DE2133106C3 - Abstimmbarer optischer Sender (Laser) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen abstimmbaren optischen Sender (Laser) für kohärente Strahlung aus einem flüssigen stimulierbaren Medium mit einem Gehalt an organischen Farbstoffmolekülen, das in einer Farbstoffzelie innerhalb eines optischen Resonators angeordnet und durch kontinuierliche Strahlung einer hochintensiven Energiequelle angeregt ist, wobei das flüssige Medium in stetem schnellem Umlauf gekühlt ist und bei dem Mittel zur Unterdrükkung des Triplettzustands des Mediums vorgesehen sind.

In jüngster Zeit wurden beträchtliche Anstrengungen unternommen mit dem Ziele, einen kontinuierlich strahlenden Laser zu schaffen, der über ein vergleichsweise breites Wellenlängenband innerhalb des optischen Spektrums spektral kontinuierlich abstimmbar ist, d. h. innerhalb des ultravioletten, sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereichs.

Aus »IBM-Journal«, Band 10, Nr. 2, März 1966, S. 162 und 163, ist bekannt, daß von fluoreszierenden organischen Farbstoffen in Lösung eine kohärente Strahlung angeregt werden kann. Da die Fluoreszenz organischer Farbstoffe eine Breitbandstrahlung darstellt, die innerhalb des 0,2 bis 1,2 μπι^ρεΜ^^εΓεί^ mehrere hundert Angström überspannt, ermöglicht eine derartige Breitbandfluoreszenz, die auf einem Molekül- statt auf einem Atomübergang beruht, die spektrale Abstimmung eines derartigen Farbstofflasers auf eine beliebige Wellenlänge innerhalb eines wesentlichen Anteils seiner Fluoreszenzbande. Aus »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Band 11, Nr. 6, November 1968, S. 587, ist bereits ein Laser mit einem optischen Resonator vom hemisphärischen Typ bekannt, der mit Hilfe einer Küvette, die eine verdünnte Farbstofflösung oder einen Farbstoff mit einer innerhalb des gewünschten Wellenlängenbsreichs liegenden Emission enthält, auf bestimmte Wellenlänge abstimmbar ist. Aus der deutschen Auslegeschrift 11 94 978 ist es bekannt, die optische An-

regung in der Resonaiorachse zu bewirken, um da? Lasermedium auf einem hohen Energieniveau zu halten. Im deutschen Patent 21 13 127 wird vorgeschlagen, dem stimulierbaren wäßrigen FarbstofTmedium eine die Desaggregation und Dispersion der Färb-Stoffmoleküle bewirkende Verbindung einzuverleiben. Ferner sind aus »Applied Optics«, Band 9, f^Tr. 2. Februar 1970, S. 514 und 515. und der US-PS 34 57 523 Ausgestaltungen bekannt, wonach in Farbstofflasern das flüssige stimulierbare Medium quer zur Richtung der Anregungsstrahlung in raschem Fluß im Kreislauf bewegt bzw. mit Hilfe einer konzentrischen um den optischen Resonator angeordneten Entladungsröhre angeregt und danach zunächst durch eine Kühl- und anschließend durch eine Hei7-vorrichtung im Kreislauf geführt wird.

Der kontinuierliche Betrieb spektral ü)stimmbarer organischer Farbstofflaser scheiterte unier anderem auf Grund der Tatsache, daß die nicht gesteuerte Ansammlung von Molekülen im metastabilen Triplettzustand die Emission des Farbstofflaser über Zeiträume von mehr als einigen Mikrosekunden verhindert (verwiesen sei z. B. auf »Proceedings of the IEEE«, Band 57, Nr. 8, August 1969, SM 374 bis 1390).

Aus »Physics Letters«, Band 28 A, Nr. 11 (1969), S. 728 und 729, ist bereits ein abstiinmbarcr optischer Sender der eingangs genannten Art bekannt, bei dem durch Zugabe von molekularem Sauerstoff zur organischen Farbstofflösung die Triplettzustand-Lebensdauer, d. h. der reziproke Wert der Wahrscheinlichkeit von Triplett-Singulettübergängen, ausreichend herabgedrückt wird, um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten für eine Zeitdauer, die groß ist gegenüber der Lebensdauer des Triplettzustands.

Die Unterdrückung des Trippletzustands gelingt ferner z. B. durch Verwendung von Cyclooctatciraen in Äthanollösungen mit einem Gehalt an den organischen Farbstoffen Rhodamin 6 G und B sowie durch Verwendung von Anthracen in Athanollösungen mit einem Gehalt an Dichlorfluorescein. Auch auf physikalischem Wege läßt sich eine Ansammlung von im Triplettzustand befindlichen Molekülen verhindern, nämlich dadurch, daß die Farbstofflösung mit hoher Geschwindigkeit durch den aktiven Volumenanteil des optischen Resonators strömen gelassen wird. Ferner ist auch bereits eine Kombination von chemischer und physikalischer Triplettunterdrückung bekannt (vergleiche z. B. die angegebene Literaturctelle »Proceedings of the IEEE«, insbesondere S. 1385).

Trotz erfolgreicher Ausschaltung des metastabilen Triplettzustands traten bisher jedoch optische Verluste auf. Zur Entfaltung einer kontinuierlichen Laserwirkung sind bekanntlich die beiden folgenden Voraussetzungen wesentlich: (1) Eis muß in mindestens einem Teil des stimulierbaren Mediums eine Populationsinversion aufrechterhalten werden, und (2) in dem Teil des Mediums, in welchem die Populationsinversion hervorgerufen wird, muß kontiuierlich eine Emission von Photonen angeregt weiden durch fio Bestrahlung mit einer solchen Menge an bei der Laserfrequenz emittierten Photonen, daß die füi die kritische Inversion bei gegebener Anregungsstrahiung erforderliche Leistungsdichte aufrechterhalten wird. Zur Schaffung dieser wesentlichen Voraussetzungen muß während fortgesetzter Anregung des stimulierbaren Mediums die erforderliche optische Homogenität aufrechterhalten werden, um zu ermöglichen, daß (1) die Leistungsdichte der Anregungsstrahlung bei oder über dem zur Erzeugung der Populationsinversion notwendigen Schwellenwert bleibt und daß (2) ein ausreichender Bruchteil der bei der Laserfrequenz emittierten Photonen durch die Spiegel des optischen Resonators rückrerlekiiert wird durch das angeregte Medium, um die für die Laserwirkung eriorderlicheLeistungsdiclueschwelle konstant zu halten.

Während des Betriebs des Lasers absorbieren die Moleküle die von der Anregungsquelle gelieferte Strahlung und werden dabei in höher liegende Anregungszustände versetzt. Der übergang dieser angeregten Moleküle zurück in den Grundzustand erfoigt bekanntlich sowohl durch Strahlunesübergänge, in denen Photonen abgegeben werden, als auch durch strahlungslose Obergange, i'i denen thermische Energie abgegeben wird. Eine ungleichmäßige Zuführung von thermischer Energie zu dem stimulierbaren Medium erzeugt in diesem Thermalgradientcn, die ihrerseits wieder zu Brechungsindexgradienten oder optischen Inhomogenitäten führen. Derartige Gradienten unterbrechen die gleichförmige Energiefortpflanzung im stiinuiierbaren Medium und fühl :n auf diese Weise zu kritischen Verlusten an Leistungsdichte der Anregungsstrahiung und ,Jn für die Anregung einer weiteren Emission zur Verfügung stehenden Photonen. Bisher gelang es noch nicht, diese Verluste auf einen für den stetigen Betrieb erforderlichen Wert herabzusetzeii.

So werden z. B. in dem aus der angegebenen Literaturstelle »Physics LeUers« bekannten Farbstofflaser, bei dem das flüssige stimulierbar Medium mit einem Gehalt an organischen Farbstoffmolekülen innerhalb eines optischen Resonators angeordnet und durch die kontinuierliche Strahlung einer hochintensiven Energiequelle angeregt ist, wobei das flüssige Medium in stetem schnellem Umlauf gekühlt ist. trotz der Unterdrückung des Triplettzustands nur Impulse von etwa 0,1 msec Länge erzielt. Als Ursache für diese im Vergleich zum Anrcgungsimpuls kurze Impulsdauer wird von den Autoren angenommen, daß die Laserimpulse durch thermische Inhomogenität im flüssigen Medium gelöscht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, den eingangs genannten Laser so auszubilden, daß auf thermische Effekte zurückzuführende optische Verluste vermindert oder ausgeschaltet sind.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Umwälzen des Mediums quer zur optischen Achse des optischen Resonators erfolgt, daß der optische Resonator vom fokussieren Typ ist, woiici der Fokalpunkt im Bereich eines in der FarbstofTzcHenwand eingelassenen, senkrecht zur optische,1 Achse des optischen Resonators angeordneten, zumindest für die Anregungsstrahiung durchlässigen Fensters liegt, und daß die Anregungsstrahlung auf den Fokalpunkt des optischen Resonators gebündelt ist.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß der optisch aktive Bereich des Lasers auf e^;ne kleine Zone in der Nähe des Fensters beschrankt wird und daß die ents'ehende Wärme durch den Querstroni und durch dar Fenster sehr rasch abgeführt wird, wobei eine kontinuierliche Emission von kohärenter Strahlung bei einer Wellenlänge erfolgt, die über einen wesentlichen Teil der Fluorcszenzbande de- im Lasermedium vorliegenden organischen Farbstoffs kontinuierlich abstimmbar ist, und wobei die emittierte kohärente Strahlung eine enge spektrale Bandbreite

von wesentlich weniger als 1 Angstrom aufweist, die innerhalb einer Bandbreite von mehreren hundert Angstrom auswählbar ist.

