DE2545335A1

DE2545335A1 - Apertur-abschwaecher zur verwendung mit lasern

Info

Publication number: DE2545335A1
Application number: DE19752545335
Authority: DE
Inventors: Keith Allen Brueckner; Siebe Jorna; Larry Dean Siebert
Original assignee: KMS Fusion Inc
Current assignee: KMS Fusion Inc
Priority date: 1974-10-09
Filing date: 1975-10-09
Publication date: 1976-04-22
Also published as: FR2287789A1; US3990786A; NL7511749A; IL48151A0

Description

Apertur-Abschwächer zur Verwendung mit Lasern

Die Erfindung betrifft einen Apertur-Abschwächer zur Verwendung mit Lasern, mit einem auf der optischen Achse des Laserstrahles angeordneten optischen Element, das eine ringförmige, durch opti- ' sehe Fenster begrenzte Kammer zur Aufnahme einer Farbstofflösung : aufweist, welche denselben Brechungsindex hat wie die optischen Fenster.

JDer Aufbau und die Auslegung von Apertur-Abschwächern, die zuweisen auch als "Apodizer" bezeichnet werden, werden seit einiger jZeit untersucht. Dabei tritt das Problem auf, die Beugung des Lasei-[Strahles beim Hindurch lau fen durch die verschiedenen Stufen eines !optischen Systems möglichst klein zu halten. Es ist natürlich wich-·

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ftig, daß eine möglichst große Energiemenge durchgelassen wird, so < daß keine nennenswerten Verluste auftreten.

jln einer anderen Anmeldung (Anmelder Robert L. Nolen und Larry D. Biebert, Titel "High Power Laser Apodizer", US Serial No. 513 34o

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ist das Problem der Aperturabschwächer allgemein behandelt und die Verwendung eines Farbstoffes für diese Anordnungen offenbart.

Durch die vorliegende Erfindung soll das Intensitätsprofil eines

'gebündelten Laserstrahles geformt werden, um die durch Beugung .induzierte Selbstfokussierung in Glaslaserverstärkern möglichst jklein zu halten.

Durch die Erfindung soll ferner eine einfache und zuverlässig arbeitende Vorrichtung zur Einstellung von Intensitätsprofilen ge- !schaffen werden und eine Aperturanordnung geschaffen werden, die

so ausgelegt werden kann, daß ein optimaler Kompromiß zwischen der !durchgelassenen Energiemenge und der Minimalisierung derp3eugungs- !effekte erhalten werden kann. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß !durch einen Aperturabschwächer gemäß Anspruch 1 gelöst. Bei dem

!erfindungsgemäßen Aperturabschwächer ist die Geometrie der Kammer

[für den Farbstoff so gewählt, daß optimale Betriebsbedingungen I

erhalten werden. Es versteht sich, daß ein erfindungsgemäßer Aperturabschwächer auch zum Formen von Intensitätsprofilen normaler tichtbündel verwendet werden kann.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels jund unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert

Ein dieser zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen

Aperturabschwäeher;

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Fig. 2 bis 4 Energieflußdiagramme, in denen die Intensitäts-

profile der durchgelassenen Strahlen für Abstände vom Aperturabschwächer von O, 2 und 8 m dargestellt sind.

|ln Fig. 1 ist ein fensterförmiger Abschwächer dargestellt, der einen äußeren Tragring Io aufweist. In dem Tragring Io ist eine Öffnung JL2 ausgebildet, die durch einen Stopfen 14 verschlossen ist. Auf jäer Seite, auf der der Laserstrahl einfällt, ist im Tragring Io Öes Abschwächers eine Aperturöffnung 16 ausgebildet, welche in

feiner Öffnung 18 endet, die an der anderen Seite des Tragringes !vorgesehen ist. Zwischen der Aperturöffnung 16 und der öffnung 18 , liegt ein Abschnitt 18, der kleineren Durchmesser aufweist als die vorgenannten Öffnungen, so daß zwei Schultern gebildet werden. Bei \ diesen sind zwei O-Ringe 22,24 angeordnet. In der Aperturöffnung ; 16 ist ein massiver Zylinder 3o aus Glas oder Quarz angeordnet, I jäer mit seiner Innenseite auf dem O-Ring 22 aufsitzt. Auf der an- !

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äeren Seite des Tragringes ist in der Öffnung 18 ein Glasstopfen j A angeordnet, der mit 4o bezeichnet ist. Dieser weist einen Ring^

jförmigen zylindrischen Abschnitt 42 auf, dessen innere Kante auf i _:

äem O-Ring 24 aufsitzt. . :

Cn den zwischen dem Zylinder 3o und dem Glasstopfen 4o liegenden ringförmigen Raum kann eine Flüssigkeit eingefüllt werden. Dieser ringförmige Raum weist eine solche Form auf, daß in den gewünschter Abschnitten des Strahlquerschnittes die gewünschte Menge Abschwä-

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eherfärblösung untergebracht werden kann. Dies geschieht deshalb, jum die Beugungsringe, die durch eine in einen Laserstrahl gestellte Apertur erzeugt werden, dadurch auszuräumen, daß beim Rand des Strahles eine allmählich zunehmende Abschwächung vorgenommen wird.

Soll der Laserstrahl nicht optisch verzerrt werden, so muß offensichtlich die in dem ringförmigen Raum enthaltene Farbstofflösung ; denselben Brechungsindex aufweisen wie die durch den Zylinder 3o und den Glasstopfen 4o gebildeten Fenster. Zur Abschwächung von j Laserstrahlen in Farbstoffzellen ist z.B. schon in Wasser gelöstes Kupfersulfat verwendet worden; es gibt jedoch kein geeignetes ; Fenstermaterial, dessen Brechungsindex dem der wässrigen Lösung ^: angepaßt wäre. In ähnlicher Weise sind Versuche unternommen worden, mit einer Mischung aus DmSOrH₃O und Benzylalkohol in Wasser eine Anpassung für Quarzfenster zu erhalten. Dies führte jedoch zu i ;nichtstabilen Lösungen, in denen ein Kupfersalz ausgefällt wurde, j

j Bei Laseranordnungen großer Leistung wird sehr häufig Neodymglas ;

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!verwendet. Dieses gibt eine Strahlung ab, die im infraroten Beireich des Spektrums bei I,o6 u liegt und für das menschliche Auge ; nicht sichtbar ist. Es ist deshalb vorteilhaft, in einem Apertur- : •abschwächer eine Flüssigkeit zu verwenden, die mit dem verwendeten

[Glas kompatibel ist und eine derartige Formung des Laserstrahles unterstützt, bei der die durch Beugung induzierte Selbstfokussie- ;

rung möglichst klein gehalten wird. Die Flüssigkeit muß in Anwesen heit des Laserstrahles stabil sein, so daß sie durch die bei der Absorption von Photonen erfolgenden elektronischen übergänge nicht

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nachteilig beeinflußt wird. Die Transmission darf nicht anwachsen, wenn die Leistung anwächst.

'Es wurde gefunden, daß eine zufriedenstellend arbeitende Farbstofflösung aus Kupfernitrat, Cu(NO₃)~ und einer wässrigen Lösung aus Dimethylsulfoxid, (CH₃)-SOiH-O, hergestellt werden kann. Die Konzentration von Diraethylsulfoxid in Wasser kann leicht so eingestellt werden, daß eine Brechungsxndexanpassung an Abschwächerfenster aus Quarzglas bei einer Wellenlänge von I,o6 u bei fast jeder Betriebstemperatur erhalten wird.

In dem zwischen dem Zylinder 3o und dem Glasstopfen 4o liegenden _;ringförmigen Raum ist daher eine geeignete, nicht bleichbare Flüssigkeit 5o der oben beschriebenen Art eingefüllt, was in Fig. 1 durch die feine Schraffur angedeutet ist. Die Intensität eines durch die Aperturöffnung 16 von rechts einfallenden Laserstrahles wird allmählich von einem Maximalwert bei der Mitte des Abschwächers auf einen vorgegebenen Wert beim Rand des Abschwächers vermindert.

