DE1941888C3 - Optische Bildverstärkereinrichtung - Google Patents

Description

Gegenstand des Hauptpatentes ist eine optische Bildverstärkereinrichtung mit einem stimulierbaren Festkörpermedium (Laser) aus durchsichtigem Glas oder organischem Kunststoff mit einem Brechwert, der in der optischen Achse am größten ist und radial zu »einer Oberfläche hin abnimmt, wobei mindestens eine Aktivatorionenart wenigstens in einem axialen Bereich «Jes Körpers gleichmäßig verteilt ist und zwei austauschbare lonenarten eine sich kreuzende Dotierungsdichte aufweisen, von denen die Konzentration der einen lonenart von der optischen Achse radial zur Oberfläche des Körpers und die Konzentralion der anderen lonenart von der Oberfläche radial zur optischen Achse zunimmt, wobei ein flexibler Lichtleiter mit einem über seinen Querschnitt quadratischen radialen Brechwertgradienten die Übertragung der Bildsignale auf das verstärkende Festkörpermedium übernimmt.

Derartige Vorrichtungen dienen zum Beobachten bzw. Aufzeichnen von Gegenständen, deren optische

Rüder in Lasern übertragen oder verstärkt werden.

Durch die DT-AS 11 58 172 und die FR-PS 13 44 970 sind bereits optische Bildverstärkereinrichtungen bekanntgeworden, die ein stimulierbares Medium aus parallel gebündelten Glasfasern benützen, deren Brechwert außen kleiner ist als innen.

Für die Betrachtung nicht unmittelbar sichtbare·.· Objekte ist es aus der FR-PS 10 22 413 bekannt, einen biegbaren Lichtleiter aus parallel gebündelten Glasfasern zu verwenden.

Bei Dunkelheit muß das zu betrachtende Objekt zusätzlich beleuchtet werden. Hierzu ist es aus der FR-PS 14 72 264 bekanntgeworden, den Lichtleiter wenigstens teilweise mit weiteren Glasfasern zu umhüllen, die das Licht aus einer Lichtquelle zur Bestrahlung des Objektes entsprechend leiten.

Derartige Bildübertragungseinrichtungen «und technisch aufwendig und erfordern hohe Kosten.

Aufgabe der Erfindung es es, eine optische Büdverstärkereinrichtung der eingangs genannten Art derart weiter auszubilden, daß eine Übertragung von optischen Bildern über weite Entfernungen auch bei schlechten Sichtverhältnissen durch eine besondere Beleuchtung des zu betrachtenden Objektes gelingt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Lichtleiter neben der Bildübertragung in seiner einen Längsrichtung zusätzlich zur Übertragung von Licht einer Beleuchtungslichtqueile in der entgegengesetzten anderen Richtung, und zwar zur Beleuchtung des abzubildenden Objekts, ausgenützt ist, -obei die Lichtwellenlänge der Beleuchtungslichtquelle der im Bildverstärker verstärkbaren Lichtwellenlänge gleich sein muß.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird an Hand einer schematischen Zeichnung näher beschrieben.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung besteht nach der Zeichnung aus einer Beleuchtungslichtquelle 11, einem Strahlteüer 12 (semitransparenter Reflektor) und einem flexiblen Lichtleiter 13 (faserartiger Glaskörper), dessen Brechwert entlang seiner Achse am größten ist und zur Oberfläche im wesentlichen proportional zum Quadrat des radialen Abstandes von der Achse abnimmt. Die Beleuchtungslichtquelle 11 ist vorteilhafterweise ein stimulierbares Festkörpermedium, ζ. B. ein Yttrium-Aluminiumgranat mit dreiwertigen Neodymionen als laseraktive Ionen (Dotierung). Die von dem Laser abgestrahlten Lichtstrahlen besitzen z. B. eine Wellenlänge von 1,06 μΐη. Die Lichtstrahlen, die von der Beleuchtungslichtqueile 11 ausgesendet werden, werden von dem Strahlteüer 12 reflektiert, um durch die im festen Abstand von dem Strahlteüer gehaltene Stirnfläche 8 am einen Ende des Lichtleiters 13 einzutreten, durch ihn hindurchzulaufen und am anderen Ende des Lichtleiters 13 im festen Abstand von einem Objekt auszutreten, wobei das Objekt 14 angestrahlt wird. Die von dem Objekt 14 reflektierten Lichtstrahlen wandern durch den Lichtleiter 13, treten an seiner Stirnfläche 8 aus und gelangen durch den Strahlteüer hindurch, um vor der Stirnfläche 9 am einen Ende eines Bildverstärkers 16 ein Bild 15 zu erzeugen. Dabei befindet sich die Stirnfläche 9 des Bildverstärkers in einem bestimmten Abstand von der Stirnfläche 8 des Lichtleiters 13. Der Bildverstärker 16 besteht aus einem stimulierbaren Festkörpermedium in der Gestalt eines stab- oder faserartigen Glaskörpers 17 mit einem Brechwert

gleich dem Brechwert des Lichtleiters 13 und einer Bestrahlungslichtquelle 18. Der Glaskörper 17 kann aus einem Silikatglas bestehen, das dreiwertige Neodymionen als laseraktive Ionen enthält und dient zur Verstärkung der Lichtstrahlen, die von der Beleuchtungslichtqueue 11 ausgehen. Da der Bildverstärker 16 angeregt wird. Licht mit der Wellenlänge von 1,06 μΐη auszusenden, die gleich ist mit den Wellenlängen der Lichtstrahlen, die von dem Objekt 14 ausgehen, werden die Lichtstrahlen des Bildes 15 beim Hindurchlaufen durch den Bildverstärker 16 zu einem Bild 19 verstärkt, welches in einer Aufzeichnungsvorrichtung 20 aufgezeichnet oder von einem Okular betrachtet wird. Wird das optische Bild von unsichtbaren Lichtstrahlen angestrahlt, deren Wellenlängen im infraroten Bereich liegen, kann das unsichtbare Bild am Ausgangsende des Übertragungsweges in ein sichtbares Bild mittels eines infrarotempfindlichen Filmes, Infrarotstrahlenabtasters oder dergleichen Mittel umgewandelt werden.

Der Bildverstärker kann aus Glas, einem Kristall oder anderen transparenten Stoffen bestehen. In dem Hauptpatent ist ein Verfahren zur Herstellung eines Glasfaserlasers aufgezeigt, das den gewünschten Brechwertgradienten enthält. Hierzu wird ein dünner, faserartiger Glaskörper von einem Durchmesser von 0,2 mm, der 20 Gewichtsprozent TI20,12 Gewichtsprozent Na20,15 Gewichtsprozent PbO und 48 Gewichtsprozent S1O2 sowie 5 Gewichtsprozent Nd2Ü3 als laseraktives Oxyd (Dotierung) enthält, eine vorbestimmte Zeit in ein Kaliumnitratbad von gleichbleibend hoher Temperatur eingetaucht gehalten. Anschließend wird der Glaskörper abgespült und getrocknet. In dem Bad werden Thallium- und Natriumionen innerhalb des Glaskörpers durch Kaliumionen aus dem Bad ersetzt. Der Brechwert des derart behandelten Glaskörpers beträgt 1,59 entlang seiner Achse und 1,56 an seiner Oberfläche, wobei der Brechwertgradient im wesentlichen durch die Beziehnung n=N (1-ar²) ausgedrückt ist, in der N der Brechwert entlang seiner Achse, r der radiale Abstand von der Achse und a eine positive Konstante sind, die hier 189 cm ~² beträgt.

Die zur Anstrahlung eines Objektes dienende Beleuchtungslichtquelle 11 kann ein Festkörperlaser oder ein Flüssiglaser sein. Die auszusendenden Strahlen der Lichtquelle sollen solche Anteile enthalten, welche mit den Wellenlängen des Lasers übereinstimmen, der als Verstärker dient. Wenn eine Lichtquelle mit inkohärentem weißem Licht zur Erzeugung von Lichtstrahlen verwendet wird, die Wellenlängen einschließen, die mit den von dem Laserverstärker ausgesendeten Lichtstrahlen übereinstimmen, kann ein Filter vcr dem Objekt verwendet werden, um die nicht notwendigen Wellenlängenanteile abzufiltern und dabei Anteile von übermäßiger Wärme von dem Objektiv fernzuhalten.

Der glasfaserartige Lichtleiter 13 kann wie folgt hergestellt werden:

Eine Glasfaser mit einem Durchmesser von 1 mm und der Zusammensetzung von 56 Gewichtsprozent S1O2, 14 Gewichtsprozent Na2O, 20 Gewichtsprozent TI2O und 10 Gewichtsprozent PbO wird über eine längere Zeit in einem erhitzten Kaliumnitratbad gehalten. Anschließend wird die Glasfaser gewaschen und getrocknet Die Glasfaser weist danach einen Brechwert n=/V (1-ar²) auf, wobei a = 7.7 cm-² ist Die erhaltene Glasfaser wird in eine bestimmte Länge geschnitten und an beiden Endflächen rechtwinklig zu ihrer Achse poliert Dabei läßt sich erreichen, daß ein Abbiegen der Glasfaser mit einem Krümmungsradius von 20 cm die optischen Eigenschaften der Glasfaser noch nicht beeinträchtigen.

An Stelle eines einzelnen Lichtleiters kann e^;ne Mehrzahl von Lichtleitern mit einer festen räumlichen Beziehung zwischen den ein- und ausgangsseitigen Stirnflächen verwendet werden.

Da die Eingangslichtstrahlen des optischen Bildes beim Durchlaufen des Bildverstärkers 16 um seine Achse schwingen und da der Bildverstärker weitgehend dünn gewählt werden kann, ist eine Bildübertragung von großer Empfindlichkeit und hoher Intensität ermöglicht. Sogar wenn die Lichtstrahlenintensiiät auf einem längeren Übertragungsweg durch den Lichtleiter 13 geschwächt ist, kann das optische Bild leicht mittels Bildverstärker 16 verstärkt werden.

Am Eingangsende des Bildverstärkers 16 kann ein optisches Ventil angeordnet werden, um unerwünschte Strahlenkomponenten zurückhalten zu können, welche vom Bildverstärker aus den eintretenden Lichtstrahlen entgegenlaufen würden. Das optische Ventil kann vorteilhafterweise entsprechend dem Vorschlag nach dem älteren Patent 19 33 124 ein Faraday-Dreher aus einem faserartigen transparenten Material sein, das einen Brechwert aufweist, der entlang seiner Achse am größten ist und radial zu seiner Oberfläche hin abnimmt, und wobei Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in Richtung der durch den Faraday-Dreher hindurchtretenden Lichtstrahlen sowie Polarisatoren vorgesehen sind, die sich am Ein- und Ausgangsende des Faraday-Drehers befinden.

Ein faserartiger Lichtleiter, der zur Betrachtung des Inneren von schmalen Hohlräumen, Rohren u. dgl. besonders geeignet ist, läßt sich zusammen mit der Beleuchtungslichtquelle, den optischen Einrichtungen, die zur Abbildung eines optischen Bildeinganges an der Eingangsendfläche des Lichtleiters dienen, und dem Bildverstärker auf einem Träger befestigen. Diese Teile der Bildübertragungsvorrichtung können jedoch auch, abhängig von den Verwendungszwecken, für die die Erfindung dient, auf getrennten Trägern befestigt sein.

Mit der Bildverstärkungseinrichtung nach der Erfindung sind damit direkte Beobachtungen oder photographische Aufnahmen ohne zusätzliche aufwendige Mittel auch von solchen Gegenständen bzw. Objekten möglich, die vom Beobachter weit entfernt sind oder sich innerhalb von Räumen befinden, welche für eine direkte Beobachtung ungeeignet sind oder die sehr geringe Reflexionseigenschaften aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

19 41 88δ Patentansprüche:

1. Optische Bildverstärkereinrichtung mit einem stimulierbaren Festkörpermedium (Laser) aus durchsichtigem Glas oder organischem Kunststoff mit einem Brechwert, der in der optischen Achse am größten ist und radial zu seiner Oberfläche hin abnimmt, wobei mindestens eine Aktivatorionenart wenigstens in einem axialen Bereich des Körpers gleichmäßig verteilt ist und zwei austauschbare lonenarten eine sich kreuzende Dotierüngsdichte aufweisen, von denen die Konzentration der einen Ionenart von der optischen Achse radial zur Oberfläche des Körpers und die Konzentration der anderen lonenart von der Oberfläche radial zur optischen Achse zunimmt, wobei ei.i flexibler Lichtleiter mit einem über seinen Querschnitt quadratischen radialen Brechwertgradienten die Übertragung der Bildsignale auf das verstärkende Festkörpermedium übernimmt, nach Patent 19 34 141, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (13) neben der Bildübertragung in seiner einen Längsrichtung zusätzlich zur Übertragung von Licht einer Beleuchtungslichtquelle (11) in der entgegengesetzten anderen Richtung, und zwar zur Beleuchtung des abzubildenden Objekts (14) ausgenützt ist, wobei die Lichtwellenlänge der Beleuchtungslichtquelle (11) der im Bildverstärker (16) verstärkbaren Lichtwellenlänge gleich sein muß.

2. Bildverstärkereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einander gegenüberstehenden Stirnflächen (8, 9) des Lichtleiters (13) und des Bildverstärkers (16) ein Strahlteiler (12) zur Umlenkung des von der Beleuchtungslichtquelle (11) abgestrahlten Lichtes auf die Stirnfläche (8) des Lichtleiters (13) und zum Durchlassen des von dieser Stirnfläche (8) austretenden, auf die Stirnfläche (9) des Bildverstärkers (16) auftreffenden optischen Bildes (15) vorgesehen ist.

3. Bildverstärkereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bildverstärker (16) ein Faraday-Dreher als optisches Ventil vorgeschaltet ist, der über seinen Querschnitt radial einen quadratischen Brechwertgradienten aufweist.