Der Farbstofflaser nach der Erfindung weist einen fokussierten, z. B. konfokalen optischen Resonator auf, mit einem vergleichsweise kleinen aktiven Volumen. Der optische Resonator ist in solcher Weise ausgestaltet, daß er eine in Längsrichtung erfolgende Anregung der darin untergebrachten organischen Farbstofflösung ermöglicht. Die Anregungsstrahlung wird von einer stetig strahlenden Energiequelle, z. 3. einem kontinuierlich strahlenden Aigon-Ionenlaser, in die Farbstofflösung durch einen der beiden den optischen Resonator begrenzenden tcilduichlässigen Spiegel eingeführt und innerhalb des aktiven Volumens des optischen Resonators auf eine Leistungsdichte fokussiert, die ausreicht, um die erforderliche Anzahl von angeregten Molekülen zu erzeugen. Um die während der Anregung erzeugte thermische Energie abzuführen und dadurch die optische Homogenität der Farbstofflösung praktisch konstant zu halten, besteht das Fenster, durch welches die Anregungsenergie in das stimulierbare Medium eingeführt wird, vorzugsweise aus einem Stoff mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit, z. B. Saphir, Diamant oder Berylliumoxyd. Die Aufrechterhaltung der optischen Homogenität wird ferner unterstützt durch Verwendung einer Farbstofflösung, deren Brechungsindex sich mit der Temperatur nur geringfügig ändert, sowie durch Verwendung einer Umwälzpump- und Wärmeaustauschvorrichtung, mit deren Hilfe die Farbstofflösung durch den aktiven Volumenabschnitt des optischen Resonators schnell befördert und vor dem Durchlauf durch den optischen Resonatoi gekühlt wird. Die angegebene Zikulationsvorrichtung dient auch dazu, die Verminderung von durch den metastabilen Triplettzustand der Farbstoffmoleküle bedingten optischen Verlusten zu fördern.

Die Erfindung wird durch die Zeichnung näher veranschaulicht, in der darstellt

F i g. 1 ein erfindungsgemäßer Farbstofflaser gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform im Schema,

F i g. 2 eine vergrößerte Ansicht des aktiven Volumens des optischen Resonators gemäß Fig. 1 im Schema und

F i g. 3 und 4 erfindungsgemäße Farbstofflaser gemäß weiteren vorteilhaften Ausführungsformen im Schema.

Der in F i g. 1 dargestellte kontinuierlich strahlende Farbstofflaser 5 besteht aus einer Farbstoffzelle 10 aus rostfreiem Stahl, in der sich eine fluoreszierende organische Farbstofflösung 11 befindet. An den einander gegenüberliegenden Stirnflächen 13 bzw. 14 der Farbstoffzeile 10 sind Reflektoren 16 bzw. 17 angeordnet, die zusammen einen plankonkaven optischen Resonator 20 begrenzen. Der eine Reflektor 16 ist kugelförmig-konkav zum Reflektor 17 und weist eine kugelförmig ausgebildete konkave Trägerplatte 22 auf, sowie ferner einen reflektierenden, gegebenenfalls dielektrischen Belag 24, der hochgradig, jedoch nicht vollkommen reflektierend wirkt auf die elektromagnetische Strahlung innerhalb der Fluoreszenzbande der Farbstofflösung, d. h. innerhalb der Wellenlängen, bei denen eine Laserwirkung möglich ist. Vorzugsweise läßt der konkave Reflektor 16 etwa 2% der Strahlung innerhalb der angegebenen Fluoreszenzbande hindurch. Auf diese Weise kann die Farbstofflaseremission E aus dem optischen Resonator abgezogen und durch die Sammellinse 25 parallel gemacht werden. Der andere Reflektor 17 besteht aus einem ebenen Fenster 28, auf dem ein reflektierender, gegebenenfalls dielektrischer Belag 26 aufgebracht ist und dieser Reflektor 17 ist dem konkaven Reflektor 16 etwas näher als dessen Krümmungsmittelpunkt C. Der Belag 26 besitzt zwar ein Reflexionsvermögen von nahezu 100% in bezug auf die

