DE1564415B1 - Optischer Hochleistungssender - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen optischen Hoch- Stützmantels 34. Bei dieser Ausführung sind die leistungssender mit einem längs der optischen Achse Scheiben 36 schräg zur optischen Achse 40 des scheibenförmig unterteilten stimulierbaren Medium, stimulierbaren Mediums angeordnet. Diese Schrägdas optisch angeregt wird und dessen Oberflächen stellung entspricht dem Brewster-Winkel, wie· später parallel zueinander ausgerichtet sind. 5 noch erläutert wird. Es liegt jedoch im Rahmen der

Es ist bereits ein optischen Sender bekannt, dessen Erfindung, die Scheiben 36 in Abständen auch senkstimulierbares Medium in eine Vielzahl zylindrischer recht zur optischen Achse 40 anzuordnen. Teilstücke aufgeteilt ist, die in der optischen Achse Der Stützmantel 34 steht über ein durch das

ausgerichtet sind. Außenrohr hindurchgeführtes Einlaßrohr 42 mit

Es ist auch vorgeschlagen worden, die einzelnen io einer Kühlmittelquelle in Verbindung. Das in dem Teilstücke des stimulierbaren Mediums scheiben- Stützmantel 34 einfließende Kühlmittel strömt durch förmig anzuordnen und eine Kühlflüssigkeit zu ver- ' die Zwischenräume zwischen den Scheiben 36 hinwenden, um die Scheiben und auch die EnÜadungs- durch in den Raum 44 um die Entladungsblitzlichtblitzlichtlampen zu kühlen. Bei diesen optischen lampe 28 herum, kühlt hierbei die Entladungsblitz-Sendern sind die Scheiben einzeln in Gehäusen ge- 15 üchtiampe und wird aus dem stimulierbaren Medium haltert, so daß der Temperaturunterschied zwischen durch den Auslaß 46 abgeführt, den Scheiben ziemlich groß sein kann. Der Stützmantel 34 wird an den Enden von einem

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, vorderen und einem rückwärtigen Spiegel abgedichtet einen optischen Hochleistungssender mit einer offen- und verschlossen. Die Spiegel sind in die nach außen sichtlichen und deutlichen Temperaturstabilität zu 20 vorstehenden Flansche 32 eingesetzt und abgedichtet, schaffen. Einer dieser Spiegel ist bei 48 mit unterbrochenen

Zu diesem Zweck kennzeichnet sich der neue Linien dargestellt. Der Abschluß kann auch mittels i optische Hochleistungssender der eingangs erwähn- klarer optischer Fenster erfolgen unter Verwendung ten Art dadurch, daß zur Erzielung eines über- gesonderter Außenspiegel.

wiegend axialen Wärmeentzuges die Zwischenräume 25 Die Fig. 1 a zeigt in schematischer Darstellung die zwischen den scheibenförmigen Teilstücken des allgemeine Anordnung der Einrichtung nach der stimulierbaren Mediums zugleich Kanäle für eine F i g. 1 zusammen mit der Kühleinrichtung. Bei dieser wirksam auf breiter Fläche angreifende umlaufende ■ Anordnung ist das Entladungsblitzlichtrohr 28 mit Kühlflüssigkeit darstellen, wobei die Scheiben einen einer selbständigen Kühleinrichtung 50 ausgestattet, vorgegebenen Winkel mit der optischen Achse 30 die einen Parallelzweig der Kühleinrichtung für das bilden. stimulierbare Medium darstellt. Das Kühlmittel fließt

Infolge dieser Ausführung liegt jede Scheibe oder vom Einlaß 42 aus durch die Zwischenräume jedes Teilstück in unmittelbarer Nähe zum gleichen zwischen den Scheiben 36 in den Raum 44 hinein Kühlströmungsmittel, so daß das Temperaturgefälle und durch den Auslaß 46 zu einer Pumpe 52 und zwischen den Scheiben daher kleiner ist. 35 einem Wärmeaustauscher 54.

