DE2217913A1

DE2217913A1 - Anordnung zur optischen Erregung eines Laserstabes

Info

Publication number: DE2217913A1
Application number: DE19722217913
Authority: DE
Inventors: Jürg Dr.phil.nat. Kehrsatz Steffen (Schweiz). P
Original assignee: Pierres Holding S.A., Biel; Turlabor AG, Zumikon; (Schweiz)
Priority date: 1971-04-30
Filing date: 1972-04-13
Publication date: 1972-11-16
Also published as: FR2134375A1; CA974321A; US3803509A; NL172502C; IT951324B; NL172502A; GB1377810A; DE2217913B2; NL7204645A; NL172502B; DE2217913C3; FR2134375B1; CH537105A

Description

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13. April 1972
Uns. Zeichen: A 100 72 ■

Pierres Holding SA., rue du Rüschli 6, 25D0 Biel, Schweiz

Turlabor AG., Eeissacherstrasse B, B126 Zumikon, Schweiz

Anordnung zur optischen Erregung eines Laserstabes

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Erregung eines Laserstabes, der durch einen Brennpunkt eines elliptischen Spiegels oder Spiegelteiles hindurchgeht, durch dessen anderen Brennpunkt eine zum Stab parallele Blitzlichtlampe hindurchgeht, wobei die Lampe und der Laserstab von Kühlrohren umgeben sind, durch
welche eine Kühlflüssigkeit strömt.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art ist ein elliptischer Zylinderspiegel vorgesehen, der einen in achsialer Richtung von
elliptischen Planspiegeln begrenzten Hohlraum umschliesst, in dem die Lampe und der Stab in den Brennlinien des elliptischen Zylinderspiegels liegen. Es ist bekannt, dass wegen des endlichen Durchmessers der Lampe und des Stabes Abschattungen in den vom Spiegel reflektierten Lichtbündeln auftreten, die zu unregelmässiger Beleuchtung des Stabes führen, was zu Verbiegungen des Stabes und
letztcnendes zu Unregelmässigkeiten der Schwingungsmoden des
Laserresonaturs führt, in dem der Stab angeordnet wird. In 'einem
Buch vnn.D. Ross, "Lauer", Akademische Verlagsgesellschaft Frankfurt am Main 1966, ist dieses Verhalten auf Seite 445 uff. ausführlich u η t c r fiu c 111.

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Die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung, die eine Vermeidung dieser nachfolgend noch näher erläuterten Unregelmässigkeiten bezweckt, zeichnet sich dadurch aus, dass das den Laserstab umgebende Kühlrohr lichtstreuend ist.

Dadurch, dass das bisher bei derartigen Anordnungen stets verwendete durchsichtig-glatte Kühlrohr durch ein lichtstreuendes Kühlrohr ersetzt wird, wird in überraschender Weise eine sehr grosse Verbesserung der Regelmässigkeit der Lasermoden erzielt.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Erregeranordnung gemäss Linie I-I von Fig. 2,

Fig. 2 einen entsprechenden Schnitt gemäss Linie II-II von Fig. 1,

Fig. 3 Isointensitätskurven der optischen Erregung in einem Querschnitt des Laserstabes bei Verwendung eines üblichen Kühlrohres ,

Fig. 4- die entsprechenden Kurven bei Verwendung eines aufgerauhten Kühlrohres,

Fig. 5 den Intensitätsverlauf längs der X-Achse von Fig. 3 und Fig. 6 den Intensitätsverlauf längs der X-Achse von Fig. 4.

Die Erregeranordnung nach Fig. 1 und 2 weist ein Gehäuse 1 auf, das einen rotationselliptischen Hohlraum 2 umschliesst, dessen Wandung verspiegelt ist, so dass sie einen rotatioru;ellip tischen Hohlspiegel 3 bildet. Das Gehäuse 1 besteht in bekannter Weise aus zwei Halbschalen I¹ und 1". Die Brennpunkte der Ellipse sind mit F, und Fp bezeichnet und ihre Halbachsen mit a und b, wobei die grössere Ellipsenachse 2a in der Rotationsochse r-r liegt.

