DE1803269A1

DE1803269A1 - Optischer Sender oder Verstaerker mit gasfoermigem stimulierbarem Medium

Info

Publication number: DE1803269A1
Application number: DE19681803269
Authority: DE
Inventors: Bridges William B; Clark Peter O
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1967-11-01
Filing date: 1968-10-16
Publication date: 1969-06-19
Also published as: US3577096A; SE356851B; GB1236778A; DE1803269B2

Description

Anmelderin: Stuttgart, Ή_ο Oktober 1968

Hughes Aircraft Company P 1869 Z/kg Centinela and leale Street
Culver City, Calif_o, V.St₀A₀

Optischer Sender oder Verstärker mit gasförmigem stimulierbarem Medium

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender oder Verstärker mit einem gasförmigen stimulierbaren Medium und einem optischen Resonator, der daa gasförmige Medium umgebende Reflektoren umfaßt, zwischen denen sich die stimulierte optische Energie auf Rückkopplungspfaden durch das gasförmige Medium ausbreitet, wenn das gasförmige Medium zur selektiven Fluoreszenz angeregt worden ist, mit einer Vorrichtung zur Anregung des stimulierbaren Mediums zur Fluoreszenz durch Erzeugung einer Gasentladung im gasförmigen Medium und mit einer Vorrichtung zum Auskoppeln eines Strahles optischer Energie aus d8m optischen Resonator₀

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In den letzten Jahren hat eine starke Entwicklung bezüglich der optischen Sender und Verstärker mit gasförmigem Medium stattgefunden, die zu Anordnungen mit höheren Leistungen und besserem Wirkungsgrad geführt hat« Es wurde nachgewiesen« daß solche Gase wie ZoB« Neon, Xenon, Krypton, Argon, Helium und Mischungen dieser und anderer Gase, wie ZoB„ GO₂, gezeigt haben, daß sie in einem weiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zur selektiven Fluoreszenz anregbar sind· Obwohl ein weiter Bereich bezüglich der in den heutigen optischen Sendern und Verstärkern verwendeten Gase und Brücke besteht, gibt es ein Merkmal, das allen gemeinsam ist, und das ist die Verwendung von langen, dünnen Entladungsröhren, deren optische Achse in Richtung der Längsausdehnung der Entladung liegt₀ Hierdurch wird eine ziemlich lange Entladungsstrecke notwendig und es sind infolgedessen ziemlich große Entladungsspannungen erforderliche

Ebenso wurde ein großer Aufwand betrieben, um den aktiven Gas eine Strömung längs der optischen Achse des Lasers zu erteilen, d„h₀, in Richtung der Längsausdehnung der Entladungo Die Strömungstechnik bietet die Möglichkeit, die durch die Gasentladung erzeugten Verunreinigungen aus dem aktiven Bereich zu entfernen«» Wegen des vorhan·= denen verhältnismäßig engen Strömungsquerschnittes können Jedoch lediglich geringe bis mäßige Gasströmungsgeschwindigkeiten erzielt werden, wodurch die Menge an Verunreinigungen, die von dem System in ^Jeder Zeiteinheit entfernt werden kann, beschränkt isto

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BAO ORIGINAL

Bei einer verhältnismäßig neuen Entwicklung von optischen Sendern und Verstärkern mit gasförmigem Medium wurde die Größe oder, präziser ausgedrückt, die Länge der Gasentladungsröhre mit Hilfe der sogenannten "Palt"-Technik verringert* Hier werden Hef lektoren an den ¹¹Falt "-Stellen in einer Entladeröhre derart angeordnet, daß sich die optische Achse nahezu auf sich selbst umkehrt, um einen relativ langen Rückkopplungspfad zu schaffen, der jedoch wegen der innerhalb der Entladungsröhre erreichten Faltungen des optischen Pfades einen geringen Raum einnimmt ο Die Reflektoren können entweder innerhalb oder außerhalb der Entladungsröhre angeordnet werden» Ebenso können getrennte, parallele Längen von Entladungsröhren mit geeignet angeordneten Reflektoren verwendet werden, um dasselbe Ergebnis zu erhalten, aber es können dann wegen der vielen vorhandenen Grenzbedingungen und dem wachsenden Problem, geeignete Entladungsstrecken und GasStrömungsbahnen durch die verschiedenen Längenabschnitte der Entladungsröhren vorzusehen, viele der Vorteile der "FaIt "-Technik nicht vollständig verwirklicht werden O

