CH658754A5

CH658754A5 - TEA-CO (2) LASER.

Info

Publication number: CH658754A5
Application number: CH2433/82A
Authority: CH
Inventors: Walter Reginald Kaminski
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1981-04-23
Filing date: 1982-04-22
Publication date: 1986-11-28
Also published as: GB2098791B; IL65584A0; JPH0624269B2; NL8201497A; GB2098791A; FR2504744B1; JPS57181180A; DE3212705A1; DE3212705C2; FR2504744A1

Description

Die Erfindung betrifft einen einfachen, robusten, zugeschmolzenen TEA-COj-Laser, bei dem eine Koronaentladungs-vorionisationstechnik angewandt wird (TEA = Transverse .Excitation /Itmospheric, d.h. die Plasmaentladung erfolgt quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und bei Atmosphärendruck). The invention relates to a simple, robust, melted TEA-COj laser, in which a corona discharge preionization technique is used (TEA = Transverse .Excitation / Itmospheric, i.e. the plasma discharge takes place transversely to the direction of propagation of the laser beam and at atmospheric pressure).

Die US-PS 4 207 540 und der Aufsatz «Construction and Performance Characteristics of a Rapid Discharge TEA CO; Laser» von Emst und Boer, erschienen in Optics Communication, Band 27, Nr. 1, Oktober 1978, S. 105, beschreiben einen mit strömendem Gas arbeitenden CO:-Laser, bei welchem eine Koronaentladungsvorionisationstechnik angewandt wird. Bei dieser Entladungstechnik wird ein starkes elektrisches Feld be-5 nutzt, um eine Koronaentladung innerhalb der Laserbohrung einzuleiten, wobei diese Entladung ultraviolettes Licht erzeugt, welches das Gas in dem Hauptentladungsgebiet des Lasers vorionisiert. Fig. 2 des Aufsatzes und Fig. 3 der genannten Patentschrift zeigen die Einzelheiten des Aufbaus dieses Lasers. Die io genannte Patentschrift beschreibt ein kombiniertes System, das eine besondere Entladungsschaltung und eine besondere elektrische Verbindung mit dem Elektrodenvorionisationssystem aufweist. Sowohl gemäss der genannten Patentschrift als auch gemäss dem Aufsatz strömt Gas ständig durch den aktiven Raum ls hindurch, wodurch eine Umgebung erzeugt wird, die sich von der eines zugeschmolzenen Lasers unterscheidet. US Pat. No. 4,207,540 and the article “Construction and Performance Characteristics of a Rapid Discharge TEA CO; Lasers ”from Emst and Boer, published in Optics Communication, Volume 27, No. 1, October 1978, p. 105, describe a CO: laser working with flowing gas, in which a corona discharge preionization technique is used. In this discharge technique, a strong electric field is used to initiate a corona discharge within the laser bore, which discharge generates ultraviolet light which pre-ionizes the gas in the main discharge area of the laser. Fig. 2 of the attachment and Fig. 3 of the mentioned patent show the details of the structure of this laser. The patent mentioned io describes a combined system which has a special discharge circuit and a special electrical connection to the electrode preionization system. Both according to the cited patent specification and according to the article, gas flows continuously through the active space ls, thereby creating an environment which differs from that of a melted laser.

Die Erfindung schafft einen verbesserten Koronaentladungs-vorionisations-TEA-COî-Laser, der zugeschmolzen arbeitet, eine lange Lagerfähigkeit hat und bei dem der mechanische Auf-20 bau des Laserhohlraums gegenüber dem Stand der Technik so abgeändert ist, dass sich eine verbesserte lange Arbeitsfähigkeit im zugeschmolzenen Zustand ergibt und die Abhängigkeit der bekannten Vorrichtung von einer ocsonderen elektrischen Schaltung reduziert ist. The invention provides an improved corona discharge preionization TEA-COî laser, which works when melted, has a long shelf life and in which the mechanical construction of the laser cavity is modified in relation to the prior art in such a way that an improved long working ability is improved melted state results and the dependency of the known device on a special electrical circuit is reduced.

25 Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeich:, ng näher beschrieben. 25 An embodiment of the invention is described below with reference to the drawing :, ng.

