DE1589887C - Optischer Sender oder Verstarker - Google Patents
Optischer Sender oder VerstarkerInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen
Sender oder Verstärker (Laser) mit einer zylindrisenen
Anregungskanimer, die von der Innenfläche eines Hohlspiegels und eines Kühlblockes begrenzt
wird und deren Querschnitt die Form eines Ellipsensegments hat und die reelle Abbildung der in der
einen Brennlinie angeordneten stabförmige;! Anregungslichtquelle auf ein ebenfalls stabförmiges, dazu
parallel in der anderen Brennlinie angeordnetes stirnulierbares Medium gestattet, wobei das stimulierbare
Medium mit der Hälfte seiner Dicke in einer Rille der die Anregungskammer eben abschließenden
Innenfläche des Kühlblockes versenkt angeordnet ist. Um ein stimulierbares Medium über den Schwellenwert
bis zur umgekehrten Besetzungsverteilung anzuregen, muß dem Medium pro Volumeinheit ein
gewisser minimaler Betrag an Anregungsenergie zugeführt werden, und zwar in einer Zeit, die genügend
kurz ist, um einem spontanen Abklingen zuvorzukommen. Die in dem festen Medium absorbierte
Energie ist jedoch nur ein kleiner Bruchteil der vom Anregungsgenerator, beispielsweise von einer Xenon-Gasentladungslampe,
ausgestrahlten Energie. Das beruht auf der Tatsache, daß ein gewisser Anteil der
Anregungsenergie das feste stimulierbare Medium nicht erreicht, da nicht die gesamte Energie in das
Medium geleitet werden kann, und daß von dem Anteil, der das Medium erreicht, nur diejenige Strahlungsenergie,
die in dem Absorptionsbereich des jeweils benutzten Mediums liegt, wirksam ist, um dxfür
die umgekehrte Besetzungsverteilung erforderliche Anregung zu liefern. Der nicht zur Anregung
des stimulierbaren Mediums verwendete Energieanteil wird in Wärme umgewandelt, die, wenn sie
nicht von dem Medium abgeleitet wird, die Ausbeute an kohärenter Ausstrahlung verschlechtert und unter
Umständen die kohärente Strahlung zum Erliegen bringt. Diese Wärmegrenze stimulierbarer Medien ist
in bezug auf Rubin umfassend von James P. Wittke in dem Aufsatz »Effects of Elevated Temperatures
on the Fluorescence and Optical Maser Action of Ruby« besprochen worden, der im Journal of Applied
Physics, Bd. 33, Nr. 7, Juli 1962, S. 2333 bis 2335, veröffentlicht worden und dessen Inhalt auch auf
andere optisch stimulierbare Medien anwendbar ist. Auf dem Gebiet der optischen Sender mit
»Q-Schaltung«, wie sie z. B. in mit optischen Sendern arbeitenden Ortungsgeräten verwendet werden,
ist herausgefunden worden, daß es für einen wirkungsvollen Betrieb des optischen Senders wesentlich
ist, die Temperatur beispielsweise eines stimulierbaren Rubins im Bereich von 30 +10° C zu halten,
um eine optimale Ausgangsenergie und eine hohe Impulsfolgefrequenz zu erzielen. Bei niedereren Temperaturen
wird die Regelung der Impulse des optischen Senders schwierig, und bei erhöhten Temperaturen
fällt die Intensität des ausgesandten Strahles merklich ab und, wie zuvor erwähnt, erlischt unter
Umständen die kohärente Ausstrahlung völlig.
Bei den Bemühungen, diese Schwierigkeiten zu überwinden, haben Wissenschaftler verschiedene
Techniken benutzt, wie z. B. eine Kühlung mit einem Luft- oder Flüssigkeitsstrom. Es hat sich jedoch beispielsweise
herausgestellt, daß es sich bei der Luftkühlung um eine extrem unwirksame Kühlung handelt
und daß dabei die Tendenz besteht, daß das polierte Innere der Anregungskammer, die die Anregungslampe
und das stimulierbare Medium umgibt, erblindet und damit in ihrer Wirksamkeit nachläßt,
die Anregungsenergie auf das stimulierbare Medium zu richten. Ferner beansprucht eine solche
Kühlung für Bordgeräte von Luftfahrzeugen zu. viel Platz und ist wenig wirksam, weil die Luft ,von
irgendeiner Art mechanischer Kühlaggregate geliefert werden muß. Kleine mechanische Kühlaggregate sind
teuer, haben eine begrenzte Lebensdauer, neigen zu hohem Gewicht und beanspruchen viel Platz. Die
ίο von einem solchen Kühlsystem gelieferte Luft muß
durch flexible Rohre geleitet werden, wobei Druckverluste und thermische Verluste entlang der Leitung
in Kauf genommen werden müssen. Eine dem Luftsystem innewohnende Schwierigkeit ist das Problem
der Temperaturregelung beim Übergang vom Kühlungszum
Heizungsbetrieb.
Im Falle der Flüssigkeitskühlung wird die Flüssigkeit
im allgemeinen mittels einer schweren und unhandlichen Pumpe in Umlauf gesetzt und durch in
der Anregungskammer angeordnete Glasmäntel gepumpt. Diese Glasmäntel liegen im Weg des Anregungslichts
und verschlechtern die fokussierenden Eigenschaften der Anregungsgeometrie durch optische
Verzerrung. Außerdem ergeben sich hierdurch Begrenzungen in der Wahl der Abmessungen der
Kammer, wodurch die Freiheiten bei der Konstruktion eingeengt werden.
Ein anderer Weg bei den Bemühungen zur Lösung dieses Problems bestand in der Gestaltung der Anregungskammer
für optische Sender und Verstärker nach der Theorie, daß weniger Anregungsenergie für
eine direkte Aufheizung der Anregungskammer verschwendet wird, wenn ein wesentlicher Anteil der optischen
Anregungsenergie auf das stabförmige stimulierbare Medium geleitet oder fokussiert werden
kann. Ein Beispiel für diesen Weg ist die Verwendung einer elliptisch gestalteten Anregungskammer,
in der die Anregungslampe entlang einer Brennlinie des elliptischen Zylinders und das stimulierbare Medium
in Gestalt eines Stabes entlang der anderen Brennlinie angeordnet sind. Diese Gestaltung weist
gute Fokussier-Eigenschaften auf, ergibt aber einen großen Luftraum zwischen dem stabförmigen Medium
und der inneren Kammerwand. Wenn dieser optische Sender oder Verstärker mit hoher Folgefrequenz
betrieben wird, wird das stimulierbare Medium extrem warm und verliert bald seine Fähigkeit
zur kohärenten Ausstrahlung, da.nur ein sehr mangelhafter Wärmeweg vorhanden ist, um die Wärme von
dem stimulierbaren Stab abzuführen.
Es ist weiterhin bekannt, der Anregungskammer den Querschnitt eines Ellipsensegmentes zu geben
und den von dem elliptischen Hohlspiegel begrenzten Raum durch eine ebene Spiegelfläche abzuschließen,
die senkrecht auf der großen Achse der Ellipse steht und durch die eine Brennlinie des elliptischen Querschnittes
geht, während die andere Brennlinie sich im Inneren der Anregungskammer befindet. Die ebene
Spiegelfläche wird von der Innenfläche eines Kühl-
blockes gebildet, und es weist diese Innenfläche eine zur Brennlinie konzentrische Rille auf, in die das
stimulierbare Medium mit der Hälfte seiner Dicke versenkt ist. Bei diesem bekannten optischen Sender
findet ein fadenförmiges stimulierbares Medium Anwendung, das in eine lichtdurchlässige Umkleidung
eingebettet ist. Diese Umkleidung liegt mit einem halbzylindrischen Abschnitt geringen Durchmessers
in dieser Rille, während in der anderen Brennlinie
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der Anregungskarnmer eine linienförmige Anregungslichtquelle angeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist
wiederum der Wirkungsgrad nicht so gut wie bei einer vollständig elliptischen Kammer, denn es erreicht
derjenige Anteil des Lichtes, der zu beiden Seiten der Brennlinie auf die ebene Spiegelfläche fällt und normalerweise
von dem abgeschnittenen Teil der Ellipse auf das stimulierbare Medium reflektiert werden
würde, das stimulierbare Medium nicht. Daher ist die Erwärmung einer solchen Kammer wesentlich größer
als bei einer Kammer mit vollständig elliptischem Querschnitt. Außerdem ist die Wärmeabfuhr von dem
stimulierbaren Medium relativ schlecht, weil das stimulierbare Medium durch die Umkleidungsschicht
von dem Kühlblock getrennt ist, die keine sehr guten wärmeleitenden Eigenschaften hat.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sender oder Verstärker zu
schaffen, der sich sowohl durch einen hohen Anregungswirkungsgrad als auch durch eine gute Regelbarkeit
der Temperatur des stimulierbaren Mediums auszeichnet.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die große Achse des Ellipsensegmentes in
der abschließenden Innenfläche des Kühlblockes liegt und sowohl die Anregungslichtquelle als auch das
stimulierbare Medium mit thermischem Kontakt in Längsrillen in der verspiegelten Innenfläche des
Kühlblockes aufgenommen werden, so daß ihre Stabachsen mit den Brennlinien der Halbellipse zusammenfallen.
Der Wirkungsgrad einer solchen Anregungskammer ist im wesentlichen gleich dem Anregungsgrad einer
vollelliptischen Anregungskammer, weil bei einer elliptischen Anregungskammer die von einer Brennlinie
ausgehenden Strahlen auf diejenige von der großen Achse begrenzte Hälfte der Kammer beschränkt
bleiben, in die sie abgestrahlt werden. Da bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Anregungskammer
die gesamte Strahlung der Lichtquelle in eine zu einer Seite der großen Achse liegende Hälfte der Ellipse
abgestrahlt wird, gelangt auch diese gesamte Strahlung zu dem in der anderen Brennlinie liegenden
stimulierbaren Medium. Die angestrebte ausgezeichnete Regelbarkeit der Temperatur des stimulierbaren
Stabes wird dadurch erreicht, daß dieser Stab in unmittelbarem thermischem Kontakt mit dem Kühlblock
liegt. Weiterhin ist von Vorteil, daß auch die Anregungslampe selbst in thermischem Kontakt mit dem
Kühlblock steht, so daß auch die Lampe selbst gekühlt werden kann.
Demgemäß wird durch die vorliegende Erfindung ein Laser geschaffen, der von einer verbesserten Anregungskämmer
zur Fokussierung der optischen Anregungsenergie einer geradlinigen Anregungslampe
auf ein festes stimulierbares Medium in Form eines Stabes Gebrauch macht, die sowohl einen hohen optischen
Anregungswirkungsgrad als auch eine gute Beherrschung der in der Anregungslampe und in dem
stimulierbaren Medium entstehenden Wärme ermöglicht. Von besonderem Vorteil ist es, daß die kompakte
Gestaltung der Anregungskammer und die Anwendung der Wärmeleitung zur Temperaturregelung
zu geringen Einbaumaßen der Vorrichtung führen. : Die Erfindung wird anschließend an Hand in der
Zeichnung dargestellter spezieller Ausführungsbeispiele beschrieben und erläutert. Die einzelnen Merkmale
dieser Ausführungsbeispiele können bei anderen AusführungslOimcn der Erfindung einzeln für sich
oder in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines optischen
Senders nach der Erfindung,
F i g. 2 einen Querschnitt durch den optischen Sender nach Fi g. 1 und
F i g. 3 bis 5 Querschnitte ähnlich F i g. 2 durch je eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
ίο Die F i g. 1 und 2 zeigen einen gemäß der Erfindung
ausgeführten optischen Sender oder Verstärker 11, der eine Anregungskammer 13, beispielsweise aus
Aluminium, benutzt, um Anregungsenergie in Form einer im optischen Frequenzbereich liegenden Strahlung
von einer üblichen stabförmigen Anregungslichtquelle in Form einer Lampe 15, die mittels Elektroden
16 an eine passende Energiequelle angeschlossein sein kann, auf ein festes, ebenfalls stabförmiges
stimulierbares Medium 17 zu fokussieren, das z.B. aus zartrotem Rubin besteht. Zur optischen Rückkopplung
innerhalb des stimulierbaren Mediums 17 wird der optische Resonator von zwei versilberten Spiegeln
19 begrenzt, von denen nur einer dargestellt ist und die im vorliegenden Fall an den Enden des Stabes 17
angebracht oder aufgebracht sind. Falls erwünscht, können diese Spiegel auch frei stehend außerhalb des
stimulierbaren Mediums angebracht werden. Um von der Anordnung ein Ausgangssignal zu erhalten, ist
mindestens einer der Spiegel 19 für die Frequenz der kohärenten Ausgangsstrahlung des optischen Senders
oder Verstärkers teilweise durchlässig. Als nicht dargestellte Alternative hierzu kann in dem Fall, in dem
mindestens einer der beiden Spiegel im Abstand vom Ende des stimulierbaren Mediums 17 angeordnet ist,
ein Strahlenteiler zwischen dem frei stehenden Spiegel und dem benachbarten Ende des stimulierbaren
Mediums so angeordnet sein, daß ein Teil der vom optischen Sender oder Verstärker erzeugten Energie
in eine Richtung gelenkt wird, die zum Weg der Rückkopplungsenergie nicht parallel verläuft.
Zur wirksamen Anregung des stimulierbaren Mediums 17 durch die Anregungslampe 15 weist die Anregungskammer
13 einen Hohlspiegel 21 auf, der eine sich in Längsrichtung von Lampe und Medium erstreckende,
hochspiegelnd reflektierende, beispielsweise polierte, halbelliptische Spiegelfläche 23 zwischen
den Enden 23 a und 23 b aufweist, deren zwei einander parallele Brennlinien 25 in einer Ebene
liegen, in der sich auch die Hauptachse 31 der halb-.
elliptischen Spiegelfläche 23 befindet.
Um eine gute Steuerung der Temperatur des stimulierbaren Mediums 17 und der Anregungslampe 15
zu erzielen, weist die Anregungskammer 13 außerdem einen Kühlblock 27 mit einer relativ hohen thermischen
Leitfähigkeit auf, wie es z. B. bei Aluminium der Fall ist. Dieser Kühlblock grenzt an den Hohlspiegel
21 an und verbindet die Enden 23 α und 23 b von dessen halbelliptischer Innenfläche 23. Die
Innenfläche des Kühlblockes 27 ist dazu eingerichtet, die Anregungslampe 15 und das stimulierbare Medium
17 in thermischem Kontakt in Stellungen aufzunehmen, die im wesentlichen koaxial zu jeweils einer
der genannten, durch die Punkte 25 angedeuteten Brennlinien verlaufen. :
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2
ist die Innenfläche 31 des Kühlblockes 27 eben ausgebildet und mit zwei parallel zueinander verlaufenden
Rillen 33 versehen, die symmetrisch zu den bei-
den Brennlinien angeordnet sind. Die Lampe 15 und das Medium 17 werden durch geeignete Hilfmittel,
wie beispielsweise auf dem Kühlblock 27 durch Punktschweißen oder auf andere Weise befestigte
Haltedrähte 35, in thermischem Kontakt mit der Innenfläche 31 und insbesondere mit deren Rillen 33
gehalten.
Die beschriebene halbelliptische Gestaltung der Anregungskammer hat im wesentlichen eine optisch
gleichwertige Wirkung und gleiche Vorteile bezüglich der Fokussierung der Anregungsenergie wie eine
übliche vollelliptische Kammer, jedoch mit nur der Hälfte des Volumens. Es leuchtet ein, daß bei Benutzung einer
halbelliptischen Kammer, die im wesentlichen Qie Hälfte einer vollständigen elliptischen Kammer
darstellt, die symmetrisch entlang einer Ebene geteilt ist, in der sich die Hauptachse des Ellipsen-Querschnittes
befindet, praktisch das ganze Licht, das von der sich entlang einer der Brennlinien erstreckenden
Anregungslampe erzeugt wird, auf das stimulierbare Medium gerichtet wird, das sich entlang der anderen
Brennlinie befindet, was teils durch Reflexion an der gekrümmten Oberfläche, teils unmittelbar geschieht.
Um die Wirksamkeit noch zu erhöhen, können die Rillen, die mit der Lampe und dem Medium
in Kontakt stehen, durch Polieren oder Auftragen eines geeigneten Materials auf deren Oberfläche hochspiegelnd
reflektierend ausgebildet sein. So können die Rillen 33 der Oberfläche 31 hochglänzend poliert
oder beispielsweise mit Silber plattiert und/oder mit Siliconfett versehen sein, ehe die Lampe 15 und das
stimulierbare Medium 17 eingelegt werden.
Wenn eine noch bessere Beeinflussung der Arbeitstemperatur der Lampe und des stimulierbaren Stabes
gewünscht wird, wie bei einem optischen Hochleistungssender oder -verstärker und bei impulsgetasteten
optischen Sendern oder Verstärkern mit einer hohen Impulsfolgefrequenz, kann die in F i g. 3
dargestellte Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. Diese Ausführungsform ist im wesentlichen
dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 und 2 gleich, jedoch wurde der Kühlblock 27 unterteilt
und besteht aus zwei voneinander isolierten Teilblöcken 51 und 53, die durch ein thermisch isolierendes
Material 55, wie z. B. Luft oder einem Polyäthylen (Nylon), voneinander getrennt sind.
F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein größerer Anteil direkter Einstrahlung
auf das stimulierbare Medium erzielt wird. Hier ist der Kühlblock 27 an seiner Innenfläche mit
einer Vertiefung 61 versehen, die sich zwischen den Aufnahmen für die Anregungslampe 15 und das Medium
17 erstreckt. Natürlich bietet diese Anordnung einen geringeren direkten thermischen Kontakt jeweils
zwischen Lampe, Medium und Kühlblock 27, jedoch wird als mindestens teilweise Kompensation der
Wirkungsgrad der unmittelbaren Einstrahlung erhöht. Auch hier kann der Bereich der Oberfläche des
Kühlblockes, der in Kontakt mit der Lampe und dem stimulierbaren Medium steht, durch Polieren und/
oder eine Deckschicht besser reflektierend gemacht werden.
