DE1942002A1

DE1942002A1 - Fluessigkeitsgekuehlter Laser,dem die Anregungsenergie in Richtung der Laengsachse zugefuehrt wird

Info

Publication number: DE1942002A1
Application number: DE19691942002
Authority: DE
Inventors: Almasi Joseph Charles; Martin William Sonderman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-08-27
Filing date: 1969-08-18
Publication date: 1970-03-05
Also published as: US3631362A; GB1274491A; FR2016462A1

Description

D*. iSHART ZiEGtER

PATENTANWALT
<5 FRANKFURT 70

TIROLuR STRASSE 61-03

POSTFACH 70 0961
TELEFON 0611/6165 57

700 (.RDCD-1423 ) General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.Y., USA

Flüssigkeitsgekühlter Laser, dem die Anregungsenergie in Richtung der Längsache zugeführt wird.

Die Erfindung bezieht sich auf einen im Impulsbetrieb zu betreibenden Laser, bei dem eine erhöhte Impulsfolgefrequenz möglich ist, und im Besonderen auf einen Laser, dem die Anregungsenergie in Richtung der Längsachse zugeführt wird und dessen Stirnflächen flüssigkeitsgekühlt sind, und bei dem die Einflüsse der durch die Wärmeleitfähigkeit hervorgerufenen Wirkungen sowie die Toleranzen geringer als bei bisherigen Lasern sind, die an die Oberflächengüte des Lasers zu stellen sind.

Bekanntlich emittieren Laser elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge im infraroten oder im sichtbaren Spektralbereich liegen. Diese elektromagnetische Strahlung ist weitestgehend kohärent und zeichnet sich durch eine sehr geringe Bandbreite aus.

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Die Punktion von Lasern beruht auf der Erscheinung, daß in bestimmten Medien durch sogenanntes Pumpen eine Umkehr in der Besetzungsdichte eines metastabilen Energieniveaus hervorgerufen werden kann. Zu solchen Medien, die heute für Laser gerne verwendet werden, gehören Neodymglas, Rubin, Helium-Neon-Gemische sowie Kohlendioxyd. Durch das "Pumpen", das heißt, durch die Bestrahlung solcher Medien mit einer elektromagnetiöchen Strahlung, deren Energie zur Umkehr der Besetzungsdichte ausreicht, können die Bedingungen geschaffen werden, die zur Emission von kohärenter Strahlung erforderlich sind. Die zum Pumpen verwendete Strahlung stammt aus der sogenannten "Pumpquelle", und ihre Wellenlänge wird als "Pumpwellenlänge" bezeichnet.

Laser, die hochenergetische Impulse emittieren, werden "gepulste Laser" genannt. Die Energie der emittierten Impulse ist sehr hoch, jedoch ist ihre Dauer nur kurz, und diese Impulsdauer liegt größenwordnungsmäßig zwischen einigen Millisekunden und einigen Manosekunden.

Ein Laser emittiert nur einen kleinen Bruchteil der ihm -zügeführten Eingangsenergie, da ein großer Teil der zugeführten Energie im aktiven Medium des Lasers in Wärme umgesetzt wird. Um nun diese überschüssige Wärme aus dem aktiven Lasermedium abzuführen, · werden bei gepulsten Lasern eine oder mehrere Flächen des aktiven Mediums gekühlt. Da nun die Wärmeleitfähigkeit des aktiven Mediums nicht beliebig gut ist, wird diese überschüssige Wärme aus der Mitte des aktiven Lasermediums nicht so gut abgeführt wie vom Rand des aktiven Mediums, so daß die Temperatur in der Mitte des Mediums höher als an seinem Rand ist. Während eines laufenden Impulsbetriebes eines solchen Lasers wird daher im aktiven Lasermedium ein recht erhebliches Temperaturgefälle aufgebaut, sofern man nicht für ausreichenden Abkühlzeiten sorgt. Hierdurch kann der Ausgangslichtstrahl des Lasers verzerrt werden, und ein solches Temperaturgefälle kann sogar der Grund sein, daß das aktive Lasermedium springt. Daher können im besonderen solche Laser nur mit geringen Impulswiederholungsfrequenzen betrieben

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werden, deren aktives Medium eine nur geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt. .

Das in der Zwischenzeit steigende Interesse an Lasern mit hohen Impulsfolgefrequenzen führte nun zu zahlreicheren Untersuchungen auf diesem Gebiet. Da nun von den gewöhnlich als aktive Lasermedien verwendeten Materialien eine Anzahl eine nur geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen, - (es sei hier an bestimmte dotierte Glassorten erinnert), - wurden verschiedene Versuche unternommen, um die Beschränkung in der Impulswiederholungsfrequenz zu überwinden. Das Gemeinsame dieser Versuche bestand darin, das aktive Lasermedium in Segmente zu zerlegen und diese Segmente in ein strömendes Kühlmittel einzutauchen. Als Ergebnis hiervon kann die störende Wärme leichter abgeführt werden, weil die einzelnen Segmente des aktiven Mediums viel kleiner sind. Wenn also ein Laser ein segmentiertes aktives Element aufweist, kann er mit höheren Impulsfolgefrequenzen betrieben werden, ohne daß · die Gefahr bestehtt, daß das aktive Laserelement auf Grund eines zu hohen Temperaturgefälles springt. Trotzdem bleibt die Schwierigkeit der ungleichförmigen Erwärmung und der ungleichförmigen ■ Umkehr der Besetzungsdichte quer über die Apertur des Lasers bestehen, so daß der Ausgangsstrahl des Lasers verzerrt werden kann, was ungünstig und störend ist, und es bleibt auch trotz ' der Segmentierung des aktiven Lasermediums die Gefahr bestehen, daß der Laser durch die ungleichförmige Erwärmung mechanisch beschädigt wird.

Als gepulste Laser werden·heute gerne Laser verwendet, denen die Anregungsenergie von einer Stirnfläche her, also in Richtung ihrer Längsachse zugeführt wird. Hierbei wird der Laser quer zur Laserapertur gleichmäßig angeregt und demzufolge auch gleichmäßig erwärmt. Im Gegensatz hierzu stehen die stabförmigen Laser, denen die Pumpenergie von der Seite her zugeführt wird, bei de- ' nen die optischen Eigenschaften ungleichförmig sind. Wenn man bei einem solchen Laser, dem die Pumpenergie von einer Stirnfläche zugeführt wird, die Impulswiederholungsfrequenz nennens-

wert steigern will, entsteht auch hier die Schwierigkeit, wie die überschüssige Wärme unter Beibehaltung der vorteilhaften Gleichförmigkeit der optischen Eigenschaften abführen soll. Wenn man zwecks Steigerung der Impulswiederholungsfrequenz die Dicke· : des plattenförmig ausgebildeten aktiven Lasermediums verringert, wird weniger von der Pumpenergie absorbiert, und außerdem wird es dann sehr schwierig, die als Lasermedium verwendeten Platten innerhalb der erforderlichen Toleranzen herzustellen.

Die Erfindung beinhaltet nun einen gepulsten Laser, dem die Pumpenergie von einer Stirnfläche her zugeführt wird, und bei dem die entstehende überschüssige Wärme quer zur Laserapertur gleichförmig abgeführt wird. Das aktive Lasermedium kann als eine planparallele Platte ausgebildet oder in mehrere dünne planparallele Platten zerlegt sein. In direkter Berührung mit den Strinflachen dieser planparallelen Platten strömt ein Kühlmittel an den Platten vorbei, dessen Brechungsindex dem Brechungsindex der Platten etwa gleicht, wodurch es möglich ist, die Impulswiederhoöungsfrequenz wesentlich zu steigern.

Im Folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im Einzelnen beschrieben werden.

Figur .1 ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Laser, dem die Pumpenergie von einer Strinflache her zugeführt wird.

Figur 2 ist ein Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lasers, bei dem das aktive Lasermedium in ein Kühlmittel eingetaucht ist. -M:

Figur 5 zeigt schematisch die geometrischen Verhältnisse der Laserausführungsform nach Figur 2.

Bei der nachfolgenden Besehriebeung ist angenommen worden, daß als aktives Lasermedium ein Neodymglas verwendet wird. Als aktives Lasermedium l|ann aber jedes Material dienen, dessen physi-

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kaiischen Eigenschaften den Eigenschaften des Neodymglases Ähnlich sind und der Verwendung als Lasermedium nicht entgegenstehen.