ίο FluoreszenzDande der Farbstofflösung, ist jedoch vergleichsweise durchlässig für Strahlung innerhalb der Absorptionsbande der Farbstofflösung und läßt vorzugsweise 75°/o oder mehr dieser Strahlung hindurch. Ebenso wie der darauf aufgebrachte Belag weist auch das Fenster 28 ein Material auf, das für Strahlung innerhalb der Absorptionsbande der Farbstofflösung stark durchlässig ist. Auf diese Weise kann die Anregungsstrahlung 29, die von einer außen angeordneten, kontinuierlich Strahlung erzeugenden Strah-

ao lungsquelle 30 herrühren und eine spektrale Verteilung aufweist, die zur Anregung der in der Farbstofflösung vorliegenden Farbstoffmoleküle befähigt ist, in die Farbstoffzelk eintreten. Die außen angeordnete Strahlungsquelle 30 besteht vorzugsweise aus einem kontinuierlich strahlenden Laser.

Die Spiegelbeläge 24 und 26 müssen nicht unbedingt dielektrisch sein, doch hat sich die Verwendung von dielektrischen Überzügen deshalb als vorteilhaft erwiesen, weil dielektrische Überzüge zu einer höheren thermischen Leitfähigkeit neigen als elektrisch leitfähige Überzüge.

Der in Fig. 2 vergrößert und zur besseren Verdeutlichung leicht übertrieben dargestellte optische Resonator läßt erkennen, daß die von der kontinuierliehen Strahlungsquelle ausgestrahte Anregungsenergie 29 durch eine Kondensatorlinse 32 mit Brennpunkt F praktisch an der Oberfläche des Belags 26 fokussiert wird unter Bildung einer durch Beugung begrenzten Einschnürung 33, die ihren geringsten Durchmesser d an der inneren Oberfläche des Belags 26 hat. Die Leistungsdichte einer derartigen Anregungsenergie an der inneren Oberfläche des Belags 26 muß ausreichen, um eine Populationsinversion in der Farbstofflösung zu erzeuger.. Die geometrischen

Parameter des konkaven Reflektors 16~sowie dessen Abstand vom planen Reflektor 17 sind so gewählt, daß dessen Wirkungsvolumen, d. h. dessen durch Beugung begrenzte Einschnürung, praktisch identisch ist mit derjenigen der Linse 32 an der oder nahe der inneren Oberfläche des Belags 26, wodurch sichergestellt wird, daß die Anregungsenergie unc die Leseremission in annähernd der gleichen Art unc Weise divergieren, so daß die Absorption der Anregungsenergie innerhalb des aktiven Volumens erfolgt. Das Resonator-Volumen des optischen Resonators, d. h. dasjenige Volumen, durch das stimulierte Photonen der Laserwellenlängen wandern, ist bestimmt durch den Radius R des konkaven Reflektor; 16 und den Abstand zwischen den Reflektoren 1ΐ und 17. Derjenige Teil des Resonator-Volumens, ir dem eine Populationsinversion tatsächlich erzeugl wird, nämlich das aktive Volumen, erstreckt sich jedoch von der inneren Oberfläche des Belags 26 nui ein kurzes Stück in Richtung zum konkaven Reflektor 16, und die Länge dieses aktiven Volumens wire bestimmt durch die Konzentration an Farbstoffmolekülen. In besonders vorteilhafter Weise wird die Farbstoffkonzentration so eingestellt, daß praktisch

die gesamte einfallende Anregungsenergie absorbiert wird, bevor der fokussierte Strahl an Anregungsenergie beträchtlich divergiert.

Die verwendete Farbstofflösung kann, wie bereits erwähnt, praktisch jeden fluoreszierenden organischen Farbstoff enthalten, dessen Triplettzustand-Lebensdauer innerhalb des aktiven Volumens des optischen Resonators entweder durch chemische oder durch mechanische Methoden oder durch eine Kombination derselben ausreichend stark verkürzt werden kann. Ferner muß das in den Farbstofflösungen verwendete Lösungsmittel bewirken können, daß die Farbstoffmoleküle in ihrer monomeren Form vorliegen. Außerdem muß das verwendete Lösungsmittel praktisch durchlässig sein für die durch die Farbstoffmoleküle emittierten und absorbierten Strahlungsbanden, und vorzugsweise sollte sich bei Temperaturschwankungen sein Brechungsindex nur wenig ändern. Ein in besonders vorteilhafter Weise verwendbares und leicht verfügbares Lösungsmittel mit derartigen Eigenschaften ist z. B. Wasser, das eine ausreichende Menge an Dispersionsmitteln enthält, um aggregierte Farbstoffmoleküle in die notwendige monomere Form zu trennen. Derartige Lösungsmittel sind Gegenstand des deutschen Patents 21 13 127.

Zur Abiührung der durch die Absorption von Anregungsenergie erzeugten thermischen Energie aus dem aktiven Volumen und um die Unterdrückung von auf den Triplettzustand zurückzuführenden Verlusten zu fördern oder zu bewirken, sind Mittel vorgesehen, die eine konstante, mit hoher Geschwindigkeit erfolgende Zirkulation der Farbstofflösung durch die Farbstoffzelle ermöglichen. Eine derartige Zirkulation wird bewirkt durch eine Umwälzpumpe 40, die η einer Leitung 41, welche die an einander gegendberliegenden Wänden der Farbstoffzelle angeordneten Zu- bzw. Abflußstutzen 42 und 43 miteinander verbindet, vorgesehen ist. Ferner ist in der Leitung 41 ein Wärmeaustauscher 45, z. B. ein Eisbad angeordnet, um die Temperatur der Farbstoffiösung vor deren erneuten Durchlauf durch den optischen Resonator erniedrigen zu können. Um noch mehr thermische Energie aus dem aktiven Volumen abzuführen sowie um eine duich Hitze bedingte Beschädigung des Belags 26 zu verhindern und um optische Inhomogenitäten in dem Fenster 28 zu vermindern, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das optisch plane Fenster 28 aus einem durchlässigen Material mit einem vergleichsweise hohen Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit herzustellen. Das Fenster 28 wirkt daher im Lasersystem praktisch wie eine Senke für thermische Energie. Typisch geeignete Stoffe zur Herstellung des Fensters 28 sind z. B. Saphir, Diamant und Berylliumoxyd.

Die durch die Rezirkulation der Farbstofflösung und durch das als Wärmesenke wirkende Fenster 28 bewirkte Wärmeableitung dient dazu, die Fokussierungseigenschaften, d. h. die optische Homogenität, der Farbstofflösung konstant und die Trägerplatte 28 bei einer zur kontinuierlichen Laseremission notwendigen Qualität zu halten.

Typisch geeignete organische Farbstofflösungen, die bei Anregung durch die Strahlung eines kontinuierlichen Argon-Ionen-Lasers kontinuierlich kohärente Strahlung emittieren, werden in der folgenden Tabelle aufgeführt, und ihre Verwendung in einem erfindungsgemäßen Laser wird im Anschluß daran beschrieben.

	Farb stoff	Lösungsmittel	8	10-«	Zufuhr-	Wellen
					Leistungs	längen gipfel
					dichte beim
	Rhod-	Wasser plus			Schwellen	A
5	aminG G	l,5%.A)Octyl-	Farbstoff-	ίο-«	werte)	5970
		phenoxypoly-	Konzen tration		55 Kilo
		äthoxyäthanol			watt/cm2
	Rhod-	Wasser plus
IO	amin 6 G	2°/oLauryl-	(molar)	ΙΟ"4		5930
		dimethylamin-	2,0		50 Kilo
		oxyd			watt/cm2
	Rhod-	Wasser plus
15	amin 6 G	25»/oHexa-		io-<		5730
		fluoroiso-	2,5		80 Kilo
		propanol			watt/cm2
	Rhod-	Wasser plus
	amin B	25%>Hexa-		10-«		6100
30		fluoroiso-	1,5		100 Kilo
		propanol			watt/cm2
	Di-	Äthanol plus
	chloro-	Natrium				5700
	fluores-	hydroxyd E)	2,5		150 Kilo
	cein	plus			watt/cm2
		AnthracenF)		10-«
		in einer Konz.
		von 2· ΙΟ-2 Μ	2,0
30	Di-	Äthanol plus
	natrium-	Cyclooctra-				5550
	fluores-	tetraenF) in		10-«	900 Kilo
	cein	einer Konz.			watt/cm2
		von 5-10"2M
35	Di-	Äthanol plus
	natrium-	25 °/o Toluol	2,0			5550
	fluores-	plus An-			900 Kilo
	cein	thracenF) in		10-«	watt/cm2
40		einer Konz.
		von 2· 10-2M
	Tetra-	Äthanol plus	2,0
	chloro-	Cyclooctra-				5820
	fluores-	tetraenF) in		• 10-«	1,5
45	cein	einer Konz.			Mega
		von S-IO-2M			watt/cm2
	Tetra-	Äthanol plus
	chloro-	25 °/o Toluol	2,0			582(
	fluores-	plus An-			1,5
50	cein	thracen F) in			Mega
		einer Konz.		watt/cm2
		von 2-10-2M
		2,0
55

A) Die Prozentangaben beziehen sich auf das Volumen. C) Der ungefähre Schwellenwert wurde gemessen bei eii Fließgeschwindigkeit der Farbstofflösung durch das ■ t'^ve Volumen von 600 cm/sec.

