DD153453A5 - Gasentladungsrohr mit einer zum laserstrahlbuendel koaxial verlaeufenden elektrode - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserrohrkonstruktion mit minimalem Raumbedarf. Einzelne Ausfuehrungsformen sind sogar fuer Betrieb mit beliebiger Modulationstiefe (bis 100%) geeignet. Die fuer die Impulsbetriebsweise geeigneten Ausfuehrungsformen ermoeglichen eine erhebliche Herabsetzung der Leistungsaufnahme der Laservorrichtungen. Die Konstruktion beseitigt die Gefahr einer die Lebensdauer beeintraechtigenden Zerstaeubung der Elektrode. Die Herstellung der Laserrohre mit der erfindungsgemaessen Konstruktion benoetigt weder in glastechnischer noch in vakuumtechnischer Hinsicht komplizierte Ausruestungen, wodurch eine billige Herstellbarkeit auch bei einer niedrigen Stueckzahl moeglich ist.

Description

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22 3 Tl 1 -ι-

Gasentladungsrohr mit einer zum Laserstrahlbündel koaxial

verlaufenden Elektrode

Anwendungsgebiet der Erfindung;:

Die Erfindung betrifft ein Gasentladungsrohr mit einer zum Laserstrahl koaxial verlaufenden Elektrode.

Charakteristik der bekennten technischen Lösungen:

Auf dem Gebiet der Laserherstellung ist man bestrebt, die Abmessungen der Apparatur möglichst klein zu halten, vor allem die Abmessungen des Entladungsrohres. In der Vergangenheit wurden von den auf diesem Gebiet führenden Firmen (Spectra Physics, Coheren Radiation, Hughes usw.) Laser mit Innenspiegelresonator und mit koaxialer Elektrode entwickelt.

Die Herstellung derartiger Laser erfordert eine äußerst komplizierte vakuuiütechnische Apparatur, deren Einsatz erst bei einer hohen Stückzahl wirtschaftlich ist.

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Aus diesem Grund sind die gegenwärtig hergestellten Laserrohre teuer, wobei die billige, mit einer hohen Stückzahl verbundene Herstellung der Laserrohre (z.B. für die einen Massenbedarf befriedigenden Video Recorder) nur eine Möglichkeit darstellt.

Bei diesen Laserrohren besteht das Problem einerseits in der Entwicklung einer geeigneten Katodenbehandlungstechnologie, anderseits in der Gestaltung der Elektrode und Anordnung derselben innerhalb des Laserrohres. Die zweckmäßige Gestaltung und Anordnung der Katode ermöglicht eine lange Lebensdauer (5-10.000 Stunden) des Laserrohrs.

Die Weiterleitung der Informationen mit verschiedenen Modulationstiefen stellt eines der wichtigsten zukünftigen Anwendungsgebiete dar. In gewissen Fällen ist es unerläßlich, die Laserrohre in einer Impulsenbetriebsweise in Betrieb zu halten. Durch die ünpulsenbetriebsweise kann die Laservorrichtung auch auf solchen Spezialgebieten verwendet werden, auf denen die Minimalisierung der Leistungsaufnahme (Entfernungsmessung, Leitstrahlsteuerung und Richtungsbestimmung in Gruben und im Gelände) eine unerläßliche Forderung darstellt.

Von den weitverbreiteten billigsten Lasern τ/erden meistens die Helium-Neonlaser verwendet. Auch bei einer minimalen Ausgangsleistung (1-2 mW) beträgt die Leistungsaufnahme solcher Laser 40 - 60.W, was bei einem Einsatz im Gelände oder bei Spezialverwendungen eine bedeutende Leistungsaufnahme darstellt. Die Wahrnehmung des von dem Laser abgegebenen Signals kann auch mit dem Auge erfolgen, aber bei dem gegenwärtigen Stand der Technik wird die Datenverarbeitung mit Instrumenten als eine primäre Forderung betrachtet. Es ist bekannt, daß bei Tageslicht die einer Laserintensität von

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etwa 1 mW/cm entsprechende Änderung bei der Flächenbeleuchtung bei einer Hintergrundbeleuchtung von mehreren

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Hunderten oder Tausenden Lux nicht einmal mit dem empfindlichsten Instrument erfaßt werden kann. Die einzige Möglichkeit zur Detektierung besteht in der Modulation des die Information tragenden Signals. Bei dem erwähnten Untergrundgeräusch ist das auf der MHz-Frequenz modulierte Signal oder ein Signal mit einem kurzzeitigen Anlauf zur Detektion geeignet. Bei einer bekannten Leistungsaufnahme ist die Hochfrequenzmodulation der Helium-iieonlaser gelöst. Bei zahlreichen Anwendungsgebieten ist ein Steuerimpuls pro Sekunde genügend (Richtungsbestimmung, Steuerung eines Strassenfertigers usw.). In solchen Fällen wäre das Millionstel der Leistungsaufnahme der Laservorrichtung zur Durchführung der Aufgabe genügend, demnach beträgt bei den Helium-Neonlasern die Leistungsaufnahme das Vieltausendfache des Minimalbedarfs.

