DE1564750B1

DE1564750B1 -

Info

Publication number: DE1564750B1
Application number: DE19661564750
Authority: DE
Priority date: 1965-12-20
Filing date: 1966-11-02
Publication date: 1970-10-22
Also published as: FR1501292A; BE691188A; GB1148222A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sen- entbehrlich. Die Belüftung wird weniger bedeutsam,

der oder Verstärker (Laser) mit einem stimulierbaren und auf einen künstlich durch ein Gebläse erzeugten

Medium innerhalb eines optischen Resonators, dessen Luftstrom, der Schwierigkeiten, wie Vibration und

außerhalb des stimulierbaren Mediums angeordnete optisches Zittern infolge vom Motor und vom Luft-Spiegel mechanisch fest in ihrem gegenseitigen Abstand 5 strom herrührender Schwingungen, verursachen würde,

gehaltert sind. kann verzichtet werden. Die Erfindung ermöglicht es

Ein Laser enthält als wesentliche Bauteile das daher, Laser gedrängter und mit kleineren Abmessun-

stimulierbare Medium, in welchem eine optische gen zu bauen.

Strahlung erzeugt und verstärkt wird, und den opti- Im folgenden wird die Erfindung an Hand der sehen Resonator, durch den die Strahlung in einer vor- io Zeichnungen beispielsweise näher erläutert:

bestimmten Art und Weise rückgekoppelt und ge- F i g. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines

bündelt wird. Um einen einwandfreien Betrieb zu ge- üblichen Gaslasers, von der Seite gesehen,

währleisten, müssen die Spiegel genau ausgerichtet von F i g. 2 zeigt eine Einzelheit eines den optischen

einem Aufbau getragen werden, der in der Nähe des Resonator tragenden Aufbaues in der bisher üblichen stimulierbaren Mediums angeordnet ist. Während des 15 Art für einen Laser nach F i g. 1.

Vorgangs der Anregung des stimulierbaren Mediums F i g. 3 ist eine Querschnittsansicht mit Blickrichtung

bis zu einer optischen Emission wird eine erhebliche auf die Ebene 3-3 in F i g. 2.

Wärmemenge erzeugt, und es wurde gefunden, daß, F i g. 4 zeigt eine Einzelheit eines den optischen

wenn diese Wärme den tragenden Aufbau des Resona- Resonator tragenden Aufbaues gemäß der Erfindung tors quer durchfließt, ein Temperaturgradient über 20 für einen Laser nach Fig. 1.

den Querschnitt des Aufbaues entsteht, der ausreicht, F i g. 5 ist eine Querschnittsdarstellung mit Blick-

um den Aufbau zu verformen und eine unerwünschte richtung auf die Ebene 5-5 in F i g. 4. Λ

Fehlausrichtung der Spiegel zu verursachen. F i g. 6 ist eine Einzelteildarstellung eines anderen, ™

Optische Sender oder Verstärker (Laser) mit einem zum Tragen des optischen Resonators dienenden AufAufbau zur Halterung der Spiegel, wie eingangs er- 25 baues gemäß der Erfindung für den Lasernach Fi g. 1.

wähnt, sind bereits bekannt. Außerdem ist es bereits F i g. 7 ist eine Querschnittsansicht mit Blickrich-

bekannt, für die Halterung der Spiegel vier Stangen aus tung auf die Ebene 7-7 von F i g. 6.

einer Nickel-Eisenlegierung mit 36⁰Z₀ Ni und 64% Fe F i g. 8 ist eine zum Teil abgebrochen dargestellte

(Invar) mit niedrigem Temperaturausdehnungskoef- Seitenansicht eines Lasers gemäß der Erfindung, fizienten zu verwenden und für eine mechanische 30 F i g. 9 ist eine Querschnittsansicht mit Blickrichtung

Temperaturkompensation Sorge zu tragen. Beide auf die Ebene 9-9 in F i g. 8.

