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Optischer Sender oder Verstärker
hie vorliegende Erfindung
betrifft einen optischen Sender oder
Verstärker, insbesondere für stetigen
Betrieb, bei welchem ein
selektiv fluore z®ntes:Medium zwischen
zwei parallelen ipiegalflachen angeordnet ist. Mit einem solchen,
unter des Namen Laser
bekanntgewordenen Sender oder Verstärket
wird elektromagnetische Strahlung,- die Anreguneaenergie,
vom selektiv-fluoreszenten Medium
absorbiert und dienen
liefert nach dem Prinzip der selektiven
Fluoreszenz eine kohärrente,
weitgehend monochromatische Strahlung.
Um einen stetigen'
Betrieb des optischen Senders erreichen zu können,
ist es notwendig, möglichst
viel Anregunüsenergie auf das selektiv
fluoreazente Medium zu übertrügen.
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Es ist bekannt, das selektiv fluoreezente Medium koaxial
mit einer
wendelförmigen Gasentladungslampe, beispielsweise einer Xenonlampe
zu umgeben und Lampe sowie Medium in einem reflektierenden Hohlraum
anzuordnen.
Diese Einrichtung hat den Nachteil, daß zu ihrem Betrieb
eine erhebliche
Eingangeleistung erforderlich ist, so daß eine große,
viel Raum einnehmende
und teure Gssentladungslampe benötigt wird.
Zudem ist der Wirkungsgrad
einer solchen Einrichtung meist gering,
da ein großer Anteil der
von der Gasentladung,alampe subgesandten Energie das Medium
nicht direkt erreicht, sondern in der Lampe durch
Reabeorption'oder
im Laufe vielfacher Reflexionen verloren geht
Ein weiterer schwerwiegender
Nachteil der bekannten Einrichtung ist
der, daß sie ganz erhebliche
Uhlungaprobleme mit sich brinit. -
Es ist auch uekannt,
einen Ellipsoidspiegel zu verwenden ur.d die Gaeeritladungelampe
in einer Brer;nlinie und das selektiv fluoreszente Medium
in
der anderen Brennlinie anzuordnen. Auch diese Einrichtar.b
hat den
Nachteil, daß zu ihrem Betrieb eine erhebliche Eiriganteleistune
er-
forderlich ist und daß demzufolk,e eine große und teuer*
Gasentladungelampe benötigt wird. Ein esroßer Anteil der von dieser
Lampe ausge-
sandten Energie erreicht das Medium nicht direkt;
so daß also auch
hier relativ große Energieverluste
auftreten:
Mit Hilfe der erwähnten bekannten Einrichtungen geliri,,t
en nur in
einzelnen Fällen einen kontinuierlichen Betrieb den optischen
Sendere oder Verstärkern zu erreichen, i® allgemeinen reicht jecoch
die Kon-
zentration der Anregungsenergie für einen kontinuierlichen
Betrieb nicht aua. -In letzter Zeit sind auch Einrichtungen bekannt
geworden, bei denen
die Anregun,,®energie,.das sog. Pumplicht
einem im wesentlichen zylinderförmigen Festkörpermedium durch eine
seiner Stirnflachen zugeführt wird.
Die zum Lichteintritt dienende Stirnfläche
ist in der Keine teildurchläaair@ versilbert, daß nie für die Strahlung eine
Durctläseigkeit von
wenigen Prozent, z.B. 5% hat. Die
andere Stirnflache trägt einen für
die Strahlung undurchlässigen
Silberbelag. Die Apertur den Pumplichtea ist so bewahlt,
daß die Oberflache des Festkörpermediums t talre-
flektierend wirkt.
Das Pumplicht durchlauft das Festk:-rpermedium zweimal,
wobei
sein Weg infolge der Reflexionen an der Mantelflache den Mediume@
wesentlich gr:ßer ist als die länge des Mediums. Auf diene
seile wird
eine tute Absorption des Pumplchtes erreicht und es
lvßt sich das
Schawlow-Townee-Kriterium für kontinuierlichen Laaerbetriet,
erfüllen.
