DE1614592C3 - Excitation and cooling arrangement for optical transmitters or amplifiers (laser) - Google Patents

Excitation and cooling arrangement for optical transmitters or amplifiers (laser)

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anregungsund Kühlanordnung für optische Sender oder Verstärker (Laser) mit einer Anregungslichtquelle, einem stimulierbaren Medium und einem das Licht der Anregungslichtquelle auf das stimulierbare Medium sammelnden Anregungsspiegel, bei dem die Anregungslichtquelle und das stimulierbare Medium innerhalb eines Kühlrohres angeordnet sind und durch im Kühlrohr geführte gasförmige oder flüssige Medien gekühlt werden. Eine derartige Kühlanordnung ist beispielsweise durch die Zeitschrift »Electronics«, Bd. 39, Nr. 18, vom 5. September 1966, S. 116, bekannt. The invention relates to an excitation and cooling arrangement for optical transmitters or amplifiers (Laser) with an excitation light source, a stimulable medium and the light of the excitation light source on the excitation mirror collecting the stimulable medium, in which the excitation light source and the stimulable medium are arranged within a cooling tube and through gaseous or liquid media carried in the cooling tube are cooled. Such a cooling arrangement is known, for example, from the magazine "Electronics", vol. 39, no. 18, dated September 5, 1966, p. 116.

In optischen Sendern oder Verstärkern werden sogenannte Laserstrahlen erzeugt und auch verstärkt. Das stimulierbare Medium wird bis zur Inversion seiner verschiedenen Energieniveaus durch eine Lichtquelle angeregt. Um eine stimulierte Emission zu erreichen, ist hierbei das stimulierbare Medium, beispielsweise ein Rubinstab, innerhalb eines optischen Resonators angeordnet. Die gewünschte stimulierte Emission kommt auf folgende Weise zustande: Die in der Regel über ein Spiegelsystem auf das stimulierbare Medium konzentrierte Lichtenergie der Anregungslichtquelle regt im stimulierbaren Medium Atome bis zur Inversion an. Diese fallen nach kurzer Zeit unter Aussendung inkohärenter Wellen spontan in ihren Ruhezustand zurück. Einige Wellen jedoch, die längs der Resonatorachse angeregt werden, treffen auf die stirnseitigen Resonatorspiegel auf und laufen wieder zurück. Sie lösen auf dem Rückweg in den angeregten Atomen, die sie durchqueren, weitere Wellen derselben Frequenz und Phase aus, so daß ein sich verstärkender Wellenzug entsteht. Dieser reflektierte Wellenanteil wird bei laufender Zuführung von Anregungsenergie weiter verstärkt. Es entsteht eine stehende Welle. Die Auskopplung dieser Welle geschieht dadurch, daß einer der beiden stirnseitigen Resonatorspiegel teildurchlässig ausgebildet ist.So-called laser beams are generated and also amplified in optical transmitters or amplifiers. The stimulable medium is up to the inversion of its various energy levels by a light source stimulated. In order to achieve a stimulated emission, the stimulable medium is here, for example a ruby rod placed within an optical resonator. The desired stimulated Emission comes about in the following way: The usually via a mirror system on the stimulable Medium concentrated light energy of the excitation light source excites in the stimulable medium Atoms up to inversion. These fall spontaneously after a short time with the emission of incoherent waves return to their idle state. However, some waves that are excited along the resonator axis hit on the frontal resonator mirror and run back again. They solve in on the way back from the excited atoms that pass through them further waves of the same frequency and phase, so that an intensifying wave train arises. This reflected part of the wave is generated while the supply is running further amplified by excitation energy. A standing wave is created. The decoupling of this wave happens in that one of the two end-face resonator mirrors is partially transparent.

Bei optischen Sendern oder Verstärkern wird häufig ein als Rotationsellipsoid ausgebildeter Hohlspiegel verwendet, in dessen Hauptachse auf einer Seite im Brennpunkt die Anregungslichtquelle und auf der anderen Seite im Brennpunkt das stimulierbare Medium angeordnet ist. Dabei werden zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades und einer gleichförmigen Ausleuchtung des stimulierbaren Mediums bei einer solchen Anregungseinrichtung häufig die Anregungslichtquelle und das stimulierbare Medium exfokal angeordnet. Dies ist aber nur dann der Fall, wenn die Anregungslichtquelle und das stimulierbare Medium genau in der Hauptachse des rotationselliptischen Hohlspiegels ausgerichtet sind und die Anregungslichtquelle zur Abbildung auf das stabförmig ausgebildete stimulierbare Medium ebenfalls Stabform erhält. With optical transmitters or amplifiers is common a concave mirror designed as an ellipsoid of revolution is used in its main axis on one side in the focal point the excitation light source and on the other hand in the focal point the stimulable medium is arranged. In order to achieve a good efficiency and a uniform Illumination of the stimulable medium in such an excitation device is often the excitation light source and the stimulable medium arranged exfocally. But this is only the case if the Excitation light source and the stimulable medium exactly in the main axis of the elliptical of revolution Concave mirror are aligned and the excitation light source for imaging on the rod-shaped stimulable medium is also given a stick shape.