Spiegel sind je um eine Achse schwenkbar. Es erfolgt F i g. 10 ist eine Querschnittsdarstellung eines andeeine Einjustierung der Parallelstellung mittels Grob- ren Lasers gemäß der Erfindung, und Feinantriebes. Es ist auch ein elektronisches F i g. 1 zeigt einen Gaslaser, bei dem die Gas-Ent-Temperaturkompensationssystem bekannt, bei dem 35 ladung aus der Energiequelle 1 die Anregungsenergie der Winkel und der Abstand der Spiegel mit Hilfe für das gasförmige stimulierbare Medium für kohärente magnetostriktiver Glieder in Abhängigkeit von Ände- Ausstrahlung liefert. Diese kohärente Strahlung bei rimgen von Frequenzanteilen im Verstärker- oder einer gewünschten Wellenlänge wird durch vakuum-Sendeausgang geregelt werden. Weiterhin ist ein Gas- dichte Fenster 3 hindurch übertragen, und zwar solchen, laser bekannt, bei welchem der Abstand der Spiegel 40 die unter dem Brewster-Winkel geneigt sind für mittels piezoelektrischer Kristalle spannungsabhängig maximalen Durchlaß polarisierten Lichtes. Das kohägeregelt wird. Auch hier sind vier Stäbe aus einer rente Licht wird noch dadurch weiter verstärkt, daß es Nickel-Eisenlegierung (Invar) vorgesehen, um den mehrmals durch das stimulierbare Medium hindurch Abstand der Spiegel möglichst von der Raumtempera- vermittels zweiter den optischen Resonator begrenzen- f tür unabhängig zu machen. 45 den Spiegel 4 und 5 hin- und hergeworfen wird, die Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf sich einander gegenüberstehen. Die in Aufbauten 4' einem neuartigen, möglichst einfachen Wege dafür zu bzw. 5' angebrachten Spiegel 4 und 5 werden in einem sorgen, daß die im stimulierbaren Medium auftretende genau festgelegten Abstand von einer Basisanordnung7 Wärme möglichst keinen Einfluß auf die die Spiegel in getragen. Das das stimulierbare Medium aufnehmende ihrer gegenseitigen Entfernung festlegenden und ihre 50 Entladungsrohr 2 und die mit den zur Stabilisierung der Ausrichtung bestimmenden Bauteile gewinnt. Diese Entladung dienenden Elektroden 9 des Entladungs-Ausbildung soll zugleich eine Miniaturisierung der rohres in Reihe geschalteten Widerstände 8 werden Laser dadurch ermöglichen, daß das die Wärmequelle oberhalb der Basisanordnung 7 getragen, bildende stimulierbare Medium im Vergleich zum Die Erfordernisse für die Ausrichtung der Spiegel 4 Stande der Technik erheblich näher an dem die Spiegel 55 und 5 lassen sich durch den Fall veranschaulichen, bei tragenden Aufbau angeordnet werden kann, ohne daß welchem mindestens der eine Spiegel eine reflektierende die Ausrichtung der Spiegel dadurch störend beein- Kugelfläche mit einem Krümmungsradius R aufweist, trächtigt wird. der groß ist im Vergleich zu dem Abstand L zwischen Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß zum den beiden Spiegeln. Eine solche Ausbildung ist er-Zwecke einer annähernden Winkelstabilität der Spiegel 60 wünscht, um große Beträge optischer Energie in einer des optischen Resonators zueinander das Bauteil für e^;nphasigen Wellenfront zu erhalten. Für einen optidie Abstandshalterung der beiden Resonatorspiegel sehen Resonator mit einem solchen Kugelspiegel mit vor der im stimulierbaren Medium freiwerdenden dem Krümmungsradius R und einem zweiten Spiegel Wärme dadurch geschützt wird, daß es durch ein gut mit einer reflektierenden Planarfläche kann die Auswärmeleitendes und den größten Teil des Wärme- 65 richtungsempfindlichkeit, gemessen durch den Drehflusses aufnehmendes Bauteil mit Abstand umfangen winkel eines der Spiegel (von der genauen Ausrichtung wird. Umständliche und aufwendige Temperatur- gegenüber dem anderen Spiegel aus) in Radian, wie kompensationsvorrichtungen werden auf diese Weise folgt ausgedrückt werden:

Θ =

λ ist in dieser Formel die Betriebswellenlänge. Bei einem Helium-Neon-Gaslaser, der bei 6328 Ä arbeitet und der einen Spiegelabstand L = 2 m und einen Krümmungsradius R = 20 m aufweist, beträgt die Ausrichtungsempfindlichkeit Θ = 5,7 Bogensekunden. Es sei nun eine übliche Anordnung 7' zum Tragen der Reflektoren betrachtet, welche die Form eines Rohres von rechteckigem Querschnitt hat, wie dies in F i g. 2 und 3 veranschaulicht ist. Ein Teil W der durch die Anregung des stimulierbaren Mediums in dem Entladungsrohr erzeugten Wärme fließt von oben nach unten und erzeugt dabei einen Temperaturgradienten in Querrichtung über den Querschnitt. Infolgedessen dehnt sich der obere Teil der Anordnung T mehr aus als der untere Teil, so daß sich eine Winkelablenkung Θ jedes Reflektors ergibt, die sich in Radian wie folgt ausdrucken läßt:

Θ =

CW IKD

Hierbei ist C der Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffes der tragenden Anordnung, K die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes und D die Wanddicke des Rohres. Für ein Aluminiumrohr mit C = 2,3 · 10 ⁵ (⁰C)¹, K = 2,0 (W) (Cm)-¹C⁰C)¹, Z) = 1 cm und für einen optischen Wärmefluß in Querrichtung von 50 W beträgt Θ = 117 Bogensekunden; das ist annähernd das Zwanzigfache der Ausrichtungsempfindlichkeit des optischen Resonators. Es ist also klar, daß die Winkelablenkung der Spiegel, die sich aus dem Wärmefluß in Querrichtung ergibt, genügt, um die Instabilitäten zu erklären, die bei den früheren Lasern zu beobachten waren.

Im Gegensatz zu diesen bisher gezeigten bekannten Ausführungsformen zeigen die F i g. 4 und 5 den Gegenstand der Erfindung. Hierbei wird der den Spiegel tragende Aufbau 7' von einem äußeren Rohr 7" umschlossen, wobei das Entladungsrohr 2 sowie die zur Stabilisierung dienenden Widerstände 8 oberhalb des äußeren Stützrohres 7" gehalten werden. Die Stützrohre 7' und 7" sind durch einen isolierenden Spalt 10 von der Breite α getrennt. Der durch die Anregung des stimulierbaren Mediums in dem Entladungsrohr erzeugte Wärmefluß W teilt sich dann in zwei Teile: Der eine Teilfluß W₁ fließt durch das äußere Stützrohr 7" und am inneren Stützrohr 7' vorbei und der andere Teilfluß W₂ durchfließt sowohl den isolierenden Spalt 10 als auch das innere Stützrohr T. Da nun die Wärme-Leitfähigkeit des Weges für den Teilfluß W₁ bedeutend größer ist als die des Weges für den Teilfluß W₂, ergibt sich so eine wirksame Wärmeabschirmung für den die Spiegel tragenden Aufbau 7'. Formelmäßig läßt sich diese Abschirmung wie folgt ausdrücken:

W₂IW₁ = Κ, b-\'4 Ks a D₁.

Hierin ist K₁ die Wärmeleitfähigkeit des isolierenden Spaltes 10, K_s die Wärmeleitfähigkeit des Abschirmungsrohres 7", D₁ die Dicke des Abschirmungsrohres 7" und b die wirksame Breite, über welche die Wärme von dem äußeren Rohr 7" durch den Luftspalt 10 auf das innere Rohr 7' übertragen wird; sie ist etwas größer als die Breite des Rohres 7'. Für einne typischen Fall, bei dem der Spalt 10 aus Luft mit Ki = 2,4 · 10-⁴ (W) (Cm)-¹CC)-¹ und mit einer Luftspaltdicke = Wandabstand α = 1,25 mm besteht, kann die Abschirmung 7" aus Aluminium mit einer Dicke D₁ = 2,5 mm hergestellt werden und b beträgt 100mm, W₂IW₁ = 0,8 · 10². Bei Heranziehung der Gleichung (2) wird also ersichtlich, daß die Winkelablenkung Θ um den gleichen Faktor verkleinert wird, so daß bei

ίο dem gegebenen Beispiel Θ = 0,94 Bogensekunden beträgt, also weit unterhalb der Ausrichtungsempfindlichkeit von 5,7 Bogensekunden liegt.

Wie aus der Gleichung (2) zu ersehen ist, ist die Winkelablenkung des tragenden inneren Stützrohres7' für einen gegebenen Wärmefluß W₂ proportional dem Verhältnis CjK, also des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zur Wärmeleitfähigkeit. Um die bestmöglichen Resultate zu erhalten, sollte daher das Rohr 7' aus einem Werkstoff mit einem kleinen Wert des Ver-

zo hältnisses CjK hergestellt werden. Daher ist, obwohl beispielsweise die 36% Ni - 64% Fe-Legierung Invar einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Aluminium hat, Aluminium, das einen kleineren Wert des Verhältnisses CjK aufweist, als Werkstoff für das Stützrohr T vorzuziehen.

Werden das innere und das äußere Rohr aus dem gleichen Material hergestellt, so tritt der kleinste Resonatorablenkungswinkel für eine gegebene Gesamtrohrdicke D₁ + D₂, welche ein gegebenes Gesamtrohrgewicht bestimmt, dann auf, wenn Z)₁ = Z)₂, d. h., wenn die beiden Rohre die gleiche Wandungsdicke haben. In der Praxis kann, wie an dem obigen Beispiel gezeigt wurde, der Abschirmungseffekt derart über die Erfordernisse der Resonatorausrichtung hinaus hinreichend stark sein, so daß die innere, zum Tragen der Spiegel dienende Anordnung zwecks größerer mechanischer Steifheit dickwandiger ausgeführt werden kann.
Aus der Gleichung (3) ergibt sich, daß die verbessernde Wirkung der Abschirmung umgekehrt proportional dem Quadrat des effektiven Maßes b ist, von welchem der Wärmeübergang zwischen der inneren und der äußeren Anordnung abhängt. Die Figuren 6 und 7 zeigen eine Ausführungsform, bei der die zum Tragen der Spiegel dienende Anordnung T eine massive Profilleiste von T-förmigem Querschnitt ist, so daß das Maß b besonders klein und die Abschirmungswirkung besonders groß wird.
Bauliche Einzelheiten eines Lasers gemäß der Erfindung sind beispielsweise in F i g. 8 und 9 aufgezeigt. Die äußere Abschirmung 7" umfaßt hier ein unteres Gehäuseteil la" und eine daran angesetzte winkelförmige Teilungswand Ib", die mit Hilfe von Profilvorsprüngen 11 zusammengesetzt sind. Bei einer Ausführungsform ist die den optischen Resonator tragende Anordnung T ein 1,5 m langes Aluminiumrohr mit einem Außendurchmesser von 13,75 cm und einer Wanddicke von etwa 8 mm. Die Teile la" und 7" bestehen aus etwa 3,2 mm dickem Aluminiumblech, wobei der Mindestabstand zwischen dem Rohr 7' und den Wänden der Teile la" und Ib" etwa 6 mm beträgt. Der Spiegel 4 hat eine ebene Reflexionsfläche (die als Überzug auf ein Prisma aufgebracht ist, das dazu dient, unerwünschte Wellenlängen von dem optischen Resonator zu dispergieren). Der Spiegel 5 besitzt eine reflektierende Kugelfläche mit einem Krümmungsradius von 6 m. Auf der Außenseite des Rohrs 7' ist eine Schi;htl2 von Polyurethanschaum angebracht, um die Luft in

dem isolierenden Spalt 10 abzusperren und auf diese Weise eine Wärmeübertragung durch Konvektion zu verhindern. Das Entladungsrohr 2 ist auf isolierenden Tragvorrichtungen 19 angeordnet, die an dem Rohr T befestigt sind und durch die Platte 13 hindurchragen, die mit Hilfe von Profilvorsprüngen 14 an dem oberen Gehäuseteil 15 angebracht ist und durch isolierende Blöcke 20 in ihrer Lage gehalten wird. Die Profilvorsprünge 11 und 14 werden in einem Abstand voneinander gehalten, um einen in Längsrichtung verlaufenden Luftspalt 21 zu bilden, durch welchen die Luft zirkuliert und die Wärme durch Konvektion von dem Entladungsrohr 2 nach oben ableitet, wodurch die durch die Halterung der Spiegel fließende Wärmemenge verringert wird. Die in der Nähe der Enden der An-Ordnung im Viereck angeordneten Stifte 16 sind fest an dem Tragrohr 7' des optischen Resonators angebracht und ragen radial durch Öffnungen 17 und 18 in dem Gehäuseteil la" hindurch. Die Öffnungen 17 in den Seitenwänden am linken Ende der Anordnung sind kreisrund, während die übrigen Öffnungen 18 die Form sich in Längsrichtung erstreckender Schütze haben. Die Stifte können sich in sämtliche Öffnungen hinein und aus ihnen heraus sowie auch in Längsrichtung innerhalb der Schlitze 18 bewegen. Auf diese Weise sucht jegliche Zug- oder Biegebeanspruchung des Gehäuses 15 und la" eine Bewegung der Stifte 16 statt einer Verformung der tragenden Anordnung des optischen Resonators herbeizuführen, welche die Ausrichtung der Spiegel beeinträchtigen könnte.

F i g. 10 zeigt einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung. Der Spiegelträger 7' umfaßt hier einen massiven, im Querschnitt winkelförmigen Profilbalken und die äußere Abschirmung 7" nimmt die rechte Seite des Gehäuses la" in Verbindung mit einer winkelförmigen Teilungswand Ib" ein, die sich zwischen einander gegenüberliegenden Wandungen des Gehäuses erstreckt. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders vorteilhafter gedrängter Aufbau, durch den ein bequem zugänglicher Montageraum 23 für das Entladungsrohr 2 und die dazugehörigen (nicht dargestellten) elektronischen Bauteile geschaffen wird. Bei einer möglichen Ausführungsform ist der Spiegelträger 7" ein etwa 60 cm langes Profilteil aus Aluminium, dessen Schenkel etwa 5 cm lang und etwa 16 mm dick sind; die Mindestbreite des Luftspaltes zwischen dem Träger 7' und der Abschirmung la" mit Ib" beträgt 1,9 mm; das Teil 7" trägt zwei Kugelspiegel mit 3 m betragendem Krümmungsradius.

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker (Laser) mit einem stimulierbaren Medium innerhalb eines optischen Resonators, dessen außerhalb des stimulierbaren Mediums angeordnete Spiegel mechanisch fest in ihrem gegenseitigen Abstand gehaltert sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke einer annähernden Winkelstabilität der Spiegel des optischen Resonators zueinander das Bauteil (7') für die Abstandshalterung der beiden Resonatorspiegel vor der im stimulierbaren Medium freiwerdenden Wärme dadurch geschützt wird, daß es durch ein gut wärmeleitendes und den größten Teil des Wärmefluflusses aufnehmendes Bauteil (7") mit Abstand (21) umfangen wird.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Abstandshalterung der Spiegel dienende Bauteil (7') aus einem Werkstoff mit einem niedrigen Wert des Verhältnisses von Wärmeausdehnung zu Wärmeleitfähigkeit besteht.

3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich- ^ net, daß das zur Abstandshalterung der Spiegel \ dienende Bauteil (7') aus Aluminium besteht.

4. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium (2) außerhalb des als Wärmeschirm dienenden, gut wärmeleitenden Bauteils (7"), welches das zur Abstandshalterung der Spiegel dienende Bauteil (7') wärmeisolierend umschließt, angeordnet ist.

5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gut wärmeleitende Abschirmung (7") das die Spiegel tragende Bauteil (7') in einem Abstand umfängt, der Platz für einen Luftspalt (10) bietet.

6. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Luftspalt (10) ein die Luft in ihm festhaltender Werkstoff (12) befindet.

7. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gut wärmeleitende Abschirmung (7") ein Gehäuse mit einer sich zwischen seinen inneren Wandungsflächen erstreckendenTeilungswand (Ib") aufweist.

8. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich- A net, daß der die Spiegel tragende Aufbau (7') inner- ^ halb der gut wärmeleitenden Abschirmung (7") durch eine in Achsrichtung frei bewegliche Lagerung (16, 17, 18) gehalten ist, um eine Übertragung der Verformung infolge Dehnung oder Biegung der wärmeleitenden Abschirmungseinrichtung {!") auf den tragenden Aufbau zu verhindern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen