DE1564294C - Optischer Sender - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf optische Sender mit Richtungssteuerung innerhalb eines richtungsindifferenten, optischen Resonators mit gasförmigem, stimulierbarem Medium.

Es ist bereits eine Anordnung zum Auslenken und zur Intensitätssteuerung des kohärenten Strahles eines optischen Senders mit konjugiertem Strahlenverlauf vorgeschlagen worden (deutsche Patentschrift . 1 298 212), bei der das stimulierbare Medium ein festes Material ist, das weit entfernt von der Kathodenstrahlröhre und außerhalb derselben angeordnet ist, so daß keine Elektronen aus der Elektronenstrahlröhre austreten können und der Elektronenstrahl somit das Material nicht anregen kann.

Des weiteren ist ein optischer Resonator vorgeschlagen worden (deutsche Patentschrift 1 278 036), der konzentrische Spiegel für die Richtungsmodulation eines optischen Senders oder Verstärkers in einem gasförmigen, stimulierbaren Medium aufweist. Hierbei sind Mittel vorhanden, die eine zeitlich veränderbare örtliche Begrenzung der Gasentladung innerhalb. des stimulierbaren Mediums bewirken. Diese Mittel sind Anregungselektroden, die örtlich getrennt voneinander vorgesehen sind.

Ziel der Erfindung ist es, eine Richtungsablenkung eines stimulierbaren Strahles mit Hilfe eines gesteuerten Elektronenstrahles vorzusehen und damit eine räumlich partielle Anregung einer Gasentladung zu erzielen.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß ein innerhalb des stimulierbaren gasförmigen Mediums erzeugter Elektronenstrahl die Anregung des stimulierbaren Mediums über seinen Schwellenwert bewirkt und zugleich den Weg des stimulierten Lichtes vorzeichnet. Zur Ablenkung des Elektronenstrahles sind vorzugsweise Ablenkplatten bzw. Ablenkspulen vorgesehen.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist der Elektronenstrahlerzeuger im Entladungsrohr eingebaut; dieser weist vorzugsweise eine Kathode, wenigstens eine Bescheunigungsanode und wenigstens eine Fokussierelektrode auf. Zusätzlich kann der Elektronenstrahlerzeuger auch eine Steuerelektrode enthalten.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Hilfsenergiequelle für eine Gasentladung in dem gasförmigen stimulierbaren Medium zur Anregung auf eine Energiestufe unterhalb oder oberhalb des Schwellenwertes der Laserwirkung vorgesehen.

. Nach einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung wird der Elektronenstrahlerzeuger in einem optischen Sender der vorbeschriebenen Art verwendet, wobei die Strahlerzeugerelektroden ringförmig ausgebildet sind und die zentralen Öffnungen der Elektroden koaxial ausgerichtet sind. Zur Aufheizung der ringförmigen Kathode ist dabei vorzugsweise ein ringförmiges Heizelement vorgesehen.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ablenklasers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 2 eine Schnittansicht des einen Endes eines