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Im Hohlraum 2 sind eine zylindrische Blitzlichtlampe 4 und ein dazu paralleler Laserstab 5, z.B. aus Yttrium-Aluminium-Gra.nat (YAG) angeordnet, die durch die Brennpunkte F₁ bzw. Fp hindurchgehen und zur Rotationsachse r-r senkrecht stehen. Die Blitzlichtlampe 4 wird an ihren Enden durch zwei Halter 6 am Gehäuse 1 festgehalten und von einem Kühlrohr 7 umgeben, das durch entsprechende Kanäle der Halter 6 mit einer Kühlwasserquelle bzw. einem Ablauf verbunden ist. Die Halter 6 enthalten' auch die elektrischen Zuführungsleitungen zu den Elektroden B der Lampe 4, deren gegenseitiger Abstand etwa der Länge des Laserstabes 5 entspricht. Der Laserstab ist ebenfalls durch zwei Halter 9 im Gehäuse 1 festgehalten und von einem Kühlrohr 10 umgeben, das durch entsprechende Kanäle der Halter 9 mit der Kühlwasserquelle bzw. dem Ablauf verbunden ist.

Das Kühlrohr 10 ist im Gegensatz zu den Laserstab-Kühlrohren bekannter Erregeranordnungen nicht ein glattes durchsichtiges Rohr, durch welches die direkt oder nach Reflexion am Spiegel 3 von der Blitzlichtlampe 4 kommenden Strahlen gemäss dem Brechungsgesetz hindurchgehen und auf den Stab 5 treffen, sondern ein stark lichtstreuendes Rohr, wobei die starke Streuung vorzugsweise davon herrührt, dass seine äussere Oberfläche 11 stark aufgerauht ist (s. Fig. 4). Die Streuung kann prinzipiell aber auch durch Aufrauhen der inneren Oberfläche 12 oder durch die Art des Glaskörpers selbst bewirkt oder verstärkt werden (Milchglas).

Die überzusehende Wirkung dieser an sich sehr einfachen Massnahme wird nun anhand der Fig. 3-6 erläutert. Fig. 3 zeigt für einen Querschnitt des Stabes 5 Kurven gleicher Intensität des im Stab 5 angeregten Fluoreszenzlichtes (Isointensitätslinien) bei Verwendung eines üblichen, glatten, durchsichtigen Rohres 10'. Zur Aufnahme der Isnintensitätslinien ist der Querschnitt mittels einer Linse und einer Blende mit vorgeschaltetem Fluoreszenzlichtfilter sukzessive punktweise auf eine Photodiode mit nachgeschaltetem Oszillographen abgebildet worden, während die Überfläche des Stabes bis auf eine schmale Ringzone am Rande des Querschnittes straiilunundurchlässig abgedeckt war. Man sieht, dass in Fig. 3 die

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Isointensitätslinien stark von der Kreisform abweichen. In Fig. 5 ist die relative Intensität I . längs der X-Achse aufgetragen, wobei I , = 1 dem Höchstwert entspricht. In Fig. 3 ist durch ein mit u bezeichnetes Kreuz angedeutet, dass die Blitzlampe 4 sich links vom Stab 5 bdfindet, aber natürlich in einem viel grösseren, den Fig. 1 und 2 entsprechenden Abstand. Ebenso ist in Fig. 3 auch der Durchmesser des Rohres ID¹ in bezug auf denjenigen des Stabes 5 stark verkleinert dargestellt. Man sieht, dass auf der Seite der Blitzlichtlampe 4 die relative Intensität zunächst auf einem vom Rande des Querschnittes ausgehenden Kurvenabschnitt m sehr rasch ansteigt, dann auf einem zweiten Abschnitt η langsamer ansteigt bis zu einem jenseits der Querschnittsmitte liegenden Maximum p, und dann auf einem leicht konvexen Abschnitt q bis zum gegenüberliegenden Rande etwa auf den Anfangswert zurückgeht. Eine derartige Auslcuchtung, die in jedem Stabquerschnitt in prinzipiell ähnlicher Weise verläuft, hat eine ungleichmässige Erwärmung des Laserstabes 5 zur Folge, die ihrerseits den Stab etwas verbiegt. Daher kommt es, dass die Erwärmung des Stabes im Betrieb nicht nur in bekannter Weise eine gewisse Aufwölbung seiner Endflächen bewirkt (Linsenwirkung des Stabes), sondern zusätzlich noch eine gewisse Schrägstellung dieser Endflächen zur Stabachse. Dies ist für die Ausbildung regelmässiger Eigenschwingungen im LaseiTGsonator, in dem der Stab 5 in bekannter Weise angeordnet wird, abträglich, zumal diese Schrägstellung sich bereits während der einzelnen Blitzlichtimpulse und in den Intervallen zwischen aufeinander folgenden Blitzlichtiinpulsen ändert.

Verwendet man nun das stark Jichtstreuende Kühlrohr 10, so zeigt die im übrigen Fig. 3 entsprechende Fig. 4, dass die Isointensitätslinien praktisch kreisförmig sind, und Fig. 6, dass die Kurve der relativen Intensität längs der X-Achse an den gegenüberliegenden Rändern des Stabes zwei praktisch symmetrische Abschnitte r und s aufweist. Dadurch werden die oben erläuterte unr.ymmntri sehe Deformation des Lasei stabes und die daraus folgenden Nachteile vermieden.

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Statt einen Spiegel 3 in Form eines Rotationsellipsoides vorzusehen, kann man in Variante auch zwei gegenüberliegende elliptische Planspiegel 3¹ und einen Zylinderspiegel 3" von diesen Planspiegeln 3' entsprechendem elliptischen Querschnitt benützen, die somit einen Hohlräumen Form, eines elliptischen Zylinders umgeben, wie dies in Fig. 2 strichpunktiert angedeutet ist. In diesem Fall stehen die Lampe 4 und der Stab 5 auf den Planspiegeln 3' senkrecht und sind in prinzipiell gleicher Weise gehaltert und gekühlt. Wie eingangs angedeutet, ist eine. derartige Erregeranordnung aber mit einem glatten, durchsichtigen Kühlrohr 10' und nicht mit dem stark streuenden Kühlrohr 10 bekannt. Die in Fig. 1 und in vollen Linien dargestellte, zuerst beschriebene Ausführungsform mit Rotationsellipsoidspiegel 3 hat gegenüber der Variante den Vorteil, dass das auf den Laserstab 5 fallende Licht der Blitzlampe in achsialer Richtung des Stabes weniger variiert, d.h. die Isointensitätslinien in verschiedenen Querschnitten des vom streuenden Kühlrohr 10 umgebenen 5tabes 5 weichen weniger voneinander ab als bei Verwendung der Spiegel 3' und 3". Dies kann z.B. experimentell nachgewiesen werden. Bei Verwendung eines Rotationseliipsoidspiegels wurden Lampe und Laserstab bisher in der Rotationsachse r-r angeordnet und in einem gemeinsamen Kühlwasserkreis gekühlt, was aber in bezug auf Vibrationsfreiheit nicht günstig war.

Es wird noch bemerkt, dass in bezug auf die Vermeidung von Vibrationen ausser der Anwendung des streuenden Kühlrohres auch die Anwendung von flexiblen Halterungen 6 für die Blitzlichtlampe 4 sehr vorteilhaft ist. Derartige Halterungen können insbesondere eine flexible Manschette aus Kupferdrahtgewebe oder dergleichen aufweisen. Für den Laserstab 5 verwendet man zweckmässig Halterungen 9, bei denen ein Gummiring auf das betreffende Stabende gedrückt wird.

Der Laseratab 5 muss nicht unbedingt aus einem einzigen Festkörper, inubeoondere einem Kristall, bestehen, Sondern kann auch durch ein mit einem flüssigen Lasermedium gefüllten Rohr gebildet sein.

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Claims

Patentansprüche

1.jAnordnung zur optischen Erregung eines Laserstabes, der durch einen Brennpunkt einet; elliptischen 5piegels oder Spiegelteiles hindurch geht, durch dßssen anderen Brennpunkt eine zum Stab parallele Blitzlichtlampe hindurch geht, wobei die Lampe und der Laserstab von Kühlrohren umgeben sind, durch welche eine Kühlflüssigkeit strömt, dadurch gekennzeichnet, dass das den Laserstab (5) umgebende Kühlrahr (10) lichtstreuend ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (3) die Form eines Rotationsellipsoides hat, und dass die Lampe (4) und der Stab (5) zu dessen Rotationsachse (r-r) senkrecht stehen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das den Laserstab (5) umgebende Kühlrohr (10) eine aufgerauhte äussere Oberfläche (11) und/oder eine aufgerauhte innere Oberfläche (12) hat.

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