-
"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 -