DE3214110A1 - Lichtquelle mit definiertem emissionsspektrum - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle mit definiertem
• Emis sionsspektrum.
• Lichtquellen, die lediglich Licht bestimmter definierter Wellenlänge und andbreite erzeugen, was für viele Anwendungszwecke benötigt. Auf dem Gebiet der Lumineszenzphänomene beispielsweise ist es vorteilhaft das Anregungsspektrum möglichst genau dem Absorptionsspektrum des Lumineszenzstoffes anzupassen.
• Derartige Lichtquellen werden auch bei optisch gepumpten Lasern benötigt. Der Wirkungsgrad derartiger Laser ist sehr niedrig, er beträgt im günstigsten Fall etwa 1% bis 2%. Die Hauptursache hierfür ist, daß die Emissionsspektren der verfügbaren Pumplichtquellen und Absorptionsspektren der laseraktiven Materialien nur teilweise überlappen. Die Hauptenergie der Pumplichtquelle geht somit verloren, sie wird entweder in Filteranordnungen oder im laseraktiven Material selbst in Wärme umgesetzt, worin ein weiterer Nachteil zu sehen ist, da die Wärmeableitung bei Lasern ohnehin ein schwieriges Problem darstellt.
• Die Problematik sei im folgenden anhand eines Nd-YAG-Lasers beschrieben. Der Einsatz von Halogenlampen als Pumplichtquelle bei derartigen Lasern ist wegen des schlechten Wirkungsgrades ungünstig.
• Derartige Wärmestrahler haben ein breites, kontinuierliches Spektrum, dessen Maxiumum im besten Fall bei etwa 840 nm liegt. Der Nd-Y-AG-Kristall hat demgegenüber schmale Absorptionslinien, die alle bei kürzeren Wellenlängen liegen. Auch die Emissionslinien der gebräuchlichen Plasmaentladungslampen fallen nicht mit den Absorptionslinien des Nd-YAG-Kristalls zusammen, durch die Verwendung von Hochdrucklampen erreicht man eine gewisse Verbreiterung des Emissionsspektrums und damit eine Überlappung mit den Absorptionslinien des Nd-YAG-Lasers.
• Um den Wirkungsgrad weiter zu verbessern, hat man neben einer Optimierung der Emissionsspektren der Pumplichtquellen noch die Möglichkeit durch eine Dotierung des Nd-YAG-Kristalles, dessen Absorptionsspektrum an das Emissionsspektrum der jeweiligen Lampen anzupassen.
• Schließlich wurden auch bereits zwischen Pumplichtquelle und den Laserkristall Fluoreszenzgläser zwischengeschaltet, beispielsweise ein mit Samarium dotiertes Glas, mittels dessen der von der Lichtquelle abgestrahlte W-Anteil in langwelligere Strahlung umgesetzt wird, welche der Nd-YAG-Kristall absorbieren kann.
• Alle diese Bemühungen zusammengenommen erreicht man jedoch beim Nd-YAG-Laser bestenfalls einen Wirkungsgrad von etwa 1,5%.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtquelle mit definiertem, d.h. auf ein bestimmtes Absorptionsspektrum angepaßten Emissionsspektrum zu schaffen.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das lichtemittierende Medium der Lichtquelle allseits von einem Interfcrenzilter umschlossen ist, welcher den nicht durch den Filter gelangenden Strahlungsanteil wieder auf das lichtemittierende Medium zurückreflektiert.
• Damit wird erreicht, daß der Energieanteil des nicht durch den Filter gelangenden Strahlungsanteils nicht verloren geht, wie dies beispielsweise bei üblicherweise im Strahlengang angeordneten Interferenz filtern der Fall wäre, sondern in das lichterzeugende Medium selbst zurück- gelangt.
• Für den Fall, daß die Lichtquelle eine stabförmige Plasmaentladungslampe ist, kann der Interferenz filter direkt auf dem Lampenglas oder auch auf einem den Lampenstab mit gewissem Abstand umgebenden koaxial angeordneten separaten Rohr aufgebracht sein. Im letzteren Fall kann in dem Ringraum zwischen dem Rohr, das den Interferenz filter trägt, und der eigentlichen Plasmaentladungslampe ein Kühlmittel strömen.
• Eine derartig aufgebaute Lichtquelle kann vorteilhaft als Pumplichtquelle eines optisch gepumpten Lasers eingesetzt werden, wobei selbstverständlich darauf geachtet werden muß, daß die Filtercharakteristik dem Absorptionsspektrum des Lasermaterials angepaßt wird.
• Die mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen erreichte Verbesserung des Wirkungsgrades hat den Vorteil, daß ein bestimmter Laser bei gleicher Ausgangsleistung mit weniger Aufwand hergestellt werden kann, da er kleinere Netzgeräte und ein weniger umfangreiches Kühlsystem benötigt. Auch die Verbrauchskosten hinsichtlich Elektrizität und Kühlmedium können gesenkt werden.
• Die Erfindung ermöglicht weiterhin die Verwendung einfacherer und billigerer Halogenlampen, die bisher im vorliegenden Zusammenhang wegen des schlechten Wirkungsgrades nicht eingesetzt werden.
• Eine Anwendung der Erfindung beim Nd-YAG-Laser verbessert darüberhinaus nicht nur den Wirkungsgrad, sondern auch noch die Strahlqualität. Der Laserkristall wird nämlich durch die Strahlung der Pumplichtquelle aufgeheizt. durch den entstehenden Temperaturgradienten wird der Kristall doppelbrechend und bildet eine thermische Linse. Dadurch wird die Strahlqualität verschlechtert und die erreichbare Energiedichte im Fokus reduziert. Durch Anwendung der Erfindung wird im wesentlichen nur noch Strahlung solcher Wellenlängen auf das Lasermaterial aufgestrahlt,die auch absorbiert werden kann. Die thermische Belastung des Kristalls wird dadurch verringert und die Strahlqualität verbessert.
• Die erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich selbstverständlich auch bei anderen Lichtquellen anwenden, die bei hohem Wirkungsgrad ein definiertes Spektrum abstrahlen sollen.
• Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichenung beispielsweise beschrieben. Die Zeichnung zeigt den schematischen Querschnitt durch einen Festkörperlaser.
• In einem elliptischen Reflektor 5 ist in einem Brennpunkt des elliptischen Querschnitts eine von einem Lampen-Flußröhrchen.3 umgebene stabförmige Plasmaentladungslampe 1 angeordnet. Im anderen Brennpunkt befindet sich der ebenfalls von einem Stab-Flußröhrchen 4 umgebene Laserkristallstab 2. Die von der Lampe 1 abgestrahlte Pumplichtstrahlung wird durch die Reflexionscharakteristik des elliptischen Reflektors 5 auf den Laserkristallstab 2 konzentriert und bewirkt dort die sogenannte Laserstrahlung, die durch optische Rückkopplung in einem nicht gezeigten Resonator auf eine ausreichende Strahlungsdichte verstärkt wird. Derartige Anordnungen sind dem Fachmann bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.
• Auf dem Außenmantel des Lampen-Flußröhrchens 3 ist ein Interferenzfilter 6 in Form von aufgedampften dielektrischen Schichten aufgebracht. Der Interferenzfilter umgibt den Lampenstab 1 vollständig.
• Derartige Interferenzfilter sind bekannt, sie bestehen im wesentlichen aus mehreren übereinander aufgedampften dünnen Schichten. Die Filterwirkung beruht auf der Lichtaufspaltung infolge teilweiser Reflexionen an den Grenzflächen zwischen den einzelnen Schichten verschiedener Brechzahlen. Herstellung und Aufbau derartiger Filter sind dem Fachmann bekannt und ebenfalls nicht Gegenstand der Erfindung. Die Filtercharakteristik, d.h. die genau Anzahl, Lage und Breiteder von den Filterschichten durchgelassenen Wellenlängenbereiche muß im vorliegenden Fall lediglich auf das Absorptionsspektrum des Nd-YAG-Kristalls abgestimmt sein. Diese Abstimmung läßt sich jedoch durch einige Versuche vom Fachmann ohne größeren Aufwand durchführen.
• In den Ringräumen zwischen den Flußröhrchen 3,4 und der Stablampe 1 bzw. dem Laserkristallstab 2 zirkuliert ein Kühlmittel, um die entstehende Wärme abzuführen.
• Die Erfindung, d.h. die den Lampenstab 1 allseits umgebende Interferenzfilterschicht 6 bewirkt, daß sämtliche "falschen" Wellenlängen (geweller Linienzug in Fig.), die von der Lampe abgestrahlt werden, nicht verlorengehen, sondern in die Lichtquelle zurückreflektiert werden. Die Filterschicht läßt lediglich Wellenlängen (gerader Linienzug in Fig.) durch, die vom laseraktivenMaterial absorbiert werden und zur Inversion beitragen. Die Energiebilanz des gesamten Systems wird damit verbessert, wie vorstehend ausgeführt wurde.
• Bei anderen Anwendungsfällen als dem beschriebenen ist es auch möglich, den Interferenzfilter bzw. die dielektrischen Schichten direkt auf den Lampenkolben aufzudampfen.

Claims (4)

1. Lichtquelle mit definiertem Emissionsspektrum Patentansprüche Lichtquelle mit definiertem Emissionsspektrum, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das lichtemittierende Medium der Lichtquelle von einem Interferenzfilter (6) allseits umschlossen ist, welcher den nicht durchgelassenen Strahlungsanteil wieder auf das emittierende Medium reflektiert.
2. 2. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß das lichtemittierende Medium eine stabförmige Plasmaentladungslampe (1) ist und der Interferenzfilter (6) die stabförmige Lampe (1) koaxial umgibt.
3. 3. Lichtquelle nach Anspruch 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Interferenzfilter (6) auf einem separaten zylindrischen Rohr (3) aufgebracht ist, wobei zwischen stabförmiger Lampe (1) und dem Filter (6) ein Ringraum für ein Kühlmedium gebildet ist.
4. 4. Verwendung einer Lichtquelle nach Anspruch 3 als Pumplichtquelle eines optisch gepumpten Lasers, wobei die Filtercharakteristik dem Absorptionsspektrum des Lasermediums angepaßt ist.