DE2542833A1 - Optischer sender oder verstaerker (laser) - Google Patents

Optischer sender oder verstaerker (laser)

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DE2542833A1 DE19752542833 DE2542833A DE2542833A1 DE 2542833 A1 DE2542833 A1 DE 2542833A1 DE 19752542833 DE19752542833 DE 19752542833 DE 2542833 A DE2542833 A DE 2542833A DE 2542833 A1 DE2542833 A1 DE 2542833A1
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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S3/091Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
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    • H01S3/0941Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • HELECTRICITY
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    • H01S3/0933Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by incoherent light of a semiconductor, e.g. light emitting diode

Description

  • Optischer Sender oder Verstärker (Laser)
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender oder Verstärker (Laser) mit einem stabförmigen stimulierbaren Festkörpermedium, das im Innern einer Beleuchtungsanordnung, beste'-end aus einem Hohlspiegel und einer Anregungslichtquelle, angeordnet ist und bei dem die Anregungslichtquelle ein Emissionsdiodenarray ist, dessen Emissionsspektrum im Bereich des Absorptionsspektrums des stimulierbaren Festkörpermediums liegt.
  • Um einen möglichst optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es bei optisch angeregten Bestkörperlasern erforderlich, die Anregungslichtquelle möglichst Vollständig in das stimulierbare Festkörpermedium abzubilden. Dies geschieht vielfach mittels einer Hohlspir-gelanordnung, die sowohl das Bestkörperzedium als auch die Anregungslichtque.lle in sich aufnimmt. Anregungslichtquellen, insbesondere Bogenentladungslampen oder Glwnlampen, weisen ein relativ breites Emissionsspektrum auf. Das Absorptionsspektrum gängiger stimulierbarer Festkörpermedien beträgt dagegen nur ein Zehntel bis ein Zwanzigstel des Emissionsspektrums solcher hnregullgslichtquellen. Der hierdurch bedingte schlechte Wirkungsgrad in der Größenordnung von einem halben bis ein Prozent erfordert im Zusammenhang mit der für die Abbildung der Anregungslichtquelle auf das Festkörpermedium erforderlichen Hohlepiegelanordnung umfangreiche Maßnahmen zur ausreichenden Wärmeabfuhr. Außerdem ist die Lebensdauer solcher Anregungsquellen infolge der von ihnen zu fordernden hohen Lichtleistung stark begrenzt.
  • Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, ist es bekannt, anstelle von Bogenentladungslampen oder Glühlampen Lumineszenzdioden zur Anregung von Bestkörpermedien zu verwenden. Wegen der bei solchen Dioden erzielbaren geringen Lichtausbeute ist es erforderlich, eine größere Anzahl solcher Dioden im Parallelbetrieb vorzusehen. Das Emissionsspektrum gängiger Bumineszenzdioden entspricht in etwa der Breite des Absorptionsspektrums verwendeten Festkörpermedien und läßt sich auch durch geeignete Wahl solcher Lumineszenzdioden an das Absorptionsspektrum anfassen.
  • Bei den durch die US-PS 3 663 893 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 Bumineszenzdioden zum Einsatz zu bringen. Auch ist es durch die US-PS 3 711 789 bekannt, mehrere Lumineszenzdiodenreihen, die parallel zur St&bachse des stimulierbaren Festkörpermediums ausgerichtet sind, um dieses herum anzuordnen.
  • Wie die Praxis zeigt, sind solche Anordnungen jedoch nicht geeignet, größere Materialvolumen für eine energiereiche stimulierte Strahlung in ausreichendem Maße anzuregen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Laseranordnung, deren stimulierbares Festkörpermedium mittels Emissionsdioden angeregt wird, eine weitere Lösung aufzuzeigen, die sich besonders für die Anregung größerer Naterialvolumina solcher Festkörpermedien eignet.
  • Diese Aufgabe wird für einen optischen Sender oder Verstärker der einleitend beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Hohlspiegel als zylindrischer Parabolspiegel &usgebildet ist, in dessen Brennlinie das stabförmige Festkörpermedizm mit seiner Stabachse angeordnet ist, daß ferner der zylindrische Parabolspiegel in seiner Aperturebene mit einem seiner Apertur angepaßten zweidimensionalen Emissionsdiodenarray abgeschlossen ist und daß im Sinne einer optimalen geometrisch optischen Dimensionierung der Beleuchtungsanordnung der Strahlöffnungswinkel t der Emissionsdioden und der Querschnitt des stimulierbaren Festkörpermediums aneinander angepaßt sind.
  • Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß mittels einer geeigneten Anpassung des Strahlöffnungswinkels der Emissionsdioden in der genannten Art bei der angegebenen geometrischen Konfiguration der Beleuchtungsanordnung eine große Anzahl von Emissionsdioden gleichzeitig als Anregungslichtquelle wirksam werden können und hierdurch in vorteilhafter und einfacher Weise die Möglichkeit gegeben ist, auch grobe Materialwolumina. wirkungsvoll anzuregen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der das stimulierbare Festkörpermedium einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Radius r hat, genügt der Strahlöffnungswinkel t des effektiven Emissionskegels der Emissionsdioden der Beziehung wobei p/2 der Abstand zwischen Brennlinie und Scheitel des zylindrischen Parabolspiegels und y2 das zweifache Produkt aus p und der Koordinate x eines rechtwinkligen Koordinatensysters x, y ist, dessen Nullpunkt mit dem Scheitel und dessen x-Achse mit der Symmetrieachse der Kontur des zylindrischen Parabolspiegels zusammenfällt. Unter dem effektiven Emissionskegel wird in diesem Zusammenhang das zur Hauptstrahlrichtung symmetrische Strahlbündel verstanden, dessen Randintensität nur noch ca. 20% der Strahlintensität in Hauptstrahlrichtung aufweist. Da im allgemeinen davon auszugehen ist, daß die Dioden des Emissionsdiodenarrays einen Öffnungswinkel 7> ihres effektiven Emissionskegels aufweisen, der größer ist als es der oben angegebenen Bedingung entsprtcht, ist es sinnvoll, die gegenseitige Anpassung des Strahlöffnungswinkels t der Emissionsdioden und des Querschnitts des stimulierbaren Festkörpermediums durch ein dem Emissionsdiedenarray vorgeordnetes Linsenarray herbeizuführen.
  • Ein solches Linsenarray kann in vorteilhafter Weise durch ein Hologramm in Gestalt eines holografischen Phasengitter-Linsenarrays verwirklicht sein.
  • Zweckmäßig wird der Innenraum des zylindrischen Parabolspiegels mit einer gleichzeitig der Kühlung dienenden Immersionsflüssigkeit angefüllt. Durch geeignete Wahl des Bredungsindex der Immersionsflüssigkeit läßt sich nämlich in vorteilhafter Weise der Grenzwinkel der Totalreflexion der Strahlaustrittsfläche einer Emissionsdiode und damit der Strahlöffnungswinkel t im gevgnschten Sinne anpassen.
  • An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten Fig. 1 ein die optimale geometrisch optische Dimensionierung der Beleuchtungseinrichtung erläuternde Darstellung eines optischen Senders oder Verstärkers nach der Erfindung, Fig. 2 die räumliche Grobdarstellung eines optischen Senders oder Verstärkers nach der Erfindung.
  • Die geometrischen Abstrahleigenschaften der Energie J einer Emissionsdiode können in guter Näherung durch die Funktion J = f(cosnr) dargestellt werden.
  • Der vom Öffnungswinkel t eingeschlossene effektive Emissionskegel kann, sofern dies erforderlich ist, durch optische Hilfsmittel in bestimmten Grenzen verändert werden. Mit n = 1 liegt ein 22 -Strahler vor, wie er bei einer Halbkugellumineszenzdiode realisiert ist. Hinsichtlich eines optimalen Wirkungsgrades der aus einem flächenförmigen Emissionsdiodenarray bestehenden Anregungslichtquelle, die in der Aperturebene eines zylindrischen Parabolspiegels angeordnet ist und bei der das stabförmige stimulierbare Medium mit seiner Stabachse in der Brennlinie dieses zylindrischen Parabolspiegels angeordnet ist ? muß der unter dem Öffnungswinkel t eingeschlossene effektive Rzissionskegel einer jeden Emissionsdiode das stabförmige stimulierbare Medium vollkommen durchdringen.
  • Die Randbedingung, bei der dies gerade noch verwirklicht wird, ist in der Fig. 1 dargestellt. Fig. 1 zeigt in einem rechtwinkligen Koordinatensystem mit der Abszisse x und der Ordinate y die Kontur eines zylindrischen Parabolreflektors Po mit der x-Achse als Symmetrieachse und dem Nullpunkt des Koordinatensystems als Scheitelpunkt. Die nur punktförmig dargestellte Brennlinie F weist vom Scheitelpunkt 0 den Abstand p/2 auf. Das stabförmige stimulierbare Festkörpermedium Ls hat kreisförmigen Querschnitt mit dem Radius r. Auf der Kontur des zylindrischen Parabolreflcktors Po ist ein Punkt a(x1, y1) angegeben, für den die erwähnte Randbedingung des Öffnungswinkels t des effektiven Emissionskegels einer Emissionsdiode dargestellt ist, und zwar ist aus Gründen der Vereinfachung der Öffnungswinkel t vom Punkt A einerseits gegen das stimulierbare Festkörpermedium Ls und andererseits gegen das in Fig. 1 nicht dargestellte Emissionsdiodenarray aufgezeichnet. Der Öffnungswinkel T iot dabei so gewählt, daß der effektive Emissionekegel der Emissionsdiode im Ordinatenpunkt y1 mit den Randstrahlen das stimulierbare Festkörpermedium Ls in den Punkten D und D' tangiert. Ferner ist in Fig. 1 die Verbindungslinie 1 zwischen der Brennlinie F und dem Punkt A eingezeichnet. Sie halbiert den Öffnungswinkel5c zwischen den vom Punkt A ausgehenden Randstrahlen und zeigt an, daß bei dieser Randbedingung die Beziehung gilt sin - 1 2 r Hieraus ergibt sich unter Berücksichtigung des Abstandes der Brennlinie F vom Scheitel 0 und der laufenden x-Koordinate die Beziehung Eine in dieser Weise dimensionierte Laseranordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Die Aperturöffnung des zylindrischen Parabolspiegels Po ist vollständig von einem Emissionsdiodenarray Da verschlossen, das hierbei aus einem dichten Raster von Emissionsdioden besteht und vorzugsweise in integrierter Technik ausgeführt ist. Zur genauen Anpassung des Öffnungswinkels 4~ des effektiven Emissionskegels der Emissionsdioden ist dem Diodenarray ein in Fig. 2 lediglich angedeutetes Linsenarray La vorgeordnet.
  • Ein solches Linsenarray kann aus zusammengesetzten Sammellinsen, z.B. Glas- oder Kunstharzpreßlinsen, bestehen. Es kann auch ein nach lithografischem Verfahren hergestelltes Linsenarray sein oder ein Phasengitter-Linsenarray, das durch ein Hologramm verwirklicht ist.
  • Im allgemeinen werden die Emissionsdioden Tumineszenzdioden auf Halbleiterbasis sein, wie Galliumarsenid, Galliumaluminiumarsenid und Galliumarsenidphosphid. Sie lassen sich für ein sehr schmales Emissionsspektrum bei der stärksten Absorptionsbande des Neodyms bei 0,8/im abstimmen und eignen sich daher in besonderer Weise für das Anregen von neodymdotierten Kristallen oder Gläsern. Unter bestimmten Voraussetzungen können anstelle von Lumineszenzdioden auch Laserdioden zur Anwendung gelangen. Auch ist es vorteilhaft, anstelle des aus Einzeldioden zusammengesetzten Diodenrasters ein voll integriertes Emissionsdiodenarray zu verwenden.
  • 5 Patentansprüche 2 Figuren

