DE4027929C2 - Abstimmbarer Farbstofflaser mit verteilter Rückkopplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen abstimmbaren Farbstoffla­ ser mit verteilter Rückkopplung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, wie er aus der DE 29 00 728 A1 bekannt ist.

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.

Der im folgenden beschriebene abstimmbare Farbstoffla­ ser zeichnet sich dadurch aus, daß er vollständig auto­ matisch unter der Kontrolle eines Rechners abläuft. Da­ durch erweitern sich die Einsatzmöglichkeiten des Farb­ stofflasers auf eine Vielzahl von Meß-, Steuer- und Überwachungsaufgaben, die einen automatisierten Verfah­ rensablauf fordern, in den sich herkömmliche Farbstoff­ laser nicht integrieren lassen.

Das Verfahren, das zur Verstimmung der Wellenlänge ent­ wickelt wurde, kann auch dazu verwendet werden, den La­ ser mit Hilfe eines analogen oder digitalen Regelkrei­ ses auf eine atomare oder molekulare Resonanz zu stabi­ lisieren. Für diese Betriebsweise zeichnen sich beson­ ders 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 üblicherweise nicht wie bei herkömmlichen Lasern durch den Einbau dis­ persiver Elemente in den Resonator, sondern durch die Variation der Anregungsgeometrie, also durch Feinab­ stimmung 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.

Aus der US 4742524 ist ein abstimmbarer Farbstofflaser bekannt, der mit einem Temperaturregelelement und einer Fördereinrichtung ausgerüstet ist, wobei diese jedoch separat angeordnet und nur mit Schläuchen mit dem Anre­ gungsvolumen verbunden sind. Daher kann eine Tempera­ tursteuerung dort nur relativ langsam in Abhängigkeit von der Pumpgeschwindigkeit erfolgen und vor allem nicht sehr präzise vorgenommen werden, da die Flüssig­ keit einen recht beträchtlichen Weg zurücklegen muß, auf dem sie schwer kontrollierbaren Temperatureinflüs­ sen ausgesetzt ist, bevor sie ins Anregungsvolumen ge­ langt.

Abschließend ist noch ein Aufsatz von Lawrence A. John­ son, "Controlling temperatures of diode lasers and de­ tectors thermoelectrically", zu nennen, der in der ame­ rikanischen Zeitschrift "Laser & Optronics" im April 1988 auf Seite 109 ff veröffentlicht wurde. Dort ist bereits ein thermoelektrisches Kühlelement zur thermi­ schen Stabilisierung von Diodenlasern offenbart.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, die Wel­ lenlängenstabilität und die Feinabstimmung eines Farb­ stofflasers mit verteilter Rückkopplung zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im An­ spruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Insbesondere wird bei hoher Wiederholfrequenz und gro­ ßer Stabilität der Wellenlänge ein vollautomatischer Betrieb unter der Kontrolle eines Computers möglich.

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 ist.

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

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 ein abstimmbarer Farbstofflaser 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.

Bei einem abstimmbaren Farbstofflaser besteht das Ver­ fahren der Wellenlängenabstimmung darin, daß die Tempe­ ratur durch einen Sensor 26 gemessen und der erhaltene Wert mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen 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. Ernied­ rigung. 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 Anregungsvolumens, 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 (10)

1. Abstimmbarer Farbstofflaser mit verteilter Rückkopplung, mit

• - einem Temperaturregelelement (18) zur Wellen­ längenabstimmung des Farbstofflasers über eine Temperaturregelung der in einem Reservoir be­ findlichen Farbstoffflüssigkeit (30),

dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Temperaturregelelement (18) ein direkt an das Reservoir angesetztes Peltierelement ist,
• - ein Strömungskanal, in dem die Farbstoffflüs­ sigkeit (30) optisch gepumpt wird, an das Re­ servoir direkt angesetzt ist und
• - in das Reservoir eine die Farbstoffflüssigkeit (30) durch den Strömungskanal umpumpende Tur­ bine (12) integriert ist.

2. Abstimmbarer Farbstofflaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Peltierelement kühlendes Kühlelement vorgesehen ist.

3. Abstimmbarer Farbstofflaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement des Pel­ tierelements eine Wasserkühlung (16) ist.

4. Abstimmbarer Farbstofflaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement ein Kühl­ blech ist.

5. Abstimmbarer Farbstofflaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal von drei Quarzplatten (22) begrenzt ist.

6. Abstimmbarer Farbstofflaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Strömungskanaleinsätze (20) und (25), die eine hohe Strömungsgeschwindigkeit der Farbstoffflüssigkeit er­ möglichen.

7. Abstimmbarer Farbstofflaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir für die Farbstoffflüssigkeit aus Edel­ stahl gefertigt ist.

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

9. Abstimmbarer Farbstofflaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor des zum Antrieb der Turbine (12) erforderli­ chen Elektromotors in dem unteren Teil (29) des Reser­ voirs für die Farbstoffflüssigkeit (30) integriert ist.