DE2442325A1 - Querstromkuevette fuer fluessigkeits-, dampf- oder gaslaser - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F/Vfickmahn,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

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Querstromküvette für Flüssigkeits-, Dampf- oder Gaslaser

Die Erfindung betrifft eine Querstromküvette für Flüssigkeits-, Gas- oder Dampflaser. In dieser Querstromküvette strömt das aktive Medium eines Flüssigkeits-, Gas- oder Dampflasers senkrecht zur optischen Achse des Lasers. Dadurch wird erreicht, daß ein wesentlich schnellerer Austausch des aktiven Mediums in der Küvette gegenüber einer längs durchströmten Küvette ermöglicht wird. Dies bewirkt eine schnelle Abführung der schädlichen, in der Küvette erzeugten Wärme sowie schädlicher Folgeprodukte der optischen Anregung, wie z.B. Triplett-Zustände oder absorbierende photochemische Zersetzungsprodukte in Farbstofflasern.

In den meisten Flüssigkeits-, Gas- oder Dampflasern niederer bis mittlerer Leistung wird eine längs durchströmte Küvette benutzt. Durch den Strom des aktiven Mediums wird die Wärme abgeführt, die als Differenz zwischen der optisch oder elektrisch zugeführten Pumpleistung und der Ausgangsleistung des Lasers in der Küvette entsteht. Ferner werden durch den Strom des aktiven Mediums auch alle schädlichen Folgeprodukte der An-

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regung, wie beispielsweise photochemische Zersetzungsprodukte des aktiven Mediums, Triplett-Zustände in Farbstofflasern oder Atome oder Moleküle im unteren Laserniveau, welche die Inversion herabsetzen, abtransportiert. Vor allem ist die in der Küvette erzeugte Wärme bei Flüssigkeitslasern für die Verschlechterung der optischen Eigenschaften des Lasers besonders verantwortlich. Dieses Problem wird um so gravierender, je höher die Pumpleistung des Lasers ist, wie beispielsweise von H. Samelson u.a. im NTIS-Report AD-766 812 (1973) "High Enery Pulsed Liquid Laser" beschrieben ist. Es liegt auf der Hand, daß die Kühlung und Abführung schädlicher Produkte um so wirkungsvoller ist, je größer die Durchströmungsgeschwindigkeit des aktiven Mediums gemacht werden kann. Jedoch sind, wie im vorstehend genannten Report dargelegt ist, dieser Durchströmungsgeschwindigkeit infolge der auftretenden Druckdifferenzen zwischen Einfluß und Ausfluß, die einen Brechungsindex-Gradienten und damit eine Verschlechterung der optischen Eigenschaften hervorrufen, sowie durch Wirbelbildung am Ein- und Ausfluß trotz bester hydrodynamischer Formgebung Grenzen gesetzt.

Es wurde bereits frühzeitig erkannt, daß es zweckmäßig ist, das aktive Medium bei Hochleistungslasern quer zur Längsachse des Lasers strömen zu lassen, da hierbei ein sehr viel größerer Querschnitt für das strömende Medium zur Verfügung steht als bei Längsdurchströmung derKüvette und die Länge des Weges durch die Küvette nur der Querdimension der Küvette entspricht und damit sehr viel kürzer ist als bei Längsdurchströmung. Selbst bei gleicher linearer Strömungsgeschwindigkeit in der Küvette entspricht das Verhältnis der Zeiten, in denen das Medium in der aktiven Küvette erneuert wird, für Längs- zur Querdurchströmung gerade dem Verhältnis der Längs- zur Querdimension. Für ein typisches Beispiel eines Hochleistungs-Flüssigkeitslasers beträgt beispielsweise die Längsdimension 250 mm und die Querdimension 5 mm. wodurch das eben erwähnte Verhältnis den Wert 50 bekommt. Es ist klar, daß damit die Pumpleistung des

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Lasers ebenfalls um den Faktor 50 heraufgesetzt werden kann. In besonderen Fällen können jedoch noch sehr viel höhere Verhältnisse erzielt werden.

Solche Querstromküvetten sind bereits mehrfach verwendet und beschrieben worden, letzteres beispielsweise von M. Boiteux und 0. DeWitte in der Veröffentlichung "A Transverse Flow Repetitive Dye Laser" in Applied Optics, Band 9 (1970) Seite 514 und von W. Schmidt in dem Aufsatz "JFarbstoff laser "in der Zeitschrift "Laser" 1970, Seite 47. Eine solche Küvette der bisher gebräuchlichen Weise, wie sie beispielsweise in dem zuletzt genannten Aufsatz beschrieben ist, ist so aufgebaut, daß zwei Blitzlampen einander gegenüberliegend auf je einer Seite der Küvette, die aus zwei Glasscheiben besteht, zwischen denen das aktive Medium, in diesem Falle eine Farbstofflösung, strömt, angeordnet sind.

Wichtigster Nachteil dieser Anordnung ist die Zweiersymmetrie der Pumpanordnung, die sich bei guter Fokussierung der Blitzlampen in die Küvette und damit bei gutem optischen Wirkungsgrad auch in der Modenstruktur des Lasers widerspiegelt und infolgedessen den im allgemeinen erwünschten Grundmodus des Lasers unterdrückt. Benutzt man dagegen keine gute optische Abbildung sondern nur diffuse Pumplichtreflektoren, so wird das aktive Medium in einer großen Breite gepumpt, während die Eindringtiefe des Pumplichts im allgemeinen wesentlich kleiner ist, wodurch wiederum eine starke Inhomogenität der Pumplichtverteilung in dem aktiven Medium entsteht und infolgedessen wiederum der Grundmodus des Lasers unterdrückt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Querstromküvette für Flüssigkeits-, Gas- oder Dampflaser zu schaffen, die eine Pumplichtbestrahlung mit höherer als Zweiersymmetrie ermöglicht, so daß die Ausbildung des Grundmodus erleichtert und der Abtransport von Wärme und schädlichen Produkten etwa proportional zur

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- 4 Zahl der Zuflüsse beschleunigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Querstromküvette mehr als zwei Zylindersektoren aufweist, deren der Mitte zugewandte Spitze abgerundet ist und bei denen die Summe der Sektorwinkel an der Spitze kleiner als 360 ist, so daß zwischen deren ebenen Seitenwänden Zu- und Abflußkanäle für das aktive Medium und im Zentrum ein freier Raum für das gepumpte Volumen des aktiven Mediums entstehen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querstromküvette bekannter Art, wie sie beispielsweise in der oben erwähnten Druckschrift "Laser" (1970), Seite 47 beschrieben ist;

Fig. 2 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Querstromküvette einschließlich der darum herum angeordneten Laser und Reflektoren sowie der Zu- und Abflüsse; und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die in Fig. 2 dargestellte Querstromküvette.

Zunächst sei anhand der Fig. 1 kurz eine der bereits weiter oben erwähnten bekannten Querstromküvetten näher erläutert. Die Darstellung zeigt die Querstromküvette einschließlich der Bestrahlungsanordnung in einem Querschnitt. In die im wesentlichen aus zwei Glasplatten 1 und 2 bestehende Querstromküvette fließt das zu bestrahlende Medium 3, beispielsweise eine Farbstofflösung, an der Stelle des Pfeils A in Pfeilrichtung ein, während das bestrahlte Medium 4 an der StelleB in Richtung des dort gezeigten Pfeils wieder abfließt. Zu beiden Seiten der Querstromküvette ist je eine Blitzlampe 5 angeordnet.

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Diese Blitzlampen sind von Reflektoren 6 umgeben.

Mit der Erfindung wird nun eine Querstromküvette zur Verfügung gestellt, die im Gegensatz zu der vorbeschriebenen bekannten Querstromküvette eine Pumplichtbestrahlung mit höherer als Zweiersymmetrie ermöglicht, wodurch sich die v/eiter oben näher erörterten Vorteile ergeben.

Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Querstromküvette wird nachstehend anhand der Figuren 2 und 3, die die Ausbildung der Küvette für den Fall einer vierzähligen Symmetrie zeigen, erläutert.

In diesem Ausführungsbeispiel beleuchten vier lineare Pumplichtlampen 7 beispielsweise mit Hilfe der dargestellten Anordnung von Hohlspiegeln 8 das Zentrum 9 der Querstromküvette, wie man anhand des wahllos herausgegriffenen Strahls 10 verfolgen kann. Die Küvette selbst besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus vier Zylindersektoren 11, 12, 13 und 14 aus für die Pumpstrahlung durchsichtigem Material, beispielsweise Quarzglas, sowie aus einer Grund- und Bodenfläche, die im Längsschnitt der Figur 3 mit 15 und 16 bezeichnet sind und für die Laserstrahlung transparent sein müssen. Die Zylindersektoren 11, 12, 13 und 14 sind nun so bemessen, daß die Summe ihrer Sektorwinkel (X, ,ρ ,^f", £ kleiner als 360° ist, so daß zwischen ihren Seitenwänden 17 noch Schlitze freibleiben, die Zu- und Abflußkanäle 18 bilden, durch die das aktive Medium zu- und abströmen kann. Vorteilhafterweise wird man im Falle einer geraden Anzahl von Zylindersektoren, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, die Zuflüsse 19 bzv/. 19' und die Abflüsse 20 bzw. 20' jeweils gleich breit ausführen bzw. die Zuflußwinkel \f' und vp" gleich den Abflußwinkeln ψ¹ und U»" wählen. Im Falle einer ungeraden Anzahl von Zylindersektoren kann beispielsweise die Summe der einzelnen Zuflußwinkel gleich dem Abflußwinkel gemacht werden oder umgekehrt. Die Spitze 21 der

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Zylindersektoren ist jeweils nicht scharf sondern gleichmäßig so gerundet, daß in dem Zentrum 9 eine freie Zone entsteht, durch die das Medium fließen kann und das den eigentlichen gepumpten Bereich der Küvette darstellt. Dabei wird man aus hydrodynamischen Gründen den Radius der Verrundung der Spitzen 21 der Zylindersektoren 11 - 14 so wählen, daß beim Übergang zu den ebenen Mantelflächen der Seitenwände 17 keine Unstetigkeit entsteht, die zu Wirbelbildung und Kavitation Anlaß geben könnte. Im übrigen ist der Verrundungsradius dadurch festgelegt, daß der Abstand zv/ischen den einander gegenüberstehenden verrundeten Spitzen 21 gerade gleich dem vorgegebenen Durchmesser der Küvette wird. Das Zuführen und Abführen der Flüssigkeit in die Ein- und Ausflußschlitze kann, beispielsweise durch entsprechende Öffnungen in der Anordnung der Hohlspiegel 8 geschehen, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Die Abdichtung zwischen den Hohlspiegeln und den Querstromküvettenteilen erfolgt zweckmäßigerweise durch entsprechend ausgeformte O-Ringe aus geeignetem Dichtmaterial, wie beispielsweise Silicon-Kautschuk.

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Claims (6)

2U2325 - 7 Pat entansprüche

1.)Querstromküvette für Flüssigkeits-, Gas- oder Dampflaser, dadurch gekennzeichnet, daß die Querstromküvette mehr als zwei Zylindersektoren (11, 12, 13, 14) aufweist, deren der Mitte zugewandte Spitze (21) abgerundet ist und "bei denen die Summe der Sektorwinkel (OL, ψ, y (f\ an der Spitze kleiner als 3bü ist, so daß zwischen ihren ebenen Seitenwänden (17) Zu- und Abflußkanäle (18) für das aktive Medium und im Zentrum (19) ein freier Raum für das gepumpte Volumen des aktiven Mediums entstehen.

2. Querstromküvette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine fest mit den Zylindersektoren (11, 12, 13, 14) verbundene Grund- und Deckplatte (15, 16) den Längsabschluß der Querstromküvette bildet.

3. Querstromküvette nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verrundung an der Spitze (21) der Zylindersektoren (11, 12, 13, 14) so ausgeführt ist, daß sie einen Teil einer Zylinderfläche bildet, die ohne Unstetigkeit in die ebenen Flächen der Seitenwände (17) des jeweiligen Zylindersektors übergeht.

4. Querstromküvette nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r ch gekennzeichnet, daß die Summe der Zu- und Abflußwinkel ( ψ* ,*ψ",ψ, ψ) gleich ist.

5. Querstromküvette nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ganz aus Quarzglas gefertigt ist.

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6. Querstroraküvette nach einem der Ansprüche Ibis 5, dadurch gekennzeichn et, daß Grund- und Deckplatten (15, 16) an die Zylindersektoren (11, 12, 13, 14) optisch kontaktiert und durch einen Sinterprozeß mit
ihnen fest verbunden sind.

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