DE2029742A1 - Optischer Sender oder Verstärker für kohärente Strahlung - Google Patents

Optischer Sender oder Verstärker für kohärente Strahlung

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DE2029742A1
DE2029742A1 DE19702029742 DE2029742A DE2029742A1 DE 2029742 A1 DE2029742 A1 DE 2029742A1 DE 19702029742 DE19702029742 DE 19702029742 DE 2029742 A DE2029742 A DE 2029742A DE 2029742 A1 DE2029742 A1 DE 2029742A1
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optical transmitter
optical
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DE19702029742
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Dietrich Dr. 8014 Neubiberg . Fromm
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Osram GmbH
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Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08Construction or shape of optical resonators or components thereof

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description

  • "Optischer Sender oder Verstärker für kohärente Strahlung *) Die Erfindung betrifft einen optischen Sender oder Verstärker für kohärente Strahlung mit einem stimulierbaren gasförmigen durch Entladung anregbaren Medium in einem ringförmigen Entladungsraum, der durch die Mantelflächen zweier ineinander gesteckter konzentrisch zueinander angeordneter gekühlter Rohre verschiedenen Durchmessers gebildet wird.
  • Ein derartiger optischer,Sander oder Verstärker (Gaslaser) ist durch die hollndlsche Patentschrift 66 05 801 bereits bekannt.
  • Zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist dieser in einem optischen Resonator angeordnet *) 21 g 53/12 Ein solcher optischer Resonator wird beispielsweise aus zwei vom Entladungsgefäß getrennt angeordneten Planspiegel gebildet, von denen einer teilweise strahlungsdurchlässig ist, während der andere die Strahlung total reflektiert. Vorzugsweise werden sphärische Spiegel verwendet, da ihre Justierung im Vergleich zu einer Anordnung mit Planspiegeln weniger kritisch ist. Resonatorformen mit sphärischen Spiegeln, die in einer vom konfokalen Abstand abweichenden Entfernung einander gegenüber stehen, sind gleichfalls bekannt.
  • Als Ausgangsstrahlung resultiert ein ringförmiger Laserstrahl mit dunklem Zentrum, dessen Strahlungsquerschnitt, sofern erforderlich, iiblicherweise durch außerhalb des Resonators von diesem getrennt angeordnete optische Mittel, beispielsweise Linsensysteme, verkleinert werden kann, die auf einer optischen Bank genau justiert werden müssen.
  • Die räumliche Trennung von Entladungsrohr, optischen Resonator und optischen Mitteln zur Verkleinerung des Strahlquerschnittes, bzw. zur Fokussierung des Laserstrahles, machen eine derartige anordnung unhandlich im Gebrauch.
  • Für viele Verwendungszwecke, beispielsweise das Bohren von Löchern, Schweinen, Schneiden von Metall usw., werden sehr leistungsstarke Laserstrahlbündel benötigt.
  • Es ist deshalb wünschenswert, die Strahlungsleistung derartiger Gaslaser zu erhöhen.
  • Eine Vergrößerung der Strahlungsleistung eines derartigen Gaslasers kann durch Vergrößerung der ringförligen Strahlquerschnittsfläche erreicht werden, vorzugsweise durch Vergrößern der Rohrradien der den ringförmigen Entladungsraum bildenden Rohre bei konstanter für jeden Gaslasertyp optioraler Radiendifferenz.
  • Bei den meisten optischen Sendern oder Verstärkern tritt unabhängig davon, ob plane oder sphärisch gekrümmte Spiegel für den Resonator verwendet werden, ein Interferenzphänomen auf, das durch die zwischen den Spiegeln hin und her laufenden Lichtstrahlen verursacht wird. Im allgemeinen können die Lichtstrahlen das stimulierbare Medium nur zweimal durchlaufen, bevor Intcrferenz auftritt. Diese Interferenz setzt die Eigenschaften des optischen Senders oder Verstärkers herab, da hierbei Resonanzspitzen erzeugt werden.
  • Durch die deutschc Auslegeschrift 1 199 01 ist ein optischer Verstärker mit ringförmigem Entladungsraum bekannt, dessen Hohlraumresonator durch ein Paar im Abstand voneinander angeordneter sphärischer Spiegel gebildet wird, die eine vom konfokalen bstand abileichende Entfernung voneinander haben. Bei Durchstrahlung mit einem außeraxialen Lichtstrahl werden wiederholte nicht interferierende Reflexionen des Strahls erzeugt, so daß dieser längs eines Weges fortschreitet, der im allgemeinen auf der Oberfläche eines Rotationsllyperboloids liegt, wobei aufeinander folgende Reflexionsstellen des Strahls auf dem Spiegel eine Ellipse bzw.
  • unter bestimmten Reflexionsbedingungen einen Kreis beschreiben und unerwünschte Interferenzen somit vermieden werden.
  • Eine derartige Anordnung kann auch bei einem optischen Sender verwendet werden, wobei der erzeugte Strahl so geführt wird, daß er eine Vielzahl Durchläufe durch. den optischen Sender zurücklegt, so daß er seine Eintrittsstelle selbst viele Male wieder erreicht.
  • Die Ausnutzung des Entladungsraumes, d.h. die nscngsleistun, eines derartigen optischen Senders ist aber nur dann hoch, wenn die Zahl der Reflexionen innerhalb des ringförmigen Volumens groß ist. Die Anzahl der Durchgänge ist bestimmt durch das Verhältnis von Spieoelradius zu Resonatorlänge. Je größer das Verhältnis Radius zu Länge ist, desto mehr Durchgänge werden erhalten.
  • Wird nun die die Strahlungsquerschnittsfläche bildende Ringfläche groß, so ist eine sehr große Anzahl von Reflexionen erforderlich, um das Ringvolumen auszunutzen. Bei gegebener Resonatorlänge, beispielsweise einem Meter, verlangt dies bereits sehr große Spiegelradien. Um beispielsweise 20 Reflexionen zu erhalten, muß der Radius der Resonatorspiegel bereits 80 m betragen. Eine derartige Resonatoranordnung entspricht aber praktisch bereits einer Resonatoranordnung mit Planspiegeln und ist dementsprechend instabil. Um das Gasvolumen also voll auszunutzen, d.h. eine möglichst hohe Ausgangsleistung zu erzielen, muß bei Gaslasern mit großer Ringfläche entweder eine instabile Resonatoranordnung in Kauf genommen werden oder es ist bei gegebener Ringfläche auf die maximal zu erreichende Strahlungsleistung zu verzichten.
  • Ziel der Erfindung in es, durch eine geeignetere Resonatoranordnung die Strahlungsleistung derartiger Gaslaser zu vergrößern sowie einen Gaslaser kompakter Bauweise zu schaffen.
  • Ein optischer Sender oder Verstärker mit einem stimulierbaren durch Entladung anregbaren gasförmigen Medium in einem hohlzylindrisch ausgebildeten Entladungsraum, der durch die Mantelflächen zweier ineinander gesteckter konzentrisch zueinander angeordneter gekühlter Rohre gebildet wird und der innerhalb eines optischen Resonators angeordnet ist, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den optischen Resonator begrenzenden Spiegeln ein sphärisch geschliffener Konkavspiegel und ein sphärisch geschliffener Konvexspiegel angeordnet sind, wobei der Durchmesser des Konvexspiegels kleiner ist als der Durchmesser des Konkavspie gels, und daß die den optischen Resonator begrenzenden Spiegel und der Konkavspiegel und der Konvexspiegel mit dem optischen Sender oder Verstärker eine bauliche Einheit bilden.
  • Die Erfindung wird nunmehr näher erläutert.
  • Figur 1 zeigt einen Gaslaser gemäß der Erfindung.
  • Figur 2 zeigt eine Stirnseite eines Gaslasers gemäß der Erfindung.
  • Figur 3 zeigt den Strahlengang im optischen Resonator.
  • Der Entladungsraum des Gasasers wird im wesentlichen aus den Mantelflächen zweier zylinderförmiger Rohre (2) und (3) verschiXdenen Durchmessers, beispielsweise aus Quarzglas, gebildet, die zueinander konzentrisch angeordnet sind, und ist mit einem gasförmigen Medium, beispielsweise Stickstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid oder einem Helium-Neon-Gemisch gefüllt. Der Gasdruck kann vorzugsweise im Bereich von 0,5 - 15 Torr liegen. Der Durchmesser des Rohres (2) kann beispielsweise 100 mm betragen, während der Durchmesser des Rohres (3) beispielsweise 50 mm betragen kann. Das Innere des Rohres (3) wird von einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, durch strömt1 die bei (5) in das Rohr (3) eintritt und dieses bei (4) wieder verläßt. Das Rohr (2) wird ebenfalls gekühlt und ist hierfür mit einem Kühlmantel (1) (Kühlwasserstutzen 6,7) versehen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist an einem Ende des Entladungsraumes ein total reflektierender ringförmiger Planspiegel (8) angeordnet, der mittels dreier Schrauben (9) exakt justiert werden kann, die durch Metallbälge (10) zentral hindurchgeführt sind. Das andere Ende des Entladungsraumes, die sog. Auskoppelseite, wird durch einen ringförmigen teilweise strahlungsdurchlässigen Planspiegel (il) sowie durch einen ringförmigen Konkavspiegel (15) begrenzt. Der Planspiegel (ii) ist von innen und außen kühlbar und wird von einer Kühlflüssigkeit (Kühlwasserstutzen 12,13) umspült. Der Konkavspiegel (is) ist mittels dreier Schrauben (i6) justierbar, die durch Metallbälge (17) zentral durchgeführt sind. In Brennpunktnähe des.Konkavspiegeln (15) ist axial zu diesem ein ringförmiger Konvexspiegel (14) angeordnet, der auf die Stirnseite des Rohres (3) autgekittet ist und den Entladungaraum gegenüber dem Innenraum des Rohres (3) abschließt.
