrieren und Einführen des Lichtflusses in das Gehäuse durch· die zweite Öffnung, wodurch der Lichtfluß in dem umschließenden Gehäuse zur Absorption durch den Laser-Stab zurückgehalten wird.
2. Festkö'rper-Laser, gekennzeichnet durch

a) einen Laser-Stab,

b) ein festes, den Laser-Stab umschließendes Gehäuse,

c) einen reflektierenden, auf das feste Gehäuse aufgebrachten Überzug mit Innenwandungen von hoher Reflexionskraft, wobei der Überzug eine auf die Achse a des Laser-Stabes ausgerichtete Öffnung und eine zweite Öffnung aufweist,

d) eine Lichtquelle und

e) ein zwischen der Lichtquelle und der zweiten Öffnung angeordnetes Licht-Kondensor-System zur Konzentrierung und Einführung von Lichtfluß in das Gehäuse durch die zweite Öffnung, wodurch der Lichtfluß in dem Gehäuse zur Absorption durch den Laser-Stab zurückgehalten wird.

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3· Festkörper-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenausdehnung der ersten und der zweiten Öffnung sehr klein ist im Vergleich zur Flächenausdehnung der Wandungsflachen des Gehäuses.
4. Festkörper-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser-Stab als Neodym-Laser-Stab ausgebildet ist," daß die Lichtquelle aus einer Xenon-Lampe besteht und daß ein optischer Bandpaßfilter vorgesehen ist, welcher in dem Licht-Kondensor-System zwischen der Lichtquelle und der zweiten Öffnung angeordnet ist.
5. Festkörper-Laser, gekennzeichnet durch

a) einen Laser-Stab,

b) einen festen, den Laser-Stab umschließenden Zylinder, in welchem der Laser-Stab koaxial zu dem Zylinder abgestützt ist, wobei der Zylinder im wesentlichen auf seinen gesamten Wandungsflächen einen reflektierenden Überzug aufweist, der innen stark reflektierend ist, und in Achsrichtung des Laser-Stabes mit einer ersten öffnung und ferner mit einer zv/eiten öffnung versehen ist,

c) eine Lichtquelle und

d) ein zwischen der Lichtquelle und der zweiten öffnung angeordnetes Licht-Kondensor-System zum Konzentrieren und Einleiten des LichtfluSses in die zweite öffnung.
6. Festkörper-Laser, gekennzeichnet durch

a) einen Laser-Stab,

b) einen festen, den Laser-Stab umschließenden Zylinder, in welchem der Laser-Stab koaxial zu dem Zylinder abgestützt ist, wobei der Zylinder im wesentlichen auf seinen gesamten Wandungsflächen -einen reflektierenden

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Überzug aufweist, der innen stark reflektierend ist, und in Achsrichtung des Laser-States mit einer ersten Öffnung und ferner mit einer zweiten öffnung versehen ist,

c) eine lichtquelle,

d); ein zwischen der Lichtquelle und der zweiten Öffnung angeordnetes Licht-Kondensor-System zum Konzentrieren und Einleiten des Lichtflusses in die zweite Öffnung und

e) eine Vorrichtung, um "bei der zweiten Öffnung eintretendes Licht entlang Wegen zu führen, welche die Achse des Laserstabes stumpfwinklig schneiden»
7. Festkörper-Laser,, gekennzeichnet durch

a) einen Laser-Stab,

b) ein den Laser-Stab umschließendes Gehäuse mit gekrümmter, dem Laser-Stab zugekehrter Wandungsfläche, wobei der Laser-Stab mit dem Gehäuse koaxial ist, die Y/andungsflache mit einem Material überzogen ist, das innen eine, hohe Reflexionskraft hat, und eine auf die Achse des Laser-Stabes ausgerichtete Öffnung sowie eine zweite Öffnung aufweist,

c) Mittel zum Einführen von Licht in das Gehäuse entlang der Achse des Laser-Stabes und

d) Mittel zum Ablenken des Lichtes in Bahnen, die im YiTinkel zur Gehäuseachse angeordnet sind und durch den Laser-Stab verlaufen.
8. System zum Erregen eines Lasers, gekennzeichnet durch a) Mittel zum Herstellen eines Lichtflusses, welcher Energie in einem Bereich hoher Absorption durch den Laser-Stab umfaßt,

