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Optischer Sender oder Verstärker (Laser)
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wie die Praxis zeigt, sind solche Anordnungen jedoch nicht geeignet,
größere Materialvolumen für eine energiereiche stimulierte Strahlung in ausreichendem
Maße anzuregen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein solches Linsenarray kann in vorteilhafter Weise durch ein Hologramm
in Gestalt eines holografischen Phasengitter-Linsenarrays verwirklicht sein.
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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.
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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.
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Die geometrischen Abstrahleigenschaften der Energie J einer Emissionsdiode
können in guter Näherung durch die Funktion J = f(cosnr) dargestellt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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5 Patentansprüche 2 Figuren