DE1514584C3 - Anregungseinrichtung für optischen Sender oder Verstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anregungseinrichtung zur Aufnahme der Anregungslichtquelle und des stimulierbaren Mediums eines optischen Senders oder Verstärkers für kohärente Strahlung (Laser) mit wenigstens zwei mit Kühlrippen ausgerüsteten rotationselliptischen Hohlspiegel-Teilschalen mit Halterungen zur Befestigung der Anregungslichtquelle und des stimulierbaren Mediums längs der Rotationsachse des Hohlspiegels jeweils im Bereich zwischen einem Brennpunkt und dem benachbarten Hohlspiegelscheitel und mit jeweils einem die Anregungslichtquelle beziehungsweise das stimulierbare Medium wenigstens näherungsweise konzentrisch zur Rotationsachse des Hohlspiegels umgebenden Kühlmittelkanal in Form eines optisch durchlässigen Kühlrohres.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise eines derartigen Verstärkers zeigt die F i g. 1 ein Diagramm, in dem auf der Ordinate die Energie E und auf der Abszisse die sogenannte Besetzungszahl η aufgetragen sind. Das Diagramm enthält die Darstellung der Energieverteilung für ein stimulierbares Medium mit drei: Energieniveaus.,.D.ie„„einzelnen Energieniveaus sind mit El, E2 und E3 bezeichnet. Ihre Besetzung ist im thermischen Gleichgewicht so, daß die höheren Energieniveaus weniger besetzt sind als die tieferen

ίο Energieniveaus. Die Verteilung entspricht einer Boltzmann-Verteilung und ist in der F i g. 1 mit D bezeichnet. Der Schnittpunkt dieser Kurve mit den einzelnen Energieniveaus gibt an, welche Besetzungszahlen den einzelnen Energieniveaus zukommen.

Beim optischen Sender oder Verstärker ist in der Regel ein solches stimulierbares Medium zu wählen, dessen Abstand zwischen den Energieniveaus E1 und E 2 dem Produkt h ■ fs und dessen Abstand zwischen den Energieniveaus E1 und E 3 dem Produkt h ■ fp entspricht, worin h das Plancksche Wirkungsquantum, fs die mittlere Signalfrequenz und fp die dem Anregungsübergang entsprechende Anregungsfrequenz sind.

Mittels von außen zugeführter Anregungsenergie der Frequenz fp wird die Besctzungszahl in den einzelnen Energieniveaus geändert, und zwar derart, daß auf £3 sich die Besetzungszahl von /1 3 auf η 3' erhöht. Weil die Zahl der Atome in dem stimulierbaren Medium festliegt, verringert sich durch diese Quantenübergänge die Besetzung bei E 1 um den gleichen Betrag. Die Besetzung geht also für E1 zurück von 111 auf η 1' und die Besetzungszahl des Energieniveaus E 2 größer wird als die des Energieniveaus El (Inversion). Wird nun ein äußeres Signal mit der Frequenz fs zugeführt, so gehen Atome mit dem Energiezustand E2 in den Energiezustand El über. Gleichzeitig tritt auch eine gewisse Transportierung von Atomen des Energiezustandes Elin den Energiezustand £2 ein. Der Übergang von £2 nach E1 entspricht einer induzierten Emission des stimulierbaren Mediums auf der Frequenz fs, während der Übergang von E1 nach £ 2 einer Absorption der induzierten Signalenergie entspricht. Durch die mittels des Anregens erzwungene Besetzungsänderung des Energieniveaus £1 überwiegt jedoch die induzierte Emission gegenüber der Absorption, so daß, insgesamt mehr Signalenergie der Frequenz fs vom stimulierbaren Medium emittiert wird als einfallende bzw. induzierende Signalenergie mit der Frequenz fs in dem stimulierbaren Medium absorbiert wird.

Um die induzierte Emission aufrechtzuerhalten, werden mittels der von außen zugeführten Anregungsenergie der Frequenz fp Atome vom Energieniveau E1 auf das Energieniveau £ 3 angehoben.

Vom Energieniveau £3 fallen Atome durch Relaxation ohne induzierte Emission aber unter Wärmeabgabe auf das Energieniveau £ 2 ab und stehen dort für eine weitere induzierte Emission beim Übergang auf das Energieniveau E1 zur Verfügung.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 165 749 ist eine Anregungseinrichtung bekannt, bei der ein aus Fasern bestehendes und von einem Kühlmittel umspültes stimulierbares Medium von einer Anregungslichtquelle und einem zylindrischen Hohlspiegel konzenfrisch umgeben ist.

Bekannt ist weiter eine Anordnung, bei der ein elliptisch-zylindrischer Hohlspiegel Verwendung findet, längs dessen einer Brennlinie die Anregungslicht-

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quelle und längs dessen anderer Brennlinie das sti- genstandes ist es vorteilhaft, wenn als Kühlmittel

mulierbare Medium angeordnet ist. Weiter sind An- Wasser vorgesehen ist.

regungseinrichtungen beschrieben worden, bei denen An Hand eines Ausführungsbeispiels wird die Erder Hohlspiegel als Rotationsellipsoid ausgebildet ist, findung nachstehend näher erläutert,
in dessen Brennpunkten oder in denen exfokal die 5 Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer er-Anregungslichtquelle und das stimulierbare Medium findungsgemäßen Anregungseinrichtung für einen vorgesehen sind. optischen Sender oder Verstärker. Die Anregungs-

Um einer Zerstörung der Anregungslichtquelle einrichtung besteht aus zwei Halbschalen 1 eines round des stimulierbaren Materials durch Überhitzung tationselliptischen Hohlspiegels, der mit Kühlrippen vorzubeugen, werden diese in der Praxis gekühlt. io versehen ist, einem stimulierbaren Medium 2 und Aus »Siemens Entwicklungsberichte«, Bd. 27, einer Anregungslichtquelle 3. Längs der Rotations-Folge 3 (1964), S. 281 bis 286, ist hierfür eine rota- achse des Rotationsellipsoids ist ein erfindungsgemätionselliptische Anregungseinrichtung bekannt, die ßes Glasrohr für die Kühlmittelleitung vorgesehen, zwei Kühlmittelleitungen für Wasser aufweist, deren das aus zwei Teilen 4 besteht, die durch eine metallieine die Anregungslichtquelle, und deren andere das 15 sehe Buchse 5 verbunden sind, die der Zuführung des stimulierbare Medium enthält und deren Anschlüsse elektrischen Stromes für einen Anregungslichtquelgetrennt durch den Hohlspiegel geführt sind. Weiter- lenanschluß dient. Für die Zuführung des Kühlwashin ist eine rotationselliptische Anregungseinrichtung sers zur Anregungseinrichtung dient ein Rohr 6, wähbekannt, deren Anregungslichtquelle sich in einem rend für den Abfluß des Kühlwassers ein Rohr 7 vorKühlwasserkreislauf befindet und deren stimulierba- 20 gesehen ist. Das erfindungsgemäße Glasrohr 4 ist in res Medium zur Kühlung in einen Kühlkreislauf mit dem Hohlspiegel 1 in den öffnungen 8 und 9 zur Roflüssigem Stickstoff eingeschaltet ist. Bei den Aus- tationsachse zentriert. Das stimulierbare Medium 2, führungsformen haftet der Nachteil an, daß die dort beispielsweise ein Rubinstab, ist in einem Rohr 10 erforderliche Führung der Kühlmittelleitungen die befestigt, durch welches das Signallicht fs nach außen Zentrierung der Anregungslichtquelle und des stimu- 25 austreten kann. Auf dem Glasrohr 4 ist eine Buchse lierbaren Mediums erschwert und der konstruktive 11 befestigt, in die eine Haltevorrichtung 12 für das Aufwand für die Kühlung sehr groß ist. Rohr 10 eingeschraubt wird. Eine Dichtung 13 ver-

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be- hindert den Austritt des Kühlmittels. Mittels mehresteht darin, eine Kühlvorrichtung für einen optischen rer am Umfang der Haltevorrichtung angebrachter Sender oder Verstärker mit rotationselliptischer An- 30 Schrauben 14 wird der Rubinstab 2 auf die Rotaregungseinrichtung zu realisieren, die eine leichte tionsachse zentriert. An der Öffnung 9 des Hohlspie-Zentrierung der Anregungslichtquelle und des stimu- gels 1 schließt sich eine Halterung 15 an. Über das lierbaren Mediums auf die Rotationsachse ermög- Teil 16 und eine Dichtung 17 wird die Anregungslicht und gleichzeitig einen geringeren Aufwand als lichtquelle 3 befestigt. Der Anschluß 18 dient zur die bisher bekannten Kühlvorrichtungen erfordert. 35 Stromzuführung für den äußeren Anregungslicht-Ausgehend von einer Anregungseinrichtung der quellenanschluß.

einleitend geschilderten Art wird diese Aufgabe er- Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende,

findungsgemäß dadurch gelöst, daß für die Anre- Von der Lichtquelle 3 wird Anregungslicht der Fre-

gungslichtquelle und das stimulierbare Medium in quenz fp in den Rubinstab 2 eingestrahlt. Dadurch

