DE2532586C3

DE2532586C3 - Optischer Sender oder Verstärker (Laser)

Info

Publication number: DE2532586C3
Application number: DE2532586A
Authority: DE
Inventors: Viktor Ing.(Grad.) 8021 Taufkirchen Baumgartner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-07-21
Filing date: 1975-07-21
Publication date: 1978-05-18
Also published as: LU75094A1; IE42876B1; CH600627A5; NL7608055A; AT350631B; IE42876L; NO140362B; SE7608038L; SE405297B; FR2319221B1; IT1066802B; BE844338A; NO762377L; TR19256A; FR2319221A1; DE2532586A1; DK328376A; GB1505433A; NO140362C; DE2532586B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender oder Verstärker (laser) mit einem von einem Gehäuse umgebenen Anregungsspiegel, dessen Innenraum von einem für Wärmestrahlung in hohem Maße undurchlässigen Filter in zwei Teilräume, und zwar in einen Teilraum mit einem festen stimulierbaren Medium und einen Teilraum mit einer Anregungslichlquelle, unterteilt ist. bei dem wenigstens einer der beiden Teilräume des Anregungsspiegels mit einem Kühlmittel durchströmt ist und bei dem das Gehäuse in gut wärmeleitender Verbindung mit einer Wärmesenke steht.

Optische Sender oder Verstärker dieser Art sind durch die DT-OS 19 44 852 und DT-OS 19 51 702 sowie durch die DT-AS 22 41 351 und die US-PS 36 34 779 und ii 5b 966 bekannt. Sie haben einen Wirkungsgrad in der Größenordnung von 1% und weniger, so daß praktisch die gesamte Anregungsenergie in Verlustwärme umgesetzt wird. Werden daher höhere Strahlleistungen benötigt, wie das beispielsweise für ihren F.insatz als Strahlungsquelle für optische Entfernungsmesser mit großem Meßbereich erforderlich ist, dann müssen ι besondere Maßnahmen getroffen werden, um die anfallende Verlustwarme in ausreichendem MaOe abzuführen. Diese Forderung zu erfüllen, bereitet erhebliche Schwierigkeiten, wenn ein solcher Laser in mobilem r.insatz benötigt wird und von daher die Forderung nach einem möglichst kompakten Aufbau, in Verbindung mit einer möglichst einfachen und wartungsfreien Kühleinrichtung, gestellt wird. Die verwendeten Kühlmiltelkreisläufe bedeuten in diesem Zusammenhang einen mitunter erheblichen technischen Aufwand, sofern ein solcher Kühlmittelkreislauf nicht, wie das vielfach geschieht, an das vorhandene Wasserleitungsnetz angeschlossen werden kann oder von einem speziellen Kühlaggregat Gebrauch gemacht werden muß. Die bekannten Lösungen ermöglichen es zwar, durch die Verwendung eines Filters, das die Einstrahlung der für die Anregung des stimulierbaren Mediums unbrauchbaren Wärmestrahlung auf das stiinulierbare Medium unterbindet, die an sich erforderliche Flüssigkeitskühlung lediglich auf ilen die Anregungslichtquelle enthaltenden Teilraum zu beschränken und für das stinuilicrbarc Medium mit einer Wärmeableitkühlung, in Verbindung mit einer Kühlung durch Wärmekoiivektion, auszukommen. Dieser Kompromiß verbessert zwar die Einsatzbedingungen für solche Strahlungsquellen und reduziert den Aufwand für das Kühlsystem, beseitigt jedoch nicht die an sich unerwünschte Kühlung entweder mit einer Flüssigkeit oder aber mit einem unter hohem Druck stehenden Gas.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen optischen Sender oder Verstärker der einleitend beschriebenen Art eine weitere Lösung anzugeben, bei der durch konstruktive Maßnahmen die Wärmeabfuhr durch Strahlung und Konvektion optimiert ist und damit die Grenze der Verlustleistung, oberhalb der von den geschilderten aufwendigen Kühlmaßnahmen Gebrauch gemacht werden muß, gegenüber bekannten Anordnungen wesentlich erhöht ist.

Ausgehend von einem optischen Sender oder Verstärker der einleitend geschilderten Art, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Anregungsspiegel ein auf seiner Innenseite mit einem frequenzselektiv reflektierenden Überzug versehener transparenter Hohlkörper ist, der unter Wahrung eines Liiftzwischenraums innerhalb des ihn umgebenden Gehäuses angeordnet ist und daß die Gehäuseimienwandung mit einem lichtabsorbierenden Uelag versehen ist.

