DE2542833B2

DE2542833B2 - Optischer Sender oder Verstärker (Laser)

Info

Publication number: DE2542833B2
Application number: DE19752542833
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Victor 8021 Taufkirchen Baumgartner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-25
Filing date: 1975-09-25
Publication date: 1981-07-09
Also published as: DE2542833C3; DE2542833A1

Description

^ 2 arc sin

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genügt, wobei p/2 der Abstand zwischen Brennlinie und Scheitel des zylindrischen Parabolspiegels und y² das zweifache Produkt aus ρ und der Koordinate χ 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. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitige Anpassung des Strahlöffnungswinkels γ der Emissionsdioden und des Querschnitts des stimulierbaren Festkörpermediums durch ein dem Emissionsdiodenarray (Da) vorgeordnetes Linsenarray (La)herbeigeführt ist.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsenarray (La) durch ein Hologramm in Gestalt eines holografischen Phasengitter-Linsenarrays verwirklicht ist.

5. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des zylindrischen Parabolspiegels mit einer gleichzeitig der Kühlung der Gesamtanordnung dienenden Immersionsflüssigkeit angefüllt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender oder Verstärker (Laser) mit einem stabförmigen stimulierbaren Festkörpermedium, das im Inneren einer Bestrahlungsanordnung, bestehend aus einem Hohlspiegel und einer Anregungslichtquelle, angeordnet ist und bei dem die Anregungslichtquelle ein Emissionsdiodenarray ist, dessen Emissionsspektrum im Bereich des Absorptionsspektrums des Fesikörpermediums liegt

Um einen möglichst optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es bei optisch angeregten Festkörperlasern erforderlich, die Anregungslichtquelle möglichst vollständig in das stimulierbare Festkörpermedium abzubilden. Dies geschieht vielfach mittels einer Hohlspiegelanordnung, die sowohl das Festkörpermedium als auch die Anregungslichtquelle in sich aufnimmt Anregungslichtquellen, insbesondere Bogenentladungslampen oder Glühlampen, weisen ein relativ breites Emissionsspektrum auf. Das Absorptionsspektrum gängige·· stimulierbarer Festkörpermedien beträgt dagegen nur ein Zehntel bis ein Zwanzigstel des Emissionsspektrums solcher Anregungslichtquellen. 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 Hohlspiegelanordnung umfangreiche Maßnahmen zur ausreichenden Wärmeabfuhr.

Außerdem ist die Lebensdauer solcher Anregungslichtquellen 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 Festkörpermedien zu verwenden. Wegen der bei solchen Dioden erzielbaren geringen Lichtausbeute ist es erforderlich, eine größere Anzahl solcher Dioden im Parallelbetrieb vorzusehen. Das Emissionsspektrum gängiger Lumineszenzdioden entspricht in etwa der Breite des Absorptionsspektrums verwendeter Festkörpermedien und läßt sich auch durch geeignete Wahl solcher Lumineszenzdioden an das Absorptionsspektrums anpassen. Bei den durch die US-PS 36 63 893 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. Auch ist es durch die US-PS 37 11 789 bekannt, mehrere Lumineszenzdiodenreihen, die parallel zur Stabachse 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 Materialvolumina 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 ausgebildet ist, in dessen Brennlinie das stabförmige Festkörpermedium mit seiner Stabachse angeordnet ist, daß der zylindrische Parabolspiegel in einer Ebene senkrecht zu seiner Symmetrieachse und parallel zur Stabachse des Festkörpermediums offen ist und diese öffnung mit einem zweidimensionalen Emissionsdiodenarray ausgefüllt ist und daß der Strahlöffnungswinkel γ der Emissionsdioden, der Querschnitt des stabförmigen stimulierbaren Festkörpermediums und der Abstand des Emissionsdiodenarrays von der Stabachse des Festkörpermediums derart aneinander angepaßt sind, daß der unter dem Strahlöffnungswinkel γ eingeschlossene effektive Emissionskegel einer jeden Emissionsdiode den vollen Querschnitt des Festkörpermediums durchdringt

