DE2630566A1

DE2630566A1 - Vorrichtung zur abbildung der entladung einer laseranregungs-quelle auf ein lasermedium

Info

Publication number: DE2630566A1
Application number: DE19762630566
Authority: DE
Inventors: Michael E Mack; James L Munroe
Original assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Current assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Priority date: 1975-10-28
Filing date: 1976-07-07
Publication date: 1977-05-12
Also published as: IT1066412B; ES452584A1; AU1547376A; SE413960B; NL7607632A; SE7607394L; FR2330171A1; BE845280A; IL49936A; CH615535A5; CA1067190A; IL49936A0; JPS5254396A; GB1555232A; AU500922B2

Description

Die Erfindung betrifft die Laseranregung und insbesondere eine Vorrichtung zur Abbildung der Entladung einer Laseranregungs-Quelle sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen eines eingeschlossenen Anregungsbereiches in einem Lasermedium.

Die Anregung eines Lasermediums, z.B. einer strömenden Farbstofflösung, in Laserbetrieb wird durch Einwirken von Anregungsstrahlung von einer Blitzlichtlampe oder einer Laser-Quelle auf das Medium erzielt, um Besetzungsumkehr hervorzurufen, die beim Laserbetrieb verwendet wird. Bei zahlreichen Anwendungsfällen und auch beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Isotopentrennung oder Urananreicherung wird ein Hochleistungs- und Hochimpulsfrequenz-Laserbetrieb der strömenden Farbstofflösung für Lasergeräte gewünscht, die zum Erzeugen der Strahlungsenergie zur iso-

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topenselektiven Fotoanregung verwendet werden. Eine Anwendung für ein derartiges Lasergerät umfaßt die Urananreicherung (vgl. US-PS 3 772 5-19).

Mit steigenden Anforderungen an die Leistung und die Impulsfrequenz ist eine wirkungsvolle Verwendung der Anregungsstrahlungs-Quellen immer wichtiger, die einerseits die Besetzungsumkehr hervorrufen und andererseits gleichzeitig die Anregung und die sich ergebende Erwärmung von Teilen des Lasermediums verhindern, die nicht direkt zur Erzeugung eines Laserstrahles dienen. Eine wirkungsvolle Anregung des Lasermediums erlaubt ein Ausgangssignal mit optimaler Leistung und Impulsfrequenz, während das Einschließen oder Begrenzen des angeregten Bereiches, insbesondere in gepumpten Lasermedien, eine schrittweise Verschlechterung des Laser-Ausgangssignales an der Grenzfläche des Lasermediums mit dem Pumpen-Fenster verhindert.

Die Erfindung sieht ein Pumpsystem für ein Lasermedium vor, das sowohl eine große Leistungsfähigkeit als auch eine begrenzte Erwärmung ermöglicht, indem der Bereich der Anregung des Lasermediums auf eine begrenzte Fläche bzw. Zone entfernt von der Grenzfläche des Lasermediums eingeschränkt wird. Dies trägt zu einer großen Leistungsfähigkeit oder einem hohen Wirkungsgrad bei, der seinerseits zu einem Hochleistungs-Ausgangssignal führt und gleichzeitig die Einflüsse verringert, die zu einer Verschlechterung des Laserbetriebs beitragen, die auftritt, wenn die Grenzzone zwischen dem Lasermedium und dem Fenster zur Zufuhr der Anregung angeregt ist.

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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Anregung durch ein Fokussiersystem für eine längliche oder gestreckte Blitzlichtlampen-Anregungs-Quelle erzeugt, die ein reelles Bild mit ungefähr der gleichen Größe vom Blitzlichtlampen-Plasma in der Mitte eines strömenden Lasermediums bildet. Die Erzeugung eines reellen Bildes konzentriert die ausnutzbare Anregungsstrahlung in einem genau begrenzten Bereich von allgemein zylindrischer Form und ermöglicht es, daß dieser von der Mediumsgrenze entfernt ist. Diese zylindrische Form legt den zu erzeugenden oder verstärkenden Laserstrahl fest und gewährleistet, daß dort möglichst wenig unausgenutztes, aber angeregtes Lasermedium vorliegt.

