DE1564750C - Optischer Sender oder Verstarker (Laser) - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender oder Verstärker (Laser) mit einem stimulierbaren Medium innerhalb eines optischen Resonators, dessen außerhalb des slinuilierbaren Mediums angeordnete Spiegel mechanisch fest in ihrem gegenseitigen Abstand gchaltcrt sind.

Hin Laser enthält als wesentliche Bauteile das stinnilierbare Medium, in welchem eine optische Strahlung erzeugt und verstärkt wird, und den optischen Resonator, durch den die Strahlung in einer vorbestimmten Art und Weise rückgekoppelt und gebündelt wird. Um einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten, müssen die Spiegel genau ausgerichtet von einem Aufbau getragen werden, der in der Nähe des stimulierbaren Mediums angeordnet ist. Während des Vorgangs der Anregung des stimulierbaren Mediums bis zu einer optischen Emission wird eine erhebliche Wärmemenge erzeugt, und es wurde gefunden, daß, wenn diese Wärme den tragenden Aufbau des Resonators quer durchfließt, ein Temperaturgradient über den Querschnitt des Aufbaues entsteht, der ausreicht, um den Aufbau zu verformen und eine unerwünschte Fehlausrichümg der Spiegel zu verursachen.

Optische Sender oder Verstärker (Laser) mit einem Aufbau zur Halterung der Spiegel, wie eingangs erwähnt, sind bereits bekannt. Außerdem ist es bereits bekannt, für die Halterung der Spiegel vier Stangen aus einer Nickel-Eisenlegierung mit 36⁰J₀ Ni und 64⁰Z₀ Fe (Invar) mit niedrigem Temperaturausdehnungskoeffizienten zu verwenden und für eine, mechanische Temperaturkompensation Sorge zu tragen. Beide Spiegel sind je um eine Achse schwenkbar. Es erfolgt eine Einjustierung der Parallelslellung mittels Grob- und Kernantriebes. Es ist auch ein elektronisches Temperaturkompensationssystem bekannt, bei dem der Winkel und der Abstand der Spiegel mit Hilfe magnetostriktiver Glieder in Abhängigkeit von Änderungen von Frequcn/anteilen im Verstärker- oder SendcausMing geregelt werden. Weiterhin ist ein Gaslaser bekannt, bei welchem der Abstand der Spiegel mittels piezoelektrischer Kristalle spannungsabhängig geregelt wird. Auch hier sind vier Stäbe aus einer Nickel-Eisenlegierung (Invar) vorgesehen, um den Abstand der Spiegel möglichst von der Raumtemperatur unabhängig zu machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einem neuartigen, möglichst einfachen Wege dafür zu sorgen, daß die im stiniulicrbaren Medium auftretende Wärme möglichst keinen Einfluß auf die die Spiegel in ihrer gegenseitigen Entfernung festlegenden und ihre Ausrichtung bestimmenden Bauteile gewinnt. Diese Ausbildung soll zugleich eine Miniaturisierung der Laser dadurch ermöglichen, daß das die Wärmcc|uelle bildende stinnilierbare Medium im Vergleich zum Stande der Technik erheblich näher an dem die Spiegel tragenden Aufbau angeordnet werden kann, ohne daß die Ausrichtung der Spiegel dadurch störend beeinträchtigt wird.

Lrfindiingsgemäß wird vorgeschlagen, daß zum /wecke einer annähernden Winkelstabilität der Spiegel des optischen Resonators zueinander das Bauteil für die Abstandshalterung der beiden Resonatorspiegel vor der im .slimulierbarcn Medium freiwerdenden Wärme dadurch geschützt wird, daß es durch ein gut wärmeleitendes und den größten Teil des Wärme-Hiisscs aufnehmendes Bauteil mit Abstand umfangen wird. Umständliche und aufwendige Temperaturkompensationsvorrichtungen werden auf diese Weise entbehrlich. Die Belüftung wird weniger bedeutsam, und auf einen künstlich durch ein Gebläse erzeugten Luftstrom, der Schwierigkeiten, wie Vibration und optisches Zittern infolge vom Motor und vom Luftstrom herrührender Schwingungen, verursachen würde, kann verzichtet werden. Die Erfindung ermöglicht es daher, Laser gedrängter und mit kleineren Abmessungen zu bauen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der ίο Zeichnungen beispielsweise näher erläutert:

F i g. I zeigt eine vereinfachte Darstellung eines üblichen Gaslasers, von der Seite gesehen.

F i g. 2 zeigt eine Einzelheit eines den optischen Resonator tragenden Aufbaues in der bisher üblichen Art für einen Laser nach F i g. 1.

F i g. 3 ist eine Querschnittsansicht mit Blickrichtung auf die Ebene 3-3 in F i g. 2.

F i g. 4 zeigt eine Einzelheit eines den optischen Resonator tragenden Aufbaues gemäß der Erfindung für einen Laser nach Fig. 1.

F i g. 5 ist eine Qucrschnittsdarstellung mit Blickrichtung auf die Ebene 5-5 in F i g. 4.

F i g. 6 ist eine Einzelteildarstellimg eines anderen,

zum Tragen des optischen Resonators dienenden Aufbaues gemäß der Erfindung für den Laser nach F i g. 1.

F i g. 7 ist eine Querschnittsansicht mit Blickrichtung auf die Ebene 7-7 von F i g. 6.

F i g. 8 ist eine zum Teil abgebrochen dargestellte Seitenansicht eines Lasers gemäß der Erfindung.
F i g. 9 ist eine Querschnittsansicht mit Blickrichtung auf die Ebene 9-9 in F i g. 8.

F i g. 10 ist eine Querschnittsdarstellung eines anderen Lasers gemäß der Erfindung.

F i g. 1 zeigt einen Gaslaser, bei dem die Gas-Entladung aus der Energiequelle 1 die Anregungsenergie für das gasförmige stimulierbare Medium für kohärente Ausstrahlung liefert. Diese kohärente Strahlung bei einer gewünschten Wellenlänge wird durch vakuumdichte Fenster 3 hindurch übertragen, und zwar solchen, die unter dem Brewstcr-Winkel geneigt sind für maximalen Durchlaß polarisierten Lichtes. Das kohärente Licht wird noch dadurch weiter verstärkt, daß es mehrmals durch das stimulierbare Medium hindurch vermittels zweiter den optischen Resonator begrenzenden Spiegel 4 und 5 hin- und hergeworfen wird, die sich einander gegenüberstehen. Die in Aufbauten 4' bzw; 5' angebrachten Spiegel 4 und 5 werden in einem genau festgelegten Abstand von einer Basisanordnung7 getragen. Das das stinnilierbare Medium aufnehmende 5» Entladungsrohr 2 und die mit den zur Stabilisierung der Entladung dienenden Elektroden 9 des Entladungsrohres in Reihe geschalteten Widerstände 8 werden oberhalb der Basisanordnung 7 getragen.

Die Erfordernisse für die Ausrichtung der Spiegel 4 und 5 lassen sich durch den Fall veranschaulichen, bei welchem mindestens der eine Spiegel eine reflektierende Kugelfläche mit einem Krümmungsradius R aufweist, der groß ist im Vergleich zu dem Abstand L zwischen den beiden Spiegeln. Eine solche Ausbildung ist erwünscht, um große Beträge optischer Energie in einer e-nphasigen Wcllcnfront zu erhalten. Für einen optischen Resonator mit einem solchen Kugclspiegel mit dem Krümmungsradius R und einem zweiten Spiegel mit einer reflektierenden Planarflächc kann die Aus^fi5 richtungsempfiiullichkcit, gemessen durch den Drehwinkel eines der Spiegel (von der genauen Ausrichtung gegenüber dem anderen Spiegel aus) in Radian, wie folgt ausgedrückt werden:

θ =

r\

(1)

λ ist in dieser Formel die Betriebswellenlänge. Bei einem Helium-Neon-Gaslaser, der bei 6328 Ä arbeitet und der einen Spiegelabstand L — 2 in und einen Krümmungsradius R =■- 20 m aufweist, beträgt die AusrichUingsempfindlichkeit Θ — 5,7 Bogensekunden. Es sei nun eine übliche Anordnung T zum Tragen der Reflektoren betrachtet, welche die Form eines Rohres von rechteckigem Querschnitt hat, wie dies in F i g. 2 und 3 veranschaulicht ist. Ein Teil W der durch die Anregung des stimulierbaren Mediums in dem Entladungsrohr erzeugten Wärme fließt von oben nach unten und erzeugt dabei eineiiTemperaturgradienten in Querrichtung über den Querschnitt. Infolgedessen dehnt sich der obere Teil der Anordnung 7' mehr aus als der untere Teil, so daß sich eine Winkelablenkung Θ jedes Reflektors ergibt, die sich in Radian wie folgt ausdrücken läßt:

Θ =

CW 2KD

(2)

Hierbei ist C der Wärmeausdehnungskoeffizient des Werkstoffes der tragenden Anordnung, K die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes und D die Wanddicke des Rohres. Für ein Ahiminiumrohr mit C=2,3-IO~⁵ (⁰C)-¹, K = 2,0 (W) (cmJ-'fC)-', D -- 1 cm und für einen optischen Wärmefluli in Querrichtung von 5OfF beträgt θ =■- 117 Bogensekunden; das ist annähernd das Zwanzigfaciie der Ausrichtimgsempfindlichkeit des optischen Resonators. Es ist also klar, daß die Winkelablenkung der Spiegel, die sich aus dem Wärmelluß in Querrichtung ergibt, genügt, um die Instabilitäten zu erklären, die bei den früheren Lasern zu beobachten waren.

Im Gegensatz zu diesen bisher gezeigten bekannten Ausführungsformen zeigen die F i g. 4 und 5 den Gegenstand der Erfindung. Hierbei wird der den Spiegel tragende Aufbau 7' von einem äußeren Rohr 7" umschlossen, wobei das Entladungsrohr 2 sowie die zur Stabilisierung dienenden Widerstände 8 oberhalb des äußeren Stützrohres 7" gehalten werden. Die Stützrohre 7' und 7" sind durch einen isolierenden Spalt 10 von der Breite α getrennt. Der durch die Anregung des stimulierbaren Mediums in dem Entladungsrohr erzeugte Wärmefluß W teilt sich dann in zwei Teile: Der eine Teilfluß W₁ fließt durch das äußere Stützrohr 7" und am inneren Stützrohr 7' vorbei und der- andere Teilfluß W₂ durchfließt sowohl den isolierenden Spalt 10 als auch das innere Stützrohr 7'. Da nun die Wärme-Leitfähigkeit des Weges für den Teilfluß W₁ bedeutend größer ist als die des Weges für den Teilfluß W₂, ergibt sich so eine wirksame Wärmeabschirmung für den die Spiegel tragenden Aufbau T. Formelmäßig läßt sich diese Abschirmung wie folgt ausdrücken:

60 WzIW₁=- Kt b*l4 K, a D₁. (3)

Hierin ist Ki die Wärmeleitfähigkeit des isolierenden Spaltes 10, Ki die Wärmeleitfähigkeit des Abschirnuingsrohres 7", D₁ die Dicke des Abschirmiingsrohres 7"" und b die wirksame Breite, über welche die Wärme von dein äußeren Rohr 7" durch den Luftspalt 10 auf das innere Rohr T übertragen wird; sie ist etwas größer als die Breite des Rohres T. Für einne typischen Fall, bei dem der Spalt 10 aus Luft mit Ki = 2,4 · 10-* (W) (Cm)-¹CQ-¹ ^d mit einer Luftspaltdicke = Wandabstand a = 1,25 mm besteht, kann die Abschirmung 7" aus Aluminium mit einer Dicke D₁. —- 2,5 mm hergestellt werden und b beträgt 100mm, W₂IW₁ = 0,8 · 10 Λ Bei Heranziehung der Gleichung (2) wird also ersichtlich, daß die Winkelablenkimg Θ um den gleichen Faktor verkleinert wird, so daß bei dem gegebenen Beispiel Θ — 0,94 Bogensekunden beträgt, also weit unterhalb der Ausrichtungsempfindlichkeit von 5,7 Bogensekunden liegt.

Wie aus der Gleichung (2) zu ersehen ist, ist die Winkelablenkung des tragenden inneren Stützrohres7' für einen gegebenen Wärmefluß W₂ proportional dem Verhältnis CjK, also des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zur Wärmeleitfähigkeit. Um die bestmöglichen Resultate zu erhalten, sollte daher das Rohr T aus einem Werkstoff mit einem kleinen Wert des Verhältnisses CfK hergestellt werden. Daher ist, obwohl beispielsweise die 36% Ni - 64°/₀ Fe-Legierung Invar einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Aluminium hat, Aluminium, das einen kleineren Wert des Verhältnisses CjK aufweist, als Werkstoff für das Stützrohr T vorzuziehen.

Werden das innere und das äußere Rohr aus dem gleichen Material hergestellt, so tritt der kleinste Resonatorablenkungswinkel für eine gegebene Gesamtrohrdicke D₁ [- D₂, weiche ein gegebenes Gesamtrohrgewicht bestimmt, dann auf, wenn D₁ -■- D.,, d. h., wenn die beiden Rohre die gleiche Wandungsdickc haben. In der Praxis kann, wie an dem obigen Beispiel gezeigt wurde, der Abschirmungseffekt derart über die Erfordernisse der Resonatorausrichtung hinaus hinreichend stark sein, so daß die innere, zum Tragen der Spiegel dienende Anordnung zwecks größerer mechanischer Steifheit dickwandiger ausgeführt werden kann.

Aus der Gleichung (3) ergibt sich, daß die verbessernde Wirkung der Abschirmung umgekehrt proportional dem Quadrat des effektiven Maßes b ist, von welchem der Wärmeübergang zwischen der inneren und der äußeren Anordnung abhängt. Die Figuren 6 und 7 zeigen eine Ausführungsform, bei der. die zum Tragen der Spiegel dienende Anordnung 7' eine massive Profilleiste von T-förmigem Querschnitt ist, so daß das Maß b besonders klein und die Abschirmungswirkung besonders groß wird.

Bauliche Einzelheiten eines Lasers gemäß der Erfindung sind beispielsweise in F i g. 8 und 9 aufgezeigt. Die äußere Abschirmung 7" umfaßt hier ein unteres Gehäuseteil la" und eine daran angesetzte winkelförmige Teilungswand Ib", die mit Hilfe von Profilvorsprüngen 11 zusammengesetzt sind. Bei einer Ausführungsform ist die den optischen Resonator tragende Anordnung 7' ein 1,5 m langes Aluminiumrohr mit einem Außendurchmesser von 13,75 cm und einer Wanddicke von etwa 8 mm. Die Teile la" und 7" bestehen aus etwa 3,2 mm dickem Aluminiumblech, wobei der Mindestabstand zwischen dem Rohr 7' und den Wänden der Teile la" und Ib" etwa 6 mm beträgt. Der Spiegel 4 hat eine ebene Reflexionsfläche (die als Oberzug auf ein Prisma aufgebracht ist, das dazu dient, unerwünschte Wellenlängen von dem optischen Resonator zu dispergieren). Der Spiegel 5 besitzt eine reflektierende Kugelfläche mit einem Krümmungsradius von 6 m. Auf der Außenseite des Rohrs T ist eine Schuht 12 von Polyurethanschaum angebracht, um die Luft ia

dem isolierenden Spalt 10 abzusperren und auf diese Weise eine Wärmeübertragung durch Konvektion zu verhindern. Das Entladungsrohr 2 ist auf isolierenden Tragvorrichtungen 19 angeordnet, die an dem Rohr 7' befestigt sind und durch die Platte 13 hindurchragen, die mit Hilfe von Profilvorsprüngen 14 an dem oberen Gehäuseteil 15 angebracht ist und durch isolierende Blöcke 20 in ihrer Lage gehalten wird. Die Profilvorspriinge 11 und 14 werden in einem Abstand voneinander gehalten, um einen in Längsrichtung verlaufenden Luftspalt 21 zu bilden, durch welchen die Luft zirkuliert und die Wärme durch Konvektion von dem Entladungsrohr 2 nach oben ableitet, wodurch die durch die Halterung der Spiegel fließende Wärmemenge verringert wird. Die in der Nähe der Enden der An-Ordnung im Viereck angeordneten Stifle 16 sind fest an dem Tragrohr 7' des optischen Resonators angebracht und ragen radial durch öffnungen 17 und 18 in dem Gehäuseteil la" hindurch. Die öffnungen 17 in den Seilenwänden am linken Ende der Anordnung sind kreisrund, während die übrigen öffnungen 18 die Form sich in Längsrichtung erstreckender Schlitze haben. Die Stifte können sich in sämtliche öffnungen hinein und aus ihnen heraus sowie auch in Längsrichtung innerhalb der Schlitze 18 bewegen. Auf diese Weise sucht jegliche Zug- oder Biegebeanspruchung des Gehäuses 15 und la" eine Bewegung der Stifte 16 statt einer Verformung der tragenden Anordnung des optischen Resonators herbeizuführen, welche die Ausrichtung der Spiegel beeinträchtigen könnte.

F i g. 10 zeigt einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung. Der Spiegelträger 7' umfaßt hier, einen massiven, im Querschnitt winkelförmigen Profilbalken und die äußere Abschirmung 7" nimmt die rechte Seite des Gehäuses la" in Verbindung mit einer winkelförmigen Teilungswand Ib" ein, die sich zwischen einander gegenüberliegenden Wandungen des Gehäuses erstreckt. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders vorteilhafter gedrängter Aufbau, durch den ein bequem zugänglicher Monlageraum 23 für das Entladungsrohr 2 und die dazu gehörigen (nicht dargestellten) elektronischen Bauteile geschaffen wird. Bei einer möglichen Ausführungsform ist der Spiegelträger 7" ein etwa 60 cm langes Profilteil aus Aluminium, dessen Schenkel etwa 5 cm lang und etwa 16 mm dick sind; die Mindestbreite des Luftspaltes zwischen dem Träger 7' und der Abschirmung la" mit Ib" beträgt 1,9 mm; das Teil 7" trägt zwei Kugelspiegel mit 3 m betragendem Krümmungsradius.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker (Laser) mit einem stimulierbaren Medium innerhalb eines optischen Resonators, dessen außerhalb des stimulierbaren Mediums angeordnete Spiegel mechanisch fest in ihrem gegenseitigen Abstand gehaltert sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke einer annähernden Winkelstabililät der Spiegel des optischen Resonators zueinander das Bauteil (7') für die Abstandshalterung der beiden Resonatorspiegel vor der im stimulierbaren Medium freiwerdenden Wärme dadurch geschützt wird, daß es durch ein gut wärmeleitendes und den größten Teil des Wärmefiuflusses aufnehmendes Bauteil (7") mit Abstand (21)'umfangen wird.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekenn-• zeichnet, daß das zur Abstandshalterung der Spiegel dienende Bauteil (7') aus einem Werkstoff mit einem niedrigen Wert des Verhältnisses von Wärmeausdehnung zu Wärmeleitfähigkeit besteht.

3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Abstandshalterung der Spiegel dienende Bauteil (7') aus Aluminium besteht.

4. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium (2) außerhalb des als Wärmeschirm dienenden, gut wärmeleitenden Bauteils (7"), welches das zur Abstandshalterung der Spiegel dienende Bauteil (7') wärmeisolierend umschließt, angeordnet ist.

5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gut wärmeleitende Abschirmung (7") das die Spiegel tragende Bauteil (7') in einem Abstand umfängt, der Platz für einen Luftspalt (10) bietet.

6. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Luftspalt (10) ein die Luft in ihm festhaltender Werkstoff (12) befindet.

7.'Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gut wärmeleitende Abschirmung (7") ein Gehäuse mit einer sich zwischen seinen inneren Wandungsflächen erstreckendenTeilungswand (Ib") aufweist.

8. Laser nach Anspruch .4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Spiegel tragende Aufbau (7') innerhalb der gut wärmeleitenden Abschirmung (7") durch eine in Achsrichtung frei bewegliche Lagerung (16, 17, 18) gehalten ist, um eine Übertragung der Verformung infolge Dehnung oder Biegung der wärmeleitenden Abschirmungseinrichtung (J") auf den tragenden Aufbau zu verhindern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen