DE2425269C3

DE2425269C3 - Farbstoff-Laser

Info

Publication number: DE2425269C3
Application number: DE2425269A
Authority: DE
Inventors: J. Michael Santa Clara Calif. Yarborough (V.St.A.)
Original assignee: Coherent Radiation Palo Alto Calif (vsta)
Current assignee: Coherent Radiation Palo Alto Calif (vsta)
Priority date: 1973-05-30
Filing date: 1974-05-24
Publication date: 1978-03-02
Also published as: GB1457143A; JPS5023190A; DE2425269A1; US3846715A; FR2232107A1; DE2425269B2; JPS546359B2

Description

Es ist ein Farbstoff-Laser mit einem optischen Resonator und einer Einrichtung zum Anregen des stimulierbaren Mediums bekannt, der mehrere Farbstoffzellen aufweist, die auf einem Drehtisch derart angeordnet sind, daß wahlweise irgendeiner von mehreren, in diesen Zellen enthaltenen Farbstoffen in den optischen Resonator eingeführt werden kann, wobei jeder dieser Farbstoffe einen unterschiedlichen Bereich von Laser-Wellenlängen hat (Review of Scientific Instruments, Bd. 42 [1971] Nr. 11, S.1736 und 1737).

Zellen oder Küvetten itr Farbstoffe in Lasern haben den Nachteil, daß die Fenster innen durch Partikel verunreinigt werden, die auf den Oberflächen durch den fokussierten Lichtstrahl verbrannt werden. Zusätzlich ergibt sich eine lokale Erwärmung, die die optische Qualität des Resonators verschlechtert.

Es ist ferner ein Farbstoff-Laser mit einem optischen Resonator und einer Einrichtung zum Anregen des stimulierbaren Mediums, bei dem zum Einführen von Farbstoffen in den optischen Resonator eine Düse vorgesehen ist. aus der der Farbstoff als dünner, flacher, im Bereich des optischen Resonators nicht von festen Körpern begrenzter Strahl strömt, sowie ein Sammler, mit dem der Farbstoffstrahl nach dem Durchtritt durch den optischen Resonator gesammelt wird, wobei wahlweise irgendeiner von mehreren Farbstoffen mit unterschiedlichem Bereich von Laser-Wellenlängen in den optischen Resonator eingeführt werden kann, bekannt geworden (IEEE Journal of Quantum Electronies, QE-8 [1972] Nr. 12, S. 910 und 911). Bei diesem bekannten Farbstoff-Laser konnte zwar wahlweise irgendeiner von mehreren Farbstoffen eingeführt werden, wenn der Benutzer des Farbstoff-Lasers jedoch eine Ausgangswellenlänge wünscht, die außerhalb derer des Farbstoffs liegt, der einmal in den optischen Resonator eingeführt wurde, muß er den gesamten vorhandenen Farbstoff durch einen neuen Farbstoff ersetzen, der die gewünschte Wellenlänge Hefen. Das ist sehr unbequem und zeitaufwendig, außerdem kann das Einbringen des neuen Farbstoffs zum Ersatz des alten Farbstoffs erhebliche Verunreinigungen verursachen.

Durch die Erfindung soll deshalb ein Farbstoff-Laser

der zuletzt genannten ArI: verfügbar gemacht werden, bei dem das Auswechseln des Farbstoffs zur Erzielung

*5 eines größeren Bereichs von Ausgangswellenlängen schnell und einfach erfolgen kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,

daß für jeden der verschiedenen Farbstoffe ein unabhängiges Zirkulationssystem vorgesehen ist, von denen jedes wahlweise mit der Düse einerseits und dem Sammler andererseits kuppelbar ist.