Der Li findung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei

Verlustleistungen im Bereich zwischen 60 und 100 Watt auch auf eine Flüssigkeitskühlung der Anregungslichtquclle verzichtet werden kann, wenn dafür gesorgt wird, daß die für die Anregung des stimulierbaren Mediums unbrauchbaren Spektralanteile der Anregungslichtquelle möglichst rasch an dem mit einer Wärmesenke verbundenen Gehäuse absorbiert werden. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird dies in optimaler Weise erreicht.

Der die Innenwandung des Gehäuses bedeckende lichtabsorbierende Belag wird hinsichtlich seiner absorbierenden Funktion dann besonders wirksam, wenn die Innenwandung des Gehäuses eine Rauhigkeit aufweist, deren Korngröße groß gegenüber der Wellenlänge der zu absorbierenden .Strahlanteile der Anregungslichtquelle ist. Auf diese Weise wird nämlich erreicht, daß die Energie der auf den lichtabsorbierenden Belag auftreffenden Wärmestrahlung durch mehrfache Reflexion in der Oberflächenstruktur schnell verschluckt wird.

Besonders günstig gestalten sich in diesem Zusammenhang die Verhältnisse, wenn die Rauhigkeit der Innenwandung des Gehäuses aus dicht aneinander anschließenden gewindeartigen Rillen niu einem Öffnungswinkel von etwa 60" besteht.

Als lichtabsorbierender Belag eignet sich in vorteilhafter Weise ein schwarzer Zweikomponenten-Polyestermattlack.

Bei einer bevorzugten, mit sehr geringen Abu jssungen auskommenden Ausführungsforni ist der Anregungsspiegel ein elliptischer Hohlzylinder, wobei das slinnilierbare Medium und die Anregungslichtquelle stabförmig ausgebildet sind und sich jeweils längs einer Brennlinie des I lohl/.ylinders erstrecken. Der I lohlzylinder samt dem Filterglas, dem stimulierbaren Medium und der Anregungslichtquelle sind in stirnseitigen Abschlußwänden gehaltert, die den Hohlzylinder begrenzen und mit dem Gehäuse verbunden sind.

Für Kühlzwecke ist es vorteilhaft, daß der Hohlzylinder wenigstens über seine stirnseitigen Abschlußwäiule mit dem Gehäuscaußenraum über Teile eines Kühlsy stems bildende Külilkanäle verbunden ist.

Für die meisten Anwendungsfälle bildet der Hohlzylinder zusammen mit den Kiihlkanälen einen Luftführungskanal, der an ein Gebläse angeschlossen ist.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführimgsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

Fig. I eine schematische Querschnittsdarstelluiig eines Lasers nach der Erfindung,

F ig. 2 eine schematische Längsschnitidarsiellung eines Lasers nach der Erfindung,

Fig. 3 eine Reflexions- und Transmissioiischarakteristik des Anregungsspiegels bei einem Laser nach der Erfindung,

F'ig. 4 eine Transmissioiischarakteristik eines Filiers bei einem Laser nach der Erfindung.

Der Querschnitt nach Fig. I zeigt ein Lasergehäuse L das aus der oberen Teilschale 2 und der unteren Teilschale 3 besteht. Beide Teilschalen zusammen ergeben ein Gehäuse mit quaderförmigen Außenabmessungen, das einen zylindrischen Hohlraum mit kreisförmigem Querschnitt aufweist. Die Innenwandung 4 der Teilschalen 2 und 3 ist aufgerauht und hat eine Korngröße von ^r>0 (im und mehr. Diese aufgerauhte Oberfläche ist mil einem schwarzen Zweikomponentenl'olyestermatllack beschichtet, der die Funktion eines Lichiabsorbers hai. Beide Teilschalen sind an ihren ungeteilten Seitenflächen gut wärmeleitend mii einer Wärmesenke 6 bzw. 7, beispielsweise einer ausgedehnten Stahlplatte, verbunden. Innerhalb des zylindrischen Hohlraums ist unter Wahrung eines ausreichenden Luftzwischenraums 5 zur Innenwandung 4 der Teilschalen 2 und 3 ein zylindrischer Hohlspiegel 8 angeordnet, der in zwei entsprechende Teilschalen 9 und 10 unterteilt ist. Beide Teilschalen 9 und 10 bestehen aus einem transparenten Material, beispielsweise Quarzglas, und sind auf der Innenseite mit einen frequenzsclektiv reflektierende Eigenschaften aufweisenden Belag