Besonders hohe Anforderungen bezüglich der mechanischen Unempfindlichkeit werden an Laser gestellt, welche beispielsweise in transportablen bzw. mobilen Einrichtungen eingebaut sind oder hohen Beschleunigungen ausgesetzt sind. Durch Erschütterungen können die Blitzlampe und das stimulierbare Medium, welche innerhalb des Ellipsoidspiegels exfokal angeordnet und einseitig in Flanschen gehaltert und in ihrer zentrischen Lage justiert sind, aus ihrer genauen Lage gebracht werden. Die Folge wäre unter anderem eine unvollständige und ungleichmäßige Ausleuchtung des stimulierbaren Mediums durch die Anregungslichtquelle und damit eine Verschlechterung des Wirkungsgrades. Ein anderes Problem besteht darin, daß bei derartig aufgebauten Lasern wechselnde Umgebungstemperaturen die Wirkungsweise ungünstig beeinflussen können. Bei tiefer Umgebungstemperatur beispielsweise kann sich der Anregungsspiegel durch Kondensation der in ihm befindlichen Luftfeuchtigkeit beschlagen.Particularly high requirements are placed on lasers with regard to mechanical insensitivity, which, for example, are built into transportable or mobile facilities or high Are exposed to accelerations. The flash lamp and the stimulable Medium, which is arranged exfocally within the ellipsoidal mirror and held in flanges on one side and are adjusted in their central position, are brought out of their exact position. The consequence would be under among other things an incomplete and uneven illumination of the stimulable medium by the Excitation light source and thus a deterioration in efficiency. Another problem exists in that with lasers constructed in this way, changing ambient temperatures affect the mode of operation can have an unfavorable effect. At low ambient temperatures, for example, the excitation mirror can fogged up by condensation of the humidity in it.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, fürThe invention is based on the object for

einen über weite Temperaturbereiche einsatzfähigen optischen Sender oder Verstärker der einleitend beschriebenen Art eine einfache Lösung für einen mechanisch unempfindlichen Aufbau anzugeben.an optical transmitter or amplifier of the type described in the introduction that can be used over a wide temperature range Art to specify a simple solution for a mechanically insensitive structure.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der gesamte Spiegelhohlraum zwischen Kühlrohr und Anregungsspiegelfläche mit einer stoßdämpfend wirkenden, für das Anregungslicht strahlungsdurchlässigen, gegenüber der Anregungsspiegelfläche chemisch-inaktiven Flüssigkeit ausgefüllt ist.According to the invention, this object is achieved in that the entire mirror cavity between Cooling tube and excitation mirror surface with a shock-absorbing effect, permeable to radiation for the excitation light, is filled with chemically inactive liquid opposite the excitation mirror surface.

In vorteilhafter Weise wird eine organische Flüssigkeit verwendet, deren Aggregatzustand im vorgesehenen Betriebstemperaturbereich unverändert bleibt, wie beispielsweise Öle, Alkohole und Benzolderivate. Die Flüssigkeit kann zugleich auch als Kühlmedium verwendet werden.Advantageously, an organic liquid is used whose physical state is in the intended Operating temperature range remains unchanged, such as oils, alcohols and benzene derivatives. The liquid can also be used as a cooling medium.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Erfindurigsgegenstandes ist dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr einseitig befestigt ist und im Innern des Anregungsspiegels offen endet.An advantageous embodiment of the subject matter of the invention is characterized in that the cooling tube is attached on one side and inside the Excitation mirror ends open.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird jeweils ein Kühlrohr für das stimulierbare Medium und ein Kühlrohr für die Anregungslichtquelle verwendet. In another advantageous embodiment, a cooling tube is used for the stimulable medium and a cooling tube is used for the excitation light source.

Von besonderem Vorteil ist ferner, wenn die stoßdämpfende Flüssigkeit so eingefärbt ist, daß unerwünschte Strahlung der Anregungslichtquelle in ihr absorbiert wird.It is also particularly advantageous if the shock-absorbing liquid is colored in such a way that it is undesirable Radiation of the excitation light source is absorbed in it.

In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist der Spiegelhohlraum mit einem Vorratsgefäß verbunden, derart, daß der Spiegelhohlraum stets völlig gefüllt bleibt. Das Vorratsgefäß kann ein elastischer Körper, beispielsweise ein Federbalg sein.In an advantageous further development of the subject matter of the invention, the mirror cavity is with a storage vessel connected in such a way that the mirror cavity always remains completely filled. The storage jar can be an elastic body, for example a bellows.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert.On the basis of an embodiment shown in the drawing, the invention is described below explained in more detail.

