DE1564573B2 - Schaltung fuer optische sender oder verstaerker (laser) - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung für optische Sender oder Verstärker (Laser) für kohärente Impulsstrahlung.

Bei Lasern muß das innerhalb eines optischen Resonators angeordnete stimulierbare Medium von einer Lichtquelle angeregt werden. Dabei ist es üblich, die Anregungsenergie mittels eines Spiegelsystems auf das stimulierbare Medium abzubilden und das stimulierbare Medium gegebenenfalls zusammen mit der Lichtquelle zu kühlen. ■·■■■-

Zur Erzeugung kohärenter Impulsstrahlung muß auch die Anregungslichtquelle pulsförmig betrieben werden, wenn nicht von einem innerhalb des optischen Resonators angeordneten Güteschalter Gebrauch gemacht wird:'In diesem Falle eignen sich als Anregungslichtquellen Blitzentladungslampen, die in bekannter Weise aus einem Speicherkondensator gespeist werden. Der Speicherkondensator wird dabei während seiner Aufladephase über einen Schalter an ein Ladegerät angeschlossen. Seine Entladung über die Blitzentladungslampe wird durch einen deren Entladungsstrecke ionisierenden Zündimpuls herbeigeführt. Die Auslösung eines Zündimpulses erfolgt dabei unter Zuhilfenahme einer Steuereinrichtung, die gegebenenfalls elektronische Schalter verwendet.

Die Abbildung der Anregungsenergie mittels eines Spiegelsystems auf das stimulierbare Medium kann auf verschiedene Weise erfolgen. Bevorzugt sind hierbei solche Anordnungen, die das Licht der Anregungslichtquelle möglichst vollständig auf das stimulierbare Medium übertragen.

Bei einer bekannten Anordnung, bei der ein elliptisch-zylindrischer Hohlspiegel Verwendung findet, ist die Anregungslichtquelle in Erstreckung der einen Brennlinie und das stimulierbare Medium in Erstrekkung der anderen Brennlinie dieses Hohlspiegels angeordnet. Weiterhin sind Beleuchtungseinrichtungen bekannt, bei denen der Hohlspiegel als Rotationsellipsoid ausgebildet ist, längs dessen Rotationsachse auf einander gegenüberliegenden Seiten die Anregungslichtquelle und das stimulierbare Medium sich erstrecken, und zwar entweder im Bereich der Brennpunkte oder aber exfokal hiervon.

Bei der Anwendung von Impulsen eines optischen Senders, beispielsweise in optischen Radarsystemen, zum Schweißen, zur intensiven Beleuchtung für photographische Zwecke, wie Holographie, oder für Interferometrie,-tritt oft das Problem auf, Serien von beispielsweise zehn schnell aufeinanderfolgenden Impulsen zu erzeugen, zwischen denen lange Pausen liegen. Beispielsweise sollen zehn Impulse zur photographischen Zeitauflösung einmaliger Vorgänge, die mit Interferometern oder Schlierenmethoden beobachtet werden, in Abständen von je 20 msec erzeugt werden oder es sollen an einem Werkstück schnell zehn Schweißpunkte nacheinander gebildet werden, worauf zum Herantransport des nächsten Werkstückes ein längerer Zeitraum erforderlich ist.

Es könnte daran gedacht werden so viele optische Sender nacheinander zu betätigen, wie Impulse verlangt werden. Dies erfordert jedoch einen erheblichen Aufwand. Eine andere Möglichkeit wäre der Einsatz eines optischen Senders, der die Impulsfolge quasikontinuierlich liefern kann. Dies erfordert jedoch im Verhältnis zur abgegebenen Leistung überdimensionierte Kühlung und ein überdimensioniertes Netzgerät.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Einrichtung zur Erzeugung von Impulsserien zu realisieren, die gegenüber den genannten Möglichkeiten einen wesentlich geringeren Aufwand erfordert.

