DE2217913C3 - Anregungsanordnung für optische Sender (Laser) - Google Patents

Description

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Mit dem erfindungsgemäßea lichtstreuenden Kühl- bei die starke Streuung vorzugsweise davon herrührt,

rohr wird erreicht, daß das stimulierbare Medium auf daß seine äußere Oberfläche 11 stark aufgerauht ist

jeder Umfangslinie gleichmäßig bestrahlt wird. (s. F i g. 4). Die Streuung kann prinzipiell aber auch

Die Ausbildung des Anregungsspiegels als Rota- durch Aufrauhen der inneren Oberfläche 12 oder

tionsellipsoid hat den weiteren Vorteil, daß das auf S durch die Art des Glaskörpers selbst bewirkt oder

das stimulierbare Medium fallende Anregungslicht in verstärkt werden (Milchglas).

axialer Richtung des Mediums weniger variiert als Die überraschende Wirkung dieser an sich sehr

bei Verwendung eines elliptischen Zylinderspiegels. einfachen Maßnahme wird nun an Hand der F i g. 3

Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, bis 6 erläutert. F i g. 3 zeigt für einen Querschnitt des daß für die Streuung des Anregungslic'ites keine zu- io Stabes 5 Kurven gleicher Intensität des im Stab 5 ansätzliche Vorrichtung erforderlich ist und daß das geregten Fluoreszenzlichtes bei Verwendung eines Kiifalrohr in einfacher Weise lichtstreuend gemacht üblichen, glatten, durchsichtigen Rohres 10'. Zur werden kann, z. B. durch Aufrauhen der Oberfläche. Aufnahme der Kurven gleicher Intensität ist der

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Querschnitt mittels einer Linse und einer Blende

Zeichnung dargestelk und wird im folgenden näher 15 mit vorgeschaltetem Fluoreszenzlichtfilter sukzessive

beschrieben. Es zeigt punktweise auf eine Photodiode mit nachgeschalte-

F i g. 1 einen schematischen Schnitt durch eine An- tem Oszillographen abgebildet worden, während die

regungsanordnung gemäß der Linie I-I von F i g. 2, Oberfläche des Stabes bis auf eine schmale Ringzone

F i g. 2 einen entsprechenden Schnitt gemäß Linie am Rande des Querschnittes strahlenundurchlässig

H-II von F i g. 1, 20 abgedeckt war. Man sieht, daß in F i g. 3 diese Isoin-

Fig.3 Kurven gleicher Intensität der optischen tensitätslinien stark von der Kreisform abweichen. In

Anregung in einem Querschnitt des stabförmigen sti- F i g. 5 ist die relative Intensität I_rel längs der

mulierbaren Mediums bei Verwendung eines übli- .Y-Achse aufgetragen wobei l_rtl = 1 dem Höchst-

chen Kühlrohres, wert entspricht. In F i g. 3 ist durch ein mit w be-

Fig.4 die entsprechenden Kurven bei Verwen- »5 zeichnetes Kreuz angedeutet, daß die Blitzlampe4

dung eines aufgerauhten Kühlrohres, sich links vom Stab 5 befindet, aber natürlich in

Fig.5 den Intensitätsverlauf längs der .Y-Achse einem viel größeren, den Fig. 1 und 2 entsprechen-

von F i g. 3 und den Abstand. Ebenso ist in F i g. 3 auch der Durch-

F i g. 6 den Intensitätsverlauf längs der Af-Achse messer des Rohres 10' in bezug auf denjenigen des

von F i g. 4. 30 Stabes 5 stark verkleinert dargestellt. Man sieht, daß

Im nachfolgend beschriebenen Ausführungsbei- auf der Seite der Blitzlichtlampe 4 die relative Inten-

spiel der Erfindung ist das stimulierbare Medium ein sität zunächst auf einem vom Rande des Querschnit-

aus einem einzigen Festkörper bestehender Laser- tes ausgehenden Kurvenabschnitt m sehr rasch an-

stab. steigt, dann auf einem zweiten Abschnitt η langsamer

Die Anregungsanordnung nach F i g. 1 und 2 weist 35 ansteigt, bis zu einem jenseits der Querschnittsmitte

ein Gehäuse 1 auf, das einen rotationselliptischen liegenden Maximum p, und dann auf einem leicht

Hohlraum 2 umschließt, dessen Wandung verspiegelt konvexen Abschnitt q bis zum gegenüberliegenden

ist, so daß sie einen rotationselliptischen Hohlspie- Rande etwa auf den Anfangswert zurückgeht. Eine

gel 3 bildet. Das Gehäuse 1 besteht in bekannter derartige Ausleuchtung, die in jedem Stabquerschnitt

Weise aus zwei Halbschalen 1' und 1". Die Brenn- 40 in prinzipiell ähnlicher Weise verläuft, hat eine un-

punkte der Ellipse sind mit F₁ und F₂ bezeichnet und gleichsmäßige Erwärmung des Laserstabes 5 zur

ihre Halbachsen mit α und b, wobei die größere El- Folge, die ihrerseits den Stab etwas verbiegt. Daher

lipsenachse 2 a in der Rotationsachse r-r liegt. kommt es, daß die Erwärmung des Stabes im Betrieb

Im Hohlraum 2 sind eine zylindrische Blitzlicht- nicht nur in bekannter Weise eine gewisse Aufwöl-

lampe 4 und ein dazu paralleler Laserstab 5, z. B. aus 45 bung seiner Stirnflächen bewirkt (Linsenwirkung des

Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) angeordnet, die Stabes), sondern zusätzlich noch eine gewisse Schräg-

durch die Brennpunkte F₁ bzw. F₂ hindurchgehen und stellung dieser Stirnflächen zur Stabachse. Dies ist

zur Rotationsachse r-r senkrecht stehen. Die Blitz- für die Ausbildung regelmäßiger Eigenschwingungen

Iichtlampe4 wird an ihren Enden durch zwei Hai- im optischen Resonator, in dem der Stab 5 in be-

terö am Gehäuse 1 festgehalten und von einem 50 kannter Weise angeordnet wird, abträglich, zumal

Kühlrohr 7 umgeben, das durch entsprechende Ka- diese Schrägstellung sich bereits während der einzel-

näle der Halter 6 mit einer Kün'wasserquelle bzw. nen Biitzlichtimpulse und in den Intervallen zwi-

einem Ablauf verbunden ist. Die Halter 6 enthalten sehen aufeinanderfolgenden Blitzlichtimpulsen än-

auch die elektrischen Zuführungsleitungen zu den dert.

Elektroden 8 der Lampe 4, deren gegenseitiger Ab- 55 Verwendet man nun das stark lichtstreuende Kühlstand etwa der Länge des La<;erstabes 5 entspricht. rohr 10, so zeigt die im übrigen F i g. 3 entspre-Der Laserstab 5 ist ebenfalls durch zwei Halter 9 im chende F i g. 4, daß die Isointensitätslinien praktisch Gehäuse 1 festgehalten und von einem Kühlrohr 10 kreisförmig sind, und F i g. 6, daß die Kurve der relaumgeben, das durch entsprechende Kanäle der Hai- tiven Intensität längs der .Y-Achse an den gegenüberter 9 mit der Kühlwasserquelle bzw. dem Ablauf ver- 60 liegenden Rändern des Stabes zwei praktisch symmebunden ist. irische Abschnitte r und s aufweist. Dadurch werden

Das Kühlrohr 10 ist im Gegensatz zu den Laser- die oben erläuterte unsymmetrische Deformation des

stab-Kühlrohren bekannter Anregungsanordnungen Laserstabes und die daraus folgenden Nachteile ver-

nicht ein glattes durchsichtiges Rohr, durch welches mieden.

die direkt oder nach Reflexion am Spiegel 3 von der 65 Statt einen Spiegel 3 in Form eines Rotationsellip-Blitzlichtlampe 4 kommenden Strahlen gemäß dem soides vorzusehen, kann man in Variante auch zwei

Brechungsgesetz hindurchgehen und auf den Stab 5 gegenüberliegende elliptische Planspiegel 3' und treffen, sondern ein stark lichtstreuendes Rohr, wo- einen Zylinderspiegel 3" von diesen Planspiegeln 3'

entsprechendem elliptischen Querschnitt benützen, die somit einen Hohlraum in Form eines elliptischen Zylinders umgeben, wie dies in F i g. 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 Anregungsanordnung aber mit einem glatten, durchsichtigen Kühlrohr 10' und nicht mit dem stark streuenden Kühlrohr 10 bekannt. Die in F i g. 1 und 2 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 axialer Richtung des Stabes weniger variiert, d. h. die Isointensitätslinien in verschiedenen Querschnitten des vom streuenden Kühlrohr 10 umgebenen Stabes 5 weichen weniger voneinander ab als bei Verwendung der Spiegel 3' und 3". Dies kann z.B. experimentell nachgewiesen werden. Die bei Verwendung eines Rotationsellipsoidspiegels vielfach benützte Anordnung von Anregungslampe und Laserstab in der Rotationsachse r-r und in einem gemeinsamen Kühlwasserkreis erweist sich in bezug auf Vibrationsfreiheit nicht als günstig.

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 Blitzlichtlampe4 sehr

ίο vorteilhaft ist. Derartige Halterungen können insbesondere eine flexible Manschette aus Kupferdrahtgewebe od. dgl. aufweisen. Für den Laserstab 5 verwendet man zweckmäßig Halterungen 9, bei denen ein Gummiring auf das betreffende Stabend* gedrückt wird.

Der Laserstab 5 muß nicht unbedingt aus einem einzigen Festkörper, insbesondere einem Kristall, bestehen, sondern kann auch durch ein mit einem flüssigen stimulierbaren Lasermedium gefüllten Rohr ge-

ao bildet sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 02 hen ist, die eine lichtstreuende Wirkung ausüben und Patentansprüche: dadurch in einem geringen Maß eine gleichmäßigere Verteilung der Anregungslichtstrahlung bewirken.

1. Anregungsanordnung für optische Sender Dieser Ausbildung der Mantelfläche liegt jedoch die (Laser), bei der das stabförmige stimulierbare 5 Aufgabe zugrunde, die im stimulierbaren Medium erMedium und die der Anregung dienende stabför- zeugte schräg zur Achse verlaufende Strahlung, die mige Blitzlichtlampe mit Abstand parallel neben- von innen auf die Oberfläche des stimulierbaren Meeinander und innerhalb eines elliptischen Anre- diums trifft, mittels Streuung zu beseitigen, so daß gungsspiegels angeordnet sind, zu dessen ellipti- aus dem stimulierbareii Medium nur immer achsenscher Mittelebene sie senkrecht durch die Brenn- io paralleles Licht austritt Eine gleichmäßige Bestrahpunkie bzw. längs der Brennlinien verlaufen, wo- lung des stimulierbaren Mediums wird bei diesem bei sie jeweils von einem konzentrischen Kühl- Laser nicht erreicht.

rohr umgeben sind, durch welches eine Kühlflüs- Bei einer anderen Anordnung (deutsche Offenle-

sigkeif strömt, dadurch gekennzeich- gungsschrift 1439469) der genannten Art werden net, daß zum Zwecke einer gleichmäßigen 15 optische Filter verwendet, um zu erreichen, daß die Strahlungsverteilung der Anregungsstrahlung das Mantelfläche des stimulierbaren Mediums an allen das stimulierbare Medium (S) umgebende Kühl- Stellen gleich stark von Anregungslicht getroffen rohr (lö) iichtstreuend ist. wird. Als optische Filter werden ein die Anregungs-

2. Anregungsanordnung nach Anspruch 1, da- lichtquelle umgebender Glaskolben oder ein bredurch gekennzeichnet, daß der Anregungsspiegel ao chender Körper ungleichförmiger Dicke mit der Wir-(3) die Form eines Rotationsellipsoids hat, dessen kung einer Linse verwendet Diese Filter müssen, Brennpunkte auf der Rotationsachse liegen, und entsprechend den für verschiedene Richtungen unterdaß die Blitzlichtlampe (4) und das stimulierbare schiedlichen Absorptionswerten des stimulierbaren Medium (5) zur Rotationsachse (r-r) senkrecht Mediums für das Anregungslicht, an verschiedenen stehen. as Stellen unterschiedliche Durchlässigkeiten besitzen,

3. Anregungsanordnung nach Anspruch 1 was ihre Herstellung relativ aufwendig und kompli- oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das das sti- ziert macht.

mulierbare Medium (5) umgebende Kühlrohr Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1614482

(10) eine aufgerauhte äußere und/oder innere ist bekannt, in einem optischen Sender im Strahlen-Oberfläche (11,12) hat. 30 gang des Anregungslichtes ein fluoreszentes Medium

anzuordnen. Ein solches Medium besitzt unter ande-

. rem die Wirkung, daß das Anregungslicht teilweise

darin gestreut wird und dadurch gleichmäßiger auf das stimulierbare Medium auftrifft. Dieser Anord-

Die Erfindung betrifft eine Anregungsanordnung 35 nung liegt jedoch die Aufgabe zugrunde, das auf das für optische Sender (Laser), bei der das stabförmige stimulierbare Medium einwirkende Anregungslicht stimulierbare Medium und die der Anregung die- durch Emission des fluoreszenten Mediums in seinen nende stabförmige Blitzlichtlampe mit Abstand par- Spektralanteilen zu verändern. Diese Anordnung geallel nebeneinander und innerhalb eines elliptischen währleistet keine ausreichend gleichmäßige Beleuch-Anregungsspiegels angeordnet sind, zu dessen ellipti- 40 rung, besitzt den Nachteil einer verminderten Lichtscher Mittelebene sie senkrecht durch die Brenn- intensität in verschiedenen Spektralbereichen und ist punkte bzw. längs der Brennlinien verlaufen, wobei sehr aufwendig.

sie jeweils von einem konzentrischen Kühlrohr um- Eine weitere Anordnung (Applied Optics, Bd. 1,

geben sind, durch welches eine Kühlflüssigkeit Nr. 1, Januar 1962, S. 11 bis 15) zeigt einen das stiströmt. 45 mulierbare Medium umgebenden durchsichtigen di-

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (briti- elektrischen Zylinder, der die Aufgabe hat, möglichst sehe Patentschrift 1 098 945) ist ein elliptischer Zy- viel Anregungslicht auf das stimulierbare Medium zu linderspiegel vorgesehen, der einen in axialer Rieh- lenken. Da die Oberfläche des dielektrischen Zylintung von elliptischen Planspiegeln begrenzten Hohl- ders nicht lichtstreuend sein darf, da dies sonst zu raum umschließt, in dem die Anregungslampe und 50 Lichtverlusten führen würde, kommt es bei dieser das stabförmige stimulierbare Medium, welche je- Anordnung nicht zu einer gleichmäßigeren Verteiweils von einem durchsichtigen Rohr umgeben sind, lung des auf das stimulierbare Medium auftreffenden in den Brennlinien des elliptischen Zylinderspiegels Lichtes.

liegen. Es ist bekannt, daß wegen des endlichen Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Durchmessers der Anregungslampe und des stabför- 55 einfache Vorrichtung für die gleichmäßige Bestrahmigen stimulierbaren Mediums Abschattungen in lung oder Ausleuchtung des stimulierbaren Mediums den vom Spiegel reflektierten Lichtbündeln auftre- in einer Anregungsanordnung für optische Sender ten, die zu unregelmäßiger Bestrahlung des Medium- (Laser) zu schaffen.

Stabes führen, was zu Verbiegungen des Mediumsta- Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß

bes und letzten Endes zu Unregelmäßigkeiten der 60 zum Zwecke einer gleichmäßigen Strahlungsvertei-Schwingungsmoden des optischen Resonators führt, lung der Anregungsstrahlung das das stimulierbare in dem der Mediumstab angeordnet wird. In einem Medium umgebende Kühlrohr Iichtstreuend ist. Eine Buch von D. Röss, »Laser«, Akademische Verlags- weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, gesellschaft Frankfurt am Main, 1966, ist dieses Ver- daß der Anregungsspiegel die Form eines Rotationshalten auf S. 455 ff., ausführlich untersucht. 65 ellipsoids hat, dessen Brennpunkte auf der Rotations-

Es ist ein Festkörperlaser (deutsche Offenlegungs- achse liegen, und daß die Blitzlichtlampe und das stischrift 1903 946) bekannt, bei dem die Mantelfläche mulierbare Medium zur Rotationsachse senkrecht des stimulierbaren Mediums mit Einkerbungen verse- stehen.