DE2542652C3 - Optischer Sender oder Verstärker (Laser) - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich at¹' ;inen optischen Sender oder Verstärker (Laser) mit einer Belichtungseinrichtung, innerhalb derer ein stabförmiges stimulierbares Festkörpermedium und als Anregungslichtquelle für dieses Emissionsdiodenarrays angeordnet sind, deren Dioden ein im Bereich des Absorptionsspektrums des stimulierbaren Festkörpermediums liegendes Emissionsspektrum aufweisen.

Um einen möglichst optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es bei optisch angeregten Festkörperlatern erforderlich, daß das Licht der Anregungslichtquelle möglichst vollständig das stimulierbare Festkörpermedium durchdringt. Hierzu gibt es verschiedene Möglichkeiten. Neben optischen Abbildungssystemen kann von einer zueinander konzentrischen Anordnung von Festkörpermedium und Anregungslichtquelle Gebrauch gemacht werden«

Anregungslichtqüellen, insbesondere Bogenentladungslampen oder Glühlampen, weisen ein relativ breites Emissionsspektrum auf. Das Absorptionsspek^ trum gängiger stimulierbarer Festkörpermedien beträgt dagegen nur ein Zehntel bis ein Zwanzigstel des Emissionsspektrums solcher AnrcgungsÜGhtqucllen, Der hierdurch bedingte schlechte Wirkungsgrad in der Größenordnung von einem halben bis ein Prozent erfordert umfangreiche Maßnahmen für eine ausreichende Wärmeabfuhr. Darüber hinaus ist es von Nachteil, daß die Lebensdauer solcher Anregungslichtquellen infolge der von ihnen zu fordernden hohen Lichtleistungsdichten stark begrenzt ist

Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, ist es bekannt, anstelle von Bogenentladungslampen oder Glühlampen Lumineszenzdioden zur Anregung von Festkörpermedien zu verwenden. Wegen der bei solchen Dioden erzielbaren geringen Lichtausbeute ist es erforderlich, eine größere Anzahl solcher Dioden im Parallelbetrieb vorzusehen. Das Emissionsspektrum bekannter Halbleiterlumineszenzdioden entspricht in etwa der Breite des Absorptionsspektrums gängiger Festkörpermedien und läßt sich auch durch geeignete Wahl solcher Lunüneszenzdioden jeweils an das Absorptionsspektrum eines Festkörpermediunis in gewissen Grenzen anpassen.

Ai's der DE-OS 16 14 531 ist ein optischer Molekular verstärker bekannt bei dem das Spiegelsystem ein ein-, zwei- oder mehrfacher Kreiszylinder ist in dessen Inneren die Pumplichtquelle und das aktive Material in axialer Erstreckung angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Pumplichtqrelle stabförmig ausgebildet und koniantrisch innerhalb eines rohrförmigen aktiven Materials angeordnet wobei das aktive Material mit seinem Außenmantel unmittelbar an der Spiegelinnenfläche anliegt Bei einem anderen Ausführungsbeispiel besteht das aktive Material aus einem Vollstab, während die Pumplichtquelle als doppelwandige rohrförmige Lampe ausgebildet ist, die das aktive Material konzentrisch umschließt Bei beiden Ausführungsbeispielen ist somit jeweils nur eine einzige Pumplichtquelle vorgesehen, die entweder innerhalb des aktiven Materials angeordnet ist oder dieses umschließt.

Bei den durch die US-PS 3i 'S3 893 bekannten Laseranordnungen sind das stabförmige stimulierbare Festkörpermedium und eine größere Anzahl von in einer Reihe angeordneten Lumineszenzdioden, die hierbei parallel zur Stabachse des Festkörpermediums verlaufen, innerhalb eines Hohlspiegels angeordnet. Mittels zweier gegeneinander versetzter Halbschalen eines solchen Hohlspiegelsystems ist es auch möglich, zwei Reihen von Lumineszenzdioden zum Einsatz zu bringen. Ferner ist es durch die US-PS 37 11789 bekannt mehrere Lumineszenzdiodenreihen, die parallel zur Stabachse des stimulierbaren Festkörpermediums ausgerichtet sind, um dieses stabförmige Festkörpermedium herum anzuordnen.

Wie die Praxis zeigt, sind solche Anordnungen jedoch nicht geeignet, größere Materialvolumina für eine energiereiche stimulierte Strahlung in ausreichendem Maße anzuregen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Laseranordnung, deren stimulierbares Festkörpermedium mit Emissionsdioden angeregt wird, eine weitere Lösung aufzuzeigen, die sich besonders für die Anregung größerer Materialvolumina solcher Festkörpermedien eignet.

