DE1514713C3

DE1514713C3 - Gas laser for generating continuous infrared radiation

Info

Publication number: DE1514713C3
Application number: DE19661514713
Authority: DE
Inventors: Lucien Prosper Paris; Truffert Alain Philippe Montrouge; Vautier Philippe Jean Creil Oise; Dorbec (Frankreich)
Original assignee: S.A. De Telecommunications, Paris
Priority date: 1965-03-24
Filing date: 1966-03-24
Publication date: 1976-07-01

Description

Die Erfindung betrifft einen Gaslaser zur Erzeugung von kontinuierlicher Infrarotstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Gaslaser sind aus »Physical Review Letters« 13 (1964) 21, S. 617 bis 619 und »Applied Physics Letters«, 6 (1965) 1, S, 12 und 13 bekannt.The invention relates to a gas laser for generating continuous infrared radiation according to the Preamble of claim 1. Such gas lasers are from "Physical Review Letters" 13 (1964) 21, p. 617 bis 619 and "Applied Physics Letters", 6 (1965) 1, S, 12 and 13 are known.

Bei den bekannten Lasern wird das Entladungsgefäß vom stimulierbaren Medium durchströmt, wobei dauernd frisches Gas zugeführt werden muß. Es sind deshalb Vorratsgefäße für die Gase und Pumpen zum Absaugen der verbrauchten Gase notwendig. Der Wirkungsgrad der bekannten Laser ist gering, die Ausgangsleistung liegt bei I mW.In the known lasers, the discharge vessel is traversed by the stimulable medium, with fresh gas has to be supplied continuously. There are therefore storage vessels for the gases and pumps for Extraction of the used gases necessary. The efficiency of the known lasers is low, the output power is at I mW.

Es ist auch ein Molekulargaslaser bekannt, der ein elektrisches Entladungsrohr von etwa 5 in Länge aufweist, das sich in einem Resonator befindet und mit reinem CO2 gefüllt ist. Dieser bekannte Laser kann jedoch auch nur eine kontinuierliche Infrarotstrahlung mit einer Leistung von etwa 1 mW abgeben; er ist daher nur für eine Anwendung geeignet, die sehr schwache Leistungen erfordert, jedoch nicht für die Übertragung von Informationen.A molecular gas laser is also known which has an electric discharge tube about 5 in length located in a resonator and having is filled with pure CO2. However, this known laser can also only emit continuous infrared radiation deliver with a power of about 1 mW; it is therefore only suitable for one application, the very weak one Requires services, but not for the transfer of information.

Ferner ist aus der DT-AS 11 82 745 ein Gaslaser bekannt, bei dem im Innern des abgeschlossenen Entladungsgefäßes ein Paar entgegengesetzt polarisierte Elektroden angeordnet sind, die sich etwa über die ganze Länge des Gefäßes erstrecken. Als stimulierbares Medium wird bei diesem Laser ein Gasgemisch aus Helium und Neon verwendet.Furthermore, a gas laser is known from DT-AS 11 82 745, in which a pair of oppositely polarized inside the sealed discharge vessel Electrodes are arranged which extend approximately over the entire length of the vessel. As a stimulable In this laser medium, a gas mixture of helium and neon is used.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfach aufgebauten Gaslaser mit einer wesentlich größeren Ausgangsleistung bei einer Wellenlänge von etwa 10 μιη und mit einem erheblich verbesserten Wirkungsgrad zu schaffen. Diese Aufgabe ist bei einem Gaslaser der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs gelöst.The object of the invention is to provide a simply constructed gas laser with a significantly greater output power at a wavelength of approximately 10 μm and with to create a significantly improved efficiency. In the case of a gas laser, this task is the one in the generic term of claim 1 specified type by the features in the characterizing part of this claim solved.

Da bei dem Gaslaser gemäß der Erfindung das Entladungsgefäß abgeschlossen und daher zumindest funktionell von einer äußeren Gasquelle unabhängig ist, ist der Laser insgesamt viel kompakter, einfacher und billiger als beispielsweise die aus den eingangs genannten Literaturstellen bekannten Laser, bei welchen Hilfseinrichtungen vorgesehen sein müssen, um eine regelmäßige Gasströmung der beiden Gase durch den Wechselwirkungsraum aufrechtzuerhalten.Since, in the gas laser according to the invention, the discharge vessel is closed off and therefore at least functional is independent of an external gas source, the laser is overall much more compact, simpler and cheaper than, for example, the lasers known from the literature references mentioned at the outset, in which auxiliary devices must be provided to ensure a regular gas flow of the two gases through the interaction space maintain.

Der Gaslaser gemäß der Erfindung kann eine kohärente Infrarotstrahlung mit einer bedeutend höheren Leistung als 2 W bei einem bedeutend höheren Wirkungsgrad als 5% erzeugen.The gas laser according to the invention can be a coherent Infrared radiation with a significantly higher power than 2 W with a significantly higher efficiency generate than 5%.

Strahlungsquellen mit einer derart starken, kohärenten Infrarotstrahlung, deren Wellenlänge bei etwa ,10 μπι liegt, sind besonders zur Nachrichtenübertragung geeignet, weil die Erdatmosphäre elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von ΙΟμηι durchläßt.Radiation sources with such a strong, coherent infrared radiation, whose wavelength is around , 10 μπι is, are especially for message transmission suitable because the earth's atmosphere electromagnetic radiation with a wavelength of ΙΟμηι lets through.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie ein vorteilhaftes Verfahren zu deren Betrieb sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous developments of the invention and an advantageous method for its operation are the Refer to subclaims.

An Hand von bevorzugten Äusführungsformen soll nunmehr die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert werden. Es zeigtOn the basis of preferred embodiments of the invention with reference to the Drawings are explained in detail. It shows

F i g. 1 einen Aufriß des Entladungsgefäßes einer Lasereinrichtung gemäß der Erfindung,F i g. 1 shows an elevation of the discharge vessel of a laser device according to the invention,

F i g. 2 einen Teil des Entladungsgefäßes mit zwei Elektroden,F i g. 2 a part of the discharge vessel with two electrodes,

F i g. 3 ein elektrisches Schaltbild zur Erläuterung der Unterhaltung der elektrischen Entladung im in F i g. 2 abgebildeten Teil des Entladungsgefäßes undF i g. 3 is an electrical circuit diagram to explain the maintenance of the electrical discharge in FIG F i g. 2 shown part of the discharge vessel and

F i g. 4 und 5 schematisch zwei andere Ausführungsbeispiele von Elektroden der Lasereinrichtung gemäß der Erfindung.F i g. 4 and 5 schematically show two other exemplary embodiments of electrodes of the laser device according to FIG the invention.

Die Lasereinrichtung gemäß der Erfindung enthält das in F i g. 1 abgebildete Entladungsgefäß 1, das ein längliches zylindrisches Rohr aus vorzugsweise geschmolzenem Quarz mit mindestens einem seitlichen Rohrstutzen 2 ist; seine Endteile 3,4 haben einen etwas größeren Durchmesser als sein Mittelteil. Bei einem praktisch erprobten Ausführungsbeispiel hat das Rohr 1 eine Länge von 120 cm und sein Mittelteil einen Außendurchmesser von 30 mm, während seine Endteile einen Durchmesser von 40 mm haben. Der Innendurchmesser des Rohres 1 beträgt ungefähr 26 mm. Auf den ebenen und optisch polierten Endflächen 5, 6 des Rohres 1 sind zwei ebene Spiegel 7 und 8 angeklebt, um einen klassischen Fabry-Perot-Resonator zu ergeben. Besondere, bekannte Vorkehrungen werden getroffen, damit die beiden ebenen Spiegel 7 und 8 einen gegenseitigen Neigungswinkel von weniger als 10 Bogensekunden aufweisen, das heißt, sie sind sehr genau parallel. The laser device according to the invention includes that shown in FIG. 1 shown discharge vessel 1, which is a elongated cylindrical tube made of preferably fused quartz with at least one side Pipe socket 2 is; its end parts 3, 4 have a slightly larger diameter than its central part. At a Practically proven embodiment, the tube 1 has a length of 120 cm and its central part a Outside diameter of 30 mm, while its end parts have a diameter of 40 mm. The inside diameter of the tube 1 is approximately 26 mm. On the flat and optically polished end surfaces 5, 6 of the tube 1, two flat mirrors 7 and 8 are glued to form a classic Fabry-Perot resonator. Special, known precautions are taken so that the two flat mirrors 7 and 8 are mutual Have angles of inclination less than 10 arc seconds, that is, they are very precisely parallel.

Im betrachteten Ausführungsbeispiel wird das Rohr 1 mittels des Rohrstutzens 2 mit einem Gemisch von CO2 mit einem Partialdruck von 0,7 mb, von atmosphärischer Luft mit einem Partialdruck von 1,3 mb und von Helium mit einem Partialdruck von 15 mb gefüllt, anschließend wird der Rohrstutzen 2 versiegelt.In the embodiment under consideration, the pipe 1 is by means of the pipe socket 2 with a mixture of CO2 with a partial pressure of 0.7 mb, of atmospheric Air with a partial pressure of 1.3 mb and filled with helium with a partial pressure of 15 mb, then the pipe socket 2 is sealed.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, sind zwei längliche Elektroden symmetrisch auf der Seitenwand des Rohrs 1 verteilt und liegen an dieser an, so daß sie in axialer Richtung verlaufen. Im betrachteten Ausführungsbeispiel besteht jede der beiden Elektroden 9, 10 aus eine.11 zylindrischen Draht von versilbertem Kupfer, der an der Außenfläche des zylindrischen Rohrs 1 entlang seiner ganzen Länge angebracht ist, indem er auf einer Mantellinie liegt, so daß die beiden Drähte 9 und 10 diametral entgegengesetzt zueinander liegen. Jeder der beiden Drähte 9, 10 hat vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 3 mm und ist an einem Anschluß 11 oder 12 angeschweißt.As shown in FIG. 2, there are two elongated electrodes symmetrically on the side wall of the tube 1 distributed and rest on this so that they run in the axial direction. In the exemplary embodiment under consideration each of the two electrodes 9, 10 consists of a.11 cylindrical wire of silver-plated copper, which is attached to the outer surface of the cylindrical tube 1 along its entire length by being on a surface line lies so that the two wires 9 and 10 are diametrically opposed to each other. Everyone of the two wires 9, 10 preferably has a diameter of approximately 3 mm and is connected to a connection 11 or 12 welded on.

Sobald eine hochfrequente Wechselspannung an den Elektroden 9, 10 des Rohrs 1 angelegt wird, entsteht eine elektrische Entladung im Gasgemisch, das im Rohr enthalten ist. Bei der oben beschriebenen Einrichtung kann man die elektrischen Parameter, von denen diese Entladung abhängt, so einregeln, daß diese heterogen wird und dabei folgende heterogene Verteilung aufweist, die, wie experimentell festgestellt wurde, am zweckmäßigsten für den Betrieb der Lasereinrichtung gemäß der Erfindung ist. Diese heterogene Verteilung, die zweckmäßig für die elektrische Entladung im Rohr 1 ist, erstreckt sich über eine Leuchterscheinung in diesen heterogenen Zonen, die sich in der Nähe der Elektroden 9 und 10 befinden, insbesondere die beiden violett leuchtenden Zonen 35,35' (F i g. 2), die unmittelbar an die Elektroden 9 bzw. 19 angrenzen, und zwei rosa leuchtende Zonen 36, 36', die etwas weiter von den Elektroden entfernt sind, und eine zentrale Zone 37 des Rohrs 1, die im Gegensatz dazu nicht farbig ist. Bei den gegebenen Abmessungen des Rohrs 1 und den angegebenen Werten der Partialdrucke von CO2 und von Luft, die das Rohr füllen, kann diese besonders zweckmäßige heterogene Verteilung der elektrischen Entladung im Rohr 1 durch Regelung der Leistung eines Hochfrequenzgenerators auf etwa 50 Watt erreicht werden, so daß er an den Elektroden 9 und 10 eine Wechselspannung von etwa 500 V Spitze zu Spitze anlegt (z. B. bei 20 MHz). Wenn dagegen die an den Elektroden 9 und 10 vom Hochfrequenzgenerator angelegten Wechselspannung erhöht wird, ist festzustellen, daß die rosa leuchtenden Zonen 35, 35' einerseits und die violett leuchtenden Zonen 36, 36' andererseits ihre Ausdehnung vergrößern und schließlich das ganze Rohr 1 einnehmen, so daß die dort unterhaltene elektrische Entladung ihre oben beschriebene, zweckmäßige heterogene Struktur verloren hat.As soon as a high-frequency alternating voltage is applied to the electrodes 9, 10 of the tube 1, it arises an electrical discharge in the gas mixture contained in the tube. With the setup described above the electrical parameters on which this discharge depends can be adjusted so that they are heterogeneous and has the following heterogeneous distribution, which, as has been determined experimentally, on is most expedient for the operation of the laser device according to the invention. This heterogeneous distribution, which is useful for the electrical discharge in the tube 1, extends over a luminous phenomenon in this heterogeneous zones located near electrodes 9 and 10, especially the two purple ones luminous zones 35.35 '(F i g. 2), which are immediately adjoin the electrodes 9 and 19, respectively, and two pink luminous zones 36, 36 ', which are somewhat further from the Electrodes are removed, and a central zone 37 of the tube 1 which, on the contrary, is not colored. Both given dimensions of the pipe 1 and the given values of the partial pressures of CO2 and of air, which fill the tube, this particularly useful heterogeneous distribution of the electrical discharge in the Tube 1 can be achieved by regulating the power of a high frequency generator to about 50 watts, so that he applies an alternating voltage of about 500 V peak to peak to electrodes 9 and 10 (e.g. at 20 MHz). If, on the other hand, the alternating voltage applied to the electrodes 9 and 10 by the high-frequency generator is increased, it can be seen that the pink luminous zones 35, 35 'on the one hand and the purple luminous zones 36, 36 ', on the other hand, enlarge their dimensions and finally occupy the entire tube 1, so that the electrical discharge sustained there is its useful heterogeneous one as described above Has lost structure.

F i g. 3 zeigt das elektrische Schaltbild, das einem Abschnitt bestimmter Länge des Rohrs 1 entspricht, das durch den Hochfrequenzgenerator 27 versorgt wird. Letzterer speist in ein Netzwerk ein, das aus einer Parallelschaltung folgender Impedanzen besteht:
1. zwei elementaren Kapazitäten 38, 38', deren Dielektrika durch die jeweils zu den Elektroden 9,10 benachbarten Teile der Wand des Rohrs 1 gebildet werden und die in Serie mit einem Widerstand 39 liegen, dessen Wert während des Zündens der elektrischen Entladung plötzlich abfällt; bei der oben beschriebenen Einrichtung haben die in Serie geschalteten Kapazitäten 38, 38' einen relativ hohen Gesamtwert von größenordnungsmäßig 100 pF, während der Widerstand 39 von einem praktisch unendlichen Wert auf etwa 1OkQ beim Beginn der Emission abfällt;F i g. 3 shows the electrical circuit diagram which corresponds to a section of a certain length of the pipe 1 which is supplied by the high-frequency generator 27. The latter feeds into a network that consists of a parallel connection of the following impedances:
1. Two elementary capacitances 38, 38 ', the dielectrics of which are formed by the parts of the wall of the tube 1 adjacent to the electrodes 9, 10 and which are in series with a resistor 39, the value of which suddenly drops during the ignition of the electrical discharge ; in the device described above, the series-connected capacitances 38, 38 'have a relatively high total value of the order of 100 pF, while the resistance 39 drops from a practically infinite value to about 10 kΩ at the start of the emission;