Hintereinanderschaltung des Kühlmittelstromes ein 40 erhöht sich entsprechend der Darstellung in der

gemeinsamer zylindrischer Kühlmittelkanal aus Hart- Fig. 1 in den Chromatomen die Besetzungszahl auf

glasteilen vorgesehen ist. dem Energieniveau E 2, während die auf dem Ener-

Für die praktische Ausführung des Erfindungsge- gieniveauEl abnimmt, und es wird die Inversion ergenstandes ist es vorteilhaft, wenn eine inmitten des reicht. Die Chromatome fallen nach kurzer Zeit unHohlspiegels angeordnete, den Anschluß der inneren 45 ter Aussendung von allen möglichen inkohärenten Elektrode der Anregungslichtquelle dienende, das Wellen in ihren Ruhezustand zurück. Einige Wellen Kühlrohr durchdringende elektrische Durchführung jedoch, die längs der Achse des Kristalls laufen, trefvorgesehen ist. fen auf die reflektierenden Stirnflächen 19 und 20,

Vorteilhaft ist es weiter, wenn das Kühlrohr an die als Resonatorspiegel dienen und laufen wieder

beiden Enden in zur Rotationsachse zentrierbaren 50 zurück. Sie lösen auf dem Rückweg in den angereg-

Metallbuchsen gefaßt ist. ten Chromatomen, die sie durchqueren, weitere WeI-

Vorteilhaft ist es auch, wenn Mittel zum Anschluß len derselben Frequenz und auch Phase aus, so daß

des Kühlrohres an einem Kühlmittelkreislauf vorge- ein sich verstärkender Wellenzug entsteht, der von

sehen sind. der Resonatorspiegel 20 teils durchgelassen, teils zu-

Von besonderem Vorteil ist es weiter, wenn das 55 rückgeworfen wird und sich bei laufender Zuführung

Kühlrohr Mittel zur Selektion optischer Frequenzen, von Anregungsenergie weiter verstärkt. Der durch

wie Farbstoffe oder dielektrische Schichten, enthält. die Spiegelschicht 20 austretende Teil des erzeugten

In einer bekannten Anordnung eines Lasers mit Lichtes wird nach außen als Signallicht fs abgegeben,

rotationselliptischem Hohlspiegel ist zwischen den Die in der Anregungslichtquelle 3 erzeugte Wärme

beiden Kühlmittelkreisläufen für die Anregungslicht- 60 und die in dem Rubinstab 2 entstehende Wärme wird

quelle und das stimulierbare Medium ein optisches durch einen Kühlwasserstrom abgeleitet, der aus dem

Filter vorgesehen, das durch einen eigenen Kühlmit- Rohr 6 kommend im Kühlrohr 4 am Rubinstab 2 und

telkreislauf gekühlt wird. Die erfindungsgemäße An- an der Anregungslichtquelle 3 vorbeistreichend die

Ordnung hat demgegenüber den Vorteil, daß das er- Einrichtung durch das Rohr 7 wieder verläßt. Das

findungsgemäße Kühlrohr zugleich als Filter vorgese- 65 Auswechseln sowohl der Anregungslichtquelle 3 als

hen werden kann, welches durch den allgemeinen auch das Rubinstabes 2 ist in dieser Anordnung

Kühlmittelstrom gekühlt wird. leicht möglich. Ebenso kann der Rubinstab 2 durch

Für die praktische Ausführung des Erfindungsge- die Schrauben 14 leicht erneut einjustiert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anregungseinrichtung zur Aufnahme der Anregungslichtquelle und des stimulierbaren Mediums eines optischen Senders oder Verstärkers für kohärente Strahlung (Laser) mit wenigstens zwei mit Kühlrippen ausgerüsteten rotationselliptischen Hohlspiegel-Teilschalen mit Halterungen zur Befestigung der Anregungslichtquelle und des stimulierbaren Mediums längs der Rotationsachse des Hohlspiegels jeweils im Bereich zwischen einem.Brennpunkt und dem benachbarten Hohlspiegelscheitel und mit jeweils einem die Anregungslichtquelle beziehungsweise das stimulierbare Medium wenigstens näherungsweise konzentrisch zur Rotationsachse des Hohlspiegels umgebenden Kühlmittelkanal in Form eines optisch durchlässigen Kühlrohres, dadurch gekennzeichnet, daß für die Anregungslichtquelle (3) und das stimulierbare Medium (2) in Hintereinanderschaltung des Kühlmittelstromes (6, 7) ein gemeinsamer zylindrischer Kühlmittelkanal (4) aus Hartglasteilen vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine inmitten des Hohlspiegels (1) angeordnete, den Anschluß der inneren Elektrode der Anregungslichtquelle (3) dienende, das Kühl rohr (4) durchdringende elektrische Durchführung (5) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr (4) an beiden Enden in zur Rotationsachse zentrierbaren Metallbuchsen (11, 15) gefaßt ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (6,7) zum Anschluß des Kühlrohres (4) an einem Kühlmittelkreislauf vorgesehen sind.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr (4) Mittel zur Selektion optischer Frequenzen, wie Farbstoffe oder dielektrische Schichten, enthält.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Wasser vorgesehen ist.