CH667947A5 - Wellenleiterlaser. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenleiterlaser und insbesondere einen transversal erregbaren Wellenleiterlaser.

Es sind Wellenleiterlaser bekannt, bei denen die Laseraktion in einem Laserhohlraum stattfindet, deren Abmessungen klein und auf die Eigenschaften der zu erzeugenden Strahlung bezogen sind. Gelegentlich hat der Hohlraum einen rechteckigen Querschnitt. Die Laseraktion erfolgt durch eine elektrische Entladung in dem den Wellenleiter füllenden Gas. Die Entladung erfolgt zwischen den Elektroden an den gegenüberliegenden Enden des Wellenleiters. Kürzlich wurde die Quererregung des Gases angewendet, wobei die Elektroden an den gegenüberliegenden Seiten angeordnet waren. Dies bringt die Elektroden sehr viel näher zusammen und erleichtert das Iniziieren der Entladung. Die Quererregung ermöglicht es auch, mit höherem Gasdruck zu arbeiten, wodurch sich weitere Vorteile ergeben.

Im Britischen Patent Nr. 1 452 156 ist ein lateral erregter Wellenleiterlaser beschrieben, bei dem der Hohlraum durch zwei gegenüberliegende Blöcke aus einem Metall, z.B. Kupfer, gebildet ist, die durch zwei Blöcke aus Isoliermaterial, z.B. Beryllium oder geschmolzenem Quarz getrennt sind. Der in diesem Dokument beschriebene Laser wird durch Impulse mit einer Frequenz von 100 Hz erregt. In anderen Quellen sind Laser gleicher Ausführung beschrieben, die durch Impulse mit einer Frequenz von 40 kHz erregt werden.

Im Europa Patent Nr. 3280 ist ein quererregter Wellenleiterlaser ähnlicher Ausführung beschrieben. Um die durch die Impulserregung verursachten Probleme zu bewältigen, wird eine Wechselstromerregung angewendet. Um die gegenseitige Beeinflussung zwischen den durch die gegenüberliegenden Wände des Wellenleiters gebildeten Erregungselektroden und den Entladungselektronen zu vermeiden, ist es notwendig, eine sich auf die Abmessungen des Wellenleiters beziehende Erregungsfrequenz zu wählen, so dass die vorstehend erwähnte gegenseitige Beeinflussung nicht auftritt. Dies legt mehrere Einschränkungen für die Erregungsfrequenzen fest, die manchmal unerwünscht sind. Das Vorhandensein von Metallelektroden in dem Hohlraum kann zusätzlich einen chemischen Abbau des gasförmigen Mediums bewirken.

Ziel der Erfindung ist es, einen transversal erregbaren Wellenleiterlaser zu schaffen, der die vorstehend erwähnten Nachteile nicht aufweist und einen einfachen Aufbau hat.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäss erreicht durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische und auseinandergezogen dargestellte Ansicht des ersten und zweiten Blockes eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Laser gemäss dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den in Fig. 2 dargestellten Laser,

Fig. 4 ein Schaltschema eines Erregungsschaltkreises, Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Laser,

Fig. 6 einen Querschnitt einer alternativen Laserausführung, Fig. 7 einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Laser, und

Fig. 8 und 9 Querschnitte von weiteren Ausführungsbeispielen.

Der in Fig. 1 gezeigte transversal erregte Wellenleiterlaser ist aus zwei Blöcken aus einem geeigneten Isoliermaterial, z.B. Aluminiumoxid (AI2O3) oder Berylliumoxid (BeO) aufgebaut. Wie gezeigt, hat der erste Block 1 vorzugsweise einen rechteck-förmigen Teil, wobei die Länge des Blockes durch die Eigenschaften, die der Laser haben soll, bestimmt wird. In einer ebenen Fläche 2 sind drei Schlitze 3, 4, 5 ausgebildet. Der Mittelschlitz 3 ist der wirkliche Wellenleiter, in welchem der Strahl auftritt. Die Querschnittform und -abmessungen werden ebenfalls durch die Eigenschaften, die der Laser haben soll, bestimmt. Zum Beispiel kann ein Schlitz mit quadratischem Querschnitt und einer Seitenlänge von 2 mm für eine Laserstrahlung mit 10,6 Mikron angewendet werden. Zu beiden Seiten des Mittelschlitzes 3 ist ein weiterer Schlitz 4, 5 ausgebildet, die parallel zum Mittelschlitz 3 und nahe bei diesem liegen. Die Schlitze 4, 5 haben, obwohl nicht erforderlich, die gleiche Tiefe wie der Mittelschlitz, können aber schmäler sein und jede geeignete Form haben.

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Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 und 2 ist der zweite Block 6 ein Deckel, der auf der Fläche 2 des ersten Blockes 1 angeordnet ist, zu der die Schlitze 3, 4, 5 hin offen ausgebildet sind. Die Fläche 2 und eine Oberfläche des Deckels sind gleich ausgebildet, mit Vorteil eben, um den Deckel 6 auf dem ersten Block 1 so zu befestigen, dass die drei Schlitze 3, 4, 5 im ersten Block 1 abgeschlossen sind.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch den ersten Block 1 und den daran befestigten Deckel 6. In den Schlitzen 4, 5 sind dünne metallische Schichten 7 auf mindestens der Fläche aufgebracht, die dem Mittelschlitz 3 am nächsten liegt. Die metallischen Schichten können aus Kupfer bestehen, das durch stromlose Abscheidung aufgebracht wird. Weil in diesem Fall diese wahrscheinlich die Seiten und den Boden der Schlitze bedecken, werden diese aufgebracht, bevor der Deckel 6 aufgesetzt wird. Zu jeder elektrisch leitenden Schicht 7 wird eine elektrische Verbindung hergestellt, und zwar vorzugsweise durch einen Stab 8, der durch ein Loch im Block 1 eingeführt und an der metallischen Schicht 7 befestigt ist. Die elektrische Verbindung kann auch auf andere Weise hergestellt werden.

Die vorstehend beschriebene Anordnung bildet einen Laser, abgesehen von den Anforderungen einer Niederdruckgasfüllung im Mittelschlitz 3 und den erforderlichen optischen Elementen, die den optischen Hohlraum des Lasers bestimmen.

Figur 3 ist ein Längsschnitt einer möglichen Ausführung des fertigen Lasers. An der aus dem Block 1 und dem Deckel 6 zusammengesetzten Anordnung sind ein Paar Spiegel 9 und 10 befestigt, um den Mittelschlitz 3 abzudecken. Ein Spiegel ist total reflektierend, während der andere leicht transparent ist, um einen Ausgang für den Laserstrahl zu bilden. Bevor oder nachdem die Spiegel befestigt sind, wird das erforderliche Gas in den Mittelschlitz 3 eingelassen, der den Laserhohlraum bildet. Das Gas kann eine Mischung aus CO2, Ne und He sein. Der Laser wird in üblicher Weise durch eine Wechselspannung, z.B. zwischen 500 und 1000 Volt, mit einer Frequenz in der Grössen-ordnung von 80 MHz erregt. Die Spannung wird über die zwei Stäbe 8 angelegt. Praktisch können innerhalb eines grossen Bereiches liegende Erregungsfrequenzen angewendet werden.

Die Figur 4 zeigt eine mögliche Ausführung eines Erregungsschaltkreises. Ein HF-Generator 10 erzeugt eine Spannung mit der erforderlichen Erregungsfrequenz und ist über einen geeigneten Anpassungsschaltkreis 11 an die Elektroden 12 angeschlossen. Der gezeigte Anpassungsschaltkreis enthält eine Serieschaltung aus einem Kondensator 13, der verstellbar sein kann, und einer Spule 14. Das sich im Gas einstellende quergerichtete Feld erzeugt eine HF-Entladung, welche die Laserfunktion bewirkt. Da die die Gasentladung erzeugenden Elektroden durch die dazwischenliegenden Wände aus Isoliermaterial von der Entladung im Mittelschlitz isoliert sind, können die Entladungsionen oder -elektronen nicht auf die elektrisch leitenden Schichten 7 auftreffen. Dadurch werden die Probleme behoben, die bei Lasern, deren Elektroden der Entladung ausgesetzt sind, auftreten.

Es können auch andere Anpassungsschaltkreise angewendet werden.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführung hat die gleichen Nachteile. Der hauptsächlichste ist, dass die Spiegel 9 und 10 nicht eingestellt werden können, weil diese den Laserhohlraum abdichten, in dem sich Gas mit einem Unterdruck befindet. In Fig. 5

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ist schematisch eine alternative Anordnung dargestellt, die den gleichen aus Block 1 und Deckel 6 bestehenden Aufbau verwendet. Bei dieser Ausführung umschliesst ein Druckbehälter 20 den Laserhohlraum, der starr darin gehalten ist. Die Spiegel 9 und 10 sind am Druckbehälter 20 montiert. Diese können so montiert sein, dass eine Verstellung möglich ist. Das Gas oder die Gasmischung ist in den Druckbehälter 20 eingeführt und füllt die drei Schlitze in der aus Block und Deckel bestehenden Anordnung. Die elektrischen Anschlüsse 8 sind durch die Wand des Druckbehälters 20 herausgeführt und die Erzeugung des Laserstrahles erfolgt wie vorstehend erwähnt. Die Halteanordnung für die aus Block und Deckel bestehende Anordnung im Druckbehälter ist nicht dargestellt.

An den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Anordnungen sind verschiedene Modifikationen möglich. Da nur der Mittelschlitz 3 eine genau dimensionierte vierte Fläche haben muss, kann der Deckel 6 schmaler als der Block I sein, so dass dieser nur den Mittelschlitz 3 abdeckt, die anderen Schlitze 4 und 5 aber offen lässt. Dies ist in Fig. 6 gezeigt. Dies ist unter der Voraussetzung möglich, dass der Deckel am Block entsprechend befestigt ist.

Alle Laser erzeugen eine beachtliche Wärme. Zum Beispiel ein Laser mit einer Ausgangsleistung von 10 Watt kann 100 Watt an Wärme abführen und es kann notwendig sein, diese abzuführen. Eine Möglichkeit diese Wärme abzuführen zeigt Fig. 7, wo im Block 1 äussere Schlitze 21 ausgebildet sind, die durch den Deckel 6 abgedeckt werden. Diese äusseren Schlitze können als Kühlkanäle verwendet werden, durch welche ein Kühlmedium durchströmt.

Die vorstehend beschriebene einfache Laserkonstruktion führt zu anderen alternativen Anordnungen. Daraus lassen sich Mehrloch-Laser entwickeln, um zwei getrennte Laserstrahlen oder gefaltete Laser zu erzeugen. In den Figuren 8 und 9 sind zwei derartige Anordnungen gezeigt, die aus einem Block aus Keramikmaterial hergestellt sind. Wie Fig. 8 zeigt, hat der Block 1 fünf Schlitze. Zwei dieser Schlitze 81 und 82 bilden zwei Wellenleiterlaserhohlräume. Der Mittelschlitz 83 ist an beiden Seiten mit einer metallischen Schicht 7 versehen, die eine für die Laser gemeinsame erste Elektrode bilden. Die äusseren Schlitze 84 und 85 weisen jeder eine metallische Schicht 7 auf, die an mindestens einer Seite ausgebildet sind und eine zweite Elektrode für die Laser bilden. Abgesehen von der gemeinsamen Mittelelektrode können die zwei Wellenleiter als separate Laser betrachtet werden und können entweder von einem Generator parallel oder von separaten Generatoren erregt werden. Der Deckel 6 ist wie vorstehend beschrieben angeordnet.

Figur 9 zeigt eine alternative Mehrloch-Anordnung, bei der zwei Sätze aus drei Schlitzen in einander abgewandten Flächen ausgebildet sind. Es sind vollständig getrennte Elektrodensätze und getrennte Deckel vorgesehen. Jeder Laser kann von einem gemeinsamen Generator oder von getrennten Generatoren 91, 92 erregt werden und kann so ausgebildet sein, dass er mit unterschiedlichen Frequenzen arbeitet.

Selbstverständlich muss der Block 1 und der Deckel 6 nicht einen rechteckigen Querschnitt haben, obwohl dies wahrscheinlich die wirtschaftlichste Form ist, um für diesen Zweck geeignete Isoliermaterialien zu erzeugen. Die erforderlichen Schlitze können beim Giessen des Blockes oder durch anschliessende maschinelle Bearbeitung hergestellt werden.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims (13)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Transversal erregbarer Wellenleiterlaser, gekennzeichnet durch einen ersten Block (1) aus elektrisch isolierendem Material, in dem mindestens drei parallele zu einer Fläche hin längliche offene Schlitze (3, 4, 5) ausgebildet sind, eine Schicht (7) aus elektrisch leitendem Material, die mindestens eine Fläche der zwei äusseren Schlitze (4, 5) überdeckt, um eine Elektrode in jedem Schlitz zu bilden, elektrische Leiter, die an die Schichten aus elektrisch leitendem Material angeschlossen sind, und einen zweiten Block (6) aus elektrisch isolierendem Material, der an dem ersten Block (1) befestigt ist, um mindestens den Mittelschlitz abzuschliessen, wobei der Mittelschlitz, wenn so abgeschlossen, Abmessungen hat, um einen die Wellenleiterlaserfunktion unterstützenden Laserhohlraum zu bilden.
2. 2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schlitz (3, 4, 5) einen rechteckigen Querschnitt hat.
3. 3. Laser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Block (6) aus elektrisch isolierendem Material im wesentlichen die gesamte Fläche des ersten Blockes (1) überdeckt, zu der die Schlitze hin offen ausgebildet sind.
4. 4. Laser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Block (6) aus elektrisch isolierendem Material nur den Mittelschlitz (3) überdeckt.
5. 5. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Block (1, 6) ein Paar Spiegel (9, 10) aufweist, die an den Stirnseiten der Blöcke befestigt sind, um mindestens den Mittelschlitz (3) abzudichten.
6. 6. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein gasförmiges Medium in dem Laserhohlraum enthalten ist.
7. 7. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Block (1, 6) in einer abgedichteten Ummantelung (20) angeordnet sind, die ein Paar Spiegel (9, 10) trägt.
8. 8. Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein gasförmiges Medium in der Ummantelung (20) enthalten ist.
9. 9. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Schlitze (21) in dem ersten Block (1) zur Zirkulation eines Kühlfluids vorgesehen sind.
10. 10. Laser nach einem der Ansprüche 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Medium aus einer Mischung aus Kohlendioxid, Helium und Stickstoff besteht.
11. 11. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen Erregungsschaltkreis, der einen HF-Generator und einen Anpassungsschaltkreis enthält, der den Ausgang des Generators mit den zwei Elektroden des Lasers verbindet.
12. 12. Laser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material zwischen jeder Elektrode und dem Laserhohlraum einen Lastkondensator bildet.
13. 13. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er durch Anlegen einer Wechselspannung mit einer Frequenz in der Grössenordnung von 80 MHz an die Elektroden erregbar ist.