11 versehen. Der zylindrische Hohlspiegel weist einen elliptischen Querschnitt auf. Beide Teilschalen 9 und 10 sind durch das Filter 12 voneinander getrennt. Innerhalb des von der Teilschale 9 und dem Filter 12 gebildeten Teilraums ist die stabförmige Anregungslichtquelle 13 und innerhalb des von der Teilschale 10 und dem Filter

12 gebildeten Teilrauins das stabförmige stimulierbare Medium 14 jeweils längs einer Brennlinie ungeordnet.

Das stabförmige stimulierbare Medium, vorzugsweise ein neodymdotierter Yilrum-Aluminium-Granutslab. hat Absorptionsbunden i/n Hereich /wischen 0.7 und 0,9 μιη und erzeugt eine kohärente Strahlung bei 1.06 μην Der frequenzselektiv reflektierende Belag .ml der Innenwandung der I'eilsehalen 9 und 10 besieht .ms einer größeren Anzahl dielektrischer Schichten, «.lic in ihrer Aufeinanderfolge und Bemessung so ausgebildet sind, daß sie lediglich Strahlung im Bereich von 0.7 bis 0,9 μm nahezu vollständig reflektieren, während sie Im die Strahlung im Bereich unterhalb 0,7 μιη und oberhalb 1,0 um nur eine geringe Reflexion haben. Das entsprechende Transmissionsdiagramm der Transmis sion 7"bzw. der Reflexion R über der Wellenlänge λ in /du ist in Fig. i dargestellt. Hierbei bedeuten die ausgezogene Kurve \ den Transmissionsverlauf und die unterbrochen gezeichnete Kurve Ii den Reflevionsver lauf.

Das Filter 12 ist ebenfalls dielektrisch beschichtet und weist die in F i g. 4 über der Wellenlänge /. in um aufgetragene Transmission rauf. Wie tier Kurveiner lauf zeigt, laßt dieses Filter lediglich die Strahlung der Wellenlängen zwischen 0,7 und 1,0 μηι praktisch verlustlos durch, wahrend es die darüber- und darunterliegenden Spektralbereiche weilgehend sperrt.

Auf diese Weise wird erreicht, daß die Stralilungs energie der Aiiregiiiigslichiquelle in deii|cnigen Spek tralbereichen, die für die Anregung des stimulierbaren Mediums 14 unwirksam sind, durch die Teilschalen 9 und 10 des Hohlspiegels 8 hiiulurchtreten und in dem durch die Innenwandung 4 der Teilschalen 2 und 3 gebildeten Lichtsumpf absorbiert werden Dieser Vorgang im durch die krummlinigen !Teile in F i g. 1 angedeutet.

Der Längsschnitt! in Fig. 2 zeigt zusätzlich zum Querschnitt nach Fig. I die stirnseitigen Abschlußwän de 15 und 16 des />!iiu!ere!liptischen Hohlspiegels H einschließlich der dahinterliegenden Wandungsteile der Feilschalen 2 und J des Gehäuses. Die Abschlul.iw.iinlc 15 und 16dienender Halterung der Teilschalen 9 und IO des Hohlspiegels 8. des Filters 12 der Aiiregnngslicht quelle 13 und des stimulierbareii Mediums 14. Wie Fig. 2 ferner erkennen läßt, münden durch die Abschlußwände 15 und 16 hindurchfiihrendc Kanäle 17 und 18 in den gegenüberliegenden Gehäusew.mdungen in den Innenraum des Hohlspiegels 8. du· d.ihei \on außen nach innen eine Neigung gegen die I lohlspiegel achse aufweisen. Der Neigungswinkel lsi dabei so gewählt, daß die Kühlluft die /11 kühlenden Bauteile, nämlich das stabförmige slinuilierbare Medium 14 und die stabförmige Anregungslichtquelle 15. möglichst

wirksam umströmen. Die Luftströmung winl durch ein in I i g. 2 nicht sichtbares Gebläse auf seilen der Kanäle 17 erzeugt. Die Stromungsriehtung durch den lnnenrauin des Hohlspiegels 8 ist durch die im iiereich der Kanäle 17 und IH angegebenen Pfeile markiert.