Auch dis Kühlung des F'estkörpermodiums
bereitet bei dieser Einrichtung keine allzu großen Schwierigkeiten,
da die gesamte Hentelfläehn des
Nediums frei zugänglich ist.
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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die zuletzt
beschriebene Einrichtung t: Sinne einer Steigerung der Wirksamkeit
der Btleuchtungseinrichtung weiter zu verbessern.
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Die Erfindung betrifft damit einen optischen Sender oder Verstärker
mit einen zwischen zwei parallelen Spiegeln angeordneten selektiv flunreszenten
ladium,,bei welchem das erregerlicht durch eine der beiden Spiegelflächen
in das:Hediua eintritt, Gesäß der Erfindung ist diese Spiegelfläche
ganz oder teilweise als dichraitischer Spiegel ausgebildet,
der
fUr das Erregerlicht durchliraig ist. und der die emittierte Strahlung
zum .überwiegenden Teil reflektiert und zum anderen Teil durchlißt,
Dabei ist der dchroitische Spiegel vorzugsweise so ausetbildet,
daß
er das Erregerlicht praktisch absorptionsfrei
durchläßt. Besonders vor-
teilhaft ist es auch, die zweite Spiegelfläche
als dichroitischen Spiegel auszubilden, der sowohl das Zrregerlicht
als auch die emittierte Strahlung reflektiert.
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Dichroitische Spiegel wind beiepielaweise aus der Zeitschrift
JOSA 46
,1g56), Seite 228/'229 bekannt. Sie bestehen
aus mehreren dünnen Schichten
und können durch entsprechende
wall dieser Schichten so ausgebildet werden, daß sie für bestimmte
Wellenlängenbereiche eins Durchlässigkeit von nahezu 100%
erreichen, während für einen anderen Wellenlängenbereich
die Durchlässigkeit
nur wenige Prozent beträgt. Gegenüber den in der
genannten Veröffentlichung
angegebenen Spiegelbelägen konnten inzwischen
weitere
Verbesserungen erzielt werden. So ist es möglich, Beläge. mit
einer Durchlässigkeit von über 99,5% herzustellen und den durch
gericige
Durchlässigkeit gekennzeichneten Reflexionabereich in eines
vorgegebenen
Wellenlängenbereich zu halten.
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Bei der bekannten Einrichtung, bei welcher das Pumplicht
der Festkörpermedius über die Stirnfläche zugeführt wird, ist diese
Strnfläche mit einer Transparenz von 5% versilbert. Dieser Spiegel
schattet
das in das Medium eintretende Erregerlicht ab, so daß also
Lichtverluste'entatehen.
Bei des gemäß der Erfindung aufgebauten
Sender oder Verstärker
ist nun statt den Silberspiegels ein d'ichroitischer Spiegelbelag
.verwendet, der das Pumplicht durchläßt, die vom !Medium
emittierte langwelligere Strahlung jedoch mit der üblichen Tranaparens
von beispielsweise 5% durchläßt.:und zum anderen Teil reflektiert.
Dadurch
wird das Pumplicht besser ausgenUtzt; d.h, die Eingangsleistung
kann gegenüber der bekannten Einrichtung herabgesetzt werden, so daß
kleinere
und billigere Lichtquellen zur Erzeugung des Erregerlichte!
verwendet werden können.
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Verwendet man bei dem optischen Sender oder Verstärker nach der
Er- findung als selektiv fluoreszente® Medium ein (ins,
so wird dieses in einen zylindrischen Behälter angeordnet,
dessen Stirnflächen in der
angegebenen Weise mit dichroitischen
Spiegelbelägen versehen sind und
dessen Mantelfläche ebenfalls
einen dichroitischen Spiegelbelag trügt! Diener ist so besessen, daß
er das Erregerlicht mit einem von nahezu 100% reflektiert.