Es zeigt It shows

Fig. 1 eine Einzelheit des aus dem oben erwähnten Aufsatz bekannten Lasers, 1 shows a detail of the laser known from the above-mentioned article,

30 Fig. 2 eine Wiedergabe der Fig. 3 der oben erwähnten US-Patentschrift, 2 is a reproduction of FIG. 3 of the above-mentioned US patent,

Fig. 3 einen Querschnitt eines Lasers nach der Erfindung und Fig. 3 shows a cross section of a laser according to the invention and

Fig. 4 eine auseinandergezogene Darstellung des Lasers nach 35 der Erfindung. Fig. 4 is an exploded view of the laser according to 35 of the invention.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittansicht eines Laserhohlraums, wobei ein Raum 320 der Laserentladungshohlraum ist, welcher durch Wände 306 und 304 an den Seiten und durch Deckel 332 und 334 oben bzw. unten begrenzt wird. Die optische Achse des 40 Lasers ist zur Zeichenebene rechtwinklig, und Querachsen 350 und 351 gehen durch die Deckel 332, 334 bzw. die Wände 304, 306 hindurch. Die Wände und die Deckel bestehen beispielshalber aus einem dielektrischen Material, wie beispielsweise MACOR, einer maschinell bearbeitbaren Glaskeramik, die von 45 der Fa. Corning Glass Works hergestellt wird, und Verbindungsstellen 309 und 311 zwischen den Wänden und den Dek-keln sind durch eine Glasfrittenverbindungs- oder eine gleichwertige Dichtungstechnik hermetisch verschlossen. Innerhalb der so gebildeten Hülle sind Elektroden 301 und 302 die Katode 50 bzw. Anode der Laseranregungsentladung. Die Elektroden sind durch die Deckel 334 und 332 hindurch an Verbindungsteile 307 bzw. 308 angeschlossen, die so geformt sind, dass sie eine geringe Induktivität haben und das Herstellen einer dichten Verbindung zwischen dem leitenden metallischen Teil und dem Deckel 55 erleichtern. Die Verbindungsstelle zwischen den Verbindungsteilen und den Deckeln wird durch Epoxidharz oder durch eine Glasfrittenverbindung verschlossen. Die Elektroden 301 und 302 haben eine Kontur gemäss der von Chang angegebenen Prozedur (vgl. die US-PS 4 207 540, Z. 54-56), bei der die Pa-« rameter K = 0,02, v = arc cos (—K) sind und der Spalt zwischen den Elektroden 301 und 302 beispielshalber 1 cm beträgt. 3 shows a cross-sectional view of a laser cavity, wherein a space 320 is the laser discharge cavity, which is delimited by walls 306 and 304 on the sides and by covers 332 and 334 at the top and bottom, respectively. The optical axis of the laser is perpendicular to the plane of the drawing, and transverse axes 350 and 351 pass through the covers 332, 334 and the walls 304, 306, respectively. For example, the walls and lids are made of a dielectric material such as MACOR, a machinable glass ceramic manufactured by 45 of Corning Glass Works, and junctions 309 and 311 between the walls and lids are through a glass frit connection - or an equivalent sealing technology hermetically sealed. Within the envelope thus formed, electrodes 301 and 302 are the cathode 50 and anode, respectively, of the laser excitation discharge. The electrodes are connected through the covers 334 and 332 to connecting parts 307 and 308, respectively, which are shaped in such a way that they have a low inductance and facilitate the establishment of a tight connection between the conductive metallic part and the cover 55. The connection point between the connection parts and the covers is closed by epoxy resin or by a glass frit connection. The electrodes 301 and 302 have a contour according to the procedure specified by Chang (cf. US Pat. No. 4,207,540, lines 54-56), in which the parameters K = 0.02, v = arc cos ( —K) and the gap between electrodes 301 and 302 is 1 cm for example.

In der Wand 304 des Laserhohlraums ist durch maschinelle Bearbeitung eine Vertiefung 314 bis zu einer derartigen Tiefe hergestellt, dass die verbleibende Wanddicke zwischen der Elek-65 trode 302 und der Vertiefung ein kritischer Wert ist, beispielshalber 2 mm, wobei dieser Wert von dem für die Wand 304 gewählten Material abhängen wird. In diesem Hohlraum 314 ist eine Elektrode 310 eingesetzt, die mit der Katode 301 durch ei In the wall 304 of the laser cavity, a recess 314 is machined to such a depth that the remaining wall thickness between the electrode 302 and the recess is a critical value, for example 2 mm, this value being different from that for the Wall 304 will depend on chosen material. In this cavity 314 an electrode 310 is inserted, which with the cathode 301 by ei