Im Unterschied zu F i g. 1 ist in F i g. 2 die Rauhigkeit dei Innenwandung der Tcilschalen 2 und 3 dadurch herbeigeführt, daß in die Innenwandung des Gehäuses senkrecht zur /.eichenebene eng ancinandeiliegende Cicwindegänge eingeschnitten sind, deren Öffnungswinkel etwa bO" beträgt. Diese Art der Aufraiihung der Innenwandung hat den Vorteil, dall die beim ersten Auftreffen auf die Wandung nicht absorbierenden .Strahlanteile in den Gewindegängen mehrfach reflektiert werden und somit die Absorber« irkung besonders groll ist.

Bei einer¹ nach der I ι findung gestalteten Laser.',nor niing. die mit einer Pulsfrequenz »on b bis Hi Hz ns Impulse mii einer Impulsenergie \<>n A MW eivetij. lallt sich die ausreichende Mifiihr der anfallctidi. Verhistv arme in der < iröl.!e;ii>idining \on hi! Ins !Od mit der in F i g. 2 angedeuteten cnl'aeheii ( ich!äsi.'hel·. lung beherrschen, und /war auch ,ici ¹HgJ¹IsIiL¹I Bedingungen, wie sie beispielsweise durch IvI Aiil.ieinciMperatiireri gegeben '-ein können In diese /.iisamuienl'.ang ist es erwähnenswert, dall «.las Filter /wischen dem stimulierbaren Medium 14 und d Anregungslichtciuellc 13 auch ein Absorptions-Ka tenglas sein kann, das Strahlung einer Wellenläng oberhalb von 0,9 μιη in ausreichendein Malle sperrt, al' nicht unbedingt ein mit dielektrischen Schiehn aufgch.iütes Filter zu sein braucht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker (Laser) mit einem von einem Gehäuse umgebenen Anregungsspiegel, dessen Innenraum von einem für Wärmestrahlung in hohem Maße undurchlässigen Filter in zwei Teilräume, und zwar in einen Teilraum mit einem festen stimulierbaren Medium und einen Teüraum mit einer Anregungslichtquelle, unterteilt ist, bei dem wenigstens einer der beiden Teilräume des Anregungsspiegels mit einem Kühlmittel durchströmt ist und bei dem das Gehäuse in gut wärmeleitender Verbindung mit einer Wärmesenke steht, dadurch ge ken η /eich η e I, daß der Anregungsspiegel (8) ein auf seiner Innenseite mit einem frequenzselektiv reflektierenden Überzug (11) versebener transparenter Hohlkörper ist, der unter Wahrung eines l.uftzwischenraumes (5) innerhalb des ihn umgebenden Gehäuses (jj angeordnet ist und daß die Gehäuseinnenwaniiung (4) mit einem lichtabsorbierenden Belag versehen ist.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung (4) des Gehäuses (JJ eine Rauhigkeit aufweist, deren Korngröße groß gegenüber der Wellenlänge der zu absorbierenden .Strahlanteile der Aiiiregungslichtquelle (I J) ist.

J. Optischer Sender oder Verstarker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhigkeit der Innenwandung (4) des Gehäuses (jj aus dicht aneinander anschließenden gewindeartigen Rillen mit einem Öffnungswinkel von etwa 60" besteht.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtabsorbierende IJelag ein schwarzer Zweikoniponenlen-Poly estermat thick ist.

^. Optischer Sender oder Verstärker nach einem tier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anregungsspiegel (8) ein elliptischer llohlzylinder ist, daß ferner das stiinulierbare Medium (14) und die Anregungslichlquelle (1.3) stabförmig ausgebildet sind und sich jeweils längs einer lirennlinic des llohlzylinders erstrecken und daß der llohlzylinder samt dem Filter (12). dem siiimilicrbarcn Medium (14) und der Anregungslichiquelle (13) in stirnseitigen Abschlußwänden (15, 16) gehaltert sind, die den llohlzylinder begrenzen und mit dem Gehäuse verbunden sind.

b. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder wenigstens über seine stirnseitigen Abschliißwände (15, 16) mit dem Gehäuseaußenraum über Teile eines Kühlsystem* bildende Kiihlkaniile (17,18) verbunden ist.

7. Optischer Sender oiler Verstärker nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder zusammen mit den Kühlkanälen (17, 18) einen Liiftführungskanal bildet, der an ein Gebläse angeschlossen ist.