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 Bestrahlungsanordnung eine große Anzahl von Emissionsdioden gleichzeitig als Anregungslichtquelle wirksam werden können und hierdurch in voi leilhafter und einfacher Weise die Möglichkeit gegeben ist, auch große Materialvolumina wirkungsvoll anzuregen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der das stimulierbare Festkörpermedium einen kreisf» >rmigen Querschnitt mit einem Radius r hat, genügt der Strahlöffnungswinkel γ des effektiven Emissionskegels der Emissionsdioden der Beziehung

^ 2 arc sin

//2p+p/2

J'

wobei p/2 der Abstand zwischen Brennlinie und Scheitel des zylindrischen Parabolspiegels und y² das zweifache Produkt aus ρ und der Koordinate χ eines rechtwinkligen Koordinatensystems 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 Strahlöffnungswinkel γ ihres effektiven Emissionskegels aufweisen, der größer ist als es der oben angegebenen Bedingung entspricht, ist es sinnvoll, die gegenseitige Anpassung des Strahlöffnungswinkels γ der Emissionsdioden und des Querschnitts des stimulierbaren Festkörpermediums durch ein dem Emissionsdiodenarray vorgeordneles 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 Brechungsindex der Immersionsflüssigkeit läßt sich nämlich in vorteilhafter Weise der Grenzwinkcl der Totalreflexion der Strahlaustrittsfläche einer Emissionsdiode und damit der Strahlöffnungswinkel γ im gewünschten Sinne anpassen.

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

F i g. 1 ein die optimale geometrisch optische Dimensionierung der Bestrahlungseinrichtung erläuternde Darstellung eines optischen Senders oder Vers'.ärkers nach der Erfindung,

F i g. 2 die räumliche Grobdarstellung eines optischen Senders oder Verstärkers nach der Erfindung.

Die geometrischen Abstrahleigenschaften der Energie / einer Emissionsdiode können in guter Näherung durch die Funktion

J =f(cos"y)

dargestellt werden.

Der vom Strahlöffnungswinkel γ eingeschlossene effektive Emissionskegel kann, sofern dies erforderlich ist, durch optische Hilfsmittel in bestimmten Grenzen verändert werden. Mit n=l liegt ein 2jr-Strahler vor, wie er bei einer Halbkugellumineszenzdiode realisiert ist. Hinsichtlich eines optimalen Wirkungsgrades der aus einem flächenförmigen Emissionsdiodenarray bestehenden Anregungslichtquelle, die in der Aperturebene, d. h. in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse eines zylindrischen Parabolspiegels und parallel zur Achse eines stabförmigen stimulierbaren Mediums, angeordnet ist und bei der das stimulierbare Medium mit seiner Stabachse in der Brennlinie dieses zylindrischen Parabolspiegels angeordnet ist, muß der unter

so dem Strahlöffnungswinkel γ eingeschlossene effektive Emissionskegel einer jeden Emissionsdiode das stabförmige stimulierbare Medium vollkommen durchdringen. Die Randbedingung, bei der dies gerade noch verwirklicht wird, ist in der F i g. 1 dargestellt. F i g. 1

i> zeigt in einem rechtwinkligen Koordinatensystem mit der Abszisse χ und der Ordinate y die Kontur eines zylindrischen Parabolreflektors Po mit der jr-Achse als Symmetrieachse und dem Nullpunkt des Koordinatensystems als Scheitelpunkt. Die nur punktförmig

4« dargestellte Brennlinie F weist vom Scheitelpunkt O den Abstand p/2 auf. Das stabförmige stimulierbare Festkörpermedium Ls hat kreisförmigen Querschnitt mit dem Radius r. Auf der Kontur des zylindrischen Parabolreflektors Po ist ein Punkt A(x\, y\) angegeben,

