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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum optischen Pumpen eines lichtverstärkenden Mediums
sowie einen optischen Pumpmodul zur Anwendung dieses Verfahrens.
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Ein auf der Erfindung beruhender
Laser eignet sich für
industrielle Anwendungen insbesondere auf folgenden Gebieten: Schweißen, Schneiden, Oberflächenbehandlung
von Materialien und Markierung von Gegenständen.
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Die Erfindung kann auch auf dem Gebiet
der Medizin Anwendungen finden.
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STAND DER TECHNIK
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Man weiß, dass ein Laser im Wesentlichen ein
Verstärkermedium
und zwei Spiegel umfasst, die einen Resonator bilden, wobei das
Verstärkermedium
zwischen den beiden Spiegeln angeordnet ist.
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Die für den Betrieb eines Lasers
nötige
Energie kann dem Verstärkermedium
auf elektrische, chemische oder optische Weise zugeführt werden.
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In der vorliegenden Erfindung interessiert man
sich für
die dritte Art, das heißt
für das,
was man das optische Pumpen des Verstärkermediums nennt.
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Um die Effekte zu reduzieren, die
die Leistung des Lasers begrenzen, muss die Verteilung des Pumplichts
in dem Verstärkermedium
so homogen wie möglich
sein.
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Wenn in dieser Richtung nichts unternommen
wird, ist die Verteilung des Pumplicht generell inhomogen und hat
oft auf der Seite der Quelle dieses Lichts ein Maximum.
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Präzisiert sei schon jetzt, dass
die Erfindung ein Verfahren betrifft, das dazu bestimmt ist, dieses Verteilung
homogen zu machen.
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Man weiß, dass das Verstärkermedium
eines Lasers die Pumpleistung ganz oder teilweise absorbiert und
davon eine gewisse Menge wieder emittiert in Form von stimulierter
Emission, wobei der Rest der absorbierten Leistung in Wärme umgewandelt
wird, Die stimulierte Emission wird "Lasereffekt" genannt.
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Die Absorption der Pumpleistung folgt
einem exponentiellen Gesetz (Beer-Lambert-Gesetz), das sich ausdrückt durch
eine größere absorbierte
Leistung in dem (der den) Teil(en) des Verstärkermediums in der Nähe der Pumpquelle.
Dies verursacht beim Pumpen Inhomogenitäten: die absorbierte Leistung
ist nicht dieselbe in jedem Punkt des Verstärkermediums.
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Die Pumpunterschiede zwischen verschiedenen
Punkten dieses Mediums erzeugen ihrerseits lokale Brechzahlunterschieden,
die Deformationen der Wellenfront des emittierten Laserstrahls bewirken.
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Die letzte Konsequenz dieser Pump-Inhomogenitäten ist
eine Beschränkung
der Qualität
dieses Laserstrahls. Insbesondere die Deformation der Wellenfront
könnte
die ausgekoppelte Leistung des Lasers beeinträchtigen und die Divergenz des
Laserstrahls vergrößern.
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Um diese Nachteile zu beseitigen,
kann man – im
besonderen Fall eines festen stabförmigen Verstärkers – dieses
Medium bekanntlich longitudinal pumpen. Dazu fokussiert man den
von einer oder mehreren Quellen – zum Beispiel Laserdioden – stammenden
Lichtfluss auf eine der Stirnflächen
des Stabs.
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Diese Technik ermöglicht, eine homogene Verteilung
des Pumpens zu erhalten, eignet sich aber nicht für Laser
von sehr hoher Durchschnittsleistung aufgrund von Problemen der
thermischen Belastung des Endes des Verstärkermediums. Tatsächlich eignet
sich diese Technik vor allem für
transversale Einmodenlaser mit moderater Durchschnittsleistung.
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Wenn man einen Laser von hoher Durchschnittsleistung
realisieren möchte,
benutzt man vorzugsweise eine bekannte Transversalpumptechnik. Man
ordnet dann radial um das Verstärkermedium herum
eine endliche Anzahl Laserdioden an.
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Dies ist schematisch in der 1 dargestellt, wo man im
Querschnitt einen Laserstab 2 sieht, angeordnet in einer
Saphirhülse 4.
Der zwischen dem Stab 2 und der Hülse 4 enthaltene Raum
bildet einen Kühlungskanal 6.
Drei Laserdioden 8, jeweils um 120° gegeneinander versetzt, sind
um die Hülse 4 herum
angeordnet und sind durch Abstandshalterelemente 10 voneinander
getrennt.
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Jede Diode 8 sendet einen
Pumplichtstrahl in Richtung des Stabs 2, und man fokussiert
diesen Strahl mittels einer zylindrischen Linse 12 auf
den Stab.
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Bei dieser bekannten Transversalpumptechnik
beleuchtet jede Diode tatsächlich
nur einen begrenzten Teil des Verstärkermediums, und die Pumphomogenität, die man
dann erzielen kann, hängt
direkt von dem Grad der Symmetrie des Dioden-Stab-Systems ab.
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Je mehr Dioden es gibt, um so mehr
nähert man
sich dem Idealfall der Rotationssymmetrie. Nun bewirken aber in
der Praxis mechanische Zwänge, dass
die Anzahl der Dioden oft auf 3 oder 5 beschränkt ist.
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US-A-5619522 (s. 1 dieses Dokuments) offenbart ein optisches
Pumpverfahren eines Verstärkermediums
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen optischen Pumpmodul
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung hat ein
optisches Pumpverfahren eines lichtverstärkenden Mediums zum Gegenstand
sowie einen optischen Pumpmodul, der eine homogene Verteilung der
Pumpleistung ermöglicht.
Die Erfindung ermöglicht
die Realisierung eines Lasers, der keine große Anzahl von Pumplichtquellen
benötigt,
unabhängig
von der erwünschten Leistung
dieses Lasers.
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Genaugenommen hat die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zum optischen Pumpen eines lichtverstärkenden
Mediums zum Gegenstand, bei dem man wenigstens eine Lichtquelle
zum optischen Pumpen dieses Verstärkermediums benutzt, und man
dieses Verstärkermedium
mit einem Reflektor umgibt, dessen Wand (einfach oder mehrfach)
fähig ist,
das Licht der Quelle zu reflektieren, und bei dem man den direkt
aus der Quelle kommenden Strahl so auf die Reflektorwand richtet,
dass es dort zu mehreren sukzessiven Reflexionen kommt, und man
das Verstärkermedium
außerhalb
des direkt aus der Quelle kommenden Strahls anordnet, damit dieses Verstärkermedium
nur durch jenes Licht optisch gepumpt wird, das durch die Reflektorwand
reflektiert wird, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Reflektor zerstreut, partiell oder total, so dass
die sukzessiven Reflexionen des Strahls auf der Reflektorwand partiell
oder total diffuse Reflexionen sind.
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Die Erfindung betrifft auch einen
Modul zum optischen Pumpen eines lichtverstärkenden Mediums, bei dem man
wenigstens eine Lichtquelle zum optischen Pumpen des Verstärkermediums
benutzt und man dieses Verstärkermedium
mit einem Reflektor umgibt, dessen Wand fähig ist, das Licht der Quelle
zu reflektieren, wobei die Quelle so ausgerichtet ist, dass sie
den direkt aus dieser Quelle kommenden Strahl so auf die Reflektorwand
richtet, dass es dort zu mehreren sukzessiven Reflexionen kommt,
und man das Verstärkermedium
außerhalb
des direkt aus der Quelle kommenden Strahls anordnet, damit dieses
Verstärkermedium
nur durch jenes Licht optisch gepumpt wird, das durch die Reflektorwand
reflektiert wird, wobei dieser Modul dadurch gekennzeichnet ist,
dass der Reflektor zerstreut, partiell oder total, so dass die sukzessiven
Reflexionen des Strahls auf der Reflektorwand partiell oder total
diffuse Reflexionen sind.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsart
des erfindungsgemäßen Moduls
bildet das Verstärkermedium
einen zylindrischen Stab mit im Wesentlichen kreisförmiger Basis,
ist die Lichtquelle zu einem transversalen optischen Pumpen dieses
Mediums bestimmt, und die Wand des Reflektors bildet einen Zylinder,
dessen Mantellinien parallel sind zu der Achse des Verstärkermediums.
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Vorzugsweise hat der Reflektor im
Wesentlichen die gleiche Länge
wie das Verstärkermedium.
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Man kann die Basis des durch die
Wand des Reflektors gebildeten Zylinders zum Beispiel auswählen unter
den im Wesentlichen regelmäßigen Vielecken,
den Ellipsen und den Kreisen.
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Die Lichtquelle kann ein Lichtemitter
sein.
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Dieser Lichtemitter kann ausgewählt werden unter
einer Laserdiode, einer Laserdiodenanordnung, einer Reihe von Laserdiodenanordnungen,
einem Stapel von Laserdiodenanordnungen und einer Kombination aus
dieser Reihe und diesem Stapel, wobei diese Anordnungen) parallel
ist (sind) zu den Mantellinien des Zylinders, den die Wand des Reflektors
bildet.
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Der Modul kann außerdem mehrere Blöcke umfassen,
wobei jeder Block eine ebene Fläche
umfasst, fähig
das Licht der Quelle partiell oder total zerstreut zu reflektieren,
und die Basis des durch die Wand des Reflektors gebildeten Zylinders
ist ein im Wesentlichen regelmäßiges Vieleck,
wobei diese Wand somit mehrere Seiten umfasst, von denen jede durch
zwei ebene Flächen
von jeweils zwei benachbarten bzw. aneinandergrenzenden Blöcken gebildet wird.
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Die Lichtquelle kann sich in einem
Zwischenraum befindet, ausgebildet zwischen zwei benachbarten bzw.
aneinandergrenzenden Blöcken,
so dass das Licht aus dem derart zwischen den jeweils ebenen Flächen dieser
beiden Blöcke
ausgebildeten Raum herauskommt und die Wand des Reflektors erreicht.
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Nach einer speziellen Ausführungsart
der Erfindung sind die beiden Blöcke
elektrisch leitfähig
und die Laserdiode oder die Laserdiodenanordnungen) wird (werden) über diese
beiden Blöcke
elektrisch versorgt.
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Anstatt ein Lichtemitter zu sein,
kann die Lichtquelle eine Lichtausbreitungseinrichtung sein, bei
der ein Ende dazu bestimmt ist, das Licht eines Lichtemitters zu
empfangen, und das andere Ende dazu bestimmt ist, dieses Licht in
Richtung Reflektorwand abzustrahlen. Vorzugsweise ist der Reflektor ein
quasi-lambertscher Reflektor.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird besser
verständlich
durch die Lektüre
der nachfolgenden Beschreibung von nur erläuternden und keinesfalls einschränkenden
Ausführungsbeispielen,
bezogen auf die beigefügten
Zeichnungen:
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die 1,
schon beschrieben, zeigt schematisch eine bekannte transversale
optische Pumptechnik eines lichtverstärkenden Mediums,
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die 2 zeigt
schematisch das Prinzip der vorliegenden Erfindung,
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die 3 ist
eine schematische Querschnittansicht einer zweiten speziellen Ausführungsart
des erfindungsgemäßen optischen
Pumpmoduls mit einem Reflektor mit zylindrischer Wand und quadratischer
Basis,
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die 4 ist
eine schematische Querschnittansicht einer speziellen Ausführungsart
des erfindungsgemäßen optischen
Pumpmoduls mit einem zerstreuenden Reflektor mit zylindrischer Wand
und kreisrunder Basis,
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die 5 ist
eine schematische Querschnittansicht einer dritten speziellen Ausführungsart
des erfindungsgemäßen optischen
Pumpmoduls mit einem zerstreuenden Reflektor mit zylindrischer Wand und
polygonaler Basis.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG
SPEZIELLER AUSFÜHRUNGSARTEN
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Ein erfindungsgemäßer optischer Pumpmodul ist
in schematischer Querschnittansicht in der 2 dargestellt und umfasst ein lichtverstärkendes Medium 14 und
wenigstens eine Lichtquelle 16, zum Beispiel eine Laserdiode,
wobei diese Quelle quasipunktförmig
ist.
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Die Quelle 16 ist vorgesehen,
ein Licht abzustrahlen, das fähig
ist, das Verstärkermedium 14 optisch
zu pumpen.
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Der in der 2 dargestellte Modul umfasst auch einen
Reflektor 20, der das Verstärkermedium umgibt und dessen
Wand 22 fähig
ist, dieses Licht in diffuser Weise zu reflektieren. Dieser Reflektor
ist vorzugsweise ein quasi-lambertscher Reflektor.
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Eine Quelle 16, die in dem
durch den Reflektor abgegrenzten Raum mündet, ist so ausgerichtet, dass
der aus dieser Quelle 16 kommende Lichtstrahl 18 direkt
auf die Wand 22 dieses Reflektors trifft. Dieser Strahl 18 wird
dort dann sukzessive mehrmals reflektiert.
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Außerdem befindet sich das Verstärkermedium 14 außerhalb
dieses direkt aus der Quelle 16 kommenden Strahls. Daher
wird das Verstärkermedium 14 nur
von dem durch die Wand 22 des Reflektors 20 zerstreuten
Licht optisch gepumpt.
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Bei den bekannten transversalen optischen Pumpmodulen
strahlen alle Lichtquellen, zum Beispiel Laserdioden, direkt in
Richtung des Verstärkermediums.
Die Homogenität
des Pumpens kann dann nur aus der Summe der jeweiligen Beiträge der Laserdioden
resultieren, mittels Symmetrieeffekts.
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Die vorliegende Erfindung funktioniert
umgekehrt: keine der in der Erfindung benutzten Lichtquellen strahlt
ihr Licht direkt in Richtung des Verstärkermediums. Aus diesem Grund
kann das erfindungsgemäße Pumpverfahren
als indirektes optisches Pumpen betrachtet werden.
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Bei der Erfindung verteilt man den
von jeder Pumplichtquelle abgestrahlten Lichtfluss um das gesamte
Verstärkermedium
herum mittels eines Reflektors, der ganz oder teilweise zerstreut,
um zu vermeiden, dass sich eine bevorzugte Richtung bildet. Diese
Quelle bildet dann keine lokalisierte Quelle, sondern eine breit
zerstreuende Quelle, die das Verstärkermedium in allen Richtungen
beleuchtet.
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Festzustellen ist, dass jede Quelle
ermöglicht,
quasi homogen zu pumpen. Bei der Erfindung gibt es also weniger
Zwang zur Symmetrie als im Stand der Technik, sowohl bei der mechanischen
Positionierung der Quellen als auch bei der Auswahl dieser letzteren.
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Festzustellen ist auch, dass – da man
einen zerstreuenden Reflektor benutzt, der das Verstärkermedium
umgibt – die
Form des Reflektors nicht wichtig ist: er kann von quadratischer,
polygonaler, runder oder sonstiger Form sein.
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Dieser Reflektor kann zum Beispiel
aus Keramik des Typs SINTOX-AI (Schutzmarke) oder aus Polymer des
Typs SPECTRALON (Schutzmarke) sein, oder hergestellt werden mittels
einer Oberflächenbearbeitung
bzw. -behandlung einer metallischen Wand, zum Beispiel eine Bearbeitung
des Typs INFRAGOLD (Schutzmarke), in deren Verlauf man die metallische
Wand sandstrahlt, um auf ihr anschließend eine dünne Goldschicht abzuscheiden.
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In der Folge werden die transversalen
optischen Pumpmodule betrachtet, die in den 3 bis 5 schematisch
dargestellt sind. Jeder dieser Module umfasst einen zerstreuenden
Reflektor 20 und ein Verstärkermedium 24 von
zylindrischer Form mit im Wesentlichen kreisrunder Basis, die koaxial
sind und ungefähr
die gleiche Länge
haben. Diese Pumpmodule sind im Querschnitt dargestellt, senkrecht
zu der gemeinsamen Achse X des Verstärkermediums und des Reflektors.
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Ein erfindungsgemäßer Modul kann nicht nur in
einem Laser (im strikten Sinne) benutzt werden, sondern auch in
einer Lichtverstärkungsvorrichtung, wo
ein Laserstrahl ein Lichtverstärkungsmedium durchquert,
das dazu bestimmt ist, diesen Strahl zu verstärken.
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Für
den Fall einer Anwendung der Module der 3 bis 5 in
einem Laser sei präzisiert.
Dass die beiden Spiegel des Laserresonators, die diesen Resonator
begrenzen, senkrecht zu der Achse X sind und sich jeweils
zu beiden Seiten des Verstärkermediums 24 befinden.
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Bei den Beispielen der 3 bis 5 ist dieses Verstärkermedium 24 ein
Festkörper.
Er befindet sich im Innern eines Rohrs 26, das durchlässig ist
für das Pumplicht.
In dem zwischen diesem Rohr und dem Verstärkermedium enthaltenen Zwischenraum 28 lässt man
mit Hilfe von nicht dargestellten Einrichtungen eine für das Pumplicht
durchlässige
Kühlflüssigkeit
fließen,
um das Verstärkermedium
zu kühlen.
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Der Reflektor 20 umgibt
das Rohr 26 und folglich das Verstärkermedium 24, und
die Wand 22 dieses Reflektors bildet einen Zylinder, dessen
Mantellinien parallel sind zu der Achse X des Verstärkermediums.
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In den Beispielen der 3 bis 5 benutzt man eine oder mehrere Lichtquellen
für das
optische Pumpen, zum Beispiel eine oder mehrere Laserdioden, mit
einem Emissionsspektrum, das übereinstimmt
mit dem Absorptionsspektrum des Verstärkermediums.
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Als Variante kann man das von den
Laserdioden abgestrahlte Licht ins Innere des durch den zerstreuenden
Reflektor begrenzten Pumpkammer hineinleiten, zum Beispiel durch
Lichtleiter, optische Fasern oder einfache (für das Pumplicht reflektierend gemachte)
Schlitze.
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Das derart in die Kammer eingespeiste Pumplicht
wird zunächst
direkt auf das zerstreuend reflektierende Material gerichtet, ohne
das Verstärkermedium
zu durchqueren.
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In dem Beispiel der 3 ist die Wand des Reflektor ein Zylinder
mit quadratischem Querschnitt: man sieht in der Figur die vier Seiten
dieser Wand.
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Man benutzt zum optischen Pumpen
vier Lichtquellen 30, angeordnet auf den vier Seiten. Jede dieser
Quellen 30 umfasst einen Lichtleiter 32, zum Beispiel
ein Glasplättchen,
der den Reflektor parallel zu der Achse X durchquert, wie
zu sehen in der 3.
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Ein erstes Ende dieses Plättchens 32 mündet im
Innern dieses Reflektors und ist bündig mit dessen Wand, während das
zweite Ende des Plättchens
außerhalb
dieses Reflektors mündet.
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Dieses zweite Ende ist optisch gekoppelt
mit einer Laserdiode 34 oder einer Laserdiodenanordnung,
parallel zur Achse X, gesteuert durch nicht dargestellte
Einrichtungen.
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Diese Diode oder Diodenanordnung
strahlt Pumplicht ab, das dann durch das Plättchen übertragen wird und am ersten
Ende dieses Plättchens
austritt, um die Wand des Reflektors zu beleuchten.
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Man wählt die Schrägstellung β jedes Plättchens
in Bezug auf die Wand, und den Abstand d des ersten Endes
in Bezug auf eine benachbarte Seite oder Fläche dieser Wand, so dass das
aus diesem ersten Ende austretende Lichtbündel 18 die Wand beleuchtet,
ohne auf das Verstärkermedium 24 zu treffen,
wobei der Öffnungswinkel α dieses Bündels (s. 2) bekannt ist.
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Man verwendet zum Beispiel:
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- – einen
Verstärkerstab
aus Nd:YAG mit 5 mm Durchmesser und dem optischen Index 1,82,
- – Laserdioden,
deren Gesamtdivergenz auf halber Höhe 40° beträgt, die mit 0,5 mm Abstand
von ihren jeweiligen Lichtleitern angeordnet sind und die mit 808
nm emittieren und eine Spektralbreite von 2 nm auf halber Höhe haben,
- – Ein
Glasrohr 26 mit einem Durchmesser unter 7 mm, einem Außendurchmesser
von 9 mm und dem optischen Index 1,5, wobei dieses Rohr außen einer Antireflex-Bearbeitung
unterzogen wurde,
- – Kühlwasser
mit dem optischen Index gleich 1,33,
- – einen
Reflektor mit quadratischen Wänden
von 15 mm Seitenlänge
und einem Reflexionskoeffizienten von 97,5%, und
- – Lichtleiter
aus Glas, deren Dimensionen 1 cm × 1 cm betragen, deren optischer
Index gleich 1,5 ist und deren erste und zweite Enden einer Antireflex-Bearbeitung
unterzogen wurden.
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In dem Beispiel der 4 hat der Reflektor 20 eine
zylindrische Wand mit kreisrunder Basis. Man verwendet fünf Pumplichtquellen 30.
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Jede Quelle umfasst eine optische
Faser 36, deren eines Ende optisch mit einer Laserdiode 34 gekoppelt
ist, die gesteuert wird durch nicht dargestellte Einrichtungen und
deren anderes Ende sich in einem rechtwinkligen Ansatz 38 befindet,
der den Reflektor schräg
(das heißt:
nicht radial) durchquert, um in dem Raum zu münden, der durch diesen Reflektor
begrenzt wird, indem er mit der Wand dieses Reflektors bündig abschließt.
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Man sieht das Lichtbündel 18 direkt
aus dem Ende des Ansatzes in den durch die Wand 22 abgegrenzten
Raum eintreten. Wieder beleuchtet dieses Lichtbündel die Wand, ohne auf das
Verstärkermedium
zu treffen.
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In dem Beispiel der 5 hat der zerstreuende Reflektor 20 eine
zylindrische Wand 22 mit polygonaler Basis, zum Beispiel
mit fünf
Seiten.
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Man benutzt als Pumplichtquelle Lichtemitter 40,
gebildet durch Laserdiodenanordnungen, die parallel zu der Achse X des
Verstärkerstabs 24 sind.
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Man kann solche Anordnungen auch
aufeinanderschichten und/oder stapeln.
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In der 5 sieht
man fünf
Gruppen mit jeweils zwei Metallblöcken 42 und 44,
die jeweils zwei plane Flächen 46 und 48 haben,
die koplanar sind und deren Vereinigung jeweils eine der Seiten
der Wand 22 mit fünfeckiger
Basis des Moduls der 5 bildet.
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Jede Laserdiodenanordnung ist enthalten zwischen
den beiden Metallblöcken 42 und 44 einer selben
Gruppe und befindet sich in unmittelbarer Nähe der jeweiligen Flächen 46 und 48 dieser
beiden Blöcke,
in der diese beiden Flächen
trennenden Linie.
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Diese ermöglicht die elektrische Versorgung der
Laserdioden dieser Anordnung, indem man die beiden Blöcke 42 und 44 durch
in der 5 symbolisch
mit – und
+ dargestellte Einrichtungen entsprechend polt.
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Man sieht in der 5 den zwischen diesen beiden Blöcken vorhandenen
Zwischenraum, der teilweise von der entsprechenden Anordnung 40 eingenommen
wird. Der restliche Raum wird mit einem elektrisch isolierenden
Material gefüllt.
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Man sieht, dass dieser Raum schräg ist in Bezug
auf die jeweiligen planen Flächen 46 und 48 der
beiden Blöcke 42 und 44,
und dass die Beleuchtung der Wand des Reflektors im Falle der 5 wieder schräg ist, wobei
das direkt aus der Anordnung stammende Lichtbündel nicht auf das Verstärkermedium 24 trifft.
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Auch trennt ein Element 52,
hergestellt aus einem elektrisch isolierenden Material, jeden zu
einer bestimmten Gruppe von Blöcken
gehörenden
Block von einem Block der benachbarten Gruppe, um einen elektrischen
Kontakt zwischen diesen beiden Blöcken zu verhindern.
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Zudem wurden alle Flächen 46 und 48 sandgestrahlt
und dann mit einer dünnen
Goldschicht überzogen,
um die diffuse Reflexion zu bewirken.