nen Pfad niedriger Induktivität (in der Zeichnung nicht dargestellt) elektrisch verbunden ist. Die Elektrode 310 ist innerhalb des Hohlraums 314 so angeordnet, dass sich das obere Ende der Elektrode 310 in der Nähe des Knickes in der Oberfläche der Elektrode 302 zwischen der der Katode zugewandten gekrümmten Oberfläche 321 und der an dem Rand der Wand 304 anliegenden ebenen Oberfläche 322 befindet. Das Knickgebiet 312, wo diese beiden Oberflächen einander treffen, ist nicht scharf, sondern mit einem Radius von wenigstens 0,08 mm (0.003 inch) abgerundet. Die Elektrode 310 ist parallel zu der Querachse 350 angeordnet, so dass sich der obere Rand der Elektrode 310 im wesentlichen in derselben Höhe wie das Knickgebiet 312 der Elektrode 302 befindet, und die kürzeste Strecke zwischen der Elektrode 310 und der Elektrode 302 geht durch wenigstens einen Teil des Hohlraumgebietes 320 und nicht gänzlich durch die Wand 304 hindurch. Das Ergebnis dieses Abstandes ist, NEN low inductance path (not shown in the drawing) is electrically connected. The electrode 310 is arranged within the cavity 314 such that the upper end of the electrode 310 is close to the kink in the surface of the electrode 302 between the curved surface 321 facing the cathode and the flat surface 322 abutting the edge of the wall 304 located. The kink area 312 where these two surfaces meet is not sharp, but is rounded with a radius of at least 0.08 mm (0.003 inch). The electrode 310 is arranged parallel to the transverse axis 350 so that the upper edge of the electrode 310 is substantially at the same height as the kink region 312 of the electrode 302, and the shortest distance between the electrode 310 and the electrode 302 passes through at least one Part of the cavity area 320 and not entirely through the wall 304. The result of this distance is

dass die kürzeste Strecke und somit das stärkste Feld sich nicht innerhalb der Wand 304 befindet, was den Durchschlag des die Wand 304 bildenden Materials fördern würde, sondern befindet sich vielmehr teilweise innerhalb des das Gebiet 320 füllenden C02-Mediums. Das starke elektrische Feld, das in der Ecke gebildet wird, wo die Oberfläche 321 auf die Wand 304 trifft, that the shortest distance, and thus the strongest field, is not within wall 304, which would promote the breakthrough of the material forming wall 304, but rather is partially within the CO 2 medium filling area 320. The strong electric field that is formed in the corner where surface 321 meets wall 304

zieht Elektronen aus dem Material der Wand 304 heraus und erzeugt eine Koronaentladung, die sich über die Oberfläche der Wand 304 abwärts zur Elektrode 301 bewegt und dabei eine ultraviolette Strahlung erzeugt. Die so erzeugte ultraviolette Strahlung bewegt sich durch das Gebiet 302, wobei sie das Gas vorionisiert. draws electrons from the material of wall 304 and creates a corona discharge that moves down the surface of wall 304 to electrode 301, thereby generating ultraviolet radiation. The ultraviolet radiation so generated travels through region 302, pre-ionizing the gas.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in auseinandergezogener Darstellung, bei der ein Teil 402 die Wände und die Enden des Körpers des Laserhohlraums bildet, welch letzterer von einer Achse 400 durchquert wird, die durch eine Linse 420, ein Loch 404, den Haupthohlraum, ein Loch 405 und eine Linse 422 hindurchgeht. Die Linsen 420 und 422 sind mit den Löchern 404 und 405 hermetisch verbunden, um die Linsen in einer Umgebung, in der starke Vibration vorhanden ist, aufeinander ausgerichtet zu halten. Die einander gegenüberliegenden Flächen des Körpers können durch herkömmliche maschinelle Bearbeitungstechniken parallel und glatt gemacht werden, um die Linsen aufeinander auszurichten. In die Seite 304 des Körpers 402 ist eine Vertiefung 314 eingearbeitet, die die Elektrode 310 aufnimmt. Die Elektrode 310 wird durch herkömmliche Befestigungselemente (nicht dargestellt) ausgerichtet gehalten. Die Ober- und die Unterseite des Körpers 402 sind mit Deckeln 332 bzw. 334 bedeckt, die durch eine herkömmliche Gasfrittenverbindungs- oder eine andere hermetische Abdichtungstechnik mit dem Körper verbunden sind. Die Elektroden 301 und 302 sind an ihrem zugeordneten Deckel befestigt, die in dem Querschnitt in Fig. 3 nach der Linie 3-3 in Fig. 4 gezeigt sind. 4 shows an embodiment of the invention in an exploded view, in which a part 402 forms the walls and the ends of the body of the laser cavity, the latter being crossed by an axis 400 which is passed through a lens 420, a hole 404, the main cavity, a hole 405 and a lens 422 pass through. Lenses 420 and 422 are hermetically connected to holes 404 and 405 to keep the lenses aligned in an environment where there is strong vibration. The opposing surfaces of the body can be made parallel and smooth by conventional machining techniques to align the lenses. A recess 314, which receives the electrode 310, is machined into the side 304 of the body 402. Electrode 310 is kept aligned by conventional fasteners (not shown). The top and bottom of the body 402 are covered with covers 332 and 334, respectively, which are connected to the body by a conventional gas frit connection or other hermetic sealing technique. The electrodes 301 and 302 are fastened to their associated covers, which are shown in the cross section in FIG. 3 along the line 3-3 in FIG. 4.