Die Figur zeigt einen optischen Sender oder Verstärker im Längsschnitt. Der rotationselliptische Hohlspiegel ist in zwei Hohlspiegel-Teilschalen 1 und 2 unterteilt. Die beiden Hohlspiegel-Teilschalen sind an ihren einander zugewendeten Stirnflächen mit einer Zentrierfassung 3 versehen, über die sie gegenseitig zentriert werden. Die Hohlspiegel-Teilschalen 1 und 2 sind in ein zylinderförmiges Gehäuse 4 eingeschoben, das auf der rechten Seite einen Anschlag 5 für die Teilschalen aufweist und auf der anderen Seite einen einschraubbaren Gehäuseabschluß 6 hat, der die Teilschalen gegen den Anschlag 5 verspannt.The figure shows an optical transmitter or amplifier in longitudinal section. The elliptical of revolution Concave mirror is subdivided into two concave mirror partial shells 1 and 2. The two concave mirror part shells are provided on their facing end faces with a centering 3, through which they are mutually be centered. The concave mirror partial shells 1 and 2 are in a cylindrical housing 4 inserted, which has a stop 5 for the partial shells on the right side and on the other Side has a screw-in housing closure 6, which the partial shells against the stop 5 braced.

Konzentrisch zur Hauptachse sind auf Seiten der Scheitel der Hohlspiegel-Teilschalen 1 und 2 konzen-Concentric to the main axis are on the sides of the vertices of the concave mirror part-shells 1 and 2 concentric

trische Flansche 7 und 8 angeordnet, die mit den Teilschalen starr verbunden sind. Die Anregungslichtquelle 9, die exfokal zwischen dem Scheitel der Hohlspiegel-Teilschale 1 und dem benachbarten Brennpunkt in der Hauptachse des Hohlspiegels angeordnet ist, ist in dem Flansch 7 gehaltert.trical flanges 7 and 8 are arranged, which are rigidly connected to the partial shells. The excitation light source 9, the exfocally between the vertex of the Concave mirror part shell 1 and the adjacent focal point arranged in the main axis of the concave mirror is held in the flange 7.

Das beispielsweise aus einem Rubinstab bestehende stimulierbare Medium 10 ist, entsprechend der Anregungslichtquelle 9, im Raum der Hohlspiegel-Teilschale 2 in der Hautachse des Hohlspiegels zwisehen dem Scheitel und dem benachbarten Brennpunkt angeordnet. Es ist in ähnlicher Weise wie die Anregungslichtquelle 9 in dem Flansch 8 gehaltert.The stimulable medium 10 consisting, for example, of a ruby stick is, according to FIG Excitation light source 9, in the space of the concave mirror part shell 2 in the skin axis of the concave mirror the vertex and the adjacent focal point. It's in a similar way to that Excitation light source 9 held in flange 8.

Das Kühlrohr 11 für die Anregungslichtquelle 9 und das stimulierbare Medium 10 bildet ein beide gemeinsam konzentrisch umschließendes Glasrohr. Das Glasrohr ist im Bereich der Scheitel des Hohlspiegels in entsprechenden konzentrischen Ausnehmungen der scheitelseitigen Enden der Flansche 7 und 8 konzentrisch zur Hauptachse des rotationselliptischen Hohlspiegels gehaltert. Die Zufuhr bzw. Abfuhr des Kühlmittels erfolgt über seitlich an den Flanschen 7 und 8 angebrachte Rohrstutzen 12 und 13, die in eine mit dem Glasrohr 11 in Verbindung stehende Kammer 14 bzw. IS einmünden.The cooling tube 11 for the excitation light source 9 and the stimulable medium 10 forms both together concentrically enclosing glass tube. The glass tube is in the area of the vertex of the concave mirror in corresponding concentric recesses in the apex ends of the flanges 7 and 8 supported concentrically to the main axis of the elliptical of revolution concave mirror. The supply or The coolant is discharged via pipe sockets 12 and 12 attached to the side of the flanges 7 and 8 13, which open into a chamber 14 or IS communicating with the glass tube 11.

