DE1803269C - Optischer Sender oder Verstarker mit gasförmigem stimulierbarem Medium - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender oder Verstärker für kohärentes Licht mit einem innerhalb eines optischen Resonators angeordneten gasförmigen stimulierbaren Medium, dessen Anregung quer zur optischen Achse erfolgt und das von dem kohärenten Licht auf einem zickzackförmigen Weg durchquert wird.

Bei dem auf diese Weise ausgebildeten optischen Verstärker befindet sich das gasförmige Medium in einem Entladungsraum, der von zwei konzentrisch zueinander angeordneten Zylindern begrenzt wird und infolgedessen einen kreisringförmigen Querschnitt aufweist. Dieser Entladungsraum ist an sei-• nen Enden durch transparente Fenster verschlossen, , und es befinden sich außerhalb dieser Fenster zwei sphärische Spiegel, die einen nichtkonfokalen optischen Resonator bilden. Der zu verstärkende Lichtstrahl wird in einem Winkel zur optischen Achse in den Resonator eingespeist, so daß er innerhalb des hohlzylindrischen Entladungsraumes umlaufend ao mehrfach an immer anderen Stellen der Spiegel reflektiert wird. Die Anregung des stimulierbaren Mediums erfolgt mit Hilfe eines HF-Feldes, das einerseits an eine in der Achse des inneren der den Entladungsraum begrenzenden Zylinder angeordnete Stabelektrode und andererseits an eine den äußeren dieser Zylinder konzentrisch umgebende Rohrelektrode angelegt ist.

Dieser bekannte optische Verstärker hat den Nachteil, daß ein optischer Resonator mit sphärisehen Spiegeln verwendet werden muß, die in der Herstellung teurer sind als Planspiegel, und die Justierung dieser Spiegel außerordentlich schwierig ist, wenn der zu verstärkende Lichtstrahl sich in dem Entliidiingsruum mit kreisringförmigem Querschnitt zickzackförmig hin- und herbewegen soll- ohne die Mantelllächen des Entladungsraumes zu durchstoßen. Weiterhin ist dieser optische Verstärker nicht als optischer Sender betreibbar, weil die von außen bewirkte Ausrichtung des Lichtstrahles in einem Winkel zur optischen Achse fehlt, die die Voraussetzung für das Arbeiten dieses bekannten Verstärkers ist. Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung liegt darin, daß wegen des kreisringförmigen Querschnittes des Entladungsraumes und der radial gerichteten Anregung des stimulierbaren Mediums in Radialrichtung des Entladungsraumes ein Gradient der Ladungsdichte auftritt, die eine ungleichförmige Anregung des Mediums und damit auch einen Druckgradienten im Entladungsraum zur Folge haben kann, wie er auch schon bei Gleichstromentladungen beobachtet worden ist und der zu einer wesentlichen Verminderung der Ausgangsleistung eines solchen optischen Verstärkers führt. Es ist bekannt, bei Gleichstromentladungen die Teile des Entladungsraumes, die Anode und Kathode enthalten, durch ein zusätzliches Rohr miteinander zu verbinden, das einen zweiten, entladungsfreien Weg zwischen Anode und Kathode bildet, jedoch ist bei einer HF-Anrcgung, wie sie bei dem bekannten optisehen Verstärker Anwendung findet, die Anwendung eines solchen Hilfsrohrcs nicht möglich, weil dieses Rohr notwendig im HF-Feld liegen würde und daher auch innerhalb dieses Rohres eine Anregung vor- !undci wäre, die ihrerseits wieder Störungen ver-Ursachen könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile des bekannten optischen Verstärkers zu vermeiden, ohne dessen Vorteile preiszugeben, die in der Kombination einer kurzen Entladungsstrecke, die eine nur geringe Entladungsspannung erfordert, mit einem sehr langen Weg des Lichtstrahles besteht, der durch die zickzackförmige Führung des Lichtstrahls erzielt wird. Außerdem soll die erflndungsgemäße Anordnung aber auch noch die Möglichkeit bieten, dem gasförmigen Medium eine Strömung zu erteilen, um durch die Gasentladung erzeugte Verunreinigungen aus dem wirksamen Bereich des optischen Senders oder Verstärkers zu entfernen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Entladungsraum quaderförmig ausgebildet ist und das in dem Entladungsraum enthaltene stimulierbare Medium ständig ausgetauscht wird, indem das Medium wie üblich in Richtung der Entladung geführt und auf der gesamten Länjj;serstreckung des Entladungsraumes im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse durch eine Vielzahl von öffnungen zu- bzw. abgeführt wird, die in den Seitenwänden des Entladungsraumes vorhanden sind.

Die Anwendung eines rechteckigen Entladungsraumes gewährleistet, daß der Querschnitt des Raumes in Entladungsrichtung konstant bleibt, so daß im gesamten Eniladungsraum eine im wesentlichen gleichbleibende Ladungsdichte erzielt wird. Dabei ist auch ohne weiteres die Anwendung einer Gleichstromentladung möglich, die einen geringeren Aufwand erfordert als eine HF-Anregung. Weiterhin steht für den Austausch des Gases ein sehr großer Strömungsquerschnitt zur Verfügung, so daß auch bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten und gegeringem Druckgefälle ein sehr schneller Austausch des im Entladungsraum enthaltenen Gases und infolgedessen eine einwandfreie Abführung aller erzeugten Verunreinigungen möglich ist. Endlich ist es auch möglich, bei einem quaderförmigen Entladungsraum außer sphärischen oder andersartig gekrümmten Spiegeln auch ebene Spiegel einzusetzen, so daß also auch hinsichtlich der Ausbildung des optischen Resonators keinerlei Beschränkungen mehr vorhanden sind. Infolgedessen ist der optische Sender oder Verstärker nach der Erfindung für alle Anwendungszwecke geeignet und unterliegt weder hinsichtlich der Wahl der Anregungsart noch hinsichtlich der Ausbildung des optischen Resonators irgendwelchen Beschränkungen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die öffnungen von rohrförmigen Elektroden gebildet, und es sind die Reflektoren des optischen Resonators an zwei isolierenden Stirnwänden des Entladungsraumes angebracht. Diese Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau bei hoher Leistungsfähigkeit aus.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbcispiele beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines optischen Senders nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 zwei Anordnungen zur Faltung der optischen Bahn, wie sie bei optischen Sendern oder Verstärkern nach der Erfindung Verwendung finden können,

3 4 ,

Fig, 4 eine perspektivische Ansicht einer bevor- Füllen kann sogar eine gleichförmige Entladung ohne

zugten AusfUhrungsform der Erfindung, die Verwendung der Stromverteilung dienender Wi-

Fig, 5 einen Schnitt und ?wei Seitenansichten derstände33 oder 39 erzielt werden, einer AusfUhrungsform nach der Erfindung mit me- Der breite flache Raum für das stimulierbare Metallischen Seitenwänden und S dium eignet sich gut fUr die Verwendung gefalteter,

F i g. 6 eine perspektivische Ansicht einör weite- optischer Pfade, von denen Beispiele in den F i g. 3 a

ren AusfUhrungsform der Erfindung, welche noch und 3 b dargestell; sind, Diese Darstellung ist nicht

höhere Gasströmungsgeschwindigkeiten erlaubt. maßstäblich und dient nur zur Veranschaulichung

Der in F i g. 1 gezeigte Optische Sender hat eine wenigstens zweier Anordnungen, durch welche rcla- rechteckige Gestalt und besitzt jeweils mit Abstand io Uv lange optische Pfade bei einem relativ kurzen voneinander angeordnete breite SeitenwHnde 11, Resonatoraufbau erreicht werden, Der Resonatorschmale Seitenwände 13 und Stirnwände 15, die aufbau, wie er beispielsweise in den F i g. 1 und 2 sämtlich aus isolierendem Material, beispielsweise dargestellt ist, umfaßt ebene Spiegel 51 und 53 und aus Spiegelglas, bestehen. Auch weist er einen im zusätzlich an den Enden des optischen Pfades sphäwesentlichen vollständig reflektierenden Spiegel 17, 15 rische Spiegel 55 und 57 welche den entgegengesetzder an einer der Stirnwände 15 angebracht ist, und ten Enden der ebenen Spiegel 53 und 51 benachbart einen teilweise durchlässigen Spiegel 19 auf, der an sind (s. Fig. 3a). Die in Fig. 3b dargestellte Ander anderen der Stirnwände 15 angebracht ist. Bei Ordnung ist ähnlich der soeben beschriebenen, jedoch dieser Ausführungsform ist der Aufbau im wesent- weist der optische Resonator, damit auf einen der liehen gasdicht, und es ist darin ein gasförmiges sti- 20 sphärischen Spiegel verzichtet werden kann, zwei mulierbares Medium 21 enthalten, wie beispielsweise ebene Spiegel 61 und 63 und einen einzigen sphäri-Argon, Xenon, Krypton oder eine Gasmischung wie sehen Spiegel 65 auf, von denen der ebene Spiegel 61 z.B. CO₂, N₂ und He. An der Innenseite 23 der aus Gründen, die aus Fi g. 3 b ersichtlich sind, unter schmalen Seitenwände 13 sind entweder metallische einem kleinen Winkel H bezüglich einer parallel zu leitende Platten 25 angeordnet, die im wesentlichen 25 dem anderen ebenen Spiegel 63 verlaufenden Ebene die gesamte innere Wandflache bedecken, oder es angeordnet ist. In den in Fig. 3 dargestellten Ankönnen leitende Metallschichteri aufgetragen oder Ordnungen sind die Rückkopphmgspfade als Linien auf andere Weise mit dieser Wandflache verbunden 67 dargestellt, deren Pfeile die Richtung tier optisein, die als Entladungselektroden wirken. Die Elek- sehen Energie anzeigen.

troden 25 sind durch nicht dargestellte Leitungen 30 Der in F i g. 4 dargestellte isolierende, rechteckige mit einer Spannungsquclle verbunden und dienen zur Aufbau 71, der beispielsweise wieder aus Spiegelglas Erzeugung einer sich über das gasförmige stimulier- besteht, ist im wesentlichen dem Aulbau nach I" i μ. 2 bare Medium 21 erstreckenden Entladung. Die Spie- gleich. Statt flacher Scheibenelektroden verwendet gel 17 und 19 bilden einen optischen Resonator, in diese Ausführungsform eine Vielzahl rohrlormiger dem sich optische Energie entlang von Rückkopp- 35 Elektroden 73, die durch Löcher in schmalen Seilungspfaden zwischen den Spiegeln durch das stimu- tenwänden 75 hindurchgesteckt sind. Diese Ausfühlierbare Medium hin und her ausgebreitet, wenn das rungsform ermöglicht einen Durchfluß des slimulier-Medium in einen Anregungszustand gebracht wird, baren gasförmigen Mediums von einer Quelle eines indem in diesem Medium eine elektrische Entladung solchen Gases, beispielsweise einem Mischtank 77, quer zu den Rückkopplungspfaden aufrechterhalten 40 durch isolierende Rohre 79 und durch nicht dargewird. Wie durch einen Pfeil 27 angedeutet, ergibt stellte öffnungen in den Elektroden 73'. Das Gas sich bei dieser Ausführungsform ein einziger Aus- strömt dann quer zu den Rückkopplungspfaden gangsstrahl kohärenten Lichtes. Jedoch würde ein durch den Aufbau 71, durch öffnungen in den Elekzweiter, nicht gezeigter Lichtstrahl in der entgegen- troden 73 und durch Isolierrohre 81 in eine Gasgesetzten Richtung zum Strahl 27 erzeugt werden, 45 senke, beispielsweise in einen Vakuum-Sammelwenn auch der Spiegel 17 teilweise durchlässig wäre. tank 83. Wie in der vorhergehenden Ausführungs-

Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform ist form können zur Bildung des optischen Resonators der in Fig. 1 dargestellten gleich, abgesehen davon, die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Spiegel 17 und daß an den einander gegenüberliegenden Innensei- 19 verwendet weiden, die an den Stirnwänden 85 des ten 23 der schmalen Seitenwände 13 eine Vielzahl 50 Aufbaues 71 angeordnet sind, oder es können Anvon Elektroden 31 und 31' befestigt oder durch Auf- Ordnungen verwendet werden, die den Resonatoren tragen angebracht sind. Sämtliche Elektroden einer nach F i g. 3 ähnlich sind. Auch hier können der der Wände sind über der Stromverteilung dienende Stromverteilung dienende Widerstände 33 und 39 Widerstände 33 und eine Leitung 35 mit einer verwendet werden, um auf der ganzen Länge der Klemme 37 verbunden, die mit einer der Ausgangs- 55 Rückkopplungspfade eine gleichmäßige Entladung klemmen einer nicht dargestellten SpannungsquelJe innerhalb des Aufbaues 71 zu erreichen. Der Mischverbunden werden kann. Die an der gegenüberliegen- tank 77 zeigt drei Gaseingangsrohre 87, 89 und 91 den Seitenwand befestigten Elektroden 31' sind zur Zuleitung von CO., bzw. N., und He. Möchte ebenfalls über der Stromverteilung dienende Wider- man jedoch dem Aufbau 71 lediglich ein einziges stände 39 parallel geschaltet und über eine Leitung ⁶° Gas oder eine Gasmischung aus mehr oder weniger 41 mit einer zweiten Klemme 43 verbunden, die zum Gasen zuleiten, können entsprechende Gaseingangs-Anschluß an die verbleibende Klemme der Span- rohre vorgesehen werden. Um eine gleichmäßige nungsquelle dient. In vielen Fällen können ent- Gasströmung durch den Aufbau 71 zu erreichen, weder die Widerstände 33 oder 39 fortgelassen wer- kann eine nicht dargestellte Vakuumpumpe mit einer den, und es erpibt sich immer noch eine gleichförmige ⁶5 Saugleitunrr, 93 verbunden werden, die in den Va-Entladung zwischen den entsprechenden, einander kuum-Sammeltank 83 mündet,
gegenüberliegenden Elektroden 31 und 3Γ und zwi- In einem nach Fig. 4 aufgebauten optischen Senschen benachbarten Elektroden a, b, c, d. In vielen der mit Querentladung wurde zwischen den an

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gegenüberliegenden Seiten des Hohlraumes angebrachten Elektroden 73 und 73' eine Entladung entfacht. Es wurde festgestellt, daß der Spannungsabfall der Anordnung wesentlich kleiner ist als derjenige bei der üblichen langen, dünnen, rohrförmigen Entladung in optischen Sendern oder Verstärkern, die äquivalente stimulierbare Gasvolumina besitzen. Ebenfalls wurde festgestellt, daß die Gasströmungsgeschwindigkeit gegenüber den bisher erhältlichen durch die Verwendung der Anordnung nach F i g. 4 leicht erhöht werden kann, da das Gas lediglich quer zur optischen Bahn und nicht an ihr entlang zu strömen braucht.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die konstruiert und getestet wurde, verwendet metallische breite Seitenwände 101 und isolierende dielektrische schmale Seitenwände 103, wie es F i g. 5 zeigt. Die Verwendung von Metall erleichtert das Kühlen der Wände, das in diesem Fall durch Einbohren von Löchern 105 in die metallischen breiten Scitenwände 101 und Hindurchleiten von Kühlwasser durch diese Löcher erreicht wird. Die dielektrischen schmalen Seitenv,ände 103 sind gebohrt und nehmen die Kathoden- und Anodenelektroden 107 bzw. 107' auf, wogegen die metallischen breiten Seitenwände 101 einfach potentialfrei belassen werden. Es können einzelne rohrförmige Elektroden, wenn es notwendig ist, die Elektroden zum Zwecke der Stromverteilung elektrisch zu trennen, verwendet werden, wie es bei den Anodenelektroden 107' der Fall ist. Wenn eine Strornsteuerung nicht notwendig ist oder an der anderen Elektrode vorgenommen wird, kann auch eine durchgehende Bandelektrode verwendet werden. Wie F i g. 5 zeigt, ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Kathode 107 eine solche durchgehende Bandelektrode mit daran befestigten Gasleitungen 109. Werden die breiten Seitenwände, wie hier dargestellt, aus Metall gefertigt, kann ein Überzug aus einem dünnen Nichtleiter, wie er beispielsweise durch Eloxieren erreicht wird, auf die Innenfläche der Wand aufgebracht werden, wenn man feststellt, daß die Entladespannung genügend hoch ist, um einen Durchbruch zu den Wänden zu verursachen. Die Fig. 5a und 5c sind lediglich Ansichten der schmalen Seitenwände, um die Unterschiede zwischen mehreren Einzelelektroden und einer durchlaufenden Elektrode deutlich zu machen.

Die Ausführungsform nach F i g. 6 zeigt einen Aufbau, bei dem zur Erzielung noch höherer Gasströmungsgeschwindigkeiten das Gas sowohl durch die Kathode als auch durch die Anode quer zu den Rückkopplungspfaden eingeleitet und dann durch Löcher 151 in einer der breiten Seitenwändc 153 abgeführt wird, welche teilweise von einer als Sammelleitung dienenden U-förmigen Abdeckung 155 bedeckt ist.

Aus dem Vorhergehenden ist es offensichtlich, daß der erfindungsgemäßc optische Sender oder Verstärker mit gasförmigem Medium und Querentladung die Verwendung wesentlich niedrigerer Entladungsspannungen, eine verbesserte Anordnung mit gefaltetem optischem Pfad und viel höhere Gasströmungsgeschwindigkeiten als bisher zuläßt.

Bei Ausführung der Erfindung kann jedes stimulierbare Material in Gasform verwendet werden. Wenn auch spezielle Ausführungsformen der Erfindung im einzelnen beschrieben wurden, versteht es sich, daß zahlreiche Abwandlungen gegenüber den

ίο dargestellten Ausführungsbeispielen möglich sind, ohne den durch die Ansprüche gesteckten Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker für ko-

. härentes Licht mit einem innerhalb eines optischen Resonators angeordneten gasförmigen stimulierbaren Medium, dessen Anregung quer zur optischen Achse erfolgt und das von dem kohärenten Licht auf einem zickzackförmigen Weg durchquert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsraum (71) quaderförmig ausgebildet ist und das in dem Entladungsraum (71) enthaltene stimulierbare Medium ständig aus-

a5 getauscht wird, indem das Medium wie übli'ch in Richtung der Entladung geführt und auf der gesamten Längserstreckung des Entladungsraumes im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse durch eine Vielzahl von Öffnungen zu- bzw. abgeführt wird, die in den Seitenwänden (75) des Entladungsraumes vorhanden sind.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen von rohrförmigen Elektroden (73, 73') gebildet werden.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Außenseite mindestens einer Seitenwand (153) eine Sammelleitung (155) aufgesetzt ist, die über Bohrungen (151) in der Seitenwand mit dem Innenraum des rechteckigen Aufbaus in Verbindung steht.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mischtank (77) und ein Sammeltank (83) für das gasförmige Medium vorgesehen sind und der Mischtank (77) mit öffnungen (73') verbunden ist, die in einer der schmalen Seitenwände (75) des quaderförmigen

Entladungsraumes (71) angeordnet sind, wogegen der Sammeltank (83) mit Öffnungen (73) verbunden ist, die in der anderen der schmalen Seitenwände (75) odir einer breiten Seitenwand angeordnet sind.

5. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (17 und 19] des optischen Resonators an zwei isolierender Stirnwänden (85) des Entladungsraumes (71) an-

gebracht sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen