NO140362B

NO140362B - OPTICAL TRANSMITTER OR AMPLIFIER (LASER)

Info

Publication number: NO140362B
Application number: NO762377A
Authority: NO
Inventors: Viktor Baumgartner
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1975-07-21
Filing date: 1976-07-07
Publication date: 1979-05-07
Also published as: TR19256A; SE405297B; IE42876B1; CH600627A5; DK328376A; FR2319221B1; ATA474976A; DE2532586B2; AT350631B; BE844338A; NL7608055A; SE7608038L; FR2319221A1; IT1066802B; DE2532586C3; NO762377L; LU75094A1; IE42876L; GB1505433A; DE2532586A1

Description

Oppfinnelsen angår en optisk sender eller forsterker (laser) The invention relates to an optical transmitter or amplifier (laser)

med et ansporingsspeil som er omgitt av et hus, og hvis indre ved hjelp av et filter som i høy grad er ugjennomtrengelig for varme-stråler, er oppdelt i to delrom, nemlig et delrom med et fast stimulerbart medium og et delrom med en ansporingslyskilde, og hvor i det minste ett av ansporingsspeilets to delrom gjennomstrømmes av et kjølemiddel, samt hvor huset står i godt varmeledende forbindelse med et varmesluk. with a spur mirror which is surrounded by a housing, and whose interior, by means of a filter which is highly impermeable to heat rays, is divided into two sub-spaces, namely a sub-space with a solid stimulable medium and a sub-space with a spur light source, and where at least one of the spur mirror's two sub-compartments is flowed through by a coolant, as well as where the housing is in good heat-conducting connection with a heat sink.

Optiske sendere eller forsterkere av denne art er kjent fra Optical transmitters or amplifiers of this kind are known from

DT-OS 1 944 852 og 1 951 702 og DT-AS 2 241 351. De har en virknings-grad i størrelsesorden 1% og mindre, så praktisk talt den samlede ansporingsenergi blir omsatt til tapsvarme. Behøves større strålings-effekt, slik det f.eks. kreves ved anvendelsen som strålingskilde for optiske avstandsmålere med stort måleområde, må man derfor treffe særskilte forholdsregler for å føre den dannede tapsvarme bort i tilstrekkelig grad. Å oppfylle dette krav byr på betraktelige vanskelig-heter i tilfellet av mobil anvendelse av laseren, hvor der stilles krav om en mest mulig kompakt utførelse i forbindelse med en mest mulig enkel og vedlikeholdsfri kjøleinnretning. De anvendte kjøle-middelkretsløp betyr 1 denne forbindelse en under tiden betraktelig teknisk påkostning såfremt kjølemiddelkretsløpet ikke, slik det ofte forekommer, kan tilsluttes eksisterende vannledningsnett eller man kan gjøre bruk av et spesielt kjøleaggregat. De kjente løsninger gjør det riktignok mulig ved anvendelse av et filter som forhindrer at den for ansporingen av det stimulerbare medium ubrukbare varmestråling sendes inn mot dette medium, å begrense den nødvendige væskekjøling til det delrom som inneholder ansporingslyskilden, og for det stimulerbare mediums vedkommende å klare seg med en kjøling ved varmebort-ledning i forbindelse med en kjøling ved varmekonveksjon. Dette kompromiss forbedrer riktignok anvendelsesmulighetene for slike strålingskilder og reduserer påkostningen til kjølesystemet, men eliminerer ikke den i og for seg besværlige kjøling enten med en væske eller også med en gass under høyt trykk. DT-OS 1 944 852 and 1 951 702 and DT-AS 2 241 351. They have an efficiency of the order of 1% and less, so practically the total spur energy is converted into waste heat. If a greater radiation effect is required, such as e.g. is required in the application as a radiation source for optical distance meters with a large measuring range, special precautions must therefore be taken to remove the generated heat loss to a sufficient extent. Fulfilling this requirement presents considerable difficulties in the case of mobile use of the laser, where demands are made for the most compact design possible in connection with the most simple and maintenance-free cooling device possible. The coolant circuits used mean in this connection a considerable technical expense at the time if the coolant circuit cannot, as is often the case, be connected to the existing water mains or a special cooling unit can be used. The known solutions do indeed make it possible, by using a filter that prevents heat radiation useless for the stimulation of the stimulable medium from being sent towards this medium, to limit the necessary liquid cooling to the sub-space containing the stimulation light source, and for the stimulable medium to manage with cooling by heat conduction in connection with cooling by heat convection. This compromise certainly improves the application possibilities for such radiation sources and reduces the cost of the cooling system, but does not eliminate the inherently difficult cooling either with a liquid or with a gas under high pressure.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den oppgave å gi en ytter-ligere løsning for en optisk sender eller forsterker av den innled-ningsvis angitte art, hvor varmebortføringen ved stråling og kon-veksjon er optimert ved konstruktive forholdsregler, hvorved den grense for tapseffekten som ikke kan overskrides uten at man gjør bruk av de omtalte kostbare kjøleanordninger, er hevet vesentlig sammenholdt med den kjente teknikk. The invention is based on the task of providing an additional solution for an optical transmitter or amplifier of the kind indicated at the outset, where the heat removal by radiation and convection is optimized by constructive measures, whereby the limit for the loss effect which cannot is exceeded without making use of the mentioned expensive cooling devices, the increase is substantially compared to the known technique.

