DE2113464A1

DE2113464A1 - Fluessigkeitslaser

Info

Publication number: DE2113464A1
Application number: DE19712113464
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl-Phys Gerlach
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1971-03-19
Filing date: 1971-03-19
Publication date: 1973-04-19
Also published as: US3717825A; DE2113464B2; DE2113464C3

Description

FIRMA CARL ZEISS, 7920 HEIDENHEIM (BRENZ)

Flüssigkeitslaser

Die Erfindung betrifft Flüssigkeitslaser, Insbesondere Farbstofflaser, bestehend aus einer die Flüssigkeit führenden Kammer, einem Zirkulations- und einem Kühlsystem für die laseraktive Flüssigkeit, einer Pumplichtquelle und einem Resonatorsystem.

Bei Flüssigkeitslasern ist ein Aufbau erwünscht, der ein schnelles Austauschen der Flüssigkeit in der laseraktiven Zone, gute Kühlmöglichkeiten für die Laserflüssigkeit sowie einen leichten und schnellen Wechsel der gesamten Farbstofflösung gewährleistet. Außerdem muß die laseraktive Flüssigkeit in ihrer Kammer leicht justierbar zur Pumplichtquelle sein.

Flüssigkeitslaser sind im Prinzip bekannt. Steigendes Intersse finden die sogenannten Farbstofflaser, deren laseraktive Substanz aus einem gelösten organischen Farbstoff besteht, der in der Lösung mit hoher Quantenausbeute fluoresziert und durch Bestrahlen mit intensivem Licht in einen bezüglich eines oder mehrerer optisch erlaubter übergänge aktiven Zustand gepumpt und zur stimulierten Emission über einen oft weiten Wellenlängenbereich gebracht werden kann. Da bei Erwärmung der Laserflüssigkeit durch das Pumplicht Schlieren auftreten und auch eine photoehemische Zerstörung der Farbstoffmoleküle·durch daa Pumplicht stattfindet, ist bei den bekannten Vorrichtungen für die Laserflüssigkeit ein Vorratsgefäß und ein Zirkulationssystem vorgesehen, welches für einen ständigen Austausch der Laserflüssigkeit in der laseraktiven Zone sorgen soll. Da die prak-

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tischen Einsatzmöglichkeiten eines Flüssigkeitslasers außer von seinem Wirkungsgrad d.h. dem Verhältnis von elektrischer Pump- energie zur Laserausgangsenergie auch abhängen von der Zeit, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserimpulsen verstreicht, bestimmt der Aufbau der Flüssigkeitskammer und das Zirkulationssystem wesentlich die Qualität des Lasers. Es muß darauf geachtet werden, daß bei repetierendem Pulsbetrieb die Farbstofflösung in der aktiven Zone zwischen zwei Pulsen vollständig ausgetauscht wird, um Schlieren und zerstörte Moleküle zu entfernen, die die Intensität des emittierten Laserlichtes verringern. Außerdem ist es wünschenswert, mit hohen Farbstoffkonzentrationen zu arbeiten, .weil die Lebensdauer der gesamten Lösung proportional zur Farbstoffkonzentration ist. Eine hohe Farbstoffkonzentration hinwiederum bedeutet, daß der Quer-

™ schnitt in der aktiven Zone klein gehalten werden muß, um eine Anregung zur stimulierten Emission durch die gesamte Schichtdicke zu erreichen. Gleichzeitig soll aber der Strömungswiderstand in der Kammer klein sein, damit man mit möglichst kleinen Pumpdrücken für das Umlaufsystem auskommen kann. Aus der Vielfalt der geschilderten Zusammenhänge ist es zu verstehen, daß bisher keine befriedigende Lösung für einen im Dauerbetrieb arbeitenden Farbstofflaser angegeben wurde. Bei den bekannten Lösungen ist entweder die Laserleistung unbefriedigend, oder es wird durch zu geringe Austauschgeschwindigkeit der Farbstofflösung die Pulsfrequenz eingeschränkt, oder es kommt bei zu schneller Strömung zu turbulenzerscheinungen und Kavitations-

fe blasen in der aktiven Zone. Außerdem wird die Betriebssicherheit der bisher bekannten Flüssigkeitslaser oft dadurch beeinträchtigt, daß bei einem Austauschen der Kammer die Resonatorspiegel dejustiert werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Farbstofflaser mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen, der sich durch einfachen Aufbau und leichte Austauschbarkeit der Teile auszeichnet, der weiterhin eine hohe Farbstoffkonzentration zuläßt und dessen Zirkulationssystem für die Laserflüssigkeit