  • In der Achse der Spiegel (11,15) und (1!s) ist ein Zylinder (21) angeordnet, der mit dem Rohr (3) in Verbindung steht und ebenfalls von Kühlflüssigkeit durchströmt wird Der Durchmesser des Planspiegels (8) sowie des Konkavspiegels (15) beträgt beispielsweise 100 mm und der Durchmesser des Konvexspiegels (14) sowie des Planspiegeis (ii) beispielsweise 50 mm Die Spiegel stehen in unmittelbarer Berührung mit dem gasförmigen Medium und sind mit einem reflektierenden Belag aus dielektrischen Material versehen.
  • Die den optischen Resonator begrenzenden Spiegel, beispielsweise die Planspiegel (8,11) sowie der Konkavspiegel (P5E Und der Konvexspiegel (14) können auch vom stimulierbaren gasförmigen medium getrennt angeordnet sein und beispielsweise justierbar in einer zytlndrischen Hülse, beispielsweise aus Metall oder Keramik, befestigt sein, die mit dem Rohr (1) oder dem Rohr (2), beispielsweise durch Verkitten, fest verbunden ist. Bei einer derartigen Ausführungsform besitzt der Durchmesser des Rohres (3) über dessen gesamte Länge den gleichen Betrag und der Entladungsraum ist an den Rohrenden durch strahlungsdurchlässige Fenster abgeschlossen. Es ist auch denkbar, nur den Konkavspiegel und den Konvexspiegel in direkter Berührung mit dem stimulierbaren ga-sförmigen Medium anzuordnen.
  • Die Anregung des stimulierbaren gasförmigen Mediums kann durch eine Gleichstrom- oder Wechselstromentladung im sta 7wären Betrieb oder im Impulsbetrieb (Kondensatorentladung) zwischen Innenelektroden bzw. bei Hochfrequenz-Anregung über Außenelektroden erfolgen.
  • Für die Hochfrequenz-Anregung ist das Rohr (2) mit zwei der Form des Rohres (2) angepaßten auf diesem aufliegenden großflächigen Elektroden versehen, die das Rohr weitgehend umfassen und sich in dessen Längsrichtung erstrecken. Dadurch wird eine gleichmänige Anregung im gesamten Entladungsraum erzielt.
  • Bei Gleich- oder Wechselstromentladung im Impulsbetrieb ist das Entladungsrohr mit einer größeren Anzahl Elektroden (18) versehen, beispielsweise sechs Elektroden an jedem Rohrende, die sternförmig in einer zur Rohrachse senkrechten Ebene in das Gefäß eingeschmolzen sind und in dessen Inneres hineinragen. Bei sehr langen Entladungsrohren, beispielsweise größer als 2 m, ist das Entladunesrohr (2) zusätzlich in der Mitte mit mehreren Elektroden, beispielsweise sechs Elektroden, versehen.
  • Im Inneren des Entladungsraumes können auch mehrere, beispielsweise drei ringförmige Elektroden, z.B. aus Platin oder Nickel, angeordnet sein, die an der Innenwand des Rohres (2) anliegen und über Durchführungen mit einer äußeren Spannungsquelle verbunden sind.
  • Die an den Enden angeordneten Elektroden besitzen das gleiche Potential, dienen beispielsweise als Anode, während die in der Mitte anqeordneten Elektroden als Kathoden ausgebildet sind.
  • Sollten ringförmige Elektroden Anwendung finden, so ist es zweckmäßig, Entladungsimpulse mit sehr kurzen Anstiegszeiten zu verwenden, um ein gleichmäßiges Ansetzen der Entladung an den Elektroden zu gewährleisten.
  • Um vor allem bei höheren Betriebsdrucken zu erreichen, daß bei Anregung durch eine Gleichstromentladung diese sich im ringförmigen Entladungsraum homogen ausbildet und den Entladungsraum vollständig ausfüllt, empfiehlt es sich, dem Gleichstrom ein schwaches Hochfrequenzfeld zu überlagern.
  • Die erfindungsgemäße Resonatoranordnung ermöglicht eine optimale Ausnutzung des Entladungsraumes von Gaslasern mit ringförmiger Strahlquerschnittsfläche unabhängig von deren Größe. Die im Entladungsraum erzeugte Strahlung mit großer Strahlquerschnitt sfläche wird durch den optischen Resonator verstärkt und außerdem gleichzeitig mit Hilfe des IConkavspiegels (15) und des Konvexspiegels (14), vorzugsweise bereits innerhalb des Entladungsgefäßes, in ein leistungsstarkes Strahlungsbündel kleinen Querschnitts umgewandelt, so daß auf zusätzliche optische Mittel, zur Erhöhung der Strahlungsdichte, beispielsweise vom Entladungsrohr bzz. Resonator getrennt angeordnete Linsensysteme zur Materialbearbeitung, verzichtet werden kann.
  • Um eine optimale Wirkung des Resonators zu erzielen, sind die spiegelnden Oberflächen des Konkavspiegels (15) und des Konvexspiegels (14) sphärisch ausgebildet. Der KonvexapiegeS (14) ist sphärisch nicht korrigiert. Durch die sphärische Aberration wird verhindert, daß die Strahls len im Resonator auseinanderlaufen.
  • Der Strahlengang im optischen Resonator ist durch Figur 3 veranschaulicht. Der kleine Kreis K stellt den Ursprung eines in axialer Richtung (nicht achsenparallel) verlaufenden Lichtstrahles dar. Die weitere Ausbreitlmg des lichtstrahles ist durch Pfeile dargestellt.
  • - Patentansprüche -

Claims (6)

  1. Patentansprüche 1. Optischer Sender oder Verstärker mit einem stimulierbaren durch Entladung anregbaren gasförmigen Medium in einem hohlzylindrisch ausgebildeten Entladungsraum, der durch die Mantelflächen zweier ineinander gesteckter konzentrisch zueinander angeordneter gekiihlter Rohre gebildet wird und der innerhalb eines optischen Resonators angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den optischen Resonator begrenzenden Spiegeln ein sphärisch geschliffener Konkavspiegel und ein sphärisch geschliffener Konvexspiegel angeordnet sind, wobei der Durchmesser des Konvexspiegels kleiner ist als der Durchmesser des Konkavspiegels, und daß die den optischen Resonator begrenzenden Spiegel und der Konkavspiegel und der Konvexspiegel mit dem optischen Sender oder Verstärker ene bauliche Einheit bilden.
  2. 2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den optischen Resonator begrenzenden Spiegel als Planspiegel ausgebildet sind.
  3. 3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den optischen Resonator begrenzenden Spiegel ringförmig ausgebildet sind.
  4. 4. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konkavspiegel und der Konvexspiegel ringförmig ausgebildet sind.
  5. 5. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Konkavapiegel und der Konvexspiegel in direkter Berührung mit dei stimulierbaren gasförmigen Medium stehen.
  6. 6. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den optischen Resonator begrenzenden Spiegel mit dem stimulierbaren gasförmigen Medium in direkter Berührung stehen.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1989010640A1 (en) * 1988-04-22 1989-11-02 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewand Laser resonator
DE4022818A1 (de) * 1990-07-18 1992-01-23 Deutsche Forsch Luft Raumfahrt Festkoerperlaser

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