Die Erfindung sieht also eine Vorrichtung vor, mit der die Anregung in einem eingeschlossenen und konzentrierten Bereich im strömenden Lasermedium erzeugt werden kann. Diese Anregung wird erzielt, indem ein reelles Bild einer gestreckten, linearen Strahlungsanregungs-Quelle im strömenden Lasermedium, im bevorzugten Bereich, zum Laserbetrieb und von den Grenzflächen des Mediums entfernt, gebildet wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Ss zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt einer erfindungsgemäßen Laser-Anregungs-Vorrichtung, und

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt 2-2 in Fig. 1.

Die Erfindung sieht eine Vorrichtung zum Einwirken einer Anregungsstrahlung auf ein Lasermedium in einem einge-

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schlossenen zylinderförmigen Volumen von diesem vor, um den Wirkungsgrad zu erhöhen und den erwärmten Bereich des Mediums zu begrenzen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zum Anregen eines strömenden Mediums, wie z.B. einer Farbstofflösung, geeignet, das zur isotopenselektiven Fotoanregung verwendet wird, wie z.B. bei der Urananreicherung. ^T5in Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand des in Fig. 1 dargestellten Schnittes erläutert. In Fig. 1 liegt ein Färbstoffkanal 12 zwischen gegenüberliegenden Wänden 14 und 16, die jeweils Quarzfenster 1δ und 20 in der Form zylindrischer Segmente haben, die sich in und aus der dort eingesetzten Fläche bzw. Seite erstrecken. Der Kanal 12 enthält eine strömende Farbstofflösung, wie diese z.B. bei Laser-Oszillatoren oder -Verstärkern verwendet wird, die zur Isotopentrennung dienen (vgl. US-PG 3 772 519)

Auf einer Seite der Fenster l8 und 20 liegen, vom Farbstoffkanal 12 entfernt, jeweils Blitzlichtlampen 22 und 24, die herkömmlich gestaltet sein können, jedoch vorzugsweise einen kleinen Querschnitt haben. Die Blitzlichtlampen 22 und 24 bestehen aus Außengehäusen 26 und 28, in denen im allgemeinen zylindrische oder längliche bzw. gestreckte lineare Plasmabereiche 30 und 32 durch elektrische Entladung über das Gas in den Quarzgehäusen 26 und 28 erzeugt werden. Die Plasmen 30 und 32 werden vorzugsweise aus Pulsentladungen gebildet, die insbesondere für Anlagen zur Isotopentrennung geeignet sind (vgl. US-PS 3 772 519)·

Die Blitzlichtlampen 22 und 24 sind teilweise von zylindrischen Spiegeln 34 und J>6 umgeben, die insbesondere einen elliptischen Querschnitt mit Achsen parallel zu den Achsen der zylindrischen Fenster l8 und 20 haben. Die Spiegel 3^ und 36 erzeugen eine spiegelbildliche Reflexion der

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Anregungsstrahlung 38 von den Blitzlichtlampen 22 und 24 auf Strahlengängen oder Wegen 4C, die durch die zylindrischen Fenster l8 und 20 auf einen Bereich 42 fokussiert werden können, wodurch ein reelles Bild im Bereich 42 jedes Plasmabereiches 30 und 32 hervorgerufen wird.

Die Fenster l8 und 20 haben im allgemeinen ebene Flächen 44 und 46, die die strömende Farbstofflösung im Farbstoffkanal 12 begrenzen, und diese Flächen sind koplanar oder in einer Ebene mit den glatten Innenflächen der Kanalseitenplatten oder Wände 14 und l6. Die gegenüberliegenden Flächen 48 und 50 der Fenster I8 und 20 sind jeweils gekrümmt, um zusammen mit den Spiegeln ~$K und 36 eine Fokussierung der Plasmabereiche 30 und 32 auf den Bereich 42 zu ermöglichen. Wenn die Spiegel 34 und 36 elliptisch sind, haben die gekrümmten Flächen 50 und 52 der Linsen 18 und 20 vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt oder, wenn eine aufwendigere Lösung bevorzugt wird, einen asphärischen Querschnitt, um die Fokussierung zu optimieren. Andere Gestaltungen des Querschnittes für die Spiegel 3^ und 36 und die Linsenfläohen 50 und 52 sind möglich, die die Erzeugung eines reellen Bildes der zylindrischen Plasma-Entladungsbereiche 30 und 32 im Bereich 42 erlauben.

Diese Abbildung führt im Färbstoffkanal 12 zu einem reellen Bild der Plasmen 30 und 32 mit einem minimalen Vergrößerungsfaktor, d.h. im allgemeinen eine Abbildung gleicher Größe, sowie mit minimalen Aberrationen. Dies bewirkt eine Konzentration des Lichtstromes von den Blitzlichtlampen mit einer schmalen, stark strahlenden Verteilung im Farbstoffvolumen, die vorzugsweise zur wirkungsvollen Ausnutzung der Blitzlichtlampen-Strahlung angestrebt wird.

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Überlegungen zur Gestaltung der Form der Spiegel 34 und 36 und der Fenster l8 und 20 an deren gekrümmten Flächen 50 und 52 berücksichtigen einen maximalen Wirkungsgrad bei der Energieübertragung, eine minimale Querschnittsfläche des Bildes 42, eine minimale Strahlung außerhalb des mittleren Bildes 42 und einen Ausgleich der Aberration von den Blitzlichtlampen-Gehäusen 22 und 24. Bei elliptischen Spiegeln 3^ und 36 werden diese Ziele mit den Fenstern l8 und 20 erreicht, die eine minimale Abweichung in der Blitzlichtlampen-Strahlung erzeugen. Andere Zusammenstellungen der Fenster- und Spiegel-Gestaltungen (z.B. parabolisch) können verwendet werden, obwohl das Ausführungsbeispiel besonders vorteilhaft ist.

Um einen Laser-Verstärker oder -Oszillator mit der erfindungsgemäßen BIitzlichtlampen-Fokussier-Vorrichtung näher zu erläutern, wird auf die Fig. 2 Bezug genommen, die einen Schnitt 2-2 in Fig. 1 zeigt. Wie in dieser Figur dargestellt ist, sind die Enden des Farbstoffkanales 12, die oberhalb und unterhalb der Ebene der Seite in Fig. 1 liegen, durch Fenster 54 und 56 begrenzt, durch die der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verstärkende Laserstrahl oder der Laserstrahl tritt, der erzeugt wird, wenn die Vorrichtung als Oszillator arbeitet, wie z.B. der Strahl 58. Der Strahl 58 entspricht vorzugsweise in der Querschnittsfläche der Querschnittsfläche des angeregten Bereiches 42. Dieser Bereich ist eine begrenzte Fläche bzw. Zone der insgesamt verfügbaren Fläche bzw. Zone im Färbstoffkanal 12 zwischen den Linsenflächen 44 und 46, die die Wärmeerzeugung in der Nähe der Flächen im Färbstoff medium begrenzen, was im allgemeinen bei transversal gepumpten Lasermedien problematisch ist. Zusätzlich wird durch Begrenzen des Anregungsbereiches auf eine eingeschlossene Fläche bzw. Zone, wie z.B.

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auf den Bereich 42, entsprechend der Querschnittsfläche des gewünschten Laserstrahles 58 ein maximaler Wirkungsgrad bei Verwendung der Strahlung von den Blitzlichtlampen 22 und 24 erzeugt. Es ist auch eine hohe Impulsfrequenz möglich, da eine geringe Anregung des Lasermediums außerhalb des Bereiches 42 vorliegt, vorzugsweise entlang den Linien des strömenden Mediums.

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Leers

Claims

Ansprüche

Vorrichtung zur Abbildung der Entladung einer Laseranregungs-Quelle auf ein Lasermedium,

dadurch gekennzeichnet,

daß mindestens eine Laseranregungs-Quelle (22, 24) zur Emission von Laseranregungsstrahlung mit einem länglichen, im allgemeinen linearen Emissionsbereich (30, 32) vorliegt,

daß sich das Lasermedium zwischen einer ersten und einer zweiten Fläche der Quelle erstreckt und dort in Laserbetrieb anregbar ist, und

daß eine Optik (34, 36; l8, 20) ein reelles Bild des Emissionsbereiches (30* 32) in einem begrenzten Teil (42) des Mediums zwischen der ersten und der zweiten Fläche erzeugt, um einen im allgemeinen länglichen und zylindrischen angeregten Bereich zu erzeugen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Quelle eine Blitzlichtlampe hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Emissionsbereich (30, 32) ein Plasma enthält.

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OPiGiMAL INSPECTED
3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma gepulst ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium eine strömende Farbstofflösung aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (34, 36; l8, 20) das Bild im angeregten Medium mit ungefähr den gleichen Abmessungen wie der Emissionsbereich (30, 32) erzeugt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (34, 36; l8, 20) einen die Quelle (22, 24) teilweise umgebenden Spiegel (34, 36), und ein die Strahlung vom Spiegel (34, J>6) empfangendes Fenster (l8, 20) aufweist, um das Bild des Emissionsbereiches (30, 32) in das Medium zu fokussieren.
7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium eine strömende Parbstofflösung aufweist, und daß das Fenster (l8, 20) die Farbstofflösung an der ersten oder der zweiten Fläche begrenzt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7* gekennzeichnet durch eine zweite Quelle, einen zweiten Spiegel und ein zweites Fenster auf der Seite der strömenden Farbstofflösung gegenüber zur ersten Quelle, zum ersten Spiegel bzw. zum ersten Fenster.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Spiegel (3^» 36) elliptische spiegelbildliche Spiegel sind.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Fenster (l8, 20) eine zylindrische Quarzlinse aufweisen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (18, 20) eine minimale Ablenkung in der Strahlung der Quelle (22, 24) bewirkt, die durch den Spiegel (34, J>6) reflektiert ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (l8, 20) eine ebene, das Medium begrenzende Fläche und eine kreisförmige, der Quelle (22, 24) gegenüberliegende Fläche aufweist.
13. Vorrichtung zum Erzeugen eines Bereiches eines angeregten Lasermediums aus einem reellen Bild einer Linienquelle einer Anregungsstrahlung,

gekennzeichnet durch eine strömende Farbstofflösung,

ein erstes und ein zweites zylindrisches Fenster (l8, 20), die die strömende Farbstofflösung begrenzen,

einen ersten und einen zweiten spiegelbildlichen Spiegel (34, 36), die jeweils um das erste und das zweite Fenster (l8, 20) auf der von der strömenden Farbstofflösung abgewandten Seite gekrümmt sind,

eine erste und eine zweite Blitzlichtlampe (22, 24) jeweils zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel (34, 36) sowie

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dem ersten und dem zweiten Fenster (18, 20) und mit einem Bereich eines Anregungsstrahüung emittierenden Plasmas in einer im allgemeinen länglichen linearen Form,

wobei das erste und das zweite Fenster (l8, 20), der erste und der zweite Spiegel (34, 36) und die erste und die zweite Blitzlichtlampe (22, 24) so angeordnet sind, daß die Anre-^uncsstrahlunp; auf übereinstimmende oder deckungsgleiche, im allgemeinen gleich bemessene längliche lineare Bereiche im Färbstoffkanal fokussiert wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (34, 3c) elliptisch sind.

15· Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (18, 20) jeweils eine gerade und eine kreisförmige Schnittlinie gegenüber der Farbstofflösung bzw. den Blitzlichtlampen (22, 24) haben.

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