Ziel der Erfindung:

Die obenbeschriebenen Mangel sollen mit Hilfe der Erfindung beseitigt werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung;:

Gegenstand der Erfindung ist ein Gasentladungsrohr mit einer zum Laserstrahlbündel koaxialen Elektrode mit 1 mA Betriebsstrom, das mindestens eine koaxiale Elektrode, die einen

ρ Durchmesser von D und eine Fläche größer als 350 imm hat, ein in der Elektrode die Entladung begrenzendes rotationssymmetrisches Element mit einem Innendurchmesser von D mm und zuletzt die den Gasraum abschließenden ebenen oder kugelförmigen lichtdurchlässigen oder reflektierenden Elemente enthält.

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Erfindungsgemäß besteht zwischen dem Verhältnis D:d (D = Innendurchmesser der Elektrode, d = Innendurchmesser des die Entladung begrenzenden Elements in mm) und dem Betriebsstrom ein Zusammenhang und zwar

D : d > 2 i (1)

Erfindungsgemäß wird neben dem Verhältnis der Durchmesser auch der Winkel des Innendurchmessers des in der Richtung des Elektrodenspiegels liegenden Endes, vom Mittelpunkt der Seite des Gasentladungselementes, aus der Richtung des Spiegels her betrachtet, begrenzt:

^D2 (^ <; arc tg ——

110 i (2)

Aus der Fachliteratur und Versuchen ist bekannt, daß wenn eine Elektrode eines Laserrohrs mit einem Betriebsstrom i,

deren Fläche 350 · i mm unterschreitet, als Katode verwendet wird, die Elektrode in verhältnismäßig kurzer Zeit (etwa 100 Stunden) zerstäubt5 diese Erscheinung legt die in der Katode vorhandenen Verunreinigungen frei, der in dem Laserrohr herrschende Druck fällt bedeutend ab, was zuletzt das Aufrühren des Lasereffekts mit sich bringt.

Gleicherweise findet die Katodenzerstäubung statt, wenn das Verhältnis D : d zwischen dem Innendurchmesser D der als Katode arbeitenden Elektrode mit einer 350 i mm überschreitenden Fläche und dem Innendurchmesser d des die Entladung begrenzenden Elements kleiner ist, als 2 i (Fig. 1) oder wenn der Gesichtswinkel des Durchmessers des in der Richtung des Gaslasersperrelements liegenden Endes der als Katode arbeitenden Elektrode aus dem Mittelpunkt des in der Richtung des Gasraumes abschließenden Elementes liegenden Endes des die Entladung begrenzenden Elements betrachtet größer ist, als Ck = arc tg D²/ 110 i.

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Die Zerstäubung der als Katode arbeitenden Elektrode kann auch dadurch hervorgerufen werden, daß das in der Richtung des den Gasraum abschließenden Elementes liegende Ende des die Gasentladung begrenzenden Elementes nicht im Innern der Elektrode liegt. Die Zerstäubung kann unterbunden werden, wenn das in der Richtung des dem Gasraum abschließenden Elementes liegende Ende des die Gasentladung begrenzenden Elementes im Innern der Elektrode liegt und der Winkel des inneren Durchmessers des den Gasraum abschließenden Elementes abgekehrten Endes der Elektrode aus dem Mittelpunkt des in der Richtung des den Gasraum abschließenden Elementes liegenden Endes des die Entladung begrenzenden Elementes kleiner ist,als 3Qt··

Ausführungsbeispiele:

Das in Pig. 1 dargestellte, einfache Laserrohr in koaxialer Ausführung ist sowohl für die individuelle Herstellung, wie auch für die Massenproduktion bestens geeignet, dabei beansprucht diese keine komplizierte technische Ausrüstung, wodurch auch bei einer niedrigen Stückzahl die Möglichkeit zur Herstellung von billigen Laserrohren gegeben ist. Die obenbeschriebene Wahl der Elektrode bzw. der Katode sichert einen zerstäubungsfreien Betrieb bei dem gegebenen Betriebsstrom und ermöglicht die wirtschaftliche, billige Herstellung der alle praktischen Forderungen befriedigenden Laserrohre mit einer Lebensdauer von 5-10.000 Stunden auch bei einer niedrigen Stückzahl.

Das den Gasraum abschließende Element kann ein planparalleles, keilförmiges bei der Wellenlänge des angewendeten Lasers absorptionsfreies Element oder ein aus den erwähnten Elementen hergestellter Spiegel sein. Bei einer noch einfacheren Lösung werden beide den Gasraum begrenzenden Elemente als Spiegel ausgebildet. In diesem Fall tritt der Lasereffekt

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in Form eines zirkulär polarisierten Lichtes (das sich im Laufe der praktischen Realisierung zu einer elliptischen Form verzerrt) auf.

Bei der Verwendung der Laser wird ein linear polarisiertes Licht benötigt. In Fig. 2 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, die ein linear polarisiertes Licht erzeugt

Fig. 3 stellt eine v/eitere Ausführungsform des Laserrohrs dar, in dem zwei im Sinne der Erfindung ausgestalteten Elektroden vorhanden sind.

Die hier geschilderte Gestaltung ist dadurch begründet, daß die herkömmlich ausgestalteten Laser - Katode mit einer großen, Anode mit einer kleinen Fläche - im Impulsenbetrieb nach einigen Betriebsstunden keinen Lasereffekt zeigen.

Die durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, daß bei den Laserrohren mit der traditionellen Anodengestaltung als Folge der im Laufe der Impulserregung, bei der Ausschaltung auftretenden transienten Erscheinung eine Zerstäubung stattfindet, die bereits nach 10-15 Tausend Einschaltungen beobachtet werden kann. Diese Erscheinung ist mit der Abnahme der Ausgangsleistung des Laserrohrs und schließlich mit dem Aufhören des Lasereffekts verbunden.

Das obengeschilderte Problem kann unter Anwendung des in' der Fig. 3 dargestellten, erfindungsgemäß ausgestalteten Laserrohrs mit einer symmetrischen Elektrodenanordnung und innerem Spiegel gelöst werden. Das Laserrohr ist sowohl zum Impulsbetrieb, als auch für einen Betrieb in beliebiger Modulationstiefe (die auch 100 % erreichen kann) bestens geeignet. Die letztere Betriebsweise ermöglicht die Verwirklichung eines Lasers mit kurzer Impulsdauer (5-15 nsec) und niedriger Wiederholungsfrequenz i.1-2 Hz). Die Leistungsaufnahme des vorherbeschriebenen Lasers kann, z.B. dadurch gekennzeichnet werden, daß eine einfache 9 V Batterie den Laser für 24 Stunden und langer im Betrieb halten kann.

Claims (3)

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   Erfindungsanspruch:

   1. Gasentladungsrohr mit einer zum Laserstrahlbündel koaxial angeordneten Elektrode mit 1 mA Betriebsstrom, das eine zur Entladung koaxiale Elektrode mit einem Innen-

   durchmesser von D mm und einer 350 i mm überschreitenden Fläche aufweist wobei in der Elektrode ein zylindersymmetrisches, die Entladung begrenzendes Element vorgesehen ist bei dem ferner ein den Gasraum abschliessendes, eine ebene oder kugelförmige Fläche aufweisendes, lichtdurchlässiges oder reflektierendes Element vorhanden ist, gekennzeichnet dadurch, daß das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser D der Elektrode und dem des die Entladung begrenzendes Elementes d 2 i beträgt, das der Winkel oC des Innendurchmessers des dem den Gasraum abschließenden Elementes zugekehrten Endes der Elektrode aus dem Mittelpunkt des in der Richtung des Spiegels liegenden Endes des die Gasentladung be~ grenzenden Elementes her betrachtet kleiner ist, als ά = arc tg D²/110 i.
2. 2. Laserrohr nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das in der Richtung des den Gasraum abschließenden Elementes liegende Ende des die Gasentladung begrenzenden Elementes im Innern der Elektrode liegt und der Gesichtswinkel des Innendurchmessers des von dem, den Gasraum abschließenden Element abgekehrten Endes der Elektrode aus dem Mittelpunkt des in der Richtung des den Gasraum abschließenden Endes des die Entladung begrenzenden Elementes her betrachtet kleiner ist als 3Qi.
3. 3. Laserrohr nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß anstatt einer Elektrode zwei Elektroden vorgesehen sind.

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