Figur 1 zeigt einen vereinfachten Laser, dem die Pumpenergie von der Stirnfläche her zugeführt wird. Eine Pumpquelle 1 emittiert '. Strahlung 2, deren Frequenz der Pumpfrequenz entspricht. Diese Strahlung 2 geht durch ein optisch durchlässiges Fenster J hindurch und wird in mehreren dünnen planparallelen Platten 4 absorbiert, die das aktive Lasermedium darstellen. Die Pumpstrahlung kehrt die Besetzungsdichte in den planparallelen Platten 4 um, die ihrerseit kohärente elektromagnetische Strahlung 5 emittieren, die durch ein Fenster 6 austritt. In der Ausführungsform · nach Figur 1 ist das aktive Lasermedium in mehrere planparallele Platten 4 unterteilt worden. Auf Wunsch genügt es jedoch, nur eine einzige Platte zu verwenden.

Es ist Üblich, eine ganze Reihe von Lasern gemeinsam zu verwenden, die alle kohärente Strahlung der gleichen Wellenlänge emittieren. Dann benutzt man den ersten Laser als optischen Sender und die restlichen Laser als optische Verstärker für die jeweils auf sie einfallenden Laserstrahlen. In Figur 1 wird der Laser als Verstärker für die einfallende Strahlung 7 verwendet, die von einem anderen Laser stammt und deren Wellenlänge gleich der Emissionswellenlänge des Lasers nach Figur 1 ist. Der andere Laser ist nicht dargestellt.

Zur Erzeugung der Pumpstrahlung, die dem Laser von einer Stirnfläche her zugeführt wird, dient die Pumpquelle 1, die eine oder mehrere Blitzlampen 8 enthalten kann. Diesess können Xenon-Bogenlampen sein. Die Lampen 8 sind vor einem Reflektor 9 quer in einem Gehäuse (nicht gezeigt) derart angeordnet, daß sie an die Stirnflächen der Platten 4 hochenergetische Lichtimpulse 2 abgeben können, deren Frequenz der Pumpfrequenz entspricht, so daß in den Platten 4 eine Umkehr der Besetzungsdichte auftritt. Der Reflektor 9 kann aus Aluminiumoxyd hergestellt sein.

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Die Fenster 3 und 6 sind aus Quarzglas oder aus einem anderen Material hergestellt, das sowohl für Strahlung mit der Pumpfrequenz als auch für die Frequenz der kohärenten Laserstrahlung durchlässig ist. Jede Stirnfläche des Fensters 3 kann mit einem überzug 10 versehen sein, an dem die Laserstrahlung selbst total reflektiert wird. In der Figur 1 ist der überzug 10 auf der Stirnfläche des Fensters 3 aufgebracht, die auf der den Plattenn 4 abgewandten Seite liegt-. Wenn man den Laser als optischen Resonator ausbilden will, kann man auch die außen liegende Stirnfläche des Fensters 6 mit einem zweiten überzug 11 versehen. Statt der überzüge 10 und 11 kann man aber auch äußere Spiegel verwenden. Am Überzug 11 wird die emittierte kohärente Strahlung nur partiell reflektiert. Die außenliegenden Stirnflächen der Fenster 3 und 6 werden mit einer Genauigkeit einer 1/10-tel Wellenlänge der von Neodyraglas emittierten Laserstrahlung von 1,06 Mikron optisch plan geschliffen.

Zwischen der Pumpquelle 1 und dem Fenster 3 kann man einen optischen Filter 12 anordnen, mit dem alle Frequenzen absorbiert werden, die als Pumpfrequenzen nicht in Frage kommen. Bei einem Neodymglas-Laser liegen die Frequenzen der Pumpstrahlung etwa zwischen 5000 und 9000 Angström.

Die Stirnflächen der dünnen Platten 4 sind dicht nebeneinander angeordnet und verlaufen zueinander und zu den Stirnflächen der Fenster 3 und 6 parallel.. Die Platten 4 können aus Neodymglas bestehen, wie es beispielsweise unter der Bezeichnung AOLUX-3835 von der "American Optical Company" vertrieben wird. Zweckmäßigerweise sind die planparallelen Platten 4 als quadratische oder rechteckige Platten ausgebildet, deren Abmessungen etwa 100 mm χ 100 mm χ 5 mm betragen. Man kann den planparallelen Platten 4 aber auch jede andere Form geben, sofern die Funktion des beschriebenen gepulsten Lasers nicht beeinträchtigt wird.

Aus einem Vorratsgefäß 14 wird ein Kühlmittel 13 in eine Ein-

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gangsleitung 15 hineingedrückt, die an die Fenster 3 und 6 sowie an die Halterung für die Platten 4 flüssiglceitsdicht angekittet ist. Die Halterung für die Platten 4 ist nicht dargestellt. Der Brechungsindex des Kühlmittels 13 entspricht etwa dem Brechungsindex der Platten ¹U₁ Dicht an den verschiedenen Platten ¹J können Strömungsteiler 16. angeordnet werden, die dazu beitragen, daß sich zwischen den einzelnen Platten k sowie zwischen den äußeren Platten ¹J und den Fenstern 3 und 6 die richtige Kühlmittelströmung ausbildet.

Was als Kühlmittel verwendet wird, hängt von einer Anzahl von Paktoren ab. Ein sehr wichtiger Faktor ist hierbei der Brechungsindex der Laserplatten 4. Zur optimalen Kühlung sind auch die spezifische Wärme des verwendeten Kühlmittels sowie seine Dichte, seine Wärmeleitfähigkeit und seine Viskosität von Bedeutung. Als Kühlmittel für einen Neodymglas-Laser, dessen Platten H einen Brechungsindex von 1,5 aufweisen, hat sich Dimethylsulfoxyd mit einem Brechungsindex von 1,48 als brauchbar erwiesen. ·

Wenn das Kühlmittel zwischen den Laserplatten M hindurchgeströmt ist, fließt es durch eine Ausgangsleitung 17 hindurch, die zu einem Wärmeaustauscher 18 führt, in dem dem Kühlmittel die aufgenommene "Wärme wieder entzogen wird.

Die Oberflächen der Laserplatten müssen zur Vermeidung optischer Verzerrungen innerhalb einer Toleranz von einer 1/10-tel Wellenlänge optisch plan sein. Je dünner nun die Platten 4 gemacht werden, desto schwieriger wird es rein mechanisch, diese Toleranzen zu erreichen und einzuhalten. Durch die Verwendung des Kühlmittels 13 mit einem Brechungsindex, der mit dem Brechungsindex der Laserplatten 4 etwa übereinstimmt, wird die strenge Forderung an die Einhaltung so geringer Toleranzen wesentlich gemildert. In diesem Falle genügt es bei Neodymglas-Lasern, Toleranzen einzuhalten, die mindestens eine Wellenlänge betragen. Dieses ist ohne allzu großen Aufwand möglich, was daraus hervor geht, daß Glasfilter mit den Abmessungen 75 mm χ 75 mm χ 1 mm heute im Handel erhältlich sind.

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Wie bereits erwähnt wurde, wird von der zugeführten Pumpenergie weniger absorbiert, wenn die Dicke des aktiven Lasermediums abnimmt. Dieses tritt in der Ausführungsform nach Figur 1 jedoch nicht auf, da mehrere Platten H vorhanden sind. Bei dem erfindungsgemäßen Laser nach Figur 1 ist es darüber hinaus möglich, durch Variation der Dotierung und/oder der Dicke der einzelnen Platten H eine gleichförmigere Verteilung der Absorption der Pumpenergie zu erreichen.

In der Figur 2 ist nun ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen, stirnflächengekühlten Lasers dargestellt, dem die Pumpenergie von einer Stirnfläche her zugeführt wird. Die Flußdichte der elektromagnetischen Strahlung aus der Pumpquelle 1 kann um einen Faktor von etwa η erhöht werden, wobei "n" den Brechungsindex der Laserplatten ^ bedeutet.

In der Figur 2 wird elektromagnetische Strahlung 2, deren Frequenz der Pumpfrequenz entspricht, von der Pumpquelle 1 emittiert und durchsetzt ein quadratisches, plankonvexes optisches Glied 19, das für die Pumpfrequenzen durchlässig ist. Mit "20" ist ein Pyramidenstumpf bezeichnet, dessen Seitenflächen optisch plan poliert und mit einem hochreflektierenden Überzug versehen sind. Der Brechungsindex des Pyramidenstumpfes ist mindestens so groß wie der Brechungsindex der Laserplatten ¹I. Die Strahlungg mit der Pumpfrequenz geht leicht durch den Pyramidenstumpf 20 hindurch und wird von den Laserplatten 4 absorbiert, wie es bereits beschrieben wurde, so daß in den Platten 4 eine Umkehr der Besetzungsdichte auftritt. Im Laser nach Figur 2 können die einzelnen Platten 4 wieder als dünne planparallele Scheiben ausgebildet sein.

Wie die geometrischen Dimensionen zu wählen sind, geht am besten aus der Figur 3 hervor. Der Krümmungsradius R₂ der gekrümmten Fläche 21 des plankonvexen Gliedes 19 ist so gewählt, daß er mindestens das η-fache des Krümmungsradius R^ der Kugelfläche 32 beträgt, durch die die Stirnfläche der Laserplatte H ange-

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ρ nähert ist. Dadurch wird die Flußdichte etwa um den Paktor η erhöht. Wenn man diese geometrischen Verhältnisse in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen anwendet, wie sie aus Figur 2 hervorgehen, kann man die Impulswiederholungsfrequenz eines gepulsten Lasers erheblich steigern.

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Claims

Patentansprüche

1> Laser, dessen aktives Medium als planparallele Platte ausgebildet ist, deren Stirnflächen Abmessungen aufweisen, die größer als der Abstand zwischen den Stirnflächen sind, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar neben den Stirnflächen der Laserplatte ein Kühlmittel angeordnet ist, dessen Brechungsindex dem Brechungsindex der Laserplatte gleicht, daß eine Quelle zur Erzeugung hochintensiver elektromagnetischer Strahlung im Bereich der Pumpfrequenzen vorgesehen ist, die auf eine Stirnfläche des als planparallele Platte ausgebildeten aktiven Mediums gerichtet ist, wodurch die Emission kohärenter elektromagnetischer Strahlung durch das aktive Lasermedium verursacht ist, und daß zwischen dem aktiven Lasermedium und der Strahlungsquelle eine Vorrichtung angeordnet ist, die für die elektromagnetische Strahlung im Bereich der Pumpfrequenzen durchlässig ist, an der die kohärente elektromagnetische Strahlung jedoch reflektiert ist.
2. Laser nach Anspruch 1, zeichnet

daß

dadurch gekenndas aktive Lasermedium in mehrere

planparallele Platten zerlegt ist, die derart dicht nebeneinander angeordnet sind, daß ihre Stirnflächen parallel zueinander verlaufen.
3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel eine Flüssigkeit ist, die zwischen den Stirnflächen der planparallelen Platten hindurch strömt.
4. Laser nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Eingangs- und Ausgangsleitungen für die Kühlflüssigkeit.

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5. Laser nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Strahlungsquelle und dem in mehrere planparallele Platten zerlegten aktiven Lasermedium ein Fenster angeordnet ist, daß auf der anderen Seite des in mehrere planparallele Platten zerlegten aktiven Lasermediums ein zweites Fenster angeordnet ist, daß die Stirnflächen beider Fenster parallel zu den Stirnflächen der Platten sind, und daß beide Fenster für elektromagnetische Strahlung im Bereich der Pumpfrequenzen und für die kohärente elektromagnetische Strahlung optisch durchlässig sind.
6. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zum aktiven Lasermedium hinblickenden Stirnflächen der beiden Fenster in Berührung mit der Kühlflüssigkeit stehen.
7. Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Strahlungsquelle und dem aktiven Lasermedium, für elektromagnetische Strahlung im Bereich der Pumpfrequenzen durchlässige Vorrichtung, an der die kohärente Strahlung reflektiert ist, als dielektrische Schicht auf einer Stirnfläche des ersten Fensters ausgebildet ist.
8. Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Stirnfläche des ersten Fensters eine dielektrische Schicht aufgebracht ist, und daß auf der dem ersten Fenster gegenüber liegendenn Seite des in mehrere planparallele Platten zerlegten aktiven Lasermediums ein optisches Glied angeordnet ist.

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9. Laser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kohärente Strahlung an der dielektrischen Schicht auff der Stirnfläche des ersten Fensters total und am optischen Glied partiell reflektiert ist.
10. Laser nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß das optische Glied eine dielektrische Schicht auf einer der Stirnflächen des zweiten Fensters ist.

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