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß ein optischer Sender oder Verstärker mit gasförmigem Medium, der für eine gegebene Länge des optischen Pfades eine viel niedrigere Entladungsspannung erfordert, der dieeen Vorteil auch bei einer gefalteten Anordnung bietet und der eine viel größere Gasströmungsgeschwindigkeit

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zur Verbesserung der Gasentgiftung erlaubt, einen großen Fortachritt in der Technik der optischen Sender und Verstärker mit einem gasförmigen Medium darstellen würdeο

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen derart verbesserten optischen Sender oder Verstärker mit gasförmigem Medium zu schaffen« Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß sich die Gas« entladung quer zu den Rückkopplungspfaden erstreckte

T/eitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wirdo Die der Beschreibung und der-Zeichnung zu entnehmenden Merkmal @ können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden<> Es zeigen:

Figo 1 eine perspektivische Ansicht eines optischen Senders nach der Erfindung,

Figo 2 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung,

Figo 3 zwei Anordnungen zur Faltung der optischen Bahn, wie sie bei optischen Sendern oder Verstärkern nach der Erfindung Verwendung finden können,

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Fig» 4 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Figo 5 einen Schnitt und zwei Seitenansichten einer Ausführungsform nach der Erfindung mit metallischen Seitenwänden und

Figo 6 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, welche noch höhere Gasströmungsgeschwindigkeiten erlaubt«

Der in Fig. 1 gezeigte optische Sender hat eine rechteckige Gestalt und besitzt jeweils mit Abstand voneinander angeordnete breite Seitenwände 11, schmale Seitenwände 13 und Endwände 15» die sämtlich aus isolierendem Material, beispielsweise aus Spiegelglas, besteheno Auch weist er einen im wesentlichen vollständig reflektierenden Spiegel 17» der an einer der Endwände 15 angebracht ist, und einen teilweise durchlas» sigen Spiegel 19 auf, der an der anderen der Endwände 15 angebracht ist» Bei dieser Ausführungsform ist der Aufbau im wesentlichen gasdicht und es ist darin ein aktives gasförmiges Medium 21 enthalten, wie beispielsweise Argon, Xenon, Krypton oder eine Gasmischung wie ZoBo GOg, N₂ und He₀ An der Innenseite 23 der schmalen Seitenwände 13 sind entweder metallische leitende Platten 25 angeordnet, die im wesentlichen die gesamte innere V/andfläche bedecken, oder es können leitende Metallschichten aufgetragen oder auf andere Weise mit

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dieser Wandfläche verbunden sein, die als Entladungselektroden wirken«. Die Elektroden 25 sind durch nicht dargestellte Leitungen mit einer Spannungsquelle verbunden und dienen zur Erzeugung einer sich über das aktive gasförmige Medium 21 erstreckenden Entladung«, Die Spiegel 17 und 19 bilden einen optischen Resonator in dem sich optische Energie entlang von Rückkopplungs·» pfaden zwischen den Spiegeln durch das aktive Medium hin und her ausbreitet« wenn das Medium in einen An» regungszustand gebracht wird, indem in diesem Medium eine elektrische Entladung quer zu den Rückkopplungspfaden aufrechterhalten wird«, V/ie durch einen Pfeil angedeutet, ergibt sich bei dieser Ausführungeform ein einziger Ausgangsstrahl kohärenten Lichtes _a Jedoch würde ein zweiter, nicht gezeigter Lichtstrahl in d©r entgegengesetzten Richtung ame Strahl 2? erzeugt werden, wenn auch der Spiegel 17 teilweise durchlässig wäre»