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so ausgelegt ist, daß eine Pulsfolge von 50 bzw. 100 Hz über längere Zeit aufrechterhalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die flüssigkeitsführende Kammer unmittelbar nebeneinander und in derselben Richtung verlaufend Zu- und Abfluß und einen u-förmigen Verbindungsbereich gleichen Querschnitts enthält, der die laseraktive Zone bildet, und daß diese Zone in einer Brennlinie eines ellipsenförmigen Pumpiichtreflektors angeordnet ist, in dessen anderer Brennlinie die Pumplichtquelle liegt.

In dieser Anordnung befindet sich die laseraktive Zone an dem Ort der höchsten Lichtenergiedichte, in dem das Bild der Pump-» lichtquelle in der aktiven Zone abgebildet wird.

Pur die Montage der die Flüssigkeit führenden Kammer ist deren spiegelsymmetrischer Aufbau vorteilhaft. In einer vorteilhaften Ausfuhrungsform der Erfindung ist die laseraktive Zone der fltissigkeitsführenden Kammer von einer lichtdurchlässigen länglichen Haube kleinen Durchmessers umgeben, die mit dem metallenen Teil der Kammer fest verbunden ist.

Zur Vermeidung von unerwünschten Reflexionen des Laserlichtes an der Haube ist es zweckmäßig, daß deren Innenfläche mattiert ist.

Für eine gute Wärmeableitung im Bereich der laseraktiven Zone *ist es vorteilhaft, die Haube aus Saphir zu fertigen.

Zum Trennen von Zu- und Ablauf der Laserflüssigkeit ragt zweckmäßigerweise eine Zunge in die Haube hinein, die mit dem metallenen Teil der Kammer fest verbunden ist und deren Abstand von der gebogenen Innenfläche der Haube die Schichtdicke der laseraktiven Zone bestimmt.

Vorteilhafterweise ist das gerundete Ende der Zunge hochglanzpoliert, um das Pumplicht in die aktive Zone zu reflektieren.

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Zweckmäßigerweise sind die beiden Schmalseiten der Haube mit lichtdurchlässigen Flächen oder Laseräpiegeln abgeschlossen, die planparallel oder im Brewsterwinkel angeordnet sein können.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die geometrische Anordnung der einzelnen Teile ein höher Wirkungsgrad erreicht wird. Infolge der Strömungsumlenkung der laseraktiven Flüssigkeit um 18O Grad im Bereich der aktiven Zone genügt eine verhältnismäßig kleine Lösungsmittelpumpe, um die Verweilzeit der Laserflüssijgkeit in der aktiven Zone hinreichend klein zu halten, um eine Pulsfrequenz von 50 - 100 Hz über lange Zeit aufrecht halten zu können. Ein weiterer Vorteil liegt in der Verminderung von Schlierenbildung durch die gute Wärmeleitfähigkeit der Kammer. Der enge Quer-™ schnitt der laseraktitoen Zone läßt eine hohe, über den gesamten Querschnitt wirksame Farbstoffkonzentration zu, Ein weiterer und besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die Kammer leicht und sicher austauschbar ist, ohne daß die Spiegel des Laserresonators dejustiert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll anhand eines in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die geometrische Anordnung der einBeinen Bestandteile des erfindungsgemäßen Flüssigkeitslaser;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der die Laserflüssigkeit führenden' Kammer;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Kammer in der Seiten-

ansicht;

Fig. 4 einen Schnitt durch die Kammer entlang der Linie IV - IV der Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt durch die Kammer entlang der Linie V-V der Fig. 4.

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In der Pig. 1 ist mit 1 der zylinderelliptische Pumplichtreflektor bezeichnet. Zur Kühlung ist der Reflektor mit Wasser gefüllt, das über einen Kreislauf (19,20) auf konstanter Temperatur gehalten wird. Dem Wasser können zur Erhöhung der Laserleistung uv-absorbierende Stoffe wie beispielsweise CuSo^ zugesetzt sein. Die Ziffer 2 kennzeichnet eine als Pumplichtquelle verwendete Blitzlampe mit dem Innendurchmesser J>, der 3 mm beträgt. Mit 4 ist ein Strahlenkegel gekennzeichnet, der zur verkleinerten Abbildung 2' des Innendurchmessers J5 im Bereich der laseraktiven Zone beiträgt. Mit 5 ist die durchsichtige Haube der die Laserflüssigkeit führenden Kammer bezeichnet. Die Laserflüssigkeit fließt in der Pfeilrichtung 7 in die aktive Zone ein, biegt in Höhe der zweiten Brennlinie der Ellipse um 180 Grad um und verläßt in Pfeilrichtung 8 die laseraktive Zone wieder. Mit 9 ist der mit der Haube verbundene metallene Teil der Kammer bezeichnet. Die Ziffer 10 kennzeichnet eine Zunge, die mit dem metallenen Teil der Kammer fest verbunden ist und zur Trennung von Zu- und Ablauf der Laserflüssigkeit in die Haube hineinragt.

In der Fig. 2 sind die Zu- und Ablaufstutzen des metallenen Teiles der Kammer mit 17 und 18 bezeichnet. Die durchsichtige Haube 5 ist an den Schmalseiten mit lichtdurchlässigen Flächen (11,12) oder Laserspiegeln abgeschlossen. Der Abstand der Zunge 10 von der gebogenen Innenkante der Glashaube 5 beträgt im gezeichneten Ausführungsbeispiel ca. lmm, so daß die laseraktive Zone in ihrem Querschnitt von der Oberkante der Zunge (10) und der Innenkante der Haube (5) und iri ihrer Längsausdehnung von den Längsseiten der Haube (5). begrenzt ist.

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Claims

Patentansprüche

. Flüssigkeitslaser, insbesondere Farbstofflaser bestehend aus einer flüssigkeitsführenden Kammer, einem Zirkulationssystem und einem Kühlsystem für die laseraktive Flüssigkeit, einer Pumplichtquelle und einem Resonatorsystem, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigkeitsführende Kammer unmittelbar nebeneinander und in derselben Richtung verlaufend Zu- und Abfluß (7,8) und einen u-förmigen Verbindungsbereich gleichen Querschnitts enthält, der die laseraktive Zone bildet, und daß diese Zone in einer Brennlinie eines ellipsenförmigen Pumplichtreflektors (1) angeordnet ist, in dessen anderer Brennlinie die Pumplichtquelle (2) liegt.
2. Flüssigkeitslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (5*9) spiegelsymmetrisch aufgebaut ist.
3. Flüssigkeitslaser nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge- ■ kennzeichnet, daß die laseraktive Zone der die Flüssigkeit führenden Kammer (9) von einer lichtdurchlässigen länglichen Haube (5) kleinen Durchmessers umgeben ist, die mit dem metallenen Teil (9) der Kammer fest verbunden ist.
4. Flüssigkeitslaser nach den Ansprüchen 1 bis Ji, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Haube (5) mattiert ist.
5· Flüssigkeitslaser nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haube (5) aus Saphir ausgeführt ist.
6. Flüssigkeitslaser nach den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß in die Haube (5) eine mit dem metallenen Teil (9) der Kammer verbundene Zunge (10) hineinragt, die Zu- und Ablauf der Flüssigkeit in der laseraktiven Zone trennt und deren Abstand von der gebogenen Innenfläche der Haube (5) die Schichtdicke der laseraktiven Zone bestimmt.

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7· Flüssigkeitslaser nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge an ihrem oberen, in die laseraktive Zone hineinragenden Ende hochglanzpoliert ist.
8. Flüssigkeitslaser nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schmalseiten der Haube (5) mit lichtdurchlässigen Flächen bzw. Laserspiegeln (11,12) abgeschlossen sind.

Brd/Hgs
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