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b) Mittel, um den Lichtfluß deW Laser-Stab entlang einer Bahn zuzuleiten, welche an einem ersten, dem Laser-Stab benachbarten Punkt konvergiert und,

c) Mittel, um den durch den ersten Punkt hindurchfließenden Lichtfluß von Punkten zu reflektieren, welche den Laser-Stab umschließen und von diesem Abstände in der Größenordnung des Abstandes des ersten Punktes von dem Laser-Stab haben, um den Lichtfluß auf den Bereich des Laser-Stabes zur Absorption durch ihn zu begrenzen.
9. System zum Erregen eines Lasers, gekennzeichnet durch

a) Mittel zum Herstellen eines Lichtflusses, welcher Energie in einem Bereich hoher Absorption durch den Laser--Stah umfaßt,

b) Mittel, um den Lichtfluß dem Laser-Stab entlang einer Bahn zuzuleiten, welche an einem ersten, dem Laser-Stab benachbarten Punkt konvergiert und,

c) Mittel, um den durch den ersten Punkt hindurchtretenden Lichtfluß 'im wesentlichen vollständig von Punkten zu reflektieren, welche in einer im wesentlichen festen Anordnung den Laser-Stab umschließen und von diesem Abstände haben, die in der Größenordnung des Abstandes des ersten Punktes von dem Laser-Stab liegen, um den Lichtfluß auf den

Bereich des Laser-Stabes zur Absorption durch ihn zu begrenzen.
10. Fes'tkörper-Laser, gekennzeichnet durch

a) ein Gehäuse, welches innere Wandungsflächen von hohen lichtreflektierenden Eigenschaften aufweist, wobei ein Paar von Öffnungen darin vorgesehen ist,

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b) einen Laser-Stab, von welchem ein Ende einer der öffnungen gegenüber angeordnet ist,

c) eine Lichtquelle und

d) ein zwischen der Lichtquelle und der zweiten öffnung angeordnetes Licht-Kondensor-System, um den Lichtfluß in das Gehäuse zu leiten, wo nach dem höchstmöglichen Durchtritt durch den Laser-Stab die Absorption der Energie des Lichtflüsses den Laser-Stab auf den Laser-Pegel erregt.
11. Festkörper-Laser, gekennzeichnet durch

a) ein an einem Ende offenes Gehäuse, welches innere Wandungsflächen von Licht im wesentlichen vollständig reflektierenden Eigenschaften aufweist und mit einer zweiten Öffnung versehen ist,

b) einen Laser-Stab, welcher mit einem Ende der zweiten Öffnung gegenüberliegt,

c) eine Lichtquelle und

d) ein zwischen der Lichtquelle und dem offenen Ende des Gehäuses angeordnetes Licht-Richtsystem, um den Lichtfluß in das Gehäuse zu leiten, wo nach dem höchstmöglichen Durchtritt durch den Laser-Stab die Absorption der Energie des Lichtflusses den Laser-Stab auf den Laser-Pegel erregt.
12. Festkörper-Laser, gekennzeichnet durch

a) ein an einem Ende offenes zylindrisches Gehäuse, welches innere Wandungaflächen von Licht im wesentlichen vollständig .reflektierenden Eigenschaften aufweist und mit einer,zwe.iten Öffnung versehen ist,

b) einen Lasep-Stab, welcher mit einem Ende der zweiten ;Öffnung gegenüberliegt» ,. .-,.,.

c) eine. Lichtquelle und _{: (} , .