Die in Figo 2 dargestellte Ausführungsform ist der in !"ig» 1 dargestellten gleich, abgesehen davon,, daß aß den einander gegenüberliegenden Innenseiten 25 der schmalen Seitenwände 13 eine Vielzahl von Elektroden 51 und 31* befestigt oder durch Auftragen angebracht sindο Sämtliche Elektroden einer der Wände sind über der Stromverteilung dienende Widerstände 35 und ein® Leitung 35 mit einer Klemme 37 verbunden, die mit einer der Ausgangsklemmen einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden werden kannο Die an der gegenüberliegenden Seitenwand befestigten Elektroden 31* sind ebenfalls über der Stromverteilung dienende Widerstände 39 parallel geschaltet und über eine Leitung

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mit einer streiten Klemme 43 verbunden, die zum Anschluß an die verbleibende Klemme der Spannungsquelle dient« In vielen Fällen können entweder die Widerstände 33 oder 39 fortgelassen werden und es ergibt sich immer noch eine gleichförmige Entladung zwischen den entsprechenden! einander gegenüberliegenden Elektroden 31 und 31* und zwischen benachbarten Elektroden a, b, C₁ do In vielen Fällen kann sogar eine gleichförmige Entladung ohne die Verwendung der Stromverteilung dienender Widerstände 33 oder 39 erzielt werden«

Der breite flache Raum für das aktive Medium eignet sich gut für die Verwendung gefalteter, optischer Pfade, von denen Beispiele in den Fig. 3a und 3b dargestellt sind. Diese Darstellung ist nicht maßstäblich und dient nur zur Veranschaulichung wenigstens zweier Anordnungen, durch Welche relativ lange optische Pfade bei einem relativ kurzen Resonatoraufbau erreicht werden_o Der Resonatoraufbau, wie er beispielsweise in den Figo 1 und 2 dargestellt ist, umfaßt ebene Spiegel 51 und ^3 und zusätzlich an den Enden des optischen Pfades sphärische Spiegel 55 und 57 welche den entgegengesetzten Enden der ebenen Spiegel 33 und ü>t benachbart sind (siehe Fig. 3a)ο Die in Figo 3b dargestellte Anordnung ist ähnlich der soeben beschriebenen, jedoch weist der optische Resonator, damit auf einen der sphärischen Spiegel verzichtet werden kann, zwei ebene Spiegel 61 und 63 und einen einzigen sphärischen

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β -

Spiegel 65 auf, von denen def ebene Spiegel 61 aus Gründen_t die aus Fige 3b ersichtlich sind, unter einem kleinen Winkel θ bezüglich einer parallel zu dem anderen ebenen Spiegel 63 verlaufenden Ebene angeordnet ist ο In den in Fdg. 3 dargestellten Anordnungen sind die Rückkopplungspfade als Linien 67 dargestellt, deren Pfeile die Richtung der optischen Energie anzeigen=

Der in Figo 4 dargestellte isolierende, rechteckige Aufbau 71« der beispielsweise wieder aus Spiegelglas besteht, ist im wesentlichen dem Aufbau nach Figo 2 gleich. Statt flacher Scheibenelektroden verwendet diese Ausführungsform eine Vielzahl rohrförmiger Elektroden 73» die durch Löcher in schmalen Seitenwänden 75 hindurchgesteckt sindo Diese Ausführungsform ermöglicht einen Durchfluß des aktiven gasförmigen Mediums von einer Quelle eines solchen Gases, beispielsweise einem Mischtank 77» durch isolierende Rohre 79 und durch nicht dargestellte Öffnungen in den Elektroden 73** Das Gras strömt dann quer zu den Rückkopplung&pfaden durch den Aufbau 71» durch Offnungen in den Elektroden 73 und durch Isolierrohre 81 in eine Gassenke, beispielsweise in einen Vakkum-Sammeltank 83 ο Wie in der vorhergehenden Ausführungsform können zur Bildung des optischen Resnotars die in den Fig» 1 und 2 dargestellten Spiegel 17 und 19 verwendet werden, die an flan Endwänden 85 des Aufbaues 71 angeordnet sind, oder es können Anordnungen verwendet

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=, Q β.

