DE4027929A1 - Verfahren zur wellenlaengenabstimmung eines farbstofflasers mit verteilter rueckkopplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wellenlängen­ abstimmung eines Farbstofflasers mit verteilter Rück­ kopplung.

Farbstofflaser zeichnen sich ganz allgemein dadurch aus, daß ihre Emissionswellenlänge verändert werden kann. Dazu dient ein dispersives Stellelement (Gitter, Prisma oder Lyot-Filter). Zur Einengung der Bandbreite werden Fabry-Perot-Interferometer bzw. Etalons einge­ setzt.

Zur Erzeugung des Laserfeldes ist darüber hinaus ein Resonator erforderlich, der gewöhnlich durch zwei Spiegel gebildet wird.

Die genannten optischen Elemente ergeben in ihrem Zu­ sammenspiel bei der Justierung eine so große Anzahl von Freiheitsgraden, daß eine Automatisierung der Wellen­ längenabstimmung des Farbstofflasers praktisch ausge­ schlossen ist.

Das im folgenden beschriebene Verfahren zur Abstimmung der Wellenlänge des Farbstofflasers zeichnet sich da­ durch aus, daß es vollständig automatisch unter der Kontrolle eines Rechners abläuft. Dadurch erweitern sich die Einsatzmöglichkeiten des Farbstofflasers auf eine Vielzahl von Meß-, Steuer- und Überwachungsaufga­ ben, die einen automatisierten Verfahrensablauf for­ dern, in den sich herkömmliche Farbstofflaser nicht integrieren lassen.

Das gleiche Verfahren, daß zur Verstimmung der Wellen­ länge entwickelt wurde, kann auch dazu verwendet werden, den Laser mit Hilfe eines analogen oder digita­ len Regelkreises auf eine atomare oder molekulare Reso­ nanz zu stabilisieren. Für diese Betriebsweise zeichnen sich besonders Anwendungen in der Umweltanalytik ab.

Farbstofflaser mit verteilter Rückkopplung benötigen keinen externen Resonator. Die Rückkopplung findet im aktiven Medium selbst an der durch das Interferenz­ muster des Pumplasers hervorgerufenen Modulation des Brechungsindex der Farbstoffflüssigkeit statt. Sie zeichnen sich weiter durch eine geringere spontane Emission, kürzere mögliche Pulsdauer, geringere spek­ trale Bandbreite und einen größeren Abstimmbereich gegenüber herkömmlichen Lasern aus.

Ein wesentlicher Nachteil, der die Einsatzmöglichkeit von Farbstofflasern mit verteilter Rückkopplung im Rou­ tinemeßbetrieb stark einschränkt, besteht darin, daß der Brechungsindex der Farbstofflösung empfindlich tem­ peraturabhängig ist. Bereits geringe Veränderungen der Farbstofftemperatur, wie sie z. B. durch Pumplaser oder einer Schwankung der Umgebungstemperatur hervorgerufen werden, führen zu einer Drift der Emissionswellenlänge und müssen durch manuelle Justierung der mechanischen Stellelemente kompensiert werden, was wegen der oben beschriebenen vielen Freiheitsgrade sehr schwierig ist.

So hat z. B. Z. Bor in einem Artikel in Opt. Commun. 29, 103 (1979) auf diesen Effekt hingewiesen und ihn als eine der Ursachen von Wellenlängeninstabilitäten gedeutet. Die der vorliegenden Erfindung zugrundelie­ gende positive Ausnutzung des Störeffektes zur Wellen­ längensteuerung war mit den bisher üblichen Farbstoff­ küvetten nicht möglich.

Bei einem Farbstofflaser mit verteilter Rückkopplung erfolgt die Wellenlängenabstimmung überlicherweise nicht wie bei herkömmlichen Lasern durch den Einbau dispersiver Elemente in den Resonator, sondern durch die Variation der Anregungsgeometrie, also durch Fein­ abstimmung der Spiegel.

Diese Feinabstimmung der Spiegel ist keineswegs tri­ vial. Hierin liegt ein weiterer Nachteil der bisher in der Literatur beschriebenen Farbstofflaser mit verteil­ ter Rückkopplung, der ihre Einsatzmöglichkeiten be­ schränkt und insbesondere einen automatisierten Betrieb nicht zuläßt.

Ziel dieser Erfindung war es mithin, die erwähnten Nachteile des Farbstofflasers zu minimieren und seine Verwendbarkeit in der Spektroskopie dadurch zu verbes­ sern, daß bei hoher Wiederholfrequenz und großer Stabi­ lität der Wellenlänge ein vollautomatischer Betrieb unter der Kontrolle eines Computers möglich wird.

Die Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß zum Betrieb nur etwa 15 ml, also wesentlich weniger als üblich, der zum Teil teuren und toxischen Farbstoff­ flüssigkeiten erforderlich sind.

Ein modularer Aufbau gestattet einen schnellen Farb­ stoffwechsel durch einfaches Ausbauen der Küvette.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß eine Wellenlän­ genabstimmung des Lasers über eine Temeraturregelung erfolgt.

Dazu wurde eine völlig neuartige Farbstoffzelle ent­ wickelt.

Vorteilhaft ist dabei besonders, die eine erste Wellen­ längenabstimmung durch Einstellung der Anregungsgeome­ trie erfolgt, und die Temperaturregelung der Feinab­ stimmung der Wellenlänge dient.

Die Wellenlänge kann dabei in einem technisch nutzbaren Bereich vollautomatisch mit einem Rechnerprogramm durchgeführt werden.

Weiter kann die Wellenlänge automatisch mittels eines Regelkreises auf eine atomare oder molekulare Resonanz stabilisiert werden.

Es wird zur Durchführung des Verfahrens ein Farbstoff­ laser vorgeschlagen, bei dem ein Temperaturregelelement an ein Reservoir der Farbstoffflüssigkeit angebracht ist.

In der hier vorgeschlagenen und im Experiment bewährten Ausführung weist der Temperaturregelkreis ein Peltier­ element auf.

Zur effektiveren Temperaturregelung ist ein Kühlelement im Temperaturregelkreis vorgesehen.

Vorzugsweise wird entweder eine Wasserkühlung oder ein Kühlblech zu verwenden sein.

Die Farbstoffküvette besteht aus einem Reservoir mit einem direkt angesetzten Strömungskanal, in dem die Farbstoffflüssigkeit optisch gepumpt wird.

Dieser Strömungskanal wird in der vorliegenden Ausfüh­ rung von drei Quarzplatten begrenzt, und es werden zwei Strömungskanaleinsätze verwendet, die eine hohe Strö­ mungsgeschwindigkeit der Farbstoffflüssigkeit ermögli­ chen.

Der Farbstofflaser beinhaltet weiter eine die Farb­ stoffflüssigkeit transportierende Turbine innerhalb des Reservoirs.

Vorteilhafterweise werden das Laserfarbstoff-Reservoir aus Edelstahl und die Turbine aus Teflon gefertigt.

Als Antrieb der Turbine wird ein Elektromotor vorge­ schlagen, dessen Rotor in die Turbine integriert ist, und sich die Turbine im unteren Teil des Behälters der Farbstoffflüssigkeit befindet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dargestellt sind in:

Fig. 1 die Farbstoffküvette des Lasers im Schnitt mit Motor, Peltierelement und Wasserkühlung, und in

Fig. 2 die Farbstoffküvette in perspektivischer Darstellung.

Das Verfahren der Wellenlängenabstimmung besteht darin, daß die Temperatur durch einen Sensor 26 gemessen und der erhaltene Wert mit einem vorgegebenen Sollwert ver­ glichen wird. Die Differenz liefert das Steuersignal zur Änderung der Temperatur der Farbstoffflüssigkeit.

In der vorgeschlagenen Ausführung dient der Strom durch das Peltierelement zur Temperaturerhöhung bzw. Ernie­ drigung. Um eine schnelle Ansprache der Regelung zu er­ reichen, muß bei der Abkühlung die überschüssige Wärme einer Senke zugeführt werden.

Dazu kann ein Kühlblech oder, wie in der vorliegenden Version, eine Wasserkühlung dienen.

Die Farbstoffküvette besteht aus einem Edelstahlblock 10 mit einer zentralen Bohrung. An der Frontseite ist aus dem Material ein Teil des Strömungsprofiles 25 aus­ gearbeitet. Ein offenes Glasrohr 28 und ein einseitig geschlossenes Glasrohr 29 bilden den oberen und unteren Abschluß.

Die Küvette ist mit der Farbstofflösung 30 gefüllt, die mittels einer Turbine 12 umgepumpt wird. Zur Strömungs­ stabilisierung dient ein Teflonzylinder 27, der mit einem Boden mit zentraler Bohrung versehen ist.

Die Teflonturbine 12 drückt die Farbstofflösung durch einen Strömungskanal, der aus den Edelstahlformteilen 20 und 25 und den drei Quarzplatten 22 besteht.

Der Kanal ist so geformt, daß eine möglichst hohe Strö­ mungsgeschwindigkeit in dem Bereich entsteht, in dem der Farbstoff mit dem externen Pumplaser gepumpt wird.

Damit ist ein Kreislauf für die Laserfarbstoffflüssig­ keit geschaffen worden. Dieser ist nötig, da mit hohen Wiederholfrequenzen der Laserpulse gearbeitet wird. Ohne das Umpumpen des Farbstoffes würde die vom Pumpla­ ser zugeführte Energie zu einer starken Erwärmung und zur Zerstörung der Farbstoffmoleküle führen.

Das Ansetzen des Anregungsvolumes, realisiert in Form des Strömungskanals, direkt an das Reservoir hat, im Gegensatz zu einem räumlich weiter entfernten Behälter, den Vorteil, daß man nur kurze Wege für die Farbstoff­ flüssigkeit benötigt, was eine exakte Temperaturrege­ lung des Laserfarbstoffes überhaupt erst ermöglicht.

Bis auf das Peltierelement sind alle auf den Küvetten­ grundkörper 10 aufgesetzten Teile mit Silikon aufge­ klebt.

Im oberen Teil des Farbstoffreservoires befindet sich ein Temperatursensor 26.

Auf der Rückseite des Küvettengrundkörpers schließlich ist ein Temperaturregelelement 18 in Form eines Pel­ tierelementes montiert, das mit einer Wasserkühlung 16 gekühlt werden kann.

Um die Turbine 12 anzutreiben, befindet sich im Boden­ teil 29 der Küvette ein mit der Turbine fest verbunde­ ner Permanentmagnet 24, der die Funktion des Rotors in dem zusammen mit den Elektromagneten 14 gebildeten Elektromotor übernimmt.

Claims (16)

1. Verfahren zur Wellenlängenabstimmung eines Farbstofflasers mit verteilter Rückkopplung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wellenlängenabstimmung des Lasers über eine Tem­ peraturregelung der Farbstoffflüssigkeit erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine erste Wellenlängenabstimmung durch Einstellung der Anregungsgeometrie erfolgt und die Temperaturregelung der Farbstoffflüssigkeit der Fein­ abstimmung der Wellenlänge dient.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängenab­ stimmung in einem technisch nutzbaren Bereich vollau­ tomatisch mit einem Rechnerprogramm durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wellenlänge automatisch mittels ei­ nes Regelkreises auf eine atomare oder molekulare Re­ sonanz stabilisiert wird.

5. Farbstofflaser zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Temperaturregelelement (18), das an einem Reservoir (10) der Farbstoffflüssigkeit angebracht ist.

6. Farbstofflaser nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Temperaturregelkreis ein Pel­ tierelement aufweist.

7. Farbstofflaser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturregelkreis mit einem Kühlelement versehen ist.

8. Farbstofflaser nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kühlelement des Temperaturregel­ kreises eine Wasserkühlung (16) ist.

9. Farbstofflaser nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kühlelement des Temperaturregel­ kreises ein Kühlblech ist.

10. Farbstofflaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an das Reser­ voir (10) direkt ein Strömungskanal, in dem die Farb­ stoffflüssigkeit optisch gepumpt wird, angesetzt ist.

11. Farbstofflaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung von drei Quarzplatten zur Begrenzung des Strömungskanales.

12. Farbstofflaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Strömungskanal­ einsätze (20) und (25), die eine hohe Strömungs­ geschwindigkeit der Farbstoffflüssigkeit ermöglichen.

13. Farbstofflaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine die Farbstoff­ flüssigkeit transportierende Turbine (12) innerhalb des Reservoirs (10).

14. Farbstofflaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir (10) für die Farbstoffflüssigkeit aus Edelstahl gefer­ tigt ist.

15. Farbstofflaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (12) aus Teflon gefertigt ist.

16. Farbstofflaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Rotor des zum Antrieb der Turbine (12) erforderlichen Elek­ tromotors integriert in die Turbine (12) in dem unte­ ren Teil (29) des Behälters für die Farbstoffflüssig­ keit befindet.