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d) ein zwischen der Lichtquelle und der zweiten Öffnung angeordnetes Licht-Richtsys_tem, um den Lichtfluß unter einem Winkel zur Gehäuseachse in das Gehäuse einzuführen, wo nach dem höchstmöglichen Durchtritt durch den Laser-Stab die Absorption der Energie des Lichtflusses den Laser-Stab auf den Laser-Pegel erregt.
13. Pestkörper-Laser, gekennzeichnet durch

a) ein trompetenförmiges Gehäuse, welches an seinem Mund offen und an seinem anderen Ende im wesentliehen geschlossen ist und innere Wandungsflächen von stark

.... lichtreflektierenden Eigenschaften aufweist,

b) einen axial innerhalb des Gehäuses angeordneten Laser-Stab

c) eine Lichtquelle und

d) ein zwischen der Lichtquelle und der Mundöffnung des Gehäuses angeordnetes Licht-Kondensor-System, um Lichtfluß in das Gehäuse entlang Bahnen einzuführen, die im Winkel auf die Wandungsflächen gerichtet sind zum mehrfachen Durchtritt des Lichtflusses durch den Laser-Stab, um die Energie

■ des Lichtflusses gleichmäßig entlang dem Laser-Stab zu absorbieren zur Erregung des Laser-Stabes auf einen Laser-Pegel.
14. Festkörper-Laser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse kreisförmigen Querschnitt aufweist.
15. Pestkörper-Laser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse rechteckigen Querschnitt aufweist.

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16. Festkörper-Laser nach. Anspruch. 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen massiven Körper umschließt, in welchem der Laser-Stab abgestützt ist.
17. Verfahren zum Erregen eines Laser-Körpers, gekennzeichnet durch

a) Herstellen eines Lichtflusses, der Energie in einem Bereich hoher Absorption durch den Laser-Körper umfaßt,

b) Ausrichten des Lichtflusses gegen den Laser-Körper und _r

c) Reflektieren des Lichtflusses gegen den Laser-Körper von Punkten, die in einer Anordnung verteilt.sind, welche den Laser-Körper umschließt, um den Lichtfluß zur Absorption durch den Laser-Körper auf dessen Bereich begrenzen.
18. Verfahren zum Erregen eines Laser-Körpers, gekennzeichnet durch

a) Herstellen eines Lichtflusses, der Energie in einem Bereich hoher Absorption durch den Laser-Körper umfaßt, ■ ,

b) Ausrichten des Lichtflusses gegen den Laser-Körper entlang einer Bahn, die an einem ersten, dem Laser-Körper benachbarten Punkt konvergiert und

c) Reflektieren des an dem ersten Punkt vorbeifließenden Lichtflusses von Punkten, welche den Körper umschließen und deren Abstand von dem Laser-Körper in der Größenordnung des Abstandes des ersteh Punktes von dem Laser-Körper liegt, um den Lichtfluß zu intensivieren, der auf den Laser-Körper zur Absorption durch diesen auf trifft.

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19. Verfahren zum Erregen eines Laser-Körpers, gekennzeichnet durch

a) Herstellen eines Lichtflusses, der Energie in einem Bereich hoher Absorption durch den Laser-Körper umfaßt,

b) Ausrichten des Lichtflusses gegen den Laser-Körper entlang einer Bahn, welche an einem ersten, dem Laser-Körper benachbarten Punkt sehr stark konvergiert und

c) Reflektieren des an dem ersten Punkt vorbeifließenden Lichtflus3es gegen den Laser-Körper von Punkten, die den Laser-Körper umschließend in Ab-

die

ständen von diesem Verteilt sind, In der Größenordnung des Abstandes des ersten Punktes von dem Laser-Körper liegen, um den Lichtfluß auf den Bereich des Laser-Körpers zur Absorption auf diesen zu begrenzen.
20. Verfahren zum Erregen eines Laser-Körpers, gekennzeichnet durch

a) Herstellen eines Lichtflusses, der Energie in einem Bereich hoher Absorption durch den Laser-Körper umfaßt,

b) Ausrichten des Lichtflusses gegen den Laser-Körper entlang einer Bahn, welche an einem ersten, dem Laser-Körper benachbarten Punkt sehr stark konvergiert und

c) im wesentlichen vollständiges !Reflektieren des durch den ersten Punkt hindurchtretenden Lichtflusses gegen den Laser-KÖrper von Punkten, die in einer im wesentlichen festen Anordnung den Laser-Körper umschließen' und von diesem Abstand haben, die in der Größenordnung des Abstandes des ersten Punktes von dem Laser-Körper liegen, um den Lichtfluß auf den Bereich des Laser-Körpers zur Absorption durch ihn zu begrenzen.

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