2. einer Kapazität 40, deren Dielektrikum vom Aufbau der Wand des Rohrs 1 gebildet wird; bei der oben beschriebenen Einrichtung hat diese Kapazität einen relativ kleinen Wert von etwa 16 pF.
Während sich die Kapazität 40 mit ihrem relativ kleinen Wert im wesentlichen nur durch Veränderung der Ausgangsimpedanz des Generators 27 bemerkbar macht, ist der Einfluß der großen Kapazitäten 38, 38' keineswegs vernachlässigbar. Vor allem wegen ihnen ist eine geeignete Wahl der Frequenz und der Leistung der vom Generator 27 erzeugten Schwingungen notwendig, damit dieser an den Elektroden 9 und 10 eine genügend hohe Wechselspannung anlegt, insbesondere einige 100 Volt, so daß im Rohr 1 eine ständige elektrische Entladung entsteht, die insbesondere die oben beschriebene heterogene Verteilung aufweist. Im wesentlichen bilden die Kapazitäten 38, 38' mit dem Widerstand 39 einen Spannungsteiler, so daß die für die Erzeugung der elektrischen Ladung nützliche Spannung,2. a capacitance 40, the dielectric of which is formed by the structure of the wall of the tube 1; in the device described above, this capacitance has a relatively small value of about 16 pF.
While the capacitance 40 with its relatively small value is essentially only noticeable by changing the output impedance of the generator 27, the influence of the large capacitances 38, 38 'is by no means negligible. Mainly because of them, a suitable choice of the frequency and the power of the vibrations generated by the generator 27 is necessary so that it applies a sufficiently high alternating voltage to the electrodes 9 and 10, in particular a few 100 volts, so that a constant electrical discharge occurs in the tube 1 which in particular has the heterogeneous distribution described above. Essentially, the capacitors 38, 38 'form a voltage divider with the resistor 39, so that the voltage useful for generating the electrical charge,

das heißt die Spannung an den Anschlüssen von 39. nicht weniger als z. B. 90% der vom Generator 27 erzeugten Spannung beträgt, wobei die Frequenz dieser letzten Spannung höher als 1 MHz sein muß.that is, the voltage at the terminals of 39. not less than z. B. 90% of the generated by the generator 27 Voltage, the frequency of this last voltage must be higher than 1 MHz.

Die elektrische Entladung, die durch die Elektroden 9,10 im Innern des im Rohr 1 enthaltenen Gases unterhalten wird, ruft eine Anregung der Moleküle des Stickstoffs, des Sauerstoffs und des Heliums auf die Niveaus der Oszillationsenergie hervor, und diese Oszillationsenergie wird durch Resonanzstöße auf die Moleküle des CO2 übertragen, die so auf ein höheres Niveau der Energie von Rotation und Oszillation gelangen. Als Resultat entsteht in bekannter Weise eine Inversion der Besetzungszahlen dieses höheren Energieniveaus und des analogen niedrigen Energieniveaus, auf das bestimmte angeregte Moleküle unter Emission von Quanten von Infrarotstrahlung zurückfallen, deren Wellenlänge dem Abstand zwischen dem unteren und dem oberen Energieniveau von Rotation und Oszillation entspricht und sich infolge dessen im Bereich infraroter Strahlung befindet, insbesondere von etwa 10 μηι. Man kann annehmen, daß die Anregung der Moleküle von Luft besonders in den heterogenen Zonen 35, 35'; 36, 36' (F i g. 3) der elektrischen Entladung stattfindet, und daß die Resonanzstöße besonders außerhalb dieser heterogenen Zonen, das heißt im zentralen Teil 37 des Rohrs, auftreten. Es handelt sich jedoch dabei nur um Hypothesen, da man bis jetzt weder theoretische noch experimentelle Grundlagen für die genaue Berücksichtigung der Mechanismen hat, die in derartigen Gaslasern eine Rolle spielen. Da die beiden Spiegel 7. 8, die an den Enden des Rohrs 1 angeklebt sind, durch ihren Aufbau fast genau parallel sind und folglich einen Fabry-Perot-Resonator von hoher Qualität bilden, werden die Photonen, die sich in axialer Richtung ausbreiten, durch die Spiegel reflektiert, so daß sie sehr oft das Rohr 1 in seiner axialen Richtung durchfliegen und eine Vervielfachung der Photonen durch den bekannten Mechanismus der induzierten Emission stattfindet. Der Spiegel 8, der am Ende 6 des Rohrs 1 angeklebt ist, besteht aus einem Material, das für Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 10 μηη durchlässig ist, und seine reflektierende Oberfläche, die z. B. metallisiert ist, weist im wesentlichen auf der Verlängerung der Achse des Rohrs 1 ein schmales Fenster auf, durch das ein Teil der durch den Lasereffekt erzeugten Infrarotstrahlung das Rohr 1 verläßt. Wenn der Hochfrequenzgenerator 27 eine Leistung von etwa 50 Watt abgibt, ist die Leistung der infraroten Laserstrahlung, die von der oben beschriebenen Einrichtung erzeugt wird, die in oben erwähnter Weise eingestellt wurde, größer als 2 Watt, was einem Wirkungsgrad von etwa 5% entspricht, der bedeutend höher ist als der mit derartigen bekannten Lasereinrichtungen erhaltene Wirkungsgrad. The electrical discharge sustained by the electrodes 9, 10 inside the gas contained in the tube 1 gets an excitation of the molecules of nitrogen, oxygen and helium on the levels of the oscillation energy, and this oscillation energy is generated by resonance impacts on the molecules of the CO2 transferred, which thus reach a higher level of energy of rotation and oscillation. When The result is, in a known way, an inversion of the occupation numbers of this higher energy level and the analogous low energy level on which certain excited molecules emit quanta fall back from infrared radiation whose wavelength is the distance between the lower and the corresponds to the upper energy level of rotation and oscillation and, as a result, is in the infrared range Radiation is, in particular of about 10 μηι. Man can assume that the excitation of the molecules of air especially in the heterogeneous zones 35, 35 '; 36, 36 '(Fig. 3) of the electrical discharge takes place, and that the resonance impacts especially outside of this heterogeneous zones, i.e. in the central part 37 of the tube, occur. However, it is only about Hypotheses, since up to now neither theoretical nor experimental bases for the exact consideration which has mechanisms that play a role in such gas lasers. Since the two mirrors 7. 8 that are glued to the ends of the tube 1, are almost exactly parallel by their structure and consequently a Fabry-Perot resonator of high quality, the photons that propagate in the axial direction will reflected by the mirror so that they very often fly through the tube 1 in its axial direction and one Multiplication of the photons takes place through the known mechanism of induced emission. the Mirror 8, which is glued to the end 6 of the tube 1, consists of a material suitable for infrared radiation is permeable with a wavelength of about 10 μm, and its reflective surface, e.g. B. is metallized, essentially points to the extension the axis of the tube 1 has a narrow window through which part of the infrared radiation generated by the laser effect the pipe 1 leaves. If the high-frequency generator 27 delivers a power of about 50 watts, is the power of the infrared laser radiation generated by the device described above, which was set in the above-mentioned manner, greater than 2 watts, which corresponds to an efficiency of about 5%, which is significantly higher than the efficiency obtained with such known laser devices.