Diese Aufgabe wird für einen optischen Sender oder Verstärker der einleitend beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Festkörpermedium die Form eines Hohlzylinders hat, daß ein (inneres) Emissionsdiodenarray in Form eines Stabes öder Rohres Innerhalb des hohlzylindrischcn Festkörpern^

OC y)O

diums angeordnet ist und daß ein anderes (äußeres) Emissionsdiodenarray in Form eines Rohres das Festkörpermedium umschließt

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein hohlzylindrisches Festkörpermedium mit großem VoIumen sich mittels jeweils eines das Medium von innen bzw. von außen umgebenden Diodenarrays, bei dem die Dioden zweckmäßig in Form eines dichten Rasters angeordnet £^;iid, gleichmäßig und mit mehrfacher Schwellinversion anregen läßt Darüber hinaus gibt die hier gewählte Konfiguration in weiten Grenzen die Möglichkeit, durch Gestaltung der Emissionsdiodenarrays, durch Wahl des Abstandes der Emissionsdioden vom Festkörpermedium eta eine gewünschte Inversionsverteilung über den Querschnitt des Festkörpermediums zu verwirklichen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen das Festkörpermedium und die beiden Emissionsdiodenarrays einen Kreisring- bzw. einen Kreisquerschnitt auf und sind zueinander konzentrisch angeordnet

Besonders günstig gestalten sich die Verhältnisse, wenn ein zwischen der Außenwandung des hciilzylindriichen Festkörpermediums und dem äußeren Emissionsdiodenarray vorhandener Abstand höchstens so groß gewählt ist daß die Randstrahlen des effektiven Emissionskegels der Emissionsdioden das hohlzylindrische Festkörpermedium tangieren. Unter dem effektiven Emissionskegel wird hierbei das zur Hauptstrahlrichtung symmetrische Strahlbündel verstanden, dessen Randintensität nur noch ca. 20% der Strahlintensität in Hauptstrahlrichtung aufweist

Besonders zweckmäßig ist es, daß zwischen dem hohlzylindrischen Festkörpermedium und sowohl dem äußeren Emissionsdiodenarray einerseits als auch dem inneren Emissionsdiodenarray andererseits ein Zwijchenraum vorhanden ist und daß die Zwischenräume mit einer zugleich der Kühlung dienenden Immersionsflüssigkeit angefüllt sind.

Auch ist es im Hinblick auf eine möglichst optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Anregungslichtes sinnvoll, die Wandstärke des hohlzylindrischen Festkörpermediums so groß zu wählen, daß die ienkrecht auf seine Oberfläche auftreffende Strahlung einer Emissionsdiode beim Durchtritt durch das Festkörpermedium praktisch vollständig absorbiert wird.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 eine räumliche Grobdarstellung eines optifchen Senders oder Empfängers nach der Erfindung,

F i g. 2 Jie schematische Darstellung der Querichnittsabmessungen bei einer Anordnung nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist das hohlzylindrische stimulierbare Festkörpermedium kreisringförmigem Querschnitts mit Ls bezeichnet. Innerhalb dieses Festkörpermediums ist ein Emissionsdiodenarray Da 1 in Rohrform, und zwar mit seiner Achse, konzentrisch zur Zylinderachse des hohlzylindrischen Festkörpermediums angeordnet. Das Emissionsdiodenarray Da 1 weist hierbei einen rasterförmigen Aufbau auf und hat ebenfalls einen kreisringförmigen Querschnitt Der Durchmesser des Emissionsdiodenarrays Da 1 ist kleiner als der Innendurchmesser des hohlzylindrischen Festkörpermediums Ls. Für praktische Ausführungen soll er möglichst groß sein. Der Zwischenraum ist mit ZR1 bezeichnet Das hohlzylindrische Festköifrermedium Ls ist innerhalb des rohrförmigen anderen Emissionsdiodenarrays Da2 konzentrisch angeordnet, das ebenfalls Kreisringquerschnitt aufweist und wie das innere Emissionsdiodenarray Da 1 einen rasterförmigen Aufbau hat Das äußere Emissionsdiodenarray Da 2 liegt ebenfalls nicht an der Wandung des stimulierbaren Fesikörpermediums Ls an, so daß zwischen beiden ebenfalls ein Zwischenraum vorhanden ist, der mit ZR 2 bezeichnet ist Der Strahlenkegel einer Emissionsdiode sowohl des einen als auch des anderen Emissionsdiodenarrays Da 1 bzw. Da 2 ist auf der linken Seite der F i g. 1 durch einen Kreisausschnitt mit einem Pfeil angedeutet

In der Querschnittsdarstellung nach F i g. 2 sind das eine und das andere Emissionsdiodenarray Da 1 und Da 2 lediglich durch einen in unterbrochener Linie dargestellten Kreis angegeben, wobei der Radius Rd₃ 2 den Innendurchmesser des äußeren Emissionsdiodenarrays und der Radius Rd₃ 1 den Außendurchmesser des inneren Emissionsdiodenarrays bezeichnet Ferner ist noch der Innendurchmesser R, und d Außendurchmesscr R₃ des hohlzyündrischcn stimulici barsn Festkörpermediums Ls und der Abstand d zwischen der Außenwandung des Festkörpermediums und der Innenfläche des äußeren Emissionsdiodenarrays Da 2 in F i g. 2 angegeben. Wie bereits die Ausführungsform nach F i g. 1 leicht erkennen läßt ist es hinsichtlich der Optimierung des Wirkungsgrades der Gesamtanordnung unkritisch, in welchem Verhältnis der Radien R, und Rd₃ 1 gewählt sind. In jedem Falle strahlt das Licht der Emissionsdioden dieses inneren Ernissionsdiodenarrays in den Ringraum des Festkörpermediums ein. Anders sieht es hinsichtlich des Verhältnisses der Radien Ro₃ 2 und R₃ bzw. hinsichtlich des Abstandes d aus. Natürlich lassen sich um so mehr Emissionsdioden im äußeren Emissionsdiodenarray Da 2 anordnen, je größer der Radius Rd₃ 2 gewählt ist Je nach dem räumlichen Öffnungswinkel des Strahlkegels einer Emissionsdiode wird bei einem vorgegebenen Abstand d sämtliches Licht oder aber auch nur ein Teil des Diodenlichtes in den Ringraum des stimulierbaren M· diums eingestrahlt. Der Abstand </kann demnach um so größer gewählt werden, je kleiner der räumliche öffnungswinkel des Strahlenkegels einer Emissionsdiode ist. Zweckmäßig wird der Abstand d so festgelegt, daß die Randstrahlen des effektiven tmissionskegels der Emissionsdioden das hohlzylindrische Festkörpermedium Ls tangieren.

Der Grenzwinkel der Totalreflexion der Strahlaustrittsfläche einer Emissionsdiode und damit der öffnungswinkel ihres effektiven Emissionskegels kann dadurch im gewünschten Sinne anpaßbar sein, daß die Zwischenräume ZR 1 und ZR 2 mit einer Immersionsflüssipkeit geeigneten Brechungsindex angefüllt werden. Diese Immersionsflüssigkeit kann gleichzeitig zu Kühlzwecken ausgenutzt werden.

Als Emissionsdioden für gängige Feotkörpermedier wie neodymdotierten Yttrium-Aluminium-Granat und neodymdotierte Gläser eignen sich Lumineszenzdioden auf HalbleiterbasL von Galliumarsenid, Galliumaluminiumarsenid und Gailiumarsenidphosphid. Anstelle von zu Hohlkörpern zusammengesetzten Einzeldioden, wie das in F i g. 1 dargestellt ist, können in vorteilhafter Weise auch vollintegrierte Emissionsdiodenarrays verwendet Werden. Unter bestimmten Voraussetzungen können anstelle von Lamineazenzdioden auch Laserdioden zur Anwendung gelangen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker (Laser) mit einer Belichtungseinrichtung, innerhalb derer ein stabförmiges stimulierbares Festkörpermedium und als Anregungslichtquelle für dieses Emissionsdiodenarrays angeordnet sind, deren Dioden ein im Bereich des Absorptionsspektrums des stimulierbaren Festkörpermediums liegendes Emissionsspektrum aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörpermedium (Ls) die Form eines Hohlzylinders hat, daß ein (inneres) Emissionsdiodenarray (Da 1) in Form eines Stabes oder Rohres innerhalb des hohlzylindrischen Festkörpermediums angeordnet ist und daß ein anderes (äußeres) Emissionsdiodenarray (Da 2) in Form eines Rohres das Festkörpermedium umschließt.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörpen^edium und die beiden EmissionsdiodenoiTouc ^Ds i Ds 2^ einen ICreisrin'*- bzw sinsn Kreisquerschnitt aufweisen und zueinander konzentrisch angeordnet sind.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen der Außenwandung des hohlzylindrischen Festkörpermediuins (Ls) und dem äußeren Emissionsdiodenarray (Dal) vorhandener Abstand (d) höchstens so groß gewählt ist, daß die Randstrahlen des effektiven Emissionskegels der Emissionsdioden das hohlzyliHrische Festkörpermedium tangieren.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der vorhergehenden Knsprüi_ne, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem hohlzylindrischen Festkörpermedium (Ls) und scvohl dem äußeren Emissionsdiodenarray (Da 2) einerseits als auch dem inneren Emissionsdiodenarray (Da 1) andererseits ein Zwischenraum (ZRl, ZR 2) vorhanden ist und daß die Zv/ischenräume mit einer zugleich der Kühlung dienenden Immersionsflüssigkeit angefüllt sind.