Claims (5)

  1. Patentansprüche 1. Optischer Sender oder Verstärker (Laser) mit einem stabförmigen stimulierbaren Festkörpermedium, das im Innern einer Beleuchtungsanordnung, bestehend aus einem Hohlspiegel und einer Anregungslichtquelle, angeordnet ist und bei dem die Anregungslichtquelle ein Emissionsdiodenarray ist, dessen Emissionsspek trum im Bereich des Absorptionsspektrums des Festkörpermediums liegt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Hohlspiegel als zylindrischer Parabolspiegel (Po) al1sgebildet ist, in dessen Brennlinie (F) das statförmige Sestkörpermediuln (Ls) mit seiner Stabachse angeordnet ist, daß ferner der zylindrische Parabolspiegel in seiner Aperturebene mit einem seiner Apertur angepaßten zweidimensionalen Emissionsdiodenarray (Da) abgeschlossen ist und daß im Sinne einer optimalen geometrisch optischen Dimensionierung der Beleuch tungsanordnung der Strahlöffnungswinkel -r der Emissionsdiode und der Querschnitt des stimulierbaren Festkörpermediums aneinander angepaßt sind.
  2. 2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, d a -d u r e h g e k e n n z e i c h n e t 5 daß des stimulierbare Bestkörpermedium (Ls) einen kreisförmigen Querschnitt mit dem Radius r hat und daß der Strahlö.ffnungswinkel # des effektiven Emissiorskegels der Binissionadioden der Beziehung genügt, wobei p/2 der Abstand zwischen Brennlinie und Scheitel des zylindrischen Parabolspiegels und y² das zweifache Produkt aus p der Koordinate x eines rechtwinkligen Koordinatensystems x, y ist, dessen Nullpunkt mit dem Scheitel und dessen x-Achse mit der Symmetrieachse der Kontur des zylindrischen Parabolspiegels zusammenfällt.
  3. 3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die gegenseitige Anpassung des Strahlöffnungswinkels t der Emissionsdioden und des Querschnitts des stimulierbaren Festkörpermediums durch ein dem Emissionsdiodenarray (Da) vorgeordnetes Linsenarray (La) herbeigeführt ist.
  4. 4. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Linser.-array (La) durch ein Hologramm in Gestalt eines holografischen Phasengitter-Linsenarrays verwirklicht ist.
  5. 5. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Innenraum des zylindrischen Parabolspiegels mit einer gleichzeitig der Kühlung der Gesamtanordnung dienenden Ilazersionsflüssigkeit angefüllt ist.
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