Obgleich die oben angegebenen Betriebsbedingungen der Lasereinrichtung gemäß der Erfindung, die in den F i g. 1 bis 5 abgebildet ist, vorzugsweise zur Abgabe einer hohen Leistung mit einem optimalen Wirkungsgrad dienen, sind mindestens einige der angegebenen Bedingungen fakultativ. Die Werte der angegebenen Regelparametcr können speziell innerhalb ziemlich großer Grenzen variieren, ohne daß die von der Lasereinrichtung erzeugte Leistung z. B. auf weniger als 1 Watt abfällt. So kann man insbesondere innerhalb eines ziemlich großen Intervalls den Druck des im Rohr 1 befindlichen Gases variieren, besonders durch Änderung des Partialdrucks des enthaltenen CO2. der z. B.Although the above-mentioned operating conditions of the laser device according to the invention, which are shown in the F i g. 1 to 5 is shown, preferably for delivering high power with optimal efficiency at least some of the specified conditions are optional. The values of the specified Specifically, control parameters can vary within fairly large limits without affecting those of the Laser device generated power z. B. drops to less than 1 watt. So you can in particular within vary over a fairly large interval the pressure of the gas in the pipe 1, especially by changing it the partial pressure of the contained CO2. the z. B.

zwischen 0,01 und 1 mb geändert werden kann, ohne daß die beschriebene Einrichtung aufhört, befriedigend zu arbeiten. Die Art des das Rohr 1 füllenden Gases kann gleichfalls verändert werden. CO2 kann speziell durch N2O ersetzt werden, der Prozeß der Erzeugung einer jetzt entstehenden infraroten Laserstrahlung ist im wesentlichen der gleiche wie der oben beschriebene, und es können gemäß der Einregelung des Resonators verschiedene Linien der Zweige P und R von N2O erhalten werden, deren Wellenlängen gleichfalls etwa 10μΐη betragen. Die Gasgemische mit CO2 oder N2O enthalten vorzugsweise Stickstoff, Sauerstoff, Helium oder aber Luft, was schon erwähnt wurde. Die Lasereinrichtung gemäß der Erfindung kann jedoch gleichfalls betrieben werden, wenn das Rohr nur mit reinem CO2 oder aber mit reinem N2O gefüllt ist. In diesem Fall sind es die Moleküle von CO2 oder von N2O, die direkt durch die elektrische Entladung auf Energieniveaus von Rotation und Oszillation angeregt weiden, die den Lasereffekt verursachen können.can be changed between 0.01 and 1 mb without the described device ceasing, satisfactory to work. The type of gas filling the pipe 1 can also be changed. CO2 can special be replaced by N2O, the process of generating an infrared laser radiation that is now created essentially the same as that described above, and it can be adjusted according to the adjustment of the resonator different lines of the branches P and R of N2O are obtained, whose wavelengths are also about 10μΐη. The gas mixtures with CO2 or N2O preferably contain nitrogen, oxygen, helium or air, which has already been mentioned. The laser device However, according to the invention can also be operated if the pipe is only with pure CO2 or filled with pure N2O. In this In this case, it is the molecules of CO2 or N2O that do graze directly through the electrical discharge to energy levels of rotation and oscillation, which can cause the laser effect.

Die Parameter des Hochfrequenzgenerators 27, der mit der beschriebenen Lasereinrichtung verbunden ist. können ebenfalls innerhalb großer Intervalle geändert werden, ohne daß eine größere Abkehr von den vorteilhaften Eigenschaften der erzeugten Infrarotstrahlung erfolgt. Die Frequenz der Wechselspannung, die von ihm erzeugt wird, kann nach Belieben im Bereich von 10 bis 30 MHz gewählt werden. Seine Leistung muß mindestens einige 10 Watt betragen und sie kann 100 Watt erreichen, um besonders intensive Infrarotstrahlung zu erhalten. In allen Fällen jedoch muß der Hochfrequenzgenerator 27 an den Elektroden 9 und 10 eine Spannung von einigen 100 Volt Spitze zu Spitze anlegen können, was für die Unterhaltung der oben beschriebenen heterogenen elektrischen Entladung unerläßlich ist.The parameters of the high-frequency generator 27, which is connected to the laser device described. can also be changed within large intervals without any major departure from the advantageous ones Properties of the generated infrared radiation takes place. The frequency of the alternating voltage that generated by it can be chosen at will in the range of 10 to 30 MHz. His performance must be at least a few tens of watts and it can reach 100 watts to obtain particularly intense infrared radiation. In all cases, however, the High-frequency generator 27 at the electrodes 9 and 10 a voltage of a few 100 volts peak to peak can create what is essential for maintaining the heterogeneous electrical discharge described above is.

Infolge des hohen Wirkungsgrades der Gaslasereinrichtung gemäß der Erfindung kann das Rohr 1 bei gleicher Leistung der erzeugten Infrarotstrahlung eine Länge aufweisen, die sehr viel kurzer als die von bekannten Lasereinrichtungen der gleichen Art ist. So hat eine bekannte Lasereinrichtung ein Rohr von 5 m Länge, um eine Infrarotleistung von größenordnungsmäßig 1 mW zu erzeugen, während eine Leistung von größenordnungsmäßig 1 W leicht mit einer Lasereinrichtung gemäß der Erfindung erhalten werden kann, die ein Rohr mit einer Länge von sehr viel weniger als 1 m aufweist. Jedoch ist wie bei allen Lasereinrichtungen die Leistung der Einrichtung gemäß der Erfindung direkt proportional zur Länge des Gefäßes, das das Gas enthält, gemessen entlang der . Achse des Fabry-Perot-Resonators. Die bedeutende Reduzierung der Abmessungen der Lasereinrichtung gemäß der Erfindung im Vergleich zu bekannten, analogen Einrichtungen wird noch durch die Vermeidung aller Zusatzeinrichtungen unterstützt, die bei bekannten Einrichtungen notwendig sind, um eine kontinuierliche Zirkulation des Gases im Innern des Gefäßes zu gewährleisten, wobei die vorhandenen Zusatzeinrichtungen fast immer bedeutend größere Abmessungen als das Gefäß selbst haben. Also stellt nicht nur die erzeugte Infrarotleistung sondern auch zusätzlich die Kompaktheit der Lasereinrichtung gemäß der Erfindung eine wirkliche »Diskontinuität« in der Entwicklung von Lasereinrichtungen der betrachteten Art dar.As a result of the high efficiency of the gas laser device According to the invention, the tube 1 can with the same power of the infrared radiation generated Have length which is much shorter than that of known laser devices of the same type. So had a known laser device a tube of 5 m in length to an infrared power of the order of magnitude 1 mW can be generated, while a power of the order of 1 W can easily be achieved with a laser device according to the invention can be obtained using a pipe with a length of much less than 1 m having. However, as with all laser devices, the performance of the device according to the invention is direct proportional to the length of the vessel containing the gas, measured along the. Axis of the Fabry-Perot resonator. The significant reduction in the dimensions of the laser device according to the invention Compared to known, analog devices, it is still possible to avoid all additional devices supports, which are necessary in known facilities to ensure a continuous circulation of the gas inside the vessel, with the existing ancillary equipment almost always have significantly larger dimensions than the vessel itself. So don't just provide the generated infrared power but also the compactness of the laser device according to the invention is a real one "Discontinuity" in the development of laser devices of the type under consideration.

Die Elektroden, die im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel des Rohrs gemäß der Erfindung vorhanden sind, können im Rahmen der Erfindung gleichfallsThe electrodes present in the above-described embodiment of the tube according to the invention are, can also within the scope of the invention

stark verändert werden. Es ist jedoch für die Erreichung einer Infrarotstrahlung mit hoher Leistung und optimalem Wirkungsgrad notwendig, daß die Elektroden, die die heterogene elektrische Entladung im das Gas enthaltenden Rohr unterhalten sollen, länglich geformt und vorzugsweise symmetrisch auf der Wand des Rohr-s verteilt sind sowie an ihr anliegen, so daß sie sich in axialer Richtung des Rohrs erstrecken. Gemäß der Erfindung können die Elektroden der Einrichtung gemäß der Erfindung jedoch sehr verschieden ausgebildet sein. So kann im in F i g. 2 abgebildeten Ausführungsbeispiel, wo jede Elektrode aus einem entlang der ganzen Länge einer Mantellinie des Rohrs angeordneten zylindrischen Draht besteht, der Durchmesser des zylindrischen Drahts zwischen 1 und 5 mm verändert werden, ohne daß wesentliche Änderungen des Betriebs der Lasereinrichtung gemäß der Erfindung auftreten. Die Zahl der Elektroden kann gleichfalls höher als zwei sein. Es ist dabei möglich, die elektrische Entladung in dem das Gas enthaltenden Rohr mittels eines Hochfrequenzgenerators mit mehreren Phasen zu unterhalten. In diesem Fall ist das Rohr vorzugsweise mit Elektroden versehen, deren Anzahl gleich einem Vielfachen der Anzahl der Phasen des Generators ist. Diese Elektroden sind außerdem symmetrisch auf der Seitenwand des Rohrs verteilt, und sie werden vorzugsweise zyklisch vertauscht an die den verschiedenen Phasen entsprechenden Ausgänge des Generators angeschlossen. can be greatly changed. However, it is essential for achieving high power and infrared radiation optimal efficiency, that the electrodes that generate the heterogeneous electrical discharge in the Gas-containing tube are intended to entertain, elongated and preferably symmetrical on the wall of the Tube-s are distributed and bear against it so that they extend in the axial direction of the tube. According to the In accordance with the invention, however, the electrodes of the device according to the invention can be designed very differently being. Thus, in FIG. 2, where each electrode consists of one along the whole Length of a surface line of the tube arranged cylindrical wire consists of the diameter of the cylindrical Wire can be changed between 1 and 5 mm without significant changes in operation the laser device according to the invention occur. The number of electrodes can also be higher than be two. It is possible, the electrical discharge in the tube containing the gas by means of a To maintain high frequency generator with multiple phases. In this case the tube is preferably with Provided electrodes, the number of which is equal to a multiple of the number of phases of the generator. This Electrodes are also symmetrically distributed on the side wall of the tube, and they are preferred connected cyclically exchanged to the outputs of the generator corresponding to the different phases.

Während im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sich die Elektroden entlang der ganzen Länge des Rohrs erstrecken, das das Gas enthält, ist es möglich, insbesondere, falls das Rohr eine große Länge von z. B. mehr als 1 m aufweist, um eine Infrarotstrahlung sehr hoher Leistung zu erreichen, jede in axialer Richtung des Rohrs verlaufende Elektrode in mehrere, voneinander isolierte Abschnitte zu unterteilen. Man kann dann zur Unterhaltung der elektrischen Entladung im Rohr mehrere elektrische Generatoren, deren Anzahl gleich der Anzahl der Abschnitte jeder Elektrode ist, verwenden, wobei die Ausgänge jedes Generators jeweils mit entsprechenden Abschnitten aller Elektroden verbunden sind. Diese Einrichtung hat den Vorteil, daß sie die Verwendung mehrerer elektrischer Generatoren kleinerer Leistung an Stelle eines elektrischen Generators sehr'hoher Leistung erlaubt, um die hohe Leistung zu erzeugen, die zur Unterhaltung der elektrischen Entladung in einem Rohr mit großem Volumen notwendig ist.While in the embodiment described above, the electrodes along the entire length of the Extend pipe containing the gas, it is possible, especially if the pipe has a great length of z. B. more than 1 m to achieve very high power infrared radiation, each in an axial direction to divide the tube extending electrode into several, mutually insulated sections. Then you can To maintain the electrical discharge in the pipe several electrical generators, the number of which is the same the number of sections of each electrode, using the outputs of each generator respectively corresponding sections of all electrodes are connected. This facility has the advantage that it has the Use of several electric generators of lower power instead of one electric generator very 'high power allowed to generate the high power required to maintain the electrical discharge is necessary in a pipe with a large volume.

An Stelle von zylindrischen Drähten oder Stäben können die Elektroden, mit denen das Rohr der Lasereinrichtung gemäß der Erfindung versehen ist, mindestens aus einem Paar von Schraubenlinien mit gleichem Umlaufsinn bestehen, die um eine halbe Ganghöhe gegeneinander verschoben sind. F i g. 4 zeigt ein Ende des Rohrs eines Ausführungsbeispiels der Lasereinrichtung gemäß der Erfindung, das zwei Schraubenlinien 42, 43 aufweist, die jeweils einen kreisförmigen Leitungsabschnitt bilden und an der Außenseite der Seitenwand des Rohrs t anliegen. In diesem Ausführungsbeispiel ίο sind die heterogenen Zonen der elektrischen Entladung im Inneren des Rohrs 1 (35-35', 36-36' von F i g. 7) schraubenlinienartig im Innern des Rohrs 1 angeordnet, so daß sie dem Verlauf der schraubenlinienförmigcn Elektroden 42,43 folgen.Instead of cylindrical wires or rods, the electrodes with which the tube of the laser device can be used is provided according to the invention, at least from a pair of helical lines with the same There are sense of rotation, which are shifted by half a pitch against each other. F i g. 4 shows one end of the Tube of an embodiment of the laser device according to the invention, the two helical lines 42, 43 which each form a circular line section and on the outside of the side wall of the pipe t. In this exemplary embodiment ίο are the heterogeneous zones of the electrical discharge arranged inside the tube 1 (35-35 ', 36-36' of FIG. 7) in a helical manner inside the tube 1, so that they follow the course of the helical electrodes 42, 43.

An Stelle von drahtförmigen Leitungsabschnitten können die Elektroden, die für das Rohr der Lasereinrichtung gemäß der Erfindung vorgesehen sind, jeweils aus einem dünnen und gleichmäßig breiten Metallstreifen bestehen, z. B. aus einer durch Aufdampfen angcbrachten Metallspur oder aus einem Drahtgeflecht, das ebenfalls an der Wand des Rohrs anliegt und entweder entlang einer Mantellinie oder entlang einer koaxial zum Rohr verlaufenden Schraubenlinie verläuft.Instead of wire-shaped line sections, the electrodes can be used for the tube of the laser device are provided according to the invention, each made of a thin and uniformly wide metal strip exist, e.g. B. from a metal track attached by vapor deposition or from a wire mesh that also rests against the wall of the pipe and either along a surface line or along a coaxial line running helical to the pipe.