E) In ausreichender Menge verwendet, um die Lösi schwach basisch zu machen.

F) Chemischer Zusatzstoff zur Triplettunterdrückung.

Mit Ausnahme des Dinatriumfluoresceins wurd alle Farbstofflösungen durch die 5145-A-Linie c Argonlasers angeregt. Dinatriumfluorescein wui durch die 4880-A-Linie angeregt. Die Ausstrahlt

509 651/1

ίο

des Argonlasers hatte ein sogenanntes TEM₀₀-Inten- ren Resonatorspiegels 51 divergierenden Photonen

sitätsprofil mit einem 1 /e²-Durchmesser von 2 mm, parallel zu richten, so daß sie auf dem Spiegel 51

und es wurde ein Mikroskopobjektiv mit einer Fokus- senkrecht auftreffen und dabei zurückgeworfen wer-

länge von 32 mm verwendet, um den Argonlaser- den gegen den Fokus F der Linse 62, der ebenfalls

strahl innerhalb des optischen Resonators zu fokus- 5 innerhalb des aktiven Volumens liegt. Der Spiegel 51

sieren. ist in der Weise ausgestaltet, daß er für Photonen der

Die auf chemischem Wege bewirkte Verkürzung Laserwellenlängen schwach durchlässig ist, so daß er

der Triplettzustand-Lebensdauer diente primär zur es ermöglicht, einen Teil der Farbstofflaseremission

Verminderung der durch den Triplettzustand beding- 63 aus dem optischen Resonator abzuziehen und der

ten Verluste, doch wurde dieser Effekt bis zu einem io Verwendung zuzuführen.

gewissen Grade auch durch die während der An- Wie sich aus Fig. 3 ergibt, überlappen sich der regung erfolgende Zirkulation der Farbstofflösung Krümmungsmittelpunkt des Spiegels 52 und der durch das aktive Volumen unterstützt. Von den an- Fokalpunkt der Linse 62 innerhalb des aktiven Vogegebenen Farbstoffen wurde die Triplettzustand- lumens des optischen Resonators. Eine derartige Lebensdauer aller Farbstoffe mit Ausnahme der 15 Überlappung vermindert die Streuverluste und führt Fluoresceinfarbstoffe wirksam verkürzt durch ein- zu einem stabilen Strahlenverlauf innerhalb des optifaches Belüften der Lösung mit als Triplettunterdrük- sehen Resonators, bei dem die emittierten Photonen ker dienendem molekularem Sauerstoff bei einer nach mehrmaligen Reflexionen nicht »herauswan-Konzentration von etwa 0,2·10~²Μ. Zur Unter- dem«. In dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten drückung des Triplettzustands der Fluoresceinfarb- 20 plankonkaven optischen Resonator wird ein stabiler stoffe wurde Anthracen oder Cyclooctratetraen zu- Strahlenverlauf dadurch erzielt, daß der Konkavgesetzt, spiegel in der Weise justiert ist, daß sein Krümmungs-

Der Radius der Krümmung des konkaven Reflek- mittelpunkt hinter dem Planspiegel 17 zu liegen

tors 16 betrug 4,55 mm, und der Abstand zwischen kommt. Auf diese Weise überlappt der Krümmungs-

den reflektierenden Belägen der Reflektoren 16 und 25 mittelpunkt des Spiegelbildes den Krümmungsmittel-

17 war auf etwa 4,53 mm eingestellt, d. h. etwa punkt des Konkavspiegels.

0,02 mm näher als der Abstand des Kugelmittel- Obwohl der in F i g. 3 dargestellte optische Reso-

punkts lag. Der Wirkungsdurchmesser der Linse 32 nator vom »asphärischen« Typ ist, da der Radius der

und des Konkavspiegels 16 an der Oberfläche des Krümmung des Spiegels 52 und die Fokuslänge der

Überzugs 26 war so berechnet, daß er etwa 12 _(lm 3° Linse 62 verschieden sind, ist leicht einzusehen, daß

betrug. eine kontinuierliche Farbstofflaseremission auch in

Die Farbstofflösung wurde durch das aktive Vo- einem optischen Resonator vom sphärischen oder so-

lumen praktisch senkrecht zu der optischen Achse 46 gar vom konfokalen Typ erzielt werden kann. In der-

des optischen Resonators mit Geschwindigkeiter, zwi- artigen optischen Resonatoren ist die innere Fläche

sehen 200 und 600 cin/sec fließen gelassen. Derartige 35 des Farbstoffzellenfensters 60 ebenso wie in der in

Fließgeschwindigkeiten führten zu Durchlaufzeiten F i g. 3 dargestellten asphärischen Ausführung des

durch das aktive Volumen von etwa 6 bis 18 psec, optischen Resonators, benachbart zum aktiven Vo-

was ungefähr einer um eine Größenordnung geringe- lumen des optischen Resonators angeordnet, um

ren Durchflußzeit entspricht als derjenigen, die für durch Absorption bedingte Verluste im stimulierbaren

eine vollkommene Triplettunterdrückung ohne Ver- 40 Medium auf ein Minimum herabzudrücken. Wegen

wendung chemischer Zusatzstoffe benötigt wird. Die der beträchtlichen thermischen Energie, die innerhalb

Farbstoffe wurden in solchen Konzentrationen ver- des aktiven Volumens erzeugt wird, hat es sich als

wendet, daß die Anregungsstrahlung innerhalb eines zweckmäßig erwiesen, das Farbstoffzellenfenster 60

Abstandes von etwa 0,2 mm vom Spiegelüberzug 26 in der Weise und aus solchen Stoffen aufzubauen, vollkommen absorbiert wurde. 45 daß es eine geringe Hitzespeicherungsfähigkeit be-

Bei dem in F i g. 3 dargestellten Farbstofflaser 50 sitzt. Auf diese Weise kann die thermische Energie

sind gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften im aktiven Volumen sowie im Zellenfenster rasch

Ausführungsform die Resonatorspiegel 51 und 52 abgeführt werden, so daß die Fokussierungseigen-

außerhalb der Farbstoffzelle 53 angeordnet. Die schäften des Fensters und der Farbstofflösung eine fluoreszierende Farbstofflösung 54 wird durch die 50 Qualität beibehalten, wie sie zur stetigen Laserwir-

Farbstoffzelle umgepumpt mit Hilfe einer nicht ge- kung erforderlich ist. Einer der bei Verwendung

zeigten Umwälzpumpe, die in einem Leitungssystem sphärischer und asphärischer Typen von optischen

angeordnet ist, das die Zu- bzw. Abflußstutzen 55 Resonatoren zu erzielenden Vorteile liegt darin be-

und 56 miteinander verbindet. Die Anregungsenergie gründet, daß das aktive Volumen derselben doppelt 57, die durch eine geeignete Strahlungsquelle erzeugt 55 so lang sein kann als dasjenige eines optischen Reso-

wird, wird durch die Kondensatorlinse 58 innerhalb nators vom hemisphärischen Typ, so daß ein größe-

der Farbstoffzelle fokussiert durch den konkaven res Volumen zur Wärmeableitung gebildet und die

Resonatorspiegel 52 und das Farbstoffzellenfenster Verwendung geringerer Farbstoffkonzentrationen er-

60. Der Fokalpunkt F' der Kondensatorlinse 58 ist möglicht wird.

vorzugsweise auf den Mittelpunkt dzs aktiven VoIu- 60 Der in F i g. 4 dargestellte Farbstofflaser weist Mit-

mens V des optischen Resonators justjert. Der kon- tel zur spektralen Abstimmung der Wellenlänge der

kave Spiegel 52 dient dazu, die aus dem aktiven Vo- Emissionsstrahlung E auf. Grundsätzlich handelt es

lumen durch das Farbstoffzellenfenster 60 divergie- sich dabei um einen Laser des in F i g. 1 dargestellten

renden Photonen zu sammeln und zurückzurichten in Typs, wobei der konkave Reflektor 16 ersetzt ist den Krümmungsmittelpunkt C₂, der innerhalb des 65 durch die Kollimatorlinse 70 und den Spiegel 71. Der

aktiven Volumens liegt. Eine in der Wand der Färb- Einfachheit halber ist der Spiegel 71 als ein ebener

Stoffzelle angeordnete Kollimatorlinse 62 dient dazu, Spiegel dargestellt. In Wirklichkeit muß er jedoch,

die aus dem aktiven Volumen in Richtung des ande- um Photonen in das aktive Volumen zurückzuwer-

fen, bis zu einem gewissen Grade konkav sein, da die Laseremission immer noch weiterhin leicht auseinanderläuft, nachdem sie durch die Kollimatorlinse 70 hindurchgetreten ist. Aus demselben Grunde ist auch der in F i g. 4 dargestellte Spiegel Sl leicht konkav. Zwischen der Linse 70 und dem Spiegel 71 ist ein Dispersionsprisma 74 oder etwa optisch Gleichwertiges angeordnet, so daß die Laseremission in ihre einzelnen Wellenlängenkomponenten zerlegt werden kann. Da jede Wellenlänge auf den Spiegel 71 in bestimmtem Winkel auftrifft, wird nur die senkrecht auftreffende Wellenlänge in das aktive Volumen zurückgeworfen und regt dabei eine weitere Emission bei der betreffenden Wellenlänge an. Durch einfache drehbare Lagerung des Spiegels 71 um seine Dreh-