Gemäß einer speziellen Ausbildung der Erfindung ist als Kupplungseinrichtung, mit der die Farbstoffzirkulationssysteme wahlweise an die Düse bzw. den Sammler gekuppelt werden können, jeweils eine Drehplatte vorgesehen, die parallel zu ihrer Achse in der Nähe des Umfangs eine Anzahl öffnungen aufweist, an welche jeweils eines der Zirkulationssysteme für die Farbstoffe angeschlossen ist, sind die Drehplatten miteinander gekuppelt, und sind Ausrichteinrichtungen vorgesehen, mit denen jeweils eine der öffnungen mit der Düse bzw. dem Sammler ausgerichtet werden kann, sowie Blockiereinrichtungen, mit denen jede nicht mit der Düse bzw. dem Sammler ausgerichtete öffnung blockiert werden kann.

Vorzugsweise sind zusätzlich Einrichtungen vorgesehen, mit denen eine Verunreinigung der Farbstoffe durch andere Farbstoffe verhindert wird, wenn der Farbstoff-Laser von einem Farbstoff zum anderen umgeschaltet wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schema eines Farbstoff-Lasers;

F i g. 2 eine Seitenansicht eines Teils eines Farbstoff-Lasers nach Fig. 1;

F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 7-7 in F i g. 2;

F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie 8-8 in F i g. 2; und F i g. 5 einen Teil der Anordnung nach F i g. 2.

Ein Schema, mit dem mehrere Farbstoffstrahlen innerhalb des Resonators eines Farbstoff-Lasers verfügbar gemacht werden können, ist in F i g. 1 dargestellt. Jeder Farbstoffstrahl geht von einer Düse 34 aus und wird in einem Sammler 36 aufgenommen und gesammelt. Der Übersichtlichkeit halber sind in dem in Fig. 1 dargestellten Schema nur drei unabhängige Farbstoff ty pen vorgesehen, die in die Düse 34 eingeführt werden können, um den Farbstoffstrahl zu bilden. Selbstverständlich kann jede beliebige Anzahl

unterschiedlicher Farbstoffe eingeführt werden.

Jeder verschiedene Farbstoff ist mit seinem eigenen Zirkulationssystem oder Kreislauf versehen. Einzelne Pumpenmodule 38, 40 und 42 sind für jedes der verschiedenen Farbstoff-Zirkulationssysteme vorgesehen. Jeder dieser Module enthält eine Pumpe, einen Pumpenantriebsmotor, ein Farbstoftreservoir und einen Filter mit einer typischen Porengröße von 2 μίτι. Der Filter entfernt irgendwelche Verunreinigungen, die die Farbstoff-Laser-Schwingungen verschlechtern oder beenden könnten. Ein Wärmetauscher kann ebenfalls als Teil jedes Kreislaufs vorgesehen werden, um im Farbstoff-Laser absorbierte Wärme zu entfernen. Dadurch wird die Viskosität des Farbstoffs erhöht und die Bildung von Blasen im Strom verringert. Eine Temperatur zwischen 15 und 20⁰C hat sich als befriedigende Farbstofftemperatur gezeigt.

An die Ausgangsseite der Pumpenmodule 38, 40 und 42 sind Leitungen angeschlossen, mit denen der Farbstoff transportiert wird und die mit Lüiseneingangsöffnungen 44, 46 bzw. 48 abgeschlossen sind. Zu jedem bestimmten Zeitpunkt ist eine dieser öffnungen mit der Düse 34 ausgefluchtet. In ähnlicher Weise schließen Ausgangsöffnungen 50, 52 und 54 eine weitere Reihe von Leitungen ab, die mit der Eingangsseite der Pumpenfiltermodule 38,40 bzw. 42 verbunden sind.

Es sind Einrichtungen derart vorgesehen, daß irgendeins der Öffnungspaare 44—50, 46—52 oder 48—54 mit der Düse 34 und dem Sammler 36 ausgefluchtet werden kann. Wenn ein Öffnungspaar ausgefluchtet ist, pumpt der Pumpmodul das Strömungsmittel durch die Ausgangsöffnung, durch die Düse 34, wo es ein dünner, flacher, nicht von festen Körpern begrenzter Strahl wird, wenn es den optischen Resonator des Lasers überquert. Der Farbstoff wird dann zu seinem Pumpmodul zurückgeführt.

Einzelheiten der Farbstoffwechseleinrichtung sind in Fig. 2 bis 5dargestellt.

Es ist eine Revolverkopfeinheit 78 vorgesehen, die eine rotierende Eingangsplatte 80 mit einer Anzahl öffnungen 82 aufweist, die sich um den Umfang der Platte 80 herum erstrecken. Die Platte 80 ist um eine zentrale Nabe 84 drehbar, so daß einzelne Eingangsöffnungen 82 mit der Düse 34 ausgefluchtet werden können.

Der Umfang der Drehplatte 80 ist mit einem Zahnkranz 86 versehen. Zwei Untersetzungsritzel 88 und 90 sind mit einer drehbaren Welle 92 gekuppelt. Durch Verdrehen eines Einstellknopfes 95 kann die Drehplatte 80 gedreht werden, um irgendeine der öffnungen 82 mit der Düse 34 auszufluchten.

Die Düse 34 ist an einer Tragplatte 94 befestigt, die einen Grundteil 98 und einen Ansatz 97 zum Stützen der Welle 92 aufweist. Das Ritzel 90 ist auf dx Welle 92 montiert, und das Ritzel 88 ist an der Tragplatte 94 gelagert. Die Welle 92 kann mit dem Knopf 95 gedreht werden.

Der Sammler 36 wird von einer Stützplatte 96 getragen, die von der Revolver-Grundplatte 99 nach oben vorsteht. Wie zusätzlich aus F i g. 5 erkennbar ist, führt eine öffnung 100 durch die Tragplatte 96. Eine Ausgangs-Drehplatte 102 ähnlich der Eingangs-Drehplatte 80 ist mit einer Anzahl voneinander entfernter öffnungen!04 versehen, die durch den äußeren Umfang hindurchführen. Die Drehplatte 102 ist mit ihrer Nabe 106 so montiert, daß jede der öffnungen 104 mit der öffnung 100 ausgefluchtet werden kann, die durch die Tragplatte % führt.

Ein Zahnkranz 108 ist ebenfalls am Umfang der Ausgangs-Drehplatte 102 vorgesehen. Mit den Zähnen 108 kämmt ein Ritzel 110, mit dem wiederum ein Ritzel 112 kämmt. Das Ritzel 112 hat den gleichen Durchmesser wie das Ritzel 9G und das Ritzel UO den gleichen Durchmesser wie das Ritzel 88. Der Zahnkranz 108 hat den gleichen Durchmesser wie der Zahnkranz 86. Dementsprechend sind die beiden Drehplatten 80 und 102 gekuppelt, da das Ritzel 112 mit der gleichen Welle 92 verbunden ist wie das Ritzel 90.

Eingangsleitungen 114 führen verschiedene Farbstoffe an jede der öffnungen 82 der Eingangsdrehplatte 80. In ähnlicher Weise führen Ausgangsleitungen 116 die Farbstoffströme von den einzelnen öffnungen 104 weg zu dem jeweiligen Pumpmodul für jeden Farbstoff.

Wenn im Betrieb ein bestimmter Farbstoff gewünscht wird, wird der Abstimmknopf 95 gedreht, um die gewünschte Eingangsöffnung 82 mit der Düse 34 auszufluchten. Wenn ein anderer Farbstoff vorher verwendet worden war, muß eine Pumpe zunächst abgeschaltet werden. Da die Ausgangs-Drehplatte 102 mit der Eingangs-Drehplatte 80 gekuppelt ist, wird die richtige öffnung 104 automatisch mit dem Sammler 36 ausgefluchtet Die Pumpe für den gewünschten Farbstoff wird dann eingeschaltet, und der Farbstoff strömt durch die Eingangsleitung 114, die Drehplatte 80 und aus der Düse 34 heraus als dünner, flacher, nicht von festen Körpern begrenzter Farbstoffstrahl 20. Gewünschtenfalls kann die Schaltung zur Durchführung dieser Funktion in die Revolveranordnung eingebaut werden.

Der Farbstoffstrahl 20 tritt durch den Sammler 36, durch öffnung 100, durch die Ausgangs-Drehplattenöffnung 104 und wird schließlich d':.ch die Ausgangsleitung 116 zum Farbstoffpumpmodul zurückgeführt. Jeder Farbstoff, der nicht durch den Sammler 36 hindurchtritt, fällt in ein Reservoir 118, das mit einer Reihe von Absaugrohren 120 und 122 versehen ist, um diesen verlorengegangenen Farbstoff zu entfernen.

Wie am besten aus F i g. 2 und 5 erkennbar ist, reicht der Sammler 36 durch einen Kanal 124, der durch den Resonatorsupport 58 führt. Um eine wuserdichte Abdichtung zwischen dem Sammler 36 und der Ausgangs-Drehplatte 96 zu schaffen, wird eine Gewindemutter 126 verwendet, mit der ein O-Ring 128 dicht gegen die Platte 96 gehalten wird. O-Ringe 130 sind auch vorgesehen, um jede der Ausgangsöffnungen 104 abzudichten, ebenso wie die Eingangsöffnungen 82 (nicht dargestellt). Die Eingangsöffnungen 82, die nicht mit der Düse 34 ausgefluchtet sind, werden mit der Platte 94 blockiert. In ähnlicher Weise werden nicht mit dem Sammler 36 ausgefluchtete Ausgangsöffnungen 104 mit der Platte 96 blockiert.

Wenn immer ein Farbstoffstrahl 20 aufhört, und wenn der Strahl 20 zusammenfällt, fällt etwas von dem Farbstoff in den Bodenteil des Sammlers 36. Wenn also ein anderer Farbstoff eingeführt wird, ist es erwünscht, eine Vermischung des neuen Farbstoffs mit dem alten Farbstoff zu verhindern, der im Sammler verbleibt

Um das zu erreichen, weist die öffnung 100, die durch die Platte 96 führt, einen ersten Bereich 132 auf, der einen größeren Durchmesser hat als ein zweiter Bereich 134, der sich am nächsten an der Ausgangsöffnung 104 befindet. Längs des Bodens des Bereichs 132 läuft ein Trog 136, der mit einem Ausgangsrohr 138 verbunden ist. Sobald ein neuer Farbstoffstrahl 20 voll aufgebaut ist, erstreckt er sich über den ganzen Weg von der Düse 34 durch die öffnune 100 und in die Ausnanesleitune

116. Innerhalb des Sammlers 36 sammelt sich also praktisch kein Farbstoff an. Wenn jedoch ein Farbstoffstrahl 20 zunächst gestartet wird, streift er längs des Bodens des Sammlers 36. Das hat den Effekt, daß irgendein Farbstoff, der von einem vorangegangenen Betrieb zurückgeblieben ist, ausgespült wird. Der alte Farbstoff wird längs des Sammlers 36 gefegt und in den Trog 136 und zum Auslaß 138 hinaus. Die Schulter 140 zwischen dem Bereich 132 mit größerem Durchmesser und dem Bereich 134 mit kleinerem Durchmesser der Öffnung 100 hindert den alten Farbstoff daran, in das Auslaßrohr 116 einzutreten, so daß eine Verunreinigung vermieden wird.

Wenn die Pumpe abgeschaltet wird, um einen Farbstoffstrahl 20 zu beenden, wird der größte Teil des Farbstoffs, der in der Düse 34 bleibt, in die Pumpe und das Reservoir zurückgezogen. Was an Farbstoff zurückbleibt, verläßt die Düse als erstes, wenn ein neuer Farbstoff eingeführt wird, und, wie bereits erwähnt, fällt längs des Bodens des Sammlers 36 ab, und wird schließlich aus der Ausgangsleitung 138 herausgefegt. Es besteht also nur eine sehr geringe Möglichkeit für irgendeine merkliche Verunreinigung des neuen Farbstoffes mit dem restlichen alten Farbstoff.

Ein typisches Farbstoffvolutnen für jedes Zirkulationssystem beträgt 1500 cm'. Das Volumen der Düse 34, die Farbstoff zurückhält, betragt in einem speziellen Ausführungsbeispiel 0,01 cm¹. F.rsichllich würde es selbst im ungünstigsten Falle, d. h., wenn die Düse vollständig mit dem alten Farbstoff gefüllt ist und dieser alte Farbstoff vollständig in den neuen Farbstoff hineinkommt, vieler wiederholter Operationen bedürfen, um eine merkliche Verunreinigung herbeizuführen.

Die Düse 34 kann aus einem kleinen Rohr gemacht werden, dessen Ende zusammengepreßt wird, um einen schmalen Schlitz zu bilden. Dieser Schlitz definiert die Geometrie des Farbstoffstrahls 20. In einer Ausführungsform ist die Öffnung der Düse 34 0,25 mm dick und

!5 1,52 mm lang,

F.in geeigneter Motor, mit dem der Farbstoff zirkuliert werden kann, ist Modell Nr. 15-60-303 der Firma Micro-Pump. Diese Pumpe hat eine Pumpkraft von etwa 2,8 kp/cm² und sorgt für eine Farbstoffgeschwindigkeit von etwa 6 m/sec.

Es ist noch zu erwähnen, daß eine Abstimmeinrichtung in den Resonator eingesetzt sein kann, um eine Abstimmung innerhalb des Wellenlängenbereichs jedes verwendeten Farbstoffs zu erreichen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Farbstofflaser mit einem optischen Resonator und einer Einrichtung zum Anregen des stimulierbaren Mediums, bei dem zum Einführen von Farbstoffen in den optischen Resonator eine Düse vorgesehen ist, aus der der Farbstoff als dünner, flacher, im Bereich des optischen Resonators nicht von festen Körpern begrenzter Strahl strömt, sowie ein Sammler, mit dem der Farbstoffstrahl nach dem Durchtritt durch den optischen Resonator gesammelt wird, wobei wahlweise irgendeiner von mehreren Farbstoffen mit unterschiedlichem Bereich von Laser-Wellenlängen in den optischen Resonator eingeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden der verschiedenen Farbstoffe ein unabhängiges Zirkulationssystem vorgesehen ist, von denen jedes wahlweise mit der Düse (34) einerseits und dem Sammler (36) andererseits kuppelbar ist.

2. Farbstofflaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupplungseinrichtung, mit der die Farbstoff-Zirkulationssysteme wahlweise an die Düse (34) bzw. den Sammler (36) gekuppelt werden können, jeweils eine Drehplatte (80, 102) vorgesehen ist, die parallel zu ihrer Achse in der Nähe des Umfangs eine Anzahl öffnungen (82,104) aufweist, an welche jeweils eines der Zirkulationssysteme für die Farbstoffe angeschlossen ist, daß die Drehplatten (80, 102) miteinander gekuppelt sind, und daß Ausrichteinrichtungen (86, 88, 90, 92, 95, 108,110,112), mit denen jeweils eine der öffnungen (82, 104) mit der Düse (34) bzw. dem Sammler (36) ausgerichtet werden kann, sowie Blockiereinrichtungen (94, 96), mit denen jede nicht mit der Düse (34) bzw. dem Sammler (36) ausgerichtete öffnung blockiert werden kann, vorgesehen sind.

3. Farbstofflaser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (36, 136,138) vorgesehen sind, mit denen eine Verunreinigung der Farbstoffe durch andere Farbstoffe verhindert wird, wenn der Farbstofflaser von einem Farbstoff zum anderen umgeschaltet wird.