Med utgangspunkt i en sender eller forsterker av den innled-ningsvis angitte art blir denne oppgave ifølge oppfinnelsen løst ved at ansporingsspeilet er et transparent hullegeme som på sin innside er forsynt med et frekvensselektivt reflekterende overtrekk, og som er anordnet innenfor det omgivende hus under levning av et luftmellomrom, og at husets innervegg er forsynt-med et lysabsorberende belegg. Based on a transmitter or amplifier of the kind indicated at the outset, this task is solved according to the invention in that the spur mirror is a transparent hollow body which is provided on the inside with a frequency-selective reflective covering, and which is arranged within the surrounding housing under the an air gap, and that the house's inner wall is provided with a light-absorbing coating.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den erkjennelse at det ved tapseffekter i området mellom 60 og 100 W er mulig også å unnvære en væskekjøling av ansporingslyskilden hvis det sørges for at de andeler av ansporingslyskildens spektrum som er ubrukelige til ansporing av det s.timulerbare medium, mest mulig raskt blir absorbert på huset, som er forbundet med et varmesluk. Takket være forholdsreglene ifølge oppfinnelsen blir dette oppnådd på optimal måte. The invention is based on the realization that with loss effects in the range between 60 and 100 W it is also possible to dispense with liquid cooling of the stimulation light source if it is ensured that the portions of the stimulation light source's spectrum that are useless for stimulating the s.stimulable medium, most as quickly as possible is absorbed on the housing, which is connected to a heat sink. Thanks to the precautions according to the invention, this is achieved in an optimal way.

Det lysabsorberende belegg som dekker husets innervegg, blir særlig effektivt med hensyn til sin absorberende funksjon hvis husets innervegg har en ruhet hvis kornstørrelse er stor i forhold til bølge-lengden ay. de andeler av ansporingslyskildens stråling som skal absorberes. For derved blir det oppnådd at energien av den varmestråling The light-absorbing coating that covers the house's inner wall becomes particularly effective with regard to its absorbing function if the house's inner wall has a roughness whose grain size is large in relation to the wavelength ay. the shares of the spur light source's radiation to be absorbed. Because thereby it is achieved that the energy of the heat radiation

som treffer det lysabsorberende belegg, raskt blir redusert ved flere gangers refleksjon i overflatestrukturen. which hits the light-absorbing coating, is quickly reduced by multiple reflections in the surface structure.

Særlig gunstig arter forholdene aeg i denne forbindelse hvis ruheten av husets innervegg dannes av tett inntil hinannen liggende gjengeformige riller med en åpningsvinkel på ca. 60°. The conditions are particularly favorable in this regard if the roughness of the house's inner wall is formed by closely spaced thread-shaped grooves with an opening angle of approx. 60°.

Som lysabsorberende belegg egner seg fordelaktig en sort, tokomponents polyester-mattlakk. A black, two-component polyester matt lacquer is advantageously suitable as a light-absorbing coating.

Ved en foretrukken utførelsesform, hvor det er mulig å klare seg med meget små dimensjoner, er ansporingsspeilet en hulsylinder og det stimulerbare medium såvel som ansporingslyskilden er utført stavformet og strekker seg i hulsylinderens akseretning. Hulsylinderen, filter- j glasset, det stimulerbare medium og ansporingslyskilden er montert i j avslutningspartier som er forbundet med huset og begrenser hulsylinderen ved endene. In a preferred embodiment, where it is possible to manage with very small dimensions, the spur mirror is a hollow cylinder and the stimulable medium as well as the spur light source is rod-shaped and extends in the axial direction of the hollow cylinder. The hollow cylinder, the filter j glass, the stimulable medium and the spur light source are mounted in j termination portions which are connected to the housing and limit the hollow cylinder at the ends.

For kjøleformål er det gunstig om hulsylinderen i det minste For cooling purposes, it is advantageous if the hollow cylinder at least

via sine avslutningspartier ved endene er forbundet med rommet utenfor huset gjennom kjølekanaler som inngår i et kjølesystem. via their termination parts at the ends are connected to the room outside the house through cooling ducts that form part of a cooling system.

For de fleste anvendelsestilfeller danner hulsylinderen sammen med kjølekanalene en luftgjennomføringskanal som er tilsluttet en blåseanordning. For most applications, the hollow cylinder together with the cooling channels forms an air passage channel which is connected to a blowing device.

Oppfinnelsen skal i det følgende belyses nærmere ved et ut-førelseseksempel som er vist på tegningen. Fig. 1 viser skjematisk en laser ifølge oppfinnelsen i tverrsnitt. Fig. 2 viser skjematisk en laser ifølge oppfinnelsen i lengde-snitt . Fig. 3 viser en refleksjons- og transmisjonskarakteristikk for ansporingsspeilet ved en laser ifølge oppfinnelsen. Fig. 4 viser en transmisjonskarakteristikk for et filter ved en laser ifølge oppfinnelsen. In the following, the invention will be explained in more detail by means of an embodiment which is shown in the drawing. Fig. 1 schematically shows a laser according to the invention in cross-section. Fig. 2 schematically shows a laser according to the invention in longitudinal section. Fig. 3 shows a reflection and transmission characteristic for the spur mirror of a laser according to the invention. Fig. 4 shows a transmission characteristic for a filter in a laser according to the invention.

I tverrsnittet på fig. 1 ses et laserhus 1 sammensatt av en øvre og en nedre skål henholdsvis 2 og 3. De to skåler danner tilsammen et hus med rettvinklet parallellepipedisk ytterform og med et sylindrisk hulrom med sirkelformet tverrsnitt. Innerveggen 4 av skålene 2, 3 er oppruet og har en kornstørrelae av 50 ym og mer. Denne oppruede over-flate er belagt med en sort, tokomponents polyester-mattlakk som har funksjon som lysabsorbator. Begge delskålene er på yttersiden godt varmeledende forbundet med hvert sitt varmesluk 6 resp. 7, f.eks. en utstrakt stålplate. I det sylindriske hulrom er der under levning av et tilstrekkelig luftmellomrom 5 mot innerveggen 4 av skålene 2 og 3 anordnet et sylindrisk hulspeil 8 som likeledes er sammensatt av to skåler 9 og 10. Begge skålene 9 og 10 består av et transparent materi-ale, f.eks. kvartsglass, og er på innsiden forsynt med et belegg 11 med frekvensselektivt reflekterende egenskaper. Hulspeilet har form av en elliptisk sylinder. De to skåler 9 og 10 er adskilt fra hverandre av filteret 12. I det delrom som begrenses av skålen 9 og filteret 12, er der anbragt en stavformet ansporingslyskilde 13, og innenfor det delrom som begrenses av skålen 10 og filteret, sitter det stavformede stimulerbare medium 14, begge aksialt orientert. In the cross-section of fig. 1 shows a laser housing 1 composed of an upper and a lower bowl 2 and 3 respectively. The two bowls together form a housing with a right-angled parallelepiped outer shape and with a cylindrical cavity with a circular cross-section. The inner wall 4 of the bowls 2, 3 is roughened and has a grain size layer of 50 ym and more. This roughened surface is coated with a black, two-component polyester matt lacquer which functions as a light absorber. Both partial bowls are well heat-conducting on the outside, connected to each heat outlet 6 or 7, e.g. an extended steel plate. In the cylindrical cavity, while leaving a sufficient air gap 5 against the inner wall 4 of the bowls 2 and 3, a cylindrical hollow mirror 8 is arranged which is likewise composed of two bowls 9 and 10. Both bowls 9 and 10 consist of a transparent material, e.g. quartz glass, and is provided on the inside with a coating 11 with frequency-selective reflective properties. The pinhole mirror has the shape of an elliptical cylinder. The two bowls 9 and 10 are separated from each other by the filter 12. In the subspace limited by the bowl 9 and the filter 12, a rod-shaped spur light source 13 is placed, and within the subspace limited by the bowl 10 and the filter, the rod-shaped stimulable medium 14, both axially oriented.

Det stavformede stimulerbare medium, fortrinnsvis en neodym-dotert yttrium-aluminium-granatstav, har absorbsjonsbånd i området mellom 0,8 og 0,9 ym og frembringer en koherent stråling ved 1,06 ym. Det frekvensselektivt reflekterende belegg på innerveggen av skålene 9 og 10 består av et større antall dielektriske skikt som er utformet slik med hensyn til rekkefølge og dimensjonering at de bare reflek-terer stråling i området fra 0,7 til 0,9 ym nesten fullstendig, mens de har liten refleksjon for stråling i området under 0,7 ym og over 1,0 ym. Det tilsvarende transmisjonsdiagram for transmisjonen T resp. refleksjonen R som funksjon av bølgelengden X er vist på fig. 3. Her betegner den fullt opptrukne kurve A transmisjonsforløpet og den stiplede kurve B refleksjonsforløpet. The rod-shaped stimulable medium, preferably a neodymium-doped yttrium aluminum garnet rod, has absorption bands in the range between 0.8 and 0.9 um and produces coherent radiation at 1.06 um. The frequency-selective reflective coating on the inner wall of the bowls 9 and 10 consists of a larger number of dielectric layers which are designed in such a way with regard to order and dimensioning that they only reflect radiation in the range from 0.7 to 0.9 um almost completely, while they have little reflection for radiation in the range below 0.7 ym and above 1.0 ym. The corresponding transmission diagram for the transmission T resp. the reflection R as a function of the wavelength X is shown in fig. 3. Here, the solid curve A denotes the transmission course and the dashed curve B the reflection course.

Filteret 12 er likeledes utført med dielektriske skikt og har et forløp av transmisjonen T som funksjon av hølgelengden X som vist på fig. 4. Som kurven viser, slipper dette filter bare strålingen med bølgelengder mellom 0,7 og 1,0 ym igjennom praktisk talt uten tap, mens det langt på vei sperrer de ovenfor- og nedenforliggende områder av spekteret. The filter 12 is likewise made with dielectric layers and has a progression of the transmission T as a function of the coil length X as shown in fig. 4. As the curve shows, this filter allows only the radiation with wavelengths between 0.7 and 1.0 um to pass through practically without loss, while it largely blocks the upper and lower regions of the spectrum.

På denne måte blir det oppnådd at ansporingslyskildens strål-ingsenergi i de spektralområder som er uten interesse for ansporingen av det stimulerbare medium 14, trer gjennom skålene 9 og 10 hos hulspeilet 9 og blir absorbert av det lyssluk som dannes av innerveggen av skålene 2 og 3. Denne prosess er antydet ved de krumme piler på fig. 1. In this way, it is achieved that the radiation energy of the spur light source in the spectral regions that are of no interest to the spur of the stimulable medium 14, passes through the bowls 9 and 10 of the hollow mirror 9 and is absorbed by the light trap formed by the inner wall of the bowls 2 and 3 This process is indicated by the curved arrows in fig. 1.

I lengdesnittet på fig. 2 ses, foruten det parti, som er vist i tverrsnitt på fig. 1, også de partier 15 og 16 av det elliptisk-aylindriske hulspeil 8 som avslutter dette ved endene, tillikemed de bakenforliggende deler av husets skåler 2 og 3. Avslutningene 15 og 16 tjener til montering av skålene 9 og 10 hos hulspeilet 8, filteret In the longitudinal section in fig. 2 can be seen, apart from the part shown in cross-section in fig. 1, also the parts 15 and 16 of the elliptical-cylindrical hollow mirror 8 which terminate this at the ends, together with the rear parts of the housing bowls 2 and 3. The ends 15 and 16 serve for mounting the bowls 9 and 10 of the hollow mirror 8, the filter

12 for ansporingslyskilden 13 samt det stimulerbare medium 14. Som det videre fremgår av fig. 2, munner boringer 17 og 18 som er utformet i de overfor hinannen liggende endevegger av huset og er ført 12 for the spur light source 13 as well as the stimulable medium 14. As further appears from fig. 2, open boreholes 17 and 18 which are designed in the opposite end walls of the housing and are led

videre gjennom avslutningene 15, 16, ut i det indre av hulspeilet 8 further through the terminations 15, 16, into the interior of the hollow mirror 8

og skråner i retning utenfra og innover i retning mot hulspeilets akse. Helningsvinkelen er valgt slik at kjøleluften såvidt mulig effektivt bestryker det stavformede stimulerbare medium 14 og den stavformede ansporingslyskilde 13. Luftstrømningen frembringes ved hjelp av en ikke vist blåseanordning på den side hvor boringene 17 and slopes outwards and inwards towards the axis of the pinhole mirror. The angle of inclination is chosen so that the cooling air as effectively as possible coats the rod-shaped stimulable medium 14 and the rod-shaped spur light source 13. The air flow is produced by means of a blowing device, not shown, on the side where the bores 17

befinner seg. Retningen av strømningen gjennom det indre av hulspeilet 8 er markert ved piler i området for boringene 17 og 18. is located. The direction of the flow through the interior of the hollow mirror 8 is marked by arrows in the area of the bores 17 and 18.

Til forskjell fra fig. 1 er ruheten av innerveggen av skålene In contrast to fig. 1 is the roughness of the inner wall of the bowls

2 og 3 tilveiebragt ved at der i husets innervegg er skåret tett sammenliggende gjenger som strekker seg på tvers av hulrommets akse og har en åpningsvinkel på ca. 60°. Denne form for oppruing av inner- 2 and 3 provided by closely spaced threads being cut in the inner wall of the house which extend across the axis of the cavity and have an opening angle of approx. 60°. This form of roughening of inner

veggen har den fordel at de andeler av strålingen som ikke blir absorbert første gang de treffer veggen, blir reflektert flere ganger i gjengene, så absorbatorvirkningen blir særlig sterk. the wall has the advantage that the parts of the radiation that are not absorbed the first time they hit the wall are reflected several times in the threads, so the absorber effect is particularly strong.

Ved en laseranordning som er utført i samsvar med oppfinnelsen, In the case of a laser device made in accordance with the invention,

og som med en pulsfrekvens av 6-lo Hz frembringer 15 nsek-pulser med en pulsenergi av 4 MW, er det mulig å mestre en tilstrekkelig bort- and which with a pulse frequency of 6-lo Hz produces 15 nsec pulses with a pulse energy of 4 MW, it is possible to master a sufficiently far-

føring av den dannede tapsvarme i størrelsesorden 60-100 W med den enkle blestventilasjon som er antydet på fig. 2, og det selv ved ugunstige betingelser som dem der f.eks. kan foreligge ved høye utetemperaturer. I den forbindelse er det verd å nevne at filteret mellom det stimulerbare medium 14 og ansporingslyskilden 13 også kan være et såkalt kantglass som i tilstrekkelig grad sperrer for stråling med bølgelengde over 0,9 ym, altså ikke ubetinget behøver å være et filter oppbygget med dielektriske skikt. conduction of the generated waste heat in the order of 60-100 W with the simple blast ventilation that is indicated in fig. 2, and that even under unfavorable conditions such as those where e.g. can be present at high outside temperatures. In this connection, it is worth mentioning that the filter between the stimulable medium 14 and the spur light source 13 can also be a so-called edge glass that sufficiently blocks radiation with a wavelength over 0.9 um, i.e. it does not necessarily have to be a filter made up of dielectric layers.

Claims

1. Optical transmitter or amplifier (laser) with a spur mirror surrounded by a housing, and whose inner space, by means of a filter that is highly impervious to heat radiation, is divided into two sub-spaces, namely a sub-space with a solid stimulable medium and a sub-space with a spur source, and where at least one of the two sub-spaces of the spur mirror is flowed through by a coolant, as well as where the housing is in a good heat-conducting connection with a heat sink, characterized in that the spur mirror (8) consists of a transparent hollow body which is provided on the inside with a frequency-selective reflective

cover (11), and which is arranged in the surrounding house (1) leaving an air gap (5), and that the house's inner wall (4) is provided with a light-absorbing coating.

2. Optical transmitter or amplifier as specified in claim 1, characterized in that the inner wall (4) of the housing (1) has a roughness whose grain size is large in relation to the wavelength of the portions of the spur light source's (13) radiation to be absorbed.

3. Optical transmitter or amplifier as specified in claim 1 or 2, characterized in that the roughness of the inner wall (5) of the housing (1) is formed by closely spaced thread-shaped grooves with an opening angle of approx. 60°.

4. Optical transmitter or amplifier as stated in one of claims 1-3, characterized in that the light-absorbing coating consists of a black, two-component polyester matt varnish.

5. Optical transmitter or amplifier as stated in one of the claims 1-4, characterized in that the spur mirror (8) has the shape of a hollow cylinder, that the stimulable medium (14) and the spur light source (13) are made rod-shaped and extend in the axis direction of the hollow cylinder , and that the hollow cylinder, the filter (12), the stimulable medium (14) and the spur light source (13) are mounted in terminations (15, 16) which limit the hollow cylinder at the ends and are connected to the housing.

6. Optical, transmitter or amplifier as stated in claim 5, characterized in that the hollow cylinder is connected at least via its end terminations (15, 16) to the room outside the housing through cooling channels (17, 18) which are part of a cooling system.

7. Optical transmitter or amplifier as specified in claim 6, characterized in that the hollow cylinder together with the cooling channels (17, 18) forms an air channel which is connected to a blowing-in direction.