Um die oben erwähnten Schwierigkeiten zu vermciden, die infolge der durch die Wand des Rohrs bedingten Kapazitäten (38, 38' von F i g. 3) entstehen, die in Serie mit den Elektroden liegen, ist es möglich, die Elektroden im Innern des Rohrs anzubringen. F i g. 5 zeigt schematisch als Schnitt durch die Achse ein Ende des Rohrs eines Ausführungsbeispiels der Lasereinrichtung gemäß der Erfindung, das zwei schraubenlinienförmige Elektroden 44, 45 aufweist, die in das Innere des Rohrs 1 über abgedichtete Durchlässe 46,47 eintreten, die an seiner Seitenwand angeordnet sind, und in dem die Elektroden an der Innenseite der Wand des Rohrs 1 anliegen. In diesem Fall bestehen die Elektroden aus einem schwer schmelzbaren Metall oder sind damit überzogen, oder aber sie bestehen aus sehr reinem Aluminium, um während sehr langer Zeit der Korrosion infolge des Aufprallens von Ionen zu widerstehen, die im vom Rohr 1 eingeschlossenen Gas während der heterogenen elektrischen Entladung entstehen. Infolge der Vermeidung der oben erwähnten sehr hohen Kapazitäten, die in Serie mit den Elektroden liegen, istIn order to avoid the above-mentioned difficulties caused by the wall of the pipe Capacities (38, 38 'of FIG. 3) arise that are in series with the electrodes, it is possible that To attach electrodes inside the tube. F i g. 5 shows schematically one end as a section through the axis of the tube of an embodiment of the laser device according to the invention, the two helical Electrodes 44, 45 which enter the interior of the tube 1 via sealed passages 46, 47, which are arranged on its side wall, and in which the electrodes on the inside of the wall of the Pipe 1 are in contact. In this case, the electrodes are made of a difficult-to-melt metal or are coated with them, or else they consist of very pure aluminum, in order to withstand corrosion for a very long time to withstand the impact of ions in the gas trapped by the tube 1 during the heterogeneous electrical discharge arise. As a result of avoiding the very high mentioned above Capacities that are in series with the electrodes is

es möglich, die Elektroden im Innern des Rohrs durch einen Wechselstromgenerator mit sehr viel kleinerer Frequenz oder sogar durch einen Gleichstromgenerator zu versorgen. Das ist sehr vorteilhaft, da die letzteren Generatoren sehr billig und sehr betriebssicher im Vergleich zu Hochfrequenzgeneratoren sind. Andererseits sind die inneren Elektroden teurer.it possible to have the electrodes inside the tube by an alternator with a much smaller one Frequency or even by a direct current generator. This is very beneficial as the latter Generators are very cheap and very reliable compared to high frequency generators. on the other hand the inner electrodes are more expensive.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

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Claims

Patent claims:

1. Gas laser for generating continuous infrared radiation with an within an optical Discharge vessel arranged in the resonator, which as a gaseous stimulable medium CO: or N2O, and with electrodes arranged on the discharge vessel, which are connected to an electrical Generator are connected, characterized that the discharge vessel (1) is closed, and that at least one pair is opposite polarized electrodes (9, 10, 42, 43, 44, 45), which are located approximately over the entire length of the discharge vessel (1) extend, are arranged on the side wall.

2. Gas laser according to claim 1, characterized in that the stimulable medium is additionally Contains nitrogen, oxygen, helium and / or air.

3. Gas laser according to claim 2, characterized in that the discharge vessel (1) with a Mixture of CO2 with a partial pressure of 0.7 mb, of atmospheric air with a partial pressure of 1.3 mb and is filled with helium with a partial pressure of 15 mb.

4. Gas laser according to one of claims 1 to 3, characterized in that the discharge vessel (1) is cylindrical and its ends (3, 4) have a slightly larger diameter than its central part, and that the discharge vessel (1) has an inside diameter of a few centimeters and a length of up to to several meters.

5. Gas laser according to one of claims 1 to 4, characterized in that the discharge vessel (1) is cylindrical, and that several pairs of electrodes are preferably symmetrical on the side wall of the discharge vessel (t) are arranged distributed.

6. Gas laser according to claim 5, characterized in that each electrode (9, 10, 42, 43, 44, 45) in is divided in the axial direction into several isolated, individually fed sections.

7. Gas laser according to one of claims 1 to 6, characterized in that the different Electrodes (9, 10) are arranged in a straight line and parallel to the axis of the cylindrical discharge vessel (1) are.

8. Gas laser according to one of claims 1 to 6, characterized in that the electrodes at least consist of a pair of helical coils (42, 43) with the same direction of winding, which around a half pitch are offset from one another (Fig. 10).

9. Gas laser according to one of claims 1 to 8, characterized in that each electrode is a is thin, uniformly wide strip that consists entirely of metal and, for example, a metallization or a wire mesh.

10. Gas laser according to one of claims 1 to 8, characterized in that each electrode is a Wire or a cylindrical rod, the diameter of which is preferably between 1 and 5 mm.

11. Gas laser according to one of claims 1 to 10, characterized in that the different Electrodes (9, 10) attached to the outer surface of the side wall of the cylindrical discharge vessel (1) and that they are preferably made of silver-plated wire.

12. Gas laser according to one of claims 1 to 10,

characterized in that the various electrodes (44, 45) tightly through the side wall of the cylindrical discharge vessel (1) and are attached to its inner surface, and that the Electrodes made of very pure aluminum or of a metal that is difficult to melt or are coated with a metal that is difficult to melt (Fig. 10).

13. The method for operating a gas laser according to one of claims 1 to 12, characterized in that that the operating voltage of the electrodes is controlled so that a heterogeneous discharge is maintained over the cross section of the discharge vessel (1), which is essentially colorless discharge is transferred into the axial zone of the vessel, this colorless zone is enclosed by partly pink (36, 36 '), partly purple glowing zones (35,35').