In den Zeichnungen ist Bei dem oben beschriebenen Aufbau, bei dem die

Fig. 1 eine zum Teil als Schnitt gezeichnete schau- Entladungsblitzlichtlampe gegen die optische Achse

bildliche Darstellung einer Ausführungsform der Er- versetzt und die Scheiben oder Teilstücke unter dem

findung, Brewster-Winkel zur optischen Achse angeordnet

Fig. la eine schematische Darstellung der Aus- 40 sind, können noch verschiedene Änderungen vorge-

führungsform nach der Fig. 1 mit einer anderen nommen werden. Die Fig. 2 zeigt eine andere An-

Kühleinrichtung, Ordnung des in Abschnitte unterteilten stimulierbaren

Fig. 2 ein Schnitt durch eine abgeänderte An- Mediums in bezug auf die Entladungsblitzlichtlampe j Ordnung mit einem in Teilstücke unterteilten stimu- 60, die in diesem Falle auf der optischen Achse 62 ' lierbaren Medium und einem Kühlmittel und 45 angeordnet ist und an den Enden in irgendeiner an

Fig. 3 ein Schnitt durch eine weitere andere An- sich bekannten Weise befestigt ist. Als optische Achse Ordnung des in Teilstücke unterteilten stimulierbaren wird eine Achse bezeichnet, die parallel zur Richtung Mediums und des Kühlmittels. des Poynting-Vektors und in der Symmetriemitte der

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung wird Lichtverteilung in einem optischen System verläuft, ein Außenrohr 20 zwischen zwei Endteilen 22 durch 50 Die Entladungsblitzlichtlampe 60 wird mit Abstand zwei kreisrunde Glieder 24 in an sich bekannter von einem rohrförmigen, die Teilstücke abstützenden Weise abgedichtet gehalten. Jedes Endteil 22 ist mit Stützmantel 64 umgeben, der vorzugsweise in zwei einer kleinen Öffnung 26 versehen, die einen Flansch rohrförmigen Teilen hergestellt wird und an der 27 aufweist, der eine wassergekühlte Entladungs- Innenseite mit einer Reihe von Nuten oder Rillen 66 blitzlichtlampe 28 abgedichtet trägt, sowie mit einer 55 versehen ist. Ferner sind die rohrförmigen Teile mit großen Öffnung 30, die einen nach außen vorstehen- einer Anzahl von Kanälen 68 ausgestattet, die den den Flansch 32 aufweist. Die Innenkante des Flansches Raum außerhalb des Stützmantels 64 mit den 32 trägt einen Stützmantel 34, der sich über die volle Zwischenräumen 70 zwischen den Teilstücken 72 Länge des Rohres 20 erstreckt und der an der oberen. verbinden. In die Nuten 66 sind kreisrunde Teilstücke Seite mit einem Ausschnitt 35 versehen ist, welcher 60 72 aus stimulierbarem Medium eingesetzt, die in der kreisrunde Teilstücke oder Scheiben 36 aus stimu- Mitte mit einer Öffnung 74 versehen sind, die weiter lierbarem Medium trägt. Die Teilstücke 36 werden als der Außendurchmesser der Entladungsblitzlichtvon dem Ausschnitt 35 parallel zueinander getragen lampe 60 sind. Bei dieser Ausführungsform werden und von entsprechend ausgestalteten Endstücken 37 die Teilstücke 72 senkrecht zur optischen Achse 62 und 38 z. B. aus Quarz an jedem Ende abgestützt. 6g gehaltert, obwohl die Nuten 66 so angeordnet wer-Die Teilstücke 36 und die Endstücke 37 und 38 den können, daß sie die Segmente unter dem in der ragen in den Stützmantel 34 hinein und erstrecken Fig. 3 dargestellten Brewster-Winkel Θ lagern, wobei sich vorzugsweise oberhalb der Mantelfläche des in den F i g. 2 und 3 gleiche oder einander entspre-

chende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Der Kühlmittelkreislauf kann bei der Einrichtung nach der Fig. 3 dem in der Fig. 2 dargestellten Kreislauf gleichen, d. h., das Kühlmittel strömt über die Entladungsblitzlichtlampe 60 hinweg durch die Zwischenräume 70 und durch die Kanäle 68 zur Außenseite des Stützmantels 64. Wie bei den oben beschriebenen anderen Ausführungsformen kann der Stützmantel 64 einen kreisrunden Querschnitt aufweisen, wie in der F i g. 1 dargestellt, oder auch einen elliptischen, dreieckigen oder rechteckigen Querschnitt, wenn gewünscht. Obwohl nach der Beschreibung der Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 3 jeweils ein einzelner Stapel von kreisrunden Scheiben aus stimulierbarem Medium vorgesehen ist, so können die Scheiben 36 und 72 selbstverständlich auch in jeder gewünschten Form hergestellt werden z. B. mit einem quadratischen oder dreieckigen Querschnitt, so daß in der Einrichtung mehrere Stapel solcher Scheiben vorgesehen werden können. Die Verwendung von mehreren Stapeln von Scheiben würde eine unterschiedliche Ausrichtung der Kühlmittelkanäle 70 innerhalb desselben optischen Senders ermöglichen. Die Richtung des Kühlmittelflusses in den verschiedenen Kombinationen von Scheibenstapeln könnte durch geeignete Leitwände bestimmt werden.

Bei den Ausführungsformen nach den F i g. 1 bis 3 ist es wichtig, daß die Teilstücke 36 und die Fenster an den Enden der Zelle 37, 38 als eine starre Einheit hergestellt werden, damit die optische Einheit bei akustischen Stößen gewahrt bleibt. Weiterhin kann der starre Aufbau der gestapelten Teilstücke im wesentlichen als ein einheitlicher Stab behandelt und weitgehend ausgestaltet werden.

Der oben beschriebene flüssigkeitsgekühlte Aufbau mit einem in Abschnitte unterteilten stimulierbaren Medium weist in erster Linie das Merkmal auf, daß alle Verluste an der Fläche zwischen dem stimulierbaren Medium und dem Kühlmittel sowie in diesem selbst vermieden werden. Die Verluste an den genannten Zwischenflächen werden entweder dadurch vermieden, daß die Brechzahlen des Kühlmittels und des stimuKerbaren Mediums an die Mediumwellenlänge angepaßt werden oder daß die Zwischenflächen in bezug auf die optische Achse unter dem Brewster-Winkel angeordnet werden.

Bei einer Einrichtung, bei der die dünnen Scheiben des wirksamen stimulierbaren Mediums senkrecht zur optischen Achse angeordnet sind (Fig. 2), werden die Verluste in erster Linie von der Reflexion an den Zwischenflächen verursacht. Beträgt die Anzahl dieser Zwischenflächen ungefähr 100, so kann eine kleine Ungenauigkeit bei der Anpassung der beiden Brechzahlen aneinander zu großen Verlusten führen; z. B. kann der Verlust bei 50, 100 und 200 Zwischenflächen und bei einem Verhältnis der Brechzahlen von 1,06 ungefähr 5,8 und 16% betragen. Unterschiede bei den Brechzahlen, die größer als 2% sind, sollen daher vermieden werden, wenn eine solche Fehlanpassung zu großen Leistungsverlusten führt.

Diese engen Toleranzen bei den Brechzahlen können jedoch vermieden werden, wenn die Teilstücke des stimulierbaren Mediums unter dem Brewster-Winkel angeordnet werden. Diese Anordnung ist auch weit weniger empfindlich für Änderungen der Brechzahl der Flüssigkeit bei Temperaturschwankungen. Bei einem Stapel aus 45 Teilstücken ist daher der Verlust als eine Funktion der Brechzahlen und als eine Funktion des Einfallswinkels vernachlässigbar klein. Beispielsweise führt eine 2,5° betragende Abweichung vom Brewster-Winkel oder eine Veränderung bis zu 2O°/o bei dem Brechzahlenverhältnis nur zu einem Gesamtverlust von IVo. Solche Verluste können vernachlässigt werden im Vergleich zu den üblichen Streuverlusten im stimulierbaren Medium. Hieraus geht hervor, daß bei der Anordnung unter dem Brewster-Winkel große Temperaturschwankungen in der Einrichtung und ein höheres Temperaturgefälle an der Zwischenfläche zwischen Feststoff und Flüssigkeit zugelassen werden kann mit der Folge, daß die Wärme besser abgeführt und damit eine bessere Kühlung erzielt wird.

Verluste auf Grund der Flüssigkeit werden durch Absorptionsbänder im flüssigen Kühlmittel bei der Wellenlänge des stimulierbaren Mediums verursacht und können durch geeignete Wahl der Flüssigkeiten vermieden werden. Bei einem Betrieb mit niederigen Temperaturen ist z. B. eine gesättigte D₂O-Lösung von CaCl₂ bis —40 ⁰C wirksam. Die Lösung weist bei 1,06 μΐη eine Durchlässigkeit von 100% auf. Als für eine stimulierte Strahlung von 1,06 μπι geeignetes Kühlmittel erweist sich eine Dreikomponentenlösung, bestehend aus D₂O, BaJ₂ und HgJ₂, d. h. die deuterierte Rohrbacks-Lösung. Bei dieser Kühlmittellösung beträgt der Temperaturkoeffizient der Brechzahl ungefähr 3 · 10~^{5 0}C, während der des Nd⁺³-Glasmediumrnaterials nur ungefähr 10~⁵°Ο beträgt. Bei einer Abweichung von den Solltemperaturen werden daher keine wesentlichen Verluste verursacht. Für Sachkundige werden noch weitere Kühlmittel und Lösungen naheliegend sein, wobei die erforderlichen Brechzahlen von dem verwendeten stimulierbaren Medium abhängen. Zum Beispiel könnten als Kühlmittel, die sowohl bei der Wellenlänge der stimulierten Strahlung als auch bei der Wellenlänge der Anregungsstrahlung und bei starker Belichtung stabil sind, Wasser, Schweres Wasser, Methylalkohol, Benzol oder Difluordichlormethan (Freon), CF₂Cl₂ verwendet werden.

Das bevorzugte stimulierende Medium besteht aus Nd³⁺-GIaS. Jedoch können bei den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung auch andere Materialien als stimulierbare Medien verwendet werden, z.B. Rubin, Nd³⁺; CaWO₄ oder Nd³⁺ Yttrium-Aluminium-Granat (YAG). Die Verwendung von mit Neodymium dotiertem CaWO₄ würde wegen des niedrigen Anregungsschwellenwerts, der hohen Wirksamkeit und der schmalen Bandbreite die Arbeit des in Teilstücke unterteilten stimulierbaren Mediums nach der Erfindung verbessern. Der Brechungsindex des gewählten Materials soll über die Fläche der Scheibe hinweg gleich sein. Die Verwendung von doppeltbrechenden Kristallen für das stimulierende Medium würde eine entsprechende Ausrichtung zwecks Gleichrichtung erfordern.

Die Einrichtung nach der Erfindung kann aus jedem bekannten festen Mediummaterial hergestellt werden, dessen Gesamtdicke der üblichen Praxis entspricht. Die Gesamtdicke kann von 12,7 mm bis zu 100 cm betragen, wobei jedes Teilstück 72 je nach der besonderen Festigkeit des gewählten Materials mindestens 0,025 mm dick sein soll. Der Durchmesser kann einige Millimeter bis zu 25 mm und mehr betragen, je nach der Absorption des gewählten Medium-

materials, wie an sich bekannt. Der Zwischenraum 70 zwischen den Teilstücken wird von dem hydraulischen Verhalten der Kühlflüssigkeit bestimmt und wird vorzugsweise so gewählt, daß eine turbulente Strömung vermieden wird. Es können daher Abstände von ungefähr 0,125 mm bis ungefähr 0,625 mm vorgesehen werden. Der Zwischenraum zwischen aufeinanderfolgenden Paaren von Teilstücken 72 braucht nicht genau gleich zu sein, soll jedoch zwischen benachbarten Teilstücken 72 gleich sein, so daß alle Teilstücke mit Abstand parallel zu einander verlaufen.

Das Material für die Endstücke 37 und 38 kann aus jedem transparenten Material bestehen, das eine ausreichende dielektrische Festigkeit aufweist, um dem Strahl widerstehen zu können.

Wird das Kühlmittel zwischen den Teilstücken so hindurchgeleitet, daß vorzugsweise eine geschichtete Strömung entsteht, so kann die Leistungsfähigkeit wesentlich erhöht werden. Bei Einrichtungen mit einem Durchmesser von 6,3, 12,7 oder 25,4 mm liegt die betreffende Erhöhung der Leistungsfähigkeit in der Größenordnung von 50, 200 und 800.

Es wurden bisher bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben; jedoch können Sachkundige auch andere optische Sender unter Verwendung des in Abschnitte unterteilten Aufbaus nach der Erfindung entwickeln. Beispielsweise könnte ein optischer Sender mit einem gedrängten Aufbau und mit hoher Durchschnittsleistung vorgesehen werden, wobei die Entladungsblitzlichtlampe von dem in Teilstücke unterteilten stimulierbaren Medium umschlossen wird und wobei eine Kopplung von ungefähr Eins erreicht wird. Bei einem solchen optischen Sender würde die Kühlmittelströmung direkt nach innen über das in Teilstücke unterteilte Mediummaterial geleitet werden, so daß das nicht erwärmte Kühlmittel zuerst über das stimulierbare Medium fließt und dann erst die Lampe kühlt. Ein großer Querschnitt bei den Kühlmittelkanälen der Teilstücke würde einen kleinen Druckabfall zum Bewahren der geschichteten Strömung bewirken, während eine Verkleinerung des Querschnittes der Kühlmittelströmung an der Entladeblitzlichtlampe im Lampenbezirk einen hohen Druckabfall bewirken würde. Es können wendeiförmige Entladungsblitzlichtlampen benutzt werden, wodurch innerhalb der Lampe in der Mitte ein Kühlmittelauslaß geschaffen wird, wobei geeignete Auslaßöffnungen vorgesehen werden können, die einen gleichmäßigen Druck längs der An-Ordnung und bei jedem Radius von der Mittelachse aus nach außen bewirken. Auf diese Weise wird mit Sicherheit derselbe Druckabfall an den an den Enden des Stapels gelegenen Teilstücken erzielt. Mehrere Stapel, die um eine Entladungsblitzlichtlampe herum angeordnet sind, könnten mit einander durch zweischenklige Porroprismen optisch verbunden werden, die eine Strahlumlenkung bewirken. Eine solche Strahlumlenkungsanordnung kann einen rechteckigen Aufbau aufweisen, bei dem vier Stapel von Teilstücken verwendet werden, oder es kann ein vieleckiger Aufbau vorgesehen werden. Die Erfindung kann daher weitgehend bei geschlossenen Aufbauten mit Pfadumlenkung verwendet werden.

Bei einem, anderen optischen Sender, der für die in Teilstücke unterteilte Anordnung des stimulierbaren Mediums nach der Erfindung besonders gut geeignet ist, wird ein Stapel von scheibenförmigen Teilstücken benutzt, die zu einer Platte angeordnet sind, wobei an den großflächigen Seiten Entladungsblitzlichtlampen angeordnet sind. Bei einer solchen Anordnung könnten z. B. mehrere auf Abstand stehende Stapel von Teilstücken vorgesehen werden, wobei zwischen je zwei benachbarten Stapeln Entladungsblitzlichtlampen angeordnet werden.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Optischer Hochleistungssender mit einem längs der optischen Achse scheibenförmig unterteilten stimulierbaren Medium, das optisch angeregt wird und dessen Oberflächen parallel zu- _Λ einander ausgerichtet sind, dadurchgekenn- \ zeichnet, daß zur Erzielung eines überwiegend axialen Wärmeentzuges die Zwischenräume (70) zwischen den scheibenförmigen Teilstücken (36,

72) des stimulierbaren Mediums zugleich Kanäle für eine wirksam auf breiter Fläche angreifende umlaufende Kühlflüssigkeit darstellen, wobei die Scheiben einen vorgegebenen Winkel mit der optischen Achse (40, 62) bilden.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmigen Teilstücke des stimulierbaren Mediums senkrecht zur optischen Achse angeordnet sind und die Kühlflüssigkeit einem dem stimulierbaren Medium möglichst angeglichenen Brechungsindex aufweist.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmigen Teilstücke des stimulierbaren Mediums unter dem Brewster-Winkel zur optischen Achse angeordnet sind.

4. Optischer Sender nach den Ansprüchen 1

bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit zuerst das stimulierbare Medium und anschließend die Entladungsblitzlampe (28, 60) umfließt.

5. Optischer Sender nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß.der die scheibenförmigen Teilstücke (36, 72) des stimulierbaren Mediums haltende Stützmantel (34, 64) Kanäle (68) aufweist, die mit den Zwischenräumen (70) zwischen den Scheiben (36, 72) in Verbindung stehen.

6. Optischer Sender nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlflüssigkeit Schweres Wasser (D₂O) verwendet wird.

7. Optischer Sender nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit im wesentlichen aus einer Lösung von BaJ₂ und HgJ₂ in D₂O besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen