DE1589887C - Optischer Sender oder Verstarker - Google Patents

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

i 589 887

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)

Patentansprüche:

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