■<■' für den die erwähnte Randbedingung des Strahlöffnungswinkels γ des effektiven Emissionskegels einer Emissionsdiode dargestellt ist, und zwar ist aus Gründen der Vereinfachung der Strahlöffnungswinkel γ vom Punkt A einerseits gegen das stimulierbare Festkörper-

⁵⁽¹ medium Ls und andererseits gegen das Emissionsdiodenarray aufgezeichnet. In der unteren Hälfte der F i g. 1 ist jedoch zur Darstellung des geometrisch optischen Verlaufs der Diodenstrahlung eine Diode Da mit dem von ihr ausgesandten Emissionskegel mit dem

« Strahlöffnungswinkel y eingezeichnet. Der Strahlötfnungswinkel γ ist so gewählt, daß der effektive Emissionskegel der Emissionsdiode im Ordinatenpunkt Ki mit den Randstrahlen das stimulierbare Festkörpermedium Ls in den Punkten D und D' tangiert. Ferner ist

ω in F i g. 1 die Verbindungslinie /zwischen der Brennlinie F und dem Punkt A eingezeichnet. Sie halbiert den Strahlöffnungswinkel γ zwischen den vom Punkt A ausgehenden Randstrahlen und zeigt an, daß bei dieser Randbedingung die Beziehung gilt

y ₌

Hieraus ergibt sich unter Berücksichtigung des Abstandes der Brennlinie F vom Scheitel O und der laufenden x-Koordinate die Beziehung

γ — 2 arc sin

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 Strahlöffnungswin.kels γ des effektiven Ernissionskegels der Emissionsdioden ist dem Diodenarray ein in F i g. 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 ι verwirklicht ist.

Im allgemeinen werden die Emissionsdioden Lumineszenzdioden auf Halbleiterbasis sein, wie Galliumarsenid. Galliumaluminiumarsenid und Galliumarsenidphosphid. Sie lassen sich für ein sehr schmales

κι Emissionsspektrum bei der stärksten Absorptionsbande des Neodyms bei 0,8 μιτι abstimmen und eignen sich daher in besonderer Weise für das Anregen von neodymdotierten Krislallen oder Gläsern. Unter bestimmten Voraussetzungen können anstelle von Lumi-

i^r> neszenzdioden auch Laserdioden zur Anwendung gelangen. Auch ist es vorteilhaft, anstelle des aus Einzeldioden zusammengesetzten Diodenrasters ein vollintegriertes Emissionsdiodenarray zu verwenden.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker (Laser) mit einem stabförmigen stimulierbaren Festkörpermedium, das im Inneren einer Bestrahlungsanordnung, bestehend aus einem Hohlspiegel und einer Anregungslichtquelle, angeordnet ist und bei dem die Anregungslichtquelle ein Emissionsdiodenarray ist dessen Emissionsspektrum im Bereich des Absorptionsspektrums des Festkörpermediums liegt, d a durch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel als zylindrischer Parabolspiegel (Po) ausgebildet ist in dessen Brennlinie (F) das stabförmige Festkörpermedium (Ls) mit seiner Stabachse angeordnet ist, daß der zylindrische Parabolspiegel (Po) in einer Ebene senkrecht zu seiner Symmetrieachse und parallel zur Stabachse des Festkörpermediums (Ls) offen ist und diese Öffnung mit einem zweidimensionalen Emissionsdiodenarray (Da) ausgefüllt ist und daß der Strahlöffnungswinkel 'γ der Emissionsdioden, der Querschnitt des stabförmigen stimulierbaren Festkörpermediums (Ls) und der Abstand des Emissionsdiodenarrays (Da) von der Stabachse des Festkörpermediums (Ls) derart aneinander angepaßt sind, daß der unter dem Strahlöffnungswinkel γ eingeschlossene effektive Emissionskegel einer jeden Emissionsdiode den vollen Querschnitt des Festkörpermediums durchdringt.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Festkörpermedium (Ls)einen kreisförmigen Querschnitt mit dem Radius rhat und daß der Strahlöffnungswinkel γ des effektiven Emissionskegels der Emissionsdioden der Beziehung