Der Raum 16 zwischen Kühlrohr und Anregungsspiegel ist mit einer für das Anregungslicht strahlungsdurchlässigen, gegenüber dem Anregungsspiegel chemisch inaktiven Flüssigkeit ausgefüllt. Durch die Flüssigkeit wird die Empfindlichkeit des Kühlrohres gegen Erschütterungen stark verringert, weil jegliche mechanische Durchbiegung und damit jede Schwingung des Kühlrohres durch die Flüssigkeit gedämpft wird. Es wird in vorteilhafter Weise eine organische Flüssigkeit verwendet, die ihren Aggregatzustand im vorgegebenen Betriebstemperaturbereich nicht ändert, beispielsweise Öle, Alkohole oder Benzolderivate. Damit ist der Laser, welcher über Temperaturbereiche zwischen beispielsweise —40 und +400C einsatzfähig sein soll, weitestgehend unabhängig gegen wechselnde Umgebungstemperaturen. Ein mit dem Sp,iegelhohlraum verbundenes Vorratsgefäß, welches den Hohlraum stets völlig gefüllt hält, ist in der Figur nicht mit eingezeichnet.The space 16 between the cooling tube and the excitation mirror is filled with a liquid which is permeable to radiation for the excitation light and is chemically inactive with respect to the excitation mirror. The liquid greatly reduces the sensitivity of the cooling tube to vibrations because any mechanical deflection and thus any vibration of the cooling tube is dampened by the liquid. It is advantageous to use an organic liquid which does not change its physical state in the specified operating temperature range, for example oils, alcohols or benzene derivatives. Thus, the laser which is to be operational over temperature ranges between -40 and +40, for example, 0 C, largely independent to changing ambient temperatures. A storage vessel connected to the mirror cavity, which always keeps the cavity completely filled, is not shown in the figure.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (9)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Optische Anregungs- und Kühlanordnung für Sender oder Verstärker (Laser) mit einer Anregungslichtquelle, einem stimulierbaren Medium und einem das Licht der Anregungslichtquelle auf das stimulierbare Medium sammelnden Anregungsspiegel, bei dem die Anregungslichtquelle und das stimulierbare Medium innerhalb eines Kühlrohres angeordnet sind und durch im Kühlrohr geführte gasförmige oder flüssige Medien gekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Spiegelhohlraum (16) zwischen Kühlrohr (11) und Anregungsspiegelfläche mit einer stoßdämpfend wirkenden, für das Anregungslicht strahlungsdurchlässigen, gegenüber der Anregungsspiegelfläche chemisch-inaktiven Flüssigkeit ausgefüllt ist.1. Optical excitation and cooling arrangement for transmitter or amplifier (laser) with an excitation light source, a stimulable medium and one the light from the excitation light source on the excitation mirror collecting the stimulable medium, in which the excitation light source and the stimulable medium are arranged within a cooling tube and through in the cooling tube guided gaseous or liquid media are cooled, characterized in that that the entire mirror cavity (16) between the cooling tube (11) and the excitation mirror surface with a shock-absorbing, radiolucent for the excitation light, opposite the excitation mirror surface is filled with chemically inactive liquid. 2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine organische Flüssigkeit verwendet wird, deren Aggregatzustand im vorgesehenen Betriebstemperaturbereich unverändert bleibt, wie beispielsweise Öle, Alkohole und Benzolderivate.2. Optical transmitter according to claim 1, characterized in that an organic liquid is used, the physical state of which remains unchanged in the intended operating temperature range remains, such as oils, alcohols and benzene derivatives. 3. Optischer Sender nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit zugleich als Kühlmedium verwendet wird.3. Optical transmitter according to claim 1 or 2, characterized in that the liquid at the same time is used as a cooling medium. 4. Optischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr (11) einseitig befestigt ist und im Inneren des Anregungsspiegels offen endet.4. Optical transmitter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the Cooling tube (11) is fastened on one side and ends openly inside the excitation mirror. 5. Optischer Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Kühlrohr für das stimulierbare Medium und ein Kühlrohr für die Anregungslichtquelle verwendet wird.5. Optical transmitter according to claim 4, characterized in that in each case a cooling tube for the stimulable medium and a cooling tube for the excitation light source is used. 6. Optischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die stoßdämpfende Flüssigkeit so eingefärbt ist, daß unerwünschte Strahlung der Anregungslichtquelle in ihr absorbiert wird.6. Optical transmitter according to one of claims 1 to 5, characterized in that the shock-absorbing liquid is colored so that unwanted radiation from the excitation light source is absorbed in it. 7. Optischer Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegelhohlraum (16) mit einem Vorratsgefäß verbunden ist, derart, daß der Spiegelhohlraum stets völlig gefüllt bleibt.7. Optical transmitter according to one of the preceding claims, characterized in that the mirror cavity (16) is connected to a storage vessel, such that the mirror cavity always remains completely filled. 8. Optischer Sender nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorratsgefäß ein elastischer Körper, beispielsweise ein Federbalg ist.8. Optical transmitter according to claim 7, characterized in that the storage vessel is an elastic one Body, for example a bellows. 9. Optischer Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anregungsanordnung mit ineinandergreifenden Hohlspiegeln und mit mehreren Lichtquellen verwendet wird.9. Optical transmitter according to one of the preceding claims, characterized in that an excitation arrangement with interlocking concave mirrors and with multiple light sources is used.
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