Ausgehend von einer'. Schaltung für optische Sender oder Verstärker (Laser) für kohärente Impulsstrahlung, deren Anregungslichtquelle aus einem Speicherkondensator gespeist wird, und deren optischer Resonator ein . stimulierbares Medium enthält, auf das die Anregungsenergie mittels eines Spiegelsystem^ abgebildet wird, und das gegebenenfalls zusammen mit der Entladungslampe gekühlt wird, wobei eine Auskoppelvorrichtung und gegebenenfalls auch eine Einkoppejvorrichtung für. das Signallicht vorgesehen ist, wird diese Aufgabe gemäß "der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Auslösung einer Pulskette die Anregungslichtquelle über Schalter mit mehreren, über eine Ladeeinrichtung aufladbaren getrennten Speicherkondensatoren verbunden ist und daß eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die die einzelnen Speicherkondensatoren in vorgegebener Weise zeitlich nacheinander an die Anregungslichtquelle zur jeweiligen Entladung anschaltet.

Der Erfindung liegt die aus umfangreichen Experimenten gewonnene Erkenntnis zugrunde, daß es möglich ist, Blitzentladungslampen und stimulierbare Medien kurzzeitig bezüglich der mittleren Leistung stark zu überlasten, ohne daß die Lebensdauer und der

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Wirkungsgrad stark nachlassen. So steigt erfahrungs- bzw. 22 und über die Anregungslichtquelle 3 ent-

2emäß die Temperatur eines Rubinverstärkers wäh- laden. Die Thyristoren 17, 18 und 19 werden über

rend eines Pumpimpulses um höchstens 4° C. Bei ihre Zündelektroden von einer Steuereinrichtung 23

einer schnellen Impulsfolge, in der die verwendete gezündet.

Kühlung praktisch unwirksam ist, würde nach zehn 5 Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende. Impulsen eine Steigerung von 40° C erreicht werden, Wird der Schalter 14 geschlossen, so lädt die Gleichweiche die Verstärkerfunktion noch zuläßt. Spannungsquelle 7 den Kondensator 8 über den Wi-

Für die praktische Ausführung des Erfindungs- derstand 11 auf. Nach beendeter Aufladung wird der

gegenstandes ist es vorteilhaft, wenn zur An- oder Schalter 14 wieder geöffnet. Jetzt wird der Schalter

Abschaltung der Speicherkondensatoren elektronische io 15 geschlossen und der Kondensator 9 aufgeladen.

Schalter, insbesondere Thyristoren vorgesehen sind. Nach beendetem Entladevorgang wird der Schalter

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfin- 15 wieder geöffnet und der Schalter 16 zur Aufladung dung ist als Anregungslichtquelle für den optischen des Kondensators 10 geschlossen. Nach vollendetem Sender bzw. Verstärker eine Blitzentladungslampe Ladevorgang wird der" Schalter 16 wieder geöffnet, mit Gas- oder Quecksilberdampffüllung, vorzugsweise 15 Jetzt ist die Kondensatorbatterie 8, 9, 10 aufgeladen, mit einer Wasser- oder Luftkühlung für Entladungs- Bei einer praktischen Ausführung des Erfindungsgefäße und Elektroden, vorgesehen, gegenstandes ist es zweckmäßig, die Schalter 14, 15

Die Wirtschaftlichkeit des Netzgerätes für die An- und 16 durch elektronische Schalter zu ersetzen, die regungslichtquelle wird dadurch erzielt, daß in den ebenfalls durch die Steuereinrichtung 23 geschaltet Pausen zwischen den Impulsserien mit einem auf die 20 werden. Wird jetzt der Steuereinrichtung 23 ein Startlangzeitliche mittlere Leistung dimensionierten Netz- befehl gegeben, so gelangt ein Spannungsimpuls an gerät mehrere Kondensatorbatterien aufgeladen wer- die Zündelektrode des Thyristors 17 und zündet dieden, die in den Impulsserien hintereinander über die sen. Der Thyristor 17 wird leitend, und der Konden-Blitzentladungslampe entladen werden. · sator 8 entlädt sich über den Begrenzungswiderstand

Vorteilhaft ist als stimulierbares Medium des opti- 25 20 und die Anregungslichtquelle 3. Ist der Konden-

schen Senders bzw. Verstärkers Rubin, vorzugsweise sator 8 so weit entladen, daß den Thyristor 17

ummantelter Rubin, vorzugsweise mit Wasser-, Stick- der erförderliche Haltestrom nicht mehr durchfließt;

stoff- oder sonstiger forcierter Kühlung, oder uin von so verlöscht er. Nach dem ersten Anregungslichtblit?:

der Betriebstemperatur unabhängiges Material, wie sendet die Steuereinrichtung 23 einen Impuls an die