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Wird als selektiv fluorsszentes Medium ein Festkörper
verwendet, so
wird die Apertur den Erregerlichtes
üblicherweise so gewählt, daß
die Mantelfläche den Festkörpermediume
totalreflektierend wirkt.
Um jedoch eine gute Ausnützung-des Erregerlichtes
zu gewährleisten
ist man bestrebt, das Erregerlicht mit einer möglichst
großen Apertur auf das Pestkörpermedium auftreffen zu lassen. Wird
dabei die Aportur so groß gewählt, daß die in das Festkörpernedium
eintretenden Lichtstrahlen an der Mantelfläche.des Mediums den
Grenzwinkel der Total-
reflexion unterschreiten, so wird vorgeschlagen,
auch die Mantelfliche den Festkörperaedums mit einem dichroitischen
Spiegelbelag zu vor-
sehen, der das Erregerlicht mit einem Reflexionsvermögen
von nahezu
10096 reflektiert. Auf diese Weise kann der vom Erregerlicht
zurückgelegte
Weg in Featkörpermedium länger gehalten werden als
bei Verwendung
eines Erregerlichtes mit kleinerer Apertur..
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Besonders vorteilhaft ist-es, das selektiv fluoreszente
Medium auf der
Lichteintrittsaeite mit einem Immersionskörpfr
in optischen Kontakt zu
bringen, der zur Erhöhung der Apertur
den Erregerlichtes dient. Eia solcher Immersionakörpsr
weist eine als asphärische Fläche ausgebildete
Mantelfläche
auf, die so geformt ist;, daß sie die von ihr reflektierten
Strahlen
maximaler Neigung auf den Rand der mit den selektiv fluoressenten
Medium in optischem Kontakt stehende Lichteintrittstliiche
kon-
zentriert. Die Lichteintrittsfläche den Irersionekörpers
ist dabei
mit den erwähnten dichroitiachen Spiegelbelag versehen,
der das Erregerlicht durchläßt und die aaittierte: Strahlung zum
überwiegenden Teil re-
flektiert und zum anderen Teil durchläßt.
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Verwendet merz ein restkörpermediumso ist es besonders
vorteilhaft,
den Imsersionsk@;rper als Teil des Mediums
selbst auszubilden.
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Bei dem optischen Sender oder Verstärker nach der Erfindun,,
wird das
selektiv fluoreszente Medium mit seiner Lichteintrittaflt:iche
vorzugs-
weise im Brennpunkt eines HohlspieFels angeordnet.
Als Lichtquelle
kann eine Gasentladungslampe verwendet werden, es
ist jedoch such mcglich, die Sonne als Lichtquelle zu verwenden.
Wird ein selektiv
fluorenzentea Medium verwendet-, welches mit einem
Immersionakörper in optischem Kontakt steht, so wird dieser Immersiondkcrper
mit seiner
Lichteintrittafläche im Brennpunkt des Hohlspiegels anreordriet.
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Um eine möglichst große Energiekonzentration zu erreichen,
ist es
vorteilhaft, unmittelbar vor dem selektiv fluoreszenten
Medium eine
Spiegelkammer mit ihrer Lichteintrittsöffnung
im Brennpunkt des Hohl-
spiegeln anzuordnen, welche zur Erhöhung
der apertur des Erregerlichtes dient. Eine e:.lche Spiegelkammer
besteht aus einer Lichteintritts- und
einer kleineren Lichtauatrittefläche
und weist eine als asphärische Fläche ausgebildete Mantelfläche
auf, welche so geformt ist, daß alle
den Rand der Eintrittspupille
durchsetzenden Lichtstrahlen maximaler Neigung nach Reflexion an der Mantelfläche
in den Rand der Lichtaus-
trittaöfinung der Spiegelkammer abgebildet
werden. Solche SpiegelkarAern sind. in der PatentanaeldungZ ...............
näher beschrieben
und es sei in dieses Zusammenhang auf diese
Anmeldung verwiesen.
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Die Spiegelkammer verdichtet das von Hohspieg,el kommende
Licht auf die
. größtmögliche kpertur, so maß an der Lichteintrittaflächr
des selektiv
fluoreasenten Mediums eine Nalbraunatrahlung
zur Verfügung steht:
Diese Strahlung dringt nun in das Nediua
ein, wobei die Apertur der
Strahlung. in
Medium von dessen Brechungeindex abhangt: Um eine möglichst
große Strahiapertur im Medium selbst zu erreichen,
wird ferner vorgeschlagen,
zwischen der Spiegelkammer und den Medium
einen Immersionskorper
anzuordnen. Auf diese Weise kann die in das
Medium eindringende
Strahlung eine solche Apertur erreichen,: daß bei
Verwendung eines
Featkcrpereediums der Grenzwinkel der Totalreflexion
unterschritten wird.
£s ist dann notwendig, die Mantelfläche den Festkörpermediuns mit einen Spiegelbelag
zu versehen. Dabei wird vorteil-
haft ein dichroitiacher
Spiegelbelag verwendet, wie dien schon weiter
oben ausgeführt wurde.
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Bei den optischen Sender oder Verstärker nach der Erfindung
lüßt ich
infolge der guten Ausnützung den Erregerlichtes
ein kontinuierlicher
Betrieb erreichen:. Gegenüber den bekannten
Einrichtungen kann dabei
der technische Aufwand auf der Beleuchtungeaeite
starkerniedrigt
werden. Auch das Kühlproblem bietet keins
allzu großen Schwierigkeiten,
da für die Kühlung die volle Mantelfliche
den selektiv fluoreszenten Mediums zur Verfügung steht,
Zudem können die das selektiv fluoreszente Medium- enthaltenden zylinderförmigen
Körper bei den neuen optischen Sender kleiner gehalten werden als
bei bekannten Einrichtungen. Kleinere
Körper bieten jedoch wegen ihres.
günstigeren Verhältnisses von Obarfläche zu Volumen bessere Kohlbedingungen.
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Es ist auch möglich und in manchen Fällen vorteilhaft, den optischen
:Sender
oder Verstärker
am- aufzubauen,, daß hinter einer Spiegelkammer'
die entsprechend der Erfindung verspiegelten
beiden parallelen Spiegel
angeordnet
sind, zwischen
denen mehrere verhältnismäßig dünne Feetkörperatäbe liegen,
die einander
nicht berühren und zwischen denen demzufolge
das
Kühlmittel
durchströmen kann.
| Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren 1
- 5 der bei- |
| gefügten Zeichnungen näher erläutert. In einzelnen zeigen: |
| Fis. 1 - Litt Festkörpermedium üblicher wart |
| Fig. Z die Dwrchlissigk itskurve eines dichruitischea Spiegalbelagesl |
| Fig. 3 ein mit einer Immereionskörper vereinigtes Pestkörperreäiua; |
| Fis, 4 eine Deleuchtungseinrichtuag reit einer vor einem,
rettkörpsr- |
| medium angeordneten Spiegelkarners |
| Fis. 5 ein mit eines Xmersionskörper in optischer
Kontakt siebendes |
| Festkörpermediur, mit einer vor den Imersionskörper ans*- |
| ordneten Spiegelkanner, |
| In Feg. 1 ist srit 1 ein tylindrieches Festkörpermedium
bezeichnet, |
| welches beispielsweise aus Rubin- oder aus geodF"Ias
bestehen-ksnni |
| Das Erregerlicht tritt aus der Richtung des Pfeiles 2
kommend durch; |
| die Stirafliche 3 in den Stab 1 ein. Die Stir®fläche 3 ist
mit einem |
| dichroitischen Spiegelbelag versehen, der au ausgebildet
ist. das er |
| das Erregerlicht durchläßt und dals er das in Ric-htung
des Pfeilen 4a |
| austretende rluoressenslicht zur überwiegenden Teil. reflektiert
und zur |
| anderen Teil dwrchlrßt. |
| Besteht der Stab 1 beispielsweise aus Rubin, so hat er eine
F.eiasions- |
| linie bei 6943 A. Der in diesem Fall gewählte dicbroitäsche
Spiegel- |
| beleg auf der Stirnfliiche 3 hat dann eine Durchläsnigkeitskurve
wie |
| sie beispielsweise in Fig. 2 angegeben ist. Wie aus diever
Kurve"su |
| erkennen ist, wird die Erregerstrahlung, welche beispielsweise
von der |
| Sonne oder von einer Gasentladungslampe koren kann, nahezu
ungeschwächt |
| durchgelassen.während das Fluoressenslicht i® Reflexionsbereich
des |
Spiegelbelages liegt und in Beispiel
der Fig.
2 nur zu 5% durchgelaseen
und zu den restlichen 95%
reflektiert
wird. Ein solcher dichroitischer
Spiegelbelag kann beispielsweise aus 9 Schichten
gleicher optischer
Dicke (ndn
s 0,188 "Au) mit
abwechselnd hoher
und
niederer Brechzahl
(n s
2,5 bzwe n
s 1,5) und@biner
niederbrechenden Deckschicht
halber
optischer Dicke bestehen,
die
in bekannter Weise
dis Nebenbanden in sichtbaren Durchlaßsebiet
verringert.
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Die Endfläche 4b des Festkörpermediums 1 ist ebenfalls mit
einen dichroitischen Spiegelbelag versehen, welcher jedoch so ausgebildet
ist,
daß er sowohl das Erregerlicht als auch die emittierte Strahlung
reflektierte Tritt das Erregerlicht mit einer solchen Apertur
in den
Stab 1 ein, daß der ßrenswinbel der Totalreflexion nicht
unterschritten
wird, so durchlijuft dieses Licht wie in Fig.
1 angedeutet den Stab 1
unter mehrfacher Reflexion an der
Mantelfläche 5 zweimal. Der weg
des Lichtes im Stab 1
ist. wesentlich größer als die Länge des Stabes,
so daß das Erregerlicht
gut ausgeniltst wird.
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Tritt das Erregerlicht mit einer größeren Apertur
als in Tig. 1*angedeutet in den Stab 1 ein, so wird der Grenzwinkel
der Totalreflexion
F unterschritten. In diesen Fall wird die Mantelfläche
5 ebenfalls mit einem diahroitischen Spiegelbelag versehen, der das Erregerlicht
mit einem Reflexionsvermögen von nahezu 100% reflektiert.
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Fia.
3 zeigt ein Testkörpermedium
6, welches mit einen
Irersionskörper ?
vereinigt fiste Die Stirnfläche
8 des Immersionskörpers
7 trägt
denselben dichroitisahen
Spiegelbelag wie die,Stirnfläche
3 des Stabes 1
| der Fig. 1. Die Endfläche 9 den Mediums 6 in t in derselben
Wune |
| verspiegelt wie die. Endfläche 4 den Mediums 1, |
| Der Imnersionskcrper ? weist eine als aaphnrische
Fluche ause,ebildete |
| Mantelflüche 1c., auf, die so geformt ist, daß sie
die von ihr reflek- |
| tierten Strahlen maximaler Neigung auf den Rand 11 der Lichteintritte- |
| fläche den Fatkörpermediums 6 konzentriert, Auf dient Weise
wird die |
| Apertur den Erregerlichtes erhöht, |
| Es ist beispielsweise möglich den in Fig, 3 dargestellten
Körper in |
| Zusammenhang mit einer Beleuchtungseinrichtung zu verwenden,
bei |
| welcher zwischen Lichtquelle und selektiv fluorsszenten
Medium ein |
| Hohlapiegel angeordnet ist, w.)bel der in Fig. 3 dargestellte
Körper |
| so angeordnet wird, daß die Lichteintrittsfüiche 8 den Inaersions- |
| k*(irpers 7 in Brennpunkt den Hohlspiegels liegt,
Ina diesen Fall wird |
| die Apertur den von Hohlspiegel kommenden Erregerlichten
st, erhöht" |
| saß an der Lichteintrittsfliiche 11 den Festkörpermediums
6 Halbraum- |
| atrahlung zur Verfügung steht. - |
| Fig. 4 zeigt ein Festkörpermedius 12, vor den eine
Zpiegelkumer 13 enge- |
| ordnet ist. Diese Spitgelka«*r weist eine als asphäräscha
Fläche aus- |
| gebildete Mantelfläche auf, die so geformt ist, saß alle
den Raid der |
| Eintrittspupille 14 durchsetzenden Lichtstrahlen maximaler
Neigung |
| nach Reflexion an der Mantelfläche in den Iaand' 15 der
Spiegelkenner ab- |
| gebildet werden: Mit 16 ist ein Hohlspiegel bezeichnet,
welcher mit einer |
| zentralen Durchbohrung 17 versehen ist, Durch diese Bohrung
tritt die |
| von Festkörpermedium 12 gelieferte emittierte Strahlung
aus. Das die |
| Eintrittspupille 14 durchsetzende Licht kann beispielsweise
von der |
| Sonne kommen, |
| Wie aus Fig. 4 ZU erkennen ist, sandelt die Spierelkameei-
1'3 die Apertur |
| '.des von Hohlspiegel 16 kommenden Erregerlichtaa
so um, daß an der Licht- |
| sintrittsfihche' 18 den liediumn 12 eine lialbraumetrahluhg
zur VerfuLung |
| steht, Diene tritt dann in der angedeuteten Weise in
das Pediua 12 ein, |
| wobei die,Apertur-desto das Radium eindringenden
Lichtes vom Prechungs- |
| index den |
| bbhiingt* .Gegebenenfalls wird es notwendii; r*in, die |
| Mantelflüche den 1tddiuws 12 in der angegebenen Weise
zu verspiegeln, |
| Fig5 zeigt eia: I'estk#irperimdiue '!4),
welches mit sinea.Iatserri,on@tkürp@er 2' |
| in optischem Kontakt -steht. -Unmittelbar
vor den ImaerdionekZirper 21 ist |
| eine dpie,eiksu@r'.20 angeordnet, weiche ebenso g*forat
ist -wie die |
| Spiegelkarer rit. 4. Der Ieuersionakärper 21 tat
so ausgebildet* |
| daß er dar von dar Spiabelkommer 20 her-.sindringende
ficht ir .eine ah der |
| Lichtsintrittsilächa 22 der nodiuss 19 zur verfügung stehende
Hwlbraun- |
| strahlung unwandblt, Wie zu -erkennen isti wird
durch die Verwendung des |
| Immersionskorpers 21 erreicht, daß die Apertur des in den
Nediun ein= |
| tretenden Erregetlicbtsa größer ist als die Aportur den
#n das MedLug 12 |
| (Fig.. 4) eintretenden Erregerlichten, In diesen Fall
tat es iiotwsndg, |
| die Mantelfläche 2-3 des Mediums 19 mit einer dichrcitischen
Spiegelbeta |
| zu versehen, weicher das Erregerlicht seit einen Refiexionev:rmdgen
von |
| nahezu 100x reflektiert. Wie aua Fig.:5 weiterhin
tu erkennen ist, tat |
| durch die Verwendung den Immeraionrkörpers,21 der Weg des
Erregerlhebtes |
| im Medium 19 verlängert worden, so daß sich gegenüber der
Anordnung nach |
| fig. 4 eine noch bessere Ausnüt ung den Erregerlichtes ergibt, |