Es ist ein vorteilhaftes Merkmal, dass der Körper 402 in Fig. 4 nur vier Dichtungen hat, nämlich diejenigen an dem oberen It is an advantageous feature that the body 402 in Fig. 4 has only four seals, namely those on the upper one

658 75 658 75

und dem unteren Deckel sowie an den Linsen. Bei Bedarf kann eine Deckeldichtung eliminiert werden, indem das Formteil mit tels isostatischen Warmpressens oder mittels einer gleichwertigen Technik gegossen wird, wodurch eine Verbindungsstelle nach der beanspruchten Elektrode (Anode) beseitigt wird. Es is ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung, dass ein einziges Material für den Körper des Lasers benutzt wird, im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem mehrere Materialien benutzt werden, die ungleiche thermische Eigenschalten haben. Es ist noch ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung, dass zwar der direkte Pfad zwischen der Elektrode 302 und der Elektrode 310 notwendigerweise kurz ist, um die erforderliche hohe Feldstärke zu erzeugen, dass jedoch der Pfad ausserhalb des Hohlraums zwischen den Verbindungsteilen der Elektroden 302 und 310 oder ihren Oberflächen ziemlich lang ist, wodurch eine Hauptschwierigkeit der bekannten Vorrichtung beseitigt wird. and the lower lid and on the lenses. If necessary, a cover seal can be eliminated by casting the molded part using hot isostatic pressing or by means of an equivalent technique, thereby eliminating a connection point after the stressed electrode (anode). It is a further advantageous feature of the invention that a single material is used for the body of the laser, in contrast to the prior art, in which several materials are used which have unequal thermal properties. It is yet another advantageous feature of the invention that, although the direct path between the electrode 302 and the electrode 310 is necessarily short in order to generate the required high field strength, the path outside the cavity between the connecting parts of the electrodes 302 and 310 or their surfaces are quite long, which eliminates a major difficulty of the known device.

Zum Vergleich ist eine bekannte Vorrichtung in den Fig. 1 und 2 gezeigt, bei der der Hohlraum (Fig. 1) durch Teile 18, 17, 19 und 5 gebildet wird, von denen zwei aus Messing und zwei aus Glas bestehen, was vier Verbindungsstellen zwischen ungleichen Materialien ergibt. Eine weitere Schwierigkeit besteht bei der bekannten Vorrichtung darin, dass es einen kurzen, direkten Pfad zwischen der Masseelektrode 31 und dem Messingteil 18 gibt, das mit der Anode 2 in elektrischem Kontakt ist. In Fig. 2 erstrecken sich Elektroden 118 und 119, die in elektrischem Kontakt mit der Anode 2 bzw. der Katode 3 sind, über eine lange Strecke in minimalem Abstand, der durch ein Isoliermittel 105 aufrechterhalten wird. Gemäss den Angaben im Stand der Technik ergab diese Anordnung, aufgrund der geringen Induktivität, eine sehr kurze Anstiegszeit des Marx-Generators, einem Merkmal des bekannten Systems, bei dem es sich um ein integriertes Laborinstrument handelte, das für die schnellste Anstiegszeit (etwa 15 ns) ausgelegt wurde. For comparison, a known device is shown in Figs. 1 and 2, in which the cavity (Fig. 1) is formed by parts 18, 17, 19 and 5, two of which are made of brass and two of glass, which are four connection points between dissimilar materials. Another difficulty with the known device is that there is a short, direct path between the ground electrode 31 and the brass part 18 which is in electrical contact with the anode 2. In FIG. 2, electrodes 118 and 119, which are in electrical contact with the anode 2 and the cathode 3, respectively, extend over a long distance at a minimal distance, which is maintained by an insulating means 105. According to the information in the prior art, due to the low inductance, this arrangement resulted in a very short rise time for the Marx generator, a feature of the known system, which was an integrated laboratory instrument that was designed for the fastest rise time (about 15 ns ) was designed.

Die Erfindung macht von demselben physikalischen Prinzip der dielektrisch hervorgerufenen Koronaentladung Gebrauch," um ein tragbares Feldinstrument zu schaffen, das so ausgelegt ist, dass es nachteilige Bedingungen von Vibration und Wärmeausdehnung toleriert und für Veränderungen in den elektrischen Parametern unempfindlich ist. Ein Laser nach der Erfindung hat eine Spannungsimpulsanstiegszeit von mehr als 30 ns und eine Impulsspannung von mehr als 18 kV bei einem Elektrodenabstand von 1 cm. The invention makes use of the same physical principle of dielectric-induced corona discharge "to create a portable field instrument that is designed to tolerate adverse conditions of vibration and thermal expansion and is insensitive to changes in electrical parameters. A laser according to the invention has a voltage pulse rise time of more than 30 ns and a pulse voltage of more than 18 kV with an electrode spacing of 1 cm.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist eine der Elektrode 310 ahnliche zweite Elektrode in die Wand 306 eingesetzt, wodurch eine grössere Gleichmassigkeit der Vorionisation und ein eine grössere Zuverlässigkeit ergebender redundanter Betrieb erzielt werden, in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Endteile und die Deckel 332 und 334 zu einer einzelnen Einheit kombiniert. In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Seiten 304, 306 und die Deckel 332, 334 zu einer einzelnen Einheit kombiniert. In another embodiment of the invention, a second electrode similar to the electrode 310 is inserted into the wall 306, as a result of which greater uniformity of the pre-ionization and redundant operation resulting in greater reliability are achieved; in a further embodiment of the invention, the end parts and the covers 332 and 334 combined into a single unit. In yet another embodiment of the invention, sides 304, 306 and lids 332, 334 are combined into a single unit.

3 3rd

5 5

10 10th

IS IS

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

V V

2 Blritter Zeichnungen 2 blitter drawings

Claims

658 754

2nd

PATENT CLAIMS

1. TEA-COî laser with a C02 laser amplification medium and an anode and a cathode, which are arranged on opposite sides of the interior of a shell parallel to an optical axis, characterized in that the shell is a sealed shell with which optical axis as the longitudinal axis and a transverse axis and a first and a second end part, which are arranged at right angles to the optical axis, a first and a second side part (304, 306) and a first and a second cover part (332, 334), the Side parts and the cover parts are arranged parallel to the optical axis and wherein all parts are formed from the same material; that the anode (302) and the cathode (301), which are arranged on opposite sides of the interior of the casing parallel to the optical axis, are arranged along the transverse axis and are separated by the side parts (304, 306), that the axis (302 ) has a curved surface (321) facing the cathode (301) and flat wall surfaces (322) which abut the side parts (304, 306), the curved surface and the flat wall surfaces meeting in a transition region (312), which has a radius of curvature of at least 0.08 mm; that at least one additional cavity electrode (310) is provided, which is connected to the cathode (301) by means of a low inductance lead and is attached along the outer surface of one of the side parts (304, 306) and is arranged with respect to the anode (302),

that it overlaps the anode (302) along the transverse axis such that the shortest straight line between the anode (302) and the additional cavity electrode (310) through part of the laser medium and also through a layer of insulating material in the form of part of the shell wall (304 ) goes through; and that the sheath has optical elements (420, 422) disposed along the optical axis to resonate optical radiation within the gain medium and means (310, 308) for applying a pulsed high voltage to the anode and the Cathode, the high voltage pulses having a rise time of at least 30 ns and such a peak value that a field of at least 18 kV / cm is generated between the anode and the cathode, thereby causing a corona discharge between the anode (302) and the additional cavity electrode ( 310) is formed, which conditions the COî medium between the anode and the cathode.

2. Laser according to claim 1, characterized in that the end parts and the side parts (304, 306) form a continuous single part (402).

3. Laser according to claim 1, characterized in that the end parts and the cover parts (332, 334) form a continuous single part.

4. Laser according to claim 1, characterized in that the side parts (304, 306) and the cover parts (332, 334) form a continuous single part.

5. Laser according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sealed envelope extends continuously between the additional cavity electrode (310) and the anode (302) and along the flat wall surfaces (322).