CaWQ₄: Nd³⁺, YAG: Nd³⁺ oder Neodymglas, vor- 30 Zündelektrode des Thyristors 18, und der Kondensa-

gesehen. tor 9 entlädt sich über die Anregungslichtquelle 3 und

Vorteilhaft ist die Verwendung der Einrichtung erzeugt einen zweiten Lichtblitz. Nun veranlaßt die zur Sichtbarmachung schnell ablaufender Vorgänge Steuereinrichtung 23 die Zündung des Thyristors 19 nach dem Stroboskopverfahren oder zur Bearbeitung und damit die Entladung des Kondensators 10 über von Werkstücken in der Weise, daß die Steuervor- 35 die Blitzlampe 3, was zum dritten Lichtblitz der Anrichtung mit dem ablaufenden Vorgang oder dem Be- regungslichtquelle innerhalb kurzer Zeit führt. Bei arbeitungsvorgang synchronisiert ist. jedem Lichtblitz wird Licht der Frequenz fp nach

An Hand eines Ausführungsbeispiels wird die Er- einer oder mehreren Reflexionen am Hohlspiegel 1

findung nachstehend näher erläutert. Es zeigt durch den Rubinstab 2 gesandt. Dabei werden Chrom-

F i g. 1 einen optischen Sender nach der Erfindung, 40 atome bis zur Inversion angeregt. Diese Atome fal-

Fig. 2 eine Anwendung des optischen Senders len nach kurzer Zeit unter Aussendung der verschie-

nach F i g. 1 in einem Radarsystem, densten inkohärenten Wellen in ihren Ruhezustand

Fig. 3 eine Anwendung des optischen Senders zurück. Die Wellen jedoch, die längs der Achse des

nach F i g. 1 zur holographischen Aufnahme eines Rubinstabes 2 laufen, treffen auf die reflektierenden

Objektes, 45 Stirnflächen 4 und 5 und laufen wieder zurück. Sie

Fig. 4 eine Anwendung des optischen Senders lösen auf dem Rückweg in den angeregten Atomen,

nach F i g. 1 zur Bearbeitung von Materialien. die sie durchqueren, weitere Wellen derselben Fre-

Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung quenz und auch Phase aus, so daß ein sich verstärzur Erzeugung einer Serie schnell aufeinanderfolgen- kender Wellenzug entsteht, der von dem Spiegel 5 der Impulse. Zur Vereinfachung der Zeichnung um- 50 teils durchgelassen, teils zurückgeworfen wird. Zwifaßt die Serie lediglich drei Impulse. Der optische sehen den Spiegeln 4 und 5 entsteht eine stehende Sender enthält einen rotationselliptischen Anregungs- Welle der Signalfrequenz, die den Resonator teilweise spiegel 1, einen Rubinstab 2 und eine Anregungslicht- durch den teildurchlässigen Spiegel 5 nach außen verquelle 3. Der Rubinstab 2 ist an seiner Stirnseite 4 läßt. Entsprechend dem Programm der Steuereinrichvöllig und an seiner Stirnseite -5 teildurchlässig ver- 55 tung wird eine bestimmte Impulsfolge abgegeben, spiegelt. Der Rubinstab 2 und die Anregungslicht- Die F i g. 2 zeigt ein Beispiel für die Anwendungsquelle 3 sind längs der Rotationsachse des ElHp- möglichkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung in soids 1 jeweils zwischen einem Brennpunkt und dem einem optischen Radarsystem. Die Anordnung bebenachbarten Hohlspiegelscheitel angeordnet. Der steht aus der erfindungsgemäßen Einrichtung 24 als Rubinstab 2 und die Anregungslichtquelle 3 befinden 60 optischem Sender, einem optischen Empfänger 25, sich in einem optisch durchlässigen Kühlkanal 6, der einem teildurchlässigen Spiegel 26 und einem Fahrvon einem Kühlmittel durchflossen wird. Der Strom- zeug 27 als Meßobjekt.

Versorgung dient die Gleichspannungsquelle 7, die die Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende.

Energie zur Aufladung der Kondensatoren 8, 9 und Die erfindungsgemäße Einrichtung 24 sendet eine 10 über die Widerstände 11, 12 und 13 bei geschlos- 65 Folge von Impulsen der Frequenz/5 durch den teil-

senen Schaltern 14, 15 und 16 liefert. Die Kondensa- durchlässigen Spiegel 26 in Richtung des sich fort-

toren 8, 9 und 10 werden über die Thyristoren 17, bewegenden Fahrzeugs 27. Ein kleiner Teil der Si-

18 bzw. 19 und die Begrenzungswiderstände 20, 21 gnalstrahlung fs wird durch den Spiegel 26 reflektiert

und gelangt zum Eingang des optischen Empfängers 25. Die auf das Fahrzeug 27 auftreffenden Impulse werden reflektiert und gelangen als Strahlung fs' ebenfalls auf den Eingang des optischen Empfängers 25. Dieser vergleicht die Laufzeit der Strahlung fs und fs' jedes Impulses und ermittelt aus diesen Werten die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 27.

Die F i g. 3 zeigt die Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung in der Holographie. Die Anordnung besteht aus einer erfindungsgemäßen Einrichtung 24, einem Spiegel 28, einem photographischen Film 29 mit Auf- und Abspulvorrichtung 30 sowie einem Insekt 31 als Beobachtungsobjekt.

Die Anordnung bezweckt eine räumliche Filmaufnahme der Flugbewegungen des Insekts in Zeitlupe.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende. Die erfindungsgemäße Einrichtung sendet eine monochromatische Signalstrahlung fs aus, die sowohl den Spiegel 28 als auch das Photoobjekt 31 beleuchtet. Am Spiegel 28 wird die Signalstrahlung reflektiei' und gelangt als ebene Welle auf den photoempfindlichen Film 29. Die Signalstrahlung fs, die das Insekt 31 trifft, wird ebenfalls reflektiert, und zwar in Form von Kugelwellen, die von jedem beleuchteten Punkt ausgehen. Die vom Spiegel 28 und die vom Photoobjekt 31 ausgehende Strahlung bildet eine Interferenz und erzeugt auf dem photoempfindlichen Film 29 ein Interferenzbild. Die Steuereinrichtung zur S Auslösung der Impulse fs und die Transportvorrichtung 30 des Films 29 sind so synchronisiert, daß bei jedem Lichtimpuls ein unbelichtetes Filmstück an die Aufnahmestellung.transportiert wird.

Die F i g. 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel für den

ίο Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung in der Materialbearbeitung. Die Darstellung enthält die Impulserzeugungseinrichtung 24 und ein Blech 32, das längs des Pfeiles 33 verschiebbar angeordnet ist. Das Blech 32 soll längs einer parallel zur Pfeilrichtung 33 verlaufenden Geraden in gleichmäßigen Abständen Bohrungen erhalten. Der zeitliche Abstand der Impulse/s wird nun mit der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes 32 längs des Pfeiles derart in Einklang gebracht, daß sich der geforderte Bohrungsab-

ao stand ergibt. Nach dem Bohren von fünf Bohrungen 34 verstreicht ein gegenüber dem Bohrvorgang längerer Zeitraum, bis das nächste Werkstück 32' in der Bearbeitungsposition ist, während der die Kondensatorbatterie der Einrichtung 24 aufgeladen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltung für optische Sender oder Verstärker (Laser) für kohärente Impulsstrahlung, deren Anregungslichtquelle aus einem Speicherkondensator gespeist wird und deren optischer Resonator ein stimulierbares Medium enthält, auf das die Anregungsenergie mittels eines Spiegelsystems abgebildet wird und das gegebenenfalls zusammen mit der Entladungslampe gekühlt wird, wobei eine Auskoppelvorrichtung und gegebenenfalls auch eine Einkoppelvorrichtung für das Signallicht vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslösung einer Pulskette die Anregungslichtquelle (3) über Schalter (14 bis 16) mit mehreren, über eine Ladeeinrichtung (7) aufladbaren getrennten Speicherkondensatoren (8 bis 10) verbunden ist und daß eine Steuervorrichtung (23) vorgesehen ist, die die einzelnen Speicherkondensatoren in vorgegebener Weise zeitlich nacheinander an die Anregungslichtquelle zur jeweiligen Entladung anschaltet.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur An- oder Abschaltung der Speicherkondensatoren (8 bis 10) elektronische Schalter (17 bis 19), insbesondere Thyristoren, vorgesehen sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung zur Sichtbarmachung schnell ablaufender Vorgänge nach dem Stroboskopverfahren oder zur Bearbeitung von Werkstücken die Steuervorrichtung mit dem ablaufenden Vorgang oder dem Arbeitsablauf synchronisiert ist.