_;Die genaue Form des Intensitätsprofiles des durchgelassenen Laser- ; trahles hängt von der Abmessung des mittigen, asphärischen Glas-,stopfen A und vom Absorptionsvermögen K der Flüssigkeit ab. Die iin Kontakt mit der absorbierenden Flüssigkeit stehende Glasober- !fläche des Glasstopfens A läßt sich leicht auf eine gewünschte JForm schleifen, welche sich durch die Gleichung y = (r - r )ⁿ !darstellen läßt; dabei ist r der äußere Aperturradius und r der

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kleine Radius der Farbstoffkammer. Dies führt zu einem Transmissionsprofil

e"^K(r - 'ο*"

für r =- r und einem Transmissionsprofil von 1 für ο < r < r , wobei r_Q, der kleine Radius der Farbstoffkammer, durch die Abmessungen der Apertur gegeben ist.

Zur Bestimmung des für das Durchlassen von Laserstrahlen optimalen; Profiles sind umfangreiche Rechnungen für eine Anzahl von Werten für η durchgeführt worden. Hieraus ergibt sich, daß η = 4 einen zufriedenstellenden Kompromiß darstellt, bei dem die Energieverluste auf ein Minimum reduziert sind, das mit der Unterdrückung von Beugungsringen verträglich ist, welche zu einer verstärkten Selbstfokussierung bei der nachfolgenden Verstärkung in Glaslaserverstärkerstangen führen würden. Die Ergebnisse der oben zitierten Rechnungen liefern für n= 4 K= 53,35 und r = 4,4 cm. Diese ; Zahlen sind so ausgewählt worden, daß an der Kante einer effekti-

• ven Apertur mit einem Radius von 5 cm die Intensität auf o,l %

• des Wertes in der Mitte abgefallen ist. Nimmt man ferner an, daß

j der Aperturabschwächer gleichförmig bestrahlt wird, so zeigen die

in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellten Kurven die durchgelassene !Intensität. Die einem Abstand von 0 m entsprechende Kurve von j

! j

j Fig. 2 zeigt nur eine sehr geringe Veränderung. Die in Fig. 3 dar-!

i

j gestellte Kurve zeigt bei einem Abstand von 2 m eine leichte Störung zwischen einem Radius von 4,5 und 5,ο cm. Die in Fig. 4 darge- j stellte Kurve zeigt bei einem Abstand von 8 m eine Störung zwi-

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sehen einem Radius von 2,5 und 5,ο cm. Die auf Beugung zurück-

[ zuführende Intensitätsfluktuation bei einem Abstand von 8 in j ist etwa 5 %. Die Rechnungen haben gezeigt, daß dies bei den

i angegebenen Werten für den einfallenden Energiestrom zu einer

¹ minimalen Verstärkung der Selbstfokussierung in nachfolgenden

ι Verstärkerstangen führt. Ein erfindungsgemäßer Aperturabschwä-

: eher mit den oben angegebenen Parametern zeigte bei der Prüfung

\ Ergebnisse, die in hervorragender Übereinstimmung mit den Rech-

: nungen lagen.

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Claims

Aperturabschwächer zur Verwendung mit Lasern, mit einem auf der optischen Achse des Laserstrahles angeordneten optischen Element, das eine ringförmige, durch optische Fenster begrenzte Kammer zur Aufnahme einer Farbstofflösung aufweist, welche denselben Brechungsindex hat wie die optischen Fenster, dadurch gekennzeichnt, daß die ringförmige Kammer eine erste in radialer Richtung von der optischen Achse weglaufende Wand mit einem Außenradius r und einem Innenradius r und eine zweite Wand aufweist, deren Form durch Drehung der durch die Gleichung y = (r - r )ⁿ gegebenen Kurve mit η mindestens gleich 4 erhalten wird.

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