bolzen 76 ist es daher möglich, Strahlung einer gewünschten Wellenlänge selektiv durch den optischen Resonator zuriickzjreflektieren und auf diese Weise die Ausstrahlung des Farbstofflaser spektral abzustimmen. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Spiegel 71 für das Fluoreszenzspektrum dei organischen Farbstofflösung leicht durchlässig auszugestalten, um einen Austritt der kohärenten Strahlung aus dem optischen Resonator zu ihrer weiteren Ver-Wendung zu ermöglichen.

Zur spektralen Abstimmung der kohärenten Strahlung sind neben Prismen z. B. auch Beugungsgitter Interferometer sowie Filter des verschiedensten Typs z. B. Interferenz-, elektrooptische und akustooptisch« Filter, verwendbar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Abstimmbarer optischer Sender (Laser) für kohärente Strahlung aus einem flüssigen Etimulierbaren Medium mit einem Gehalt an organischen Farbstoffmolekülen, das in einer Farbsioffzelle innerhalb eines optischen Resonators angeordnet und durch die kontinuierliche Strahlung einer hochintensiven Energiequelle angeregt ist, wobei das flüssige Medium in stetem schnellem Umlauf gekühlt ist und bei dem Mittel zur Unterdrückung des Triplettzustands des Mediums vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Umwälzen des Mediums (11) quer zur optischen Achse des optischen Resonators (20) erfolgt, daß der optische Resonator vom fokussierten Typ ist, wobei der Fokalpunkt im Bereich eines in der Farbstoffzellenwand eingelassenen, senkrecht zur optischen Achse (46) des optischen %o Resonators (20) angeordneten, zumindest für die ^nregungsstrahlung (29, 57) durchlässigen Fensters (28, 60) liegt, und da.3 die Anregungssirahlung (29, 57) auf den Fokalpunkt des optischen Resonators gebündelt ist.

2. Abstimmbarer optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (28, 60) aus einem Material besteht, dessen thermischer Leitfähigkeitskoeffizient größer ist als 3,0· 10~² cal/cmsec ^CC, und daß Mittel vorgesehen sind, die ein Fließen des FarbstofTmediums durch den Ort größter Anregungsstrahlungskonzentration bewirken.

3. Abstimmbarer optischer Sender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (28, 60) aus Saphir besteht.

4. Abstimmbarer optischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium (11) Wasser sowie eine darin gelöste, eine Desaggregation der Färbs'.offmoleküle bewirkende Verbindung enthält.

5. Abstimmbarer optischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (28) den einen Reflektor des optischen Resonators (20) bildet und auf der Innenseite einen die stimulierte Strahlung vollständig reflektierenden Belag (26) trägt und daß der zweite Reflektor ein Hohlspiegel (16) ist, dessen Krümmungsmiltelpunkt (C) im Bereich des Fensters (28) liegt.

6. Abstimmbarer optischer Sender nach Anspruch j, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius des Hohlspiegels (16) etwas größer ist als der Spiegelabstand.

7. Abstimmbarer optischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (28) den einen Reflektor des optischen Resonators (20) bildet und auf der Innenseite einen die stimulierte Strahlung vollständig reflektierenden Belag (26) trägt und daß der zweite Reflektor aus einer in der Farbstoffzellenwand angeordneten Kollimatorlinse (70) und einem außerhalb der Farbstoffzelle (10) angeordneten Spiegel (71) besteht.

8. Absümmbarer optischer Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Reflektor des optischen Resonators ein außerhalb des Fensters (60) angeordneter, für die Anreaungssirahlung (57) durchlässiger Konkavspiegel (52) ist, und daß der zweite Reflektor aus einer in der Farbstoflzellenwand angeordneten Kollimatorlinse (62) und einem außerhalb der Farbstoffzelle (53) angeordneten Spiegel (51) besteht.

9. Abstimmbarer optischer Sender nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kollimatorlinse (62, 70) und dem außerhalb der Farbstoffzelle (10, 53) angeordneten Spiegel (51, 71) ein Element zur Wellenlängenabstimmung angeordnet ist.

10. Abstirrmbarer optischer Sender nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Element zur'Wellentängenabstimmung ein Prisma ist und daß der Spiegel (71) drehbar gelagert ist.