Es hat sich herausgestellt, daß die halbelliptische Innenfläche 23 des Hohlspiegels 21 relativ wenig
Wärme ableitet, da sie in hohem Maße reflektiert und nur in sehr begrenztem Umfang Energie absorbiert.
Deshalb braucht der Hohlspiegel nicht der Wärmeableitung zu dienen und kann, wie in F i g. 5 dargestellt,
aus einem Blechteil 71, beispielsweise aus rostfreiem Stahl oder aus Aluminium, bestehen, das so
geformt ist, daß es eine halb-elliptische Zylinderfläche 23 aufweist. In diesem Fall kann.es vorteilhaft sein,
diesen leichten, gekrümmten Hohlspiegel auf dem Kühlblock 27 beispielsweise mittels Schrauben 73 zu
befestigen. F i g. 5 zeigt auch eine alternative Befestigung für das stimulierbare Medium 17, die an die
Stelle der in den anderen Ausführungsformen ve γιο wendeten einfachen Haltedrähte treten kann. Hier
ist ein bewegliches Klemmstück 75 vorgesehen, das so gestaltet ist, daß es das stimulierbare Medium 17
zwischen sich und dem Kühlblock 27 einklemmt, wenn eine in einem Loch 77 angeordnete, nicht gezeigte
geeignete Schraube in eine Gewindebohrung 79 eingeschraubt wird. Die Berührungsfläche am Medium
17 kann sich dabei ohne merklichen Verlust an Anregungswirkungsgrad bis zu einem Winkel von
200° erstrecken.
Bei der Anwendung der Erfindung können andere feste stimulierbare Medien als Rubin an Stelle des
obenerwähnten Rubin-Kristalls vorgesehen werden, und es können Arten von stabförmigen Anregungslampen an Stelle der in der Zeichnung gezeigten
Xenon-Lampe Verwendung finden. Ebenso können statt des angegebenen Aluminiums andere Materialien
mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden, wie z. B. rostfreier Stahl. Ferner können die beiden Hälften
des die Anregungskammer bildenden Körpers 13 durch beliebige übliche Befestigungsmittel, wie beispielsweise
Schrauben, miteinander in Berührung gehalten werden, oder es können diese Abschnitte voneinander
thermisch isoliert sein, indem dünne Platten isolierenden Materials zwischen diesen beiden Abschnitten
vorgesehen werden.
Aus dem vorstehend Gesagten ergibt sich, daß die Erfindung einen verbesserten und hochwirksamen
optischen Sender oder Verstärker schafft, indem von einer neuartigen Anregungskammer zum Fokussieren
der optischen Anregungsenergiestrahlung einer stabförmigen Anregungslampe auf ein festes ebenfalls
stabförmiges stimulierbares Medium Gebrauch gemacht wird.
Claims (3)
1. Optischer Sender oder Verstärker (Laser) mit einer zylindrischen Anregungskammer, die
von der Innenfläche eines Hohlspiegels und eines Kühlblockes begrenzt wird und deren Querschnitt
die Form eines Ellipsensegmentes hat und die reelle Abbildung der in der einen Brennlinie angeordneten
stabförmigen Anregungslichtquelle auf ein ebenfalls stabförmiges, dazu parallel in der
anderen Brennlinie angeordnetes stimulierbares Medium gestattet, wobei das stimulierbare Medium
mit der Hälfte seiner Dicke in einer Rille der die Anregungskammer eben abschließenden
Innenfläche des Kühlblockes versenkt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
große Achse des Ellipsensegmentes in der abschließenden Innenfläche (31) des Kühlblockes
(27) liegt und sowohl die Anregungslichtquelle (15) als auch das stimulierbare Medium (17) mit
thermischem Kontakt in Längsrillen (33) in der verspiegelten Innenfläche (31) des Kühlblockes
(27) aufgenommen werden, so daß ihre Stab-
achseh mit den Brennlinien der Halbellipse zusammenfallen.
2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlblock (27) parallel
zu seinen Längsrillen (33) in zwei Teile (51, 53) gegliedert ist, die thermisch voneinander isoliert
sind.
3. Optischer Sender nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlblock (27) mindestens ein Klemmstück (75) aufweist, das
sich über die Innenfläche (31) hinaus erstreckt und so gestaltet ist, daß es im Zusammenwirken
mit dem überwiegenden Teil des Kühlblockes (27) das stimulierbare Medium (17) und/oder die Anregungslichtquelle
(15) mit einem Winkel von größer als 180° umfaßt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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