DE1564685C - Optischer Sender für kohärente Strahlung (Laser) - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender für kohärente Strahlung (Laser), bei dem sowohl die Anregungslichtquelle als auch das stabförmige stimulierbare Medium jeweils zwischen dem Scheitel und dem Brennpunkt längs der großen Achse eines der optischen Anregung dienenden rotationselliptischen Hohlspiegels angeordnet sind, der an den Hohlspiegelscheiteln konzentrisch zur großen Achse, die zugleich die Rotationsachse ist, Flansche aufweist, die der Halterung bzw. Zentrierung der Anregungslichtquelle bzw. des stimulierbaren Mediums dienen und bei dem sich das stabförmige stimulierbare Medium und die Anregungslichtquelle innerhalb eines Kühlsystesm befindet, in das der ihm zugehörige Flansch einbezogen und hierzu mit einem für den Zu- bzw. Abfluß des Kühlmittels dienenden Änschlußstutzen ausgerüstet ist.

Der Wirkungsgrad von Lasern ist schlecht und beträgt im allgemeinen weniger als 1%>. Dies bedingt eine Kühlung der Anregungslichtquelle und des das stimulierbare Medium darstellenden Stabes. Wegen der beträchtlichen Wärmeentwicklung empfiehlt sich eine Flüssigkeitskühlung, bei der sich das stabförmige stimulierbare Medium innerhalb eines Kühlsystems befindet, in das der ihm zugehörige Flansch einbezogen und hierzu mit einem für die Zu- bzw. Abfuhr des Kühlmittels dienenden Anschlußstutzen ausgerüstet ist. Eine mögliche Lösung besteht darin, für die Anregungslichtquelle und das stimulierbare Medium einen gemeinsamen Kühlkanal zu schaffen. Dabei dienen die an den beiden Hohlspiegelscheiteln angebrachten Flansche mit jeweils einem seitlich angebrachten Stutzen auf der einen Seite der Zufuhr und an der anderen Seite der Abfuhr des Kühlmittels. Für bestimmte Ausführungsformen von Anregungslichtquellen sind solche Kühlmittel schädlich. Beispielsweise dürfen Quarz-Jod-Glühlampen nicht mit Wasser gekühlt werden. Dadurch ergibt sich die Notwendigkeit, auf den geschilderten gemeinsamen Kühlmittelkanal zu verzichten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen optischen Sender der einleitend beschriebenen Art eine einfache und vorteilhafte Lösung für ein getrenntes Kühlsystem: für das stimulierbare Medium und die Anregungslichtquelle anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unter Auftrennung der Kühlmittelströme der dem stimulierbareh Medium zugehörige Flansch am Hohlspiegelscheitel in zwei zur großen Achse des Hohlspiegels und zueinander konzentrische Rohre übergeht, die wenigstens im Bereich des von ihnen umfaßten optischen Objekts aus lichtdurchlässigem Werkstoff, vorzugsweise Quarzglas, bestehen und von denen das äußere Rohr am freien Ende geschlossen und das innere kürzere Rohr an seinem freien Ende offen ist, und daß der Flansch zwei Anschlußstutzen

aufweist, von denen der eine durch das äußere Rohr hindurch mit dem inneren Rohr und der andere mit dem äußeren Rohr verbunden ist.

Es ist zwar eine Methode zur getrennten Kühlung der Pumplichtquelle und des das stimulierbare Medium darstellenden Stabes bekannt. Jedoch erfolgt hier die einseitige Zu- bzw. Abfuhr des Kühlmittels jeweils mittels eines senkrecht zur Hauptachse des Hohlspiegels angeordneten nach außen geführten Rohres. Die damit erzeugte Unsymmetrie beeinträchtigt die Abbildung der Anregungslichtquelle auf das stimulierbare Medium. Auch müssen in diesem Falle besondere Anforderungen an die Stabilität der Rohranordnung gestellt werden, um zu verhindern, daß sie beim Durchfluß des Kühlmittels in Vibration geraten, was sich außerordentlich störend auf die Stabilität des Laserstrahls auswirken kann. Durch die erfindungsgemäße Lösung werden diese Schwierigkeiten in außerordentlich vorteilhafter Weise überwunden. Neben der Rotationssymmetne des Kühlsystems hinsichtlich der Hauptachse des Hohlspiegels wird hier auch eine rotationsymmetrische Umlenkung des Kühlmittelflusses zur Hauptachse des Hohlspiegels erzwungen. Dadurch werden Rückwirkungen der Umlenkkräfte des Kühlmittels auf das stabförmige stimulierbare Medium unterbunden, so daß hier mit Sicherheit keine Vibration dieses Mediums durch die Bewegung des Kühlmittels auftreten kann.