werden, die den Eesonatoren nach B¹Ig₀ 3 ähnlich sindο Auch hier können der Stromverteilung dienende Widerstände 33 und 39 verwendet werden, um auf der ganzen Länge der Rückkopplungspfade eine gleichmäßige Entladung innerhalb des Aufbaues 71 au erreichen» Der Mischtank 77 zeigt drei Gaseingangsrohre 87, 89 und 91 zur Zuleitung von 0Og bzw„ Ng und He» Möchte man {Jedoch dem Aufbau 71 lediglich ein einziges Gas oder eine Gasmischung aus mehr oder weniger Gasen zuleiten, können entsprechende Gaseingangsrohre vorgesehen werden<» Um eine gleichmäßige Gasströmung durch den Aufbau 71 zu erreichen, kann einj nicht dargestellte Vakuumpumpe mit einer Saugleitmig 93 verbunden werden, die in den Vakuum-Sammöltank 83 mündete

In einem nach Figo 4- aufgebauten optischen Sender mit Querentladung wurde zwischen den tu. gegenüberliegenden Seiten des Hohlraumes angebrachten Elektroden 73 und 73' eine Entladung entfachte Es wurde festgestellt, daß der Spannungsabfall der Anordnung wesentlich kleiner ist als derjenige "bei der üblichen langen, dünnen, rohrförmigen Entladung in optischen Sendern oder Verstärkern die äquivalente aktive Gasvolumina besitzen* Ebenfalls wurde festgestellt, daß die Gasströmungsgeschwindigkeit gegenüber den "bisher erhältlichen durch die Verwendung der Anordnung nach Figo 4 leicht erhöht werden kann, da das Gas lediglich quer zur optischen Bahn und nicht an ihr entlang zu strömen brauchte

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Eine weitsre Ausfüiirungsform der Erfindung, konstruiert und getestet wurde, verwendet metallische breite Seitenwände .101 und isolierende dielektrische schmale Seitenwände 103« wie es Figo 5 zeigt» Die Verwendung von Metall erleichtert daa Kühlen der Wand©, das in diesem Fall durch Einbohren von Löchern 105 in die metallischen breiten Seitenwände 101 und Hindurchleiten von Kühlwasser durch diese Löcher erreicht wird_o Die dielektrischen schmalen Seiten·» wände 103 sind gebohrt und nehmen die Kathoden« und Anodenelektroden 107 bzw» 107' auf, wogegen die metallischen breiten Seitenwände 101 einfach potential·» frei belassen werden_o Ea können einzelne rohrförmige Elektroden, wenn es notwendig ist, die Elektroden zum Zwecke der Stromverteilung elektrisch zu trennen, verwendet werden, wie es bei den Anodenelektroden 107° der Fall isto Wenn eine Stromsteuerung nicht notwendig ist oder an der anderen Elektrode vorgenommen wird, kann auch eine durchgehende Bandelektrode verwendet werden«, Wie Figo 5 zeigt, ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Kathode 107 eine solche durchgehende Bandelektrode mit daran befestigten Gasleitungen 109ο Werden die breiten Seitenwände, wie hier dargestellt, aus Metall gefertigt, kann ain Überzug aus einem dünnen Nichtleiter, wie er beispielsweise durch Eloxieren erreicht wird, auf die Innen» fläche der Wand aufgebracht werden, wenn man feststellt, daß die Entladespannung genügend hoch ist, um einen Durchbruch zu den Wänden zu verursachen < > Die Figo ^a und 5c sind lediglich Ansichten der schmalen Seitenwände, um die Unterschiede zwischen mehreren

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Einzelelektroden und einer .durchlaufenden Elektrode deutlich su atachen_P

Die Ausführungeform nach Fig, 6 zeigt einen Aufbau» bei dem zur Erzielung noch höherer Gasströmungsgeechwindigkeiten das Gas sowohl durch die Kathode als auch durch die Anode quer au den Rückkopplungspfaden eingeleitet und dann, durch Löcher 151 in einer der breiten Seitenwände 153 abgeführt wird, welche teilweise, von einer als Sammelleitung dienenden U-förmigen Abdeckung 155 bedeckt istο

Aus dem Vorhergehenden ist es offensichtlich, daß der erfindungsgemäße optische Sender oder Verstärker mit gasförmigem Medium und Querentladung die Verwendung wesentlich niedrigerer Entladungsspannungen, eine verbesserte Anordnung mit gefaltetem optischen Pfad und viel höhere Gasströmungsgeschwindigkeiten als bisher zulaßt»

Bei Ausführung der Erfindung kann jedes stimulierbare Material in Gasform verwendet werderio Wenn auch Bpezielle Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beschrieben wurden, versteht es sich, daß zahlreiche Abwandlungen gegenüber den dargestellten Ausführungsbeispielen möglich sind, ohne den durch die Ansprüche gesteckten Rahmen der Erfindung zu verlassene

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Claims

Patentansprüche

Optischer Sender oder Verstärker mit einem gasförmigen stimulierbaren Medium und einem optischen Resonator, der das gasförmige Medium umgebende Reflektoren umfaßt, «wischen denen sich die stimulierte Energie auf Rückkopplungspfaden durch das gasförmige Medium ausbreitet, wenn das gas» förmige Medium zur selektiven Fluoreszenz angeregt worden ist, mit einer Vorrichtung zur Anregung des stimulierbaren Mediums zur Fluoreszenz durch Erzeugung einer Gasentladung im gasförmigen Medium und mit einer Vorrichtung zum Auskoppeln eines Strahles optischer Energie aus dem optischen Resonator, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Gasentladung quer zu den Rückkopplungspfaden erstreckte

Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die stimulierte optische Energie durch das gasförmige Medium entlang im wesentlichen paralleler Rückkopplungspfade ausbreitete

5β Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß sich die stimulierte optische Energie durch das gasförmige Medium entlang einer Vielzahl divergierender Rückkopplungspfade (67) ausbreitet»

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Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die divergierenden Rückkopplungspfade (67) an zwei Reflektoren (55 und 57» 63 und 65) enden, die die stimulierte optische Energie im wesentlichen parallel zu ihrer Einfallsrichtung reflektieren

5ο Optischer Sender oder Verstärkei* nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonator (21) einen geschlossenen rechteckigen Aufbau (71) mit zwei isolierenden Endwänden (15; 85)» zwei schmalen Seitenwänden (13; 75» 103) und awei breiten Seitenwänden (11; 101) aufweist und die Reflektoren (17 und 19; 51, 53» 55 und 57; 61, 63 und 65) des optischen Resonators an den isolierenden Endwänden (15; 85) angebracht sind, während die schmalen Seitenwände (13; 75; 103) als Elektroden für die Gasentladung leitend ausgebildet oder mit Elektroden (31 und 31'; 73 und 73') versehen sind,,

Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß an den Innenseiten der schmalen Seitenwände (13; 75» 103) eine IBielaahl sich entsprechender Elektroden (31 und 31'; 73 und 73') einander gegenüberstehend und auf jeder der schmalen Seitenwände (13, 75» 103) voneinander isoliert angeordnet und über Widerstände (33» 39) zur Stromatöuerung mit einer Spannungsquelle verbunden eind, die zur Erzeugung der Gasentladung dient«

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Optischer Sender oder Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium eine quer zu den Rückkopplungspfaden (67) gerichtete Strömung aufweistο

Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 5 his 7» dadurch gekennzeichnet, daß Seitenwände (75; 103} 153) des rechteckigen Aufbaus (71) Öffnungen aufweisen, die mit einer Quelle und einer Senke für das gasförmige Medium verbunden sind und der Zu- und Abfuhr des gasförmigen Mediums su bzwo vom optischen Resonator dienen ο

ο Optischer Sender oder Verstärker nach den Ansprüchen 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (73$ 73') rohrförmig ausgebildet Binde

10ο Optischer Sender oder Verstärker nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Außenseite mindestens einer Seitenwand (153) eine Sammelleitung (155) aufgesetzt ist, die über Bohrungen (151) ia der Seitenwand mit dem Innenraum des rechteckigen Aufbaus in Verbindung stehtο

ο Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 8 bia 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mischbank (77) und ein Bammeltaiik (83) für das gasförmige Medium vorgesehen sind und die öffnungen (73» 73') j die in dar einen der schmalen Seiten»· wände (7^) angeordnet sind, mit dem Mischtank (77) verbunden sind, wogegen die Öffnungen, die in der anderen der schmalen Seitenwände (75) oder einer breiten Seibenwand angeordnet sind, mit dem Sammel«™ tank (83) verbünden sind.

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