Für die mechanische Festigkeit des Kühlsystems innerhalb des Hohlspiegels ist es günstig, wenn die außeren Rohre im Bereich der Anregungslichtquelle und des stimulierbaren Mediums an ihren gegenüberliegenden Stirnflächen unmittelbar aneinandergrenzen und so zu einer unlösbaren Einheit verbunden werden.

Dem gleichen Zwecke dient es, wenn die äußeren Rohre im Bereich der Anregungslichtquelle und des stimulierbaren Mediums an ihren gegenüberliegenden Stirnflächen durch ein Zwischenrohrstück zu einer unlösbaren Einheit verbunden werden.

In diesen Fällen ist es sinnvoll, für den Durchmesser und die Wandstärke der äußeren Rohre gleiche Abmessungen anzustreben.

Zweckmäßig besteht der Flansch einschließlich seiner zueinander konzentrischen Rohre aus einem metallischen Werkstoff. Die offenen Enden der zueinander konzentrischen metallischen Rohre werden dabei in Höhe des Hohlspiegelscheitels als Halterungen ausgebildet, in die die das stimulierbare Medium bzw. die Anregungslichtquelle umschließenden, zueinander konzentrischen weiteren lichtdurchlässigen Rohrteile eingesetzt werden.

Die Kühlmittelzufuhr erfolgt am besten durch das innere, das stimulierbare Medium bzw. die Anregungslichtquelle unmittelbar umgebende Rohr.

Vorteilhaft ist es, den Abstand zwischen dem freien offenen Ende des inneren Rohres und dem freien verschlossenen Ende des äußeren Rohres in etwa gleich der lichten Weite zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr zu wählen.

An Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, soll im folgenden die Erfindung noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Senders nach der Erfindung in schematischer Darstellung,

F i g. 2 eine nähere Einzelheiten angebende Darstellung des Kühlsystems für das stimulierbare Medium nach der Erfindung,

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel des äußeren Kühlrohres nach der Erfindung,

F i g. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des äußeren Kühlrohres nach der Erfindung,

F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des äußeren Kühlrohres nach der Erfindung.

Innerhalb des Gehäuses 1 des Lasers nach F i g. 1 befindet sich der rotationselliptische Hohlspiegel 2. Im Hohlspiegel 2 ist in seiner Hauptachse, die zugleich Rotationsachse ist, auf seiten des einen Hohlspiegelscheitels der das stimulierbare Medium darstellende Stab 3 und auf seiten des anderen Hohlspiegelscheitels die Anregungslichtquelle 4 angeordnet. Der Stab 3 ist von zwei dem Kühlsystem zugehörigen, zueinander konzentrischen Rohren 5 und 6 umschlossen, die aus lichtdurchlässigem Material bestehen. Dabei ist das innere Rohr 5 verkürzt und an seinem freien Ende offen und das äußere Rohr an seinem freien Ende geschlossen. In gleicher Weise weist das Kühlsystem für die Anregungslichtquelle 4 zwei sie umgebende zueinander konzentrische lichtdurchlässige Rohre 5' und 6' auf. Wegen des größeren Durchmessers der Anregungslichtquelle 4 sind die Durchmesser des inneren Rohres 5' und des äußeren Rohres 6' entsprechend größer gewählt als die Durchmesser der Rohre 5 und 6 auf seiten des Stabes 3. Den konzentrischen Rohrpaaren 5, 6 bzw. 5', 6' ist gemeinsam, daß der Abstand zwischen den freien offenen Enden der inneren Rohre vom freien verschlossenen Ende der äußeren Rohre ungefähr gleich der lichten Weite zwischen innerem und äußerem Rohr gewählt ist. Auf beiden Seiten des Gehäuses 1 ist im Bereich der Hohlspiegelscheitel und konzentrisch zur Hauptachse des Hohlspiegels ein Flansch 7 und 7' befestigt. Die Flansche 7 und 7' sind in das jeweilige Kühlsystem einbezogen und weisen hierfür je zwei Stutzen 8 bzw. 8'und 9 bzw. 9'auf.

Das Kühlmittel wird durch das innere offene Rohr 5 bzw 5' zugeführt und nach seiner Entspannung durch das äußere, geschlossene Rohr 6 bzw. 6' abgeführt. Die konzentrischen Rohrpaare 5,6 und 5', 6' sind im Bereich der Flansche 7 und T fortgeführt und stehen mit den Stutzen 8, 9 und 8', 9' für die Zu- bzw. Abfuhr der Kühlmittel in Verbindung. Wie die angegebenen Pfeile in der F i g. 1 erkennen lassen, erfolgt die Kühlmittelzufuhr über den Stutzen 8 bzw. 8' zum inneren Rohr 5 bzw. 5' und die Abfuhr durch das vom inneren Rohr 5 bzw. 5' und vom äußeren Rohr 6 bzw. 6' gebildeten Ringrohr und den Stutzen 9 bzw. 9'. In der F i g. 1 nicht angedeutet ist die in der Regel erforderliche Kühleinrichtung für den Hohlspiegel 2, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel den Hohlspiegel umfassende Kühlkanäle sind, die in das Gehäuse 1 eingelassen sind. Der in das erfindungsgemäße Kühlsystem mit einbezogene Flansch 7 bzw. T dient ferner der Halterung und Justierung des Stabes 3 bzw. der Anregungslichtquelle 4.

Das die F i g. 2 darstellende Schnittbild zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel für den Flansch7 nach Fig. 1, der zu einem Kühlsystem für den Stab gemäß der Erfindung erweitert ist. In F i g. 2 sind entsprechend der F i g. 1 das Gehäuse mit 1, der Hohlspiegel mit 2, der Stab mit 3 und die zueinander und hinsichtlich des Stabes 3 konzentrisch angeordneten lichtdurchlässigen Rohre mit 5 und 6 bezeichnet. Wie F i g. 2 erkennen läßt, bildet der nach außen sich

rohrförmig fortsetzende Flansch 7 das äußere Kühlrohr und ist an seiner Verbindungsstelle mit dem lichtdurchlässigen Rohr 6 mit einer ringförmigen Ausnehmung 10 zur Aufnahme und Halterung des Rohres 6 ausgerüstet. Innerhalb des rohrförmigen Flansches 7 ist ein hierzu konzentrisch angeordnetes Rohrteil 11 vorgesehen, das in der Ebene des Hohlspiegelscheitels ebenfalls eine ringförmige Ausnehmung 12 zur Aufnahme und Halterung des lichtdurchlässigen inneren Rohres 5 besitzt. Das Rohrteil 12 hat an dem dem Rohr 5 gegenüberliegenden Ende einen flanschartigen Ansatz 13, der gegen eine Ringkante 14 innerhalb des rohrförmigen Teiles des Flansches 7 anliegt und seine Zentrierung übernimmt. Außerdem hat das Rohrteil 12 an diesem Ende einen seitlichen Rohransatz 15, in den der Stutzen 8 für die Kühlmittelzufuhr durch die Außenwandung des rohrförmigen Teiles des Flansches 7 hindurch einmündet. In ähnlicher Weise ist der Stutzen 9 für die Kühlmittelabfuhr auf der dem Stutzen gegenüberliegenden Seite in die genannte Außenwandung eingelassen. Der Stab 3 wird an seinem einen Ende von einem konzentrischen Rohr 16 umspannt, das sich durch das Rohrteil 12 hindurch erstreckt und dahinter in einen ringförmigen Justierkopf 17 erweitert ist. Das rohrförmige Teil des Flansches 7 ist auf seiten des Justierkopfes 17 von einer Überwurfmutter 18 abgeschlossen, die den Justierkopf 17 gegen die kugelflächenförmige Stirnfläche 19 des flanschartigen Ansatzes 13 anpreßt. Die Überwurfmutter 18 hat eine konzentrische Öffnung 20 zum Austritt des durch einen Pfeil angedeuteten Laserstrahls. In der auf der Stirnfläche 19 aufliegenden Stirnfläche des Justierkopfes 17 ist in einer Ringnut eine Ringdichtung 21 eingelassen. Diese Ringdichtung verhindert einen Austritt des Kühlmittels aus dem nahen Ende des Rohrteils 12. Außerdem sind in der Außenwandung des rohrförmigen Teils des Flansches 7 in Höhe des Justierkopfes 17 der Justierung dienende Madenschrauben 22 eingelassen.

Das Wesentliche der Justiereinrichtung für den Stab 3 besteht in der Bemessung der kugelflächenförmigen Stirnfläche 19, die ihren Kugelmittelpunkt im Schwerpunkt des Stabes 3 hat. Auf diese Weise wird durch Verschieben des Justierkopfes 17 auf der Stirnfläche 19 der Stab 3 um seinen Schwerpunkt geschwenkt. Dies ist nach Lockern der Überwurfmutter 18 leicht möglich. Die genaue Einstellung kann mit Hilfe der Madenschrauben 22 erfolgen. Damit ist eine Justiereinrichtung verwirklicht, die einerseits sehr einfach gehandhabt werden kann und außerdem außerordentlich vorteilhaft an das erfindungsgemäße Kühlsystem angepaßt ist.

Die besonderen Ausführungsformen für das äußere lichtdurchlässige Rohr 6 und 6' bei Verwendung von jeweils einem erfindungsgemäßen Kühlsystem für die Anregungslichtquelle und das stimulierbare Medium nach F i g. 3, 4 und 5 dienen der Erhöhung der Stabilität.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 grenzen die äußeren Rohre 6 und 6' im Bereich von Anregungslichtquelle und stimulierbarem Medium an ihren gegenüberliegenden Stirnflächen unmittelbar aneinander und haben verschiedene Durchmesser.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 sind die beiden Rohre 6 bzw. 6' aus einem Rohr 6" mit einer Trennwand gebildet. Der Vorteil einer solchen Ausführung der äußeren Rohre beruht neben der Erhöhung der mechanischen Festigkeit auf der konstruktiv besonders einfachen Bauweise.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 5 sind die äußeren Rohre 6 bzw. 6' im Bereich von Anregungslichtquelle und stimulierbarem Medium an ihren gegenüberliegenden Stirnflächen durch ein Zwischenrohrstück 6" zu einer unlösbaren Einheit verbunden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender für kohärente Strahlung (Laser), bei dem sowohl die Anregungslichtquelle als auch das stabförmige stimulierbare Medium jeweils zwischen dem Scheitel und dem Brennpunkt längs der großen Achse eines der optischen Anregung dienenden rotationselliptischen Hohlspiegels angeordnet sind, der an den Hohlspiegelscheiteln konzentrisch zur großen Achse, die zugleich die Rotationsachse ist, Flansche aufweist, die der Halterung bzw. Zentrierung der Anregungslichtquelle bzw. des stimulierbaren Mediums dienen und bei dem sich das stabförmige stimulierbare Medium und die Anregungslichtquelle innerhalb eines Kühlsystems befindet, in das der ihm zugehörige Flansch einbezogen und hierzu mit einem für den Zu- bzw. Abfluß des Kühlmittels dienenden Anschlußstutzen ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß unter Auftrennung der Kühlmittelströme der dem stimulierbaren Medium

(3) zugehörige Flansch (7) am Hohlspiegelscheitel in zwei zur großen Achse des Hohlspiegels und zueinander konzentrische Rohre (5, 6) übergeht, _a5 die wenigstens im Bereich des von ihnen umfaßten optischen Objekts (3, 4) aus lichtdurchlässigem Werkstoff, vorzugsweise Quarzglas, bestehen und von denen das äußere Rohr (6) am freien Ende geschlossen und das innere kürzere Rohr (5) an seinem freien Ende offen ist, und daß der Flansch zwei Anschlußstutzen (8, 9) aufweist, von denen der eine (8) durch das äußere Rohr (6) hindurch mit dem inneren Rohr (5) und der andere (9) mit dem äußeren Rohr (6) verbunden ist.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Rohre (6, 6') im Bereich von Anregungslichtquelle (4) und stimulierbarem Medium (3) an ihren gegenüberliegenden Stirnflächen unmittelbar aneinandergrenzen und zu einer unlösbaren Einheit verbunden sind.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch , gekennzeichnet, daß die äußeren Rohre (6, 6') im Bereich von Anregungslichtquelle (4) und stimulierbarem Medium (3) an ihren gegenüberliegen- _4S den Stirnflächen durch ein Zwischenrohrstück zu einer unlösbaren Einheit verbunden sind.

4. Optischer Sender nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser und die Wandstärke der äußeren Rohre (6, 6') gleich groß gewählt sind.

5. Optischer Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (7) einschließlich seiner zueinander konzentrischen Rohre' aus einem metälllsehen Werkstoff besteht und daß die offenen Enden der zueinander konzentrischen metallischen Rohre in Höhe des Hohlspiegelscheitels als Halterungen ausgeführt sind, in die die das stimulierbare Medium (3) bzw. die Anregungslichtquelle

(4) umschließenden, zueinander konzentrischen weiteren lichtdurchlässigen Rohrteile eingesetzt sind.

6. Optischer Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzufuhr durch das innere, das stimulierbare Medium bzw. die Anregungslichtquelle unmittelbar umgebende Rohr (5,5') erfolgt.

7. Optischer Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem freien offenen Ende des äußeren Rohres (5, S') vom freien verschlossenen Ende des äußeren Rohres (6, 6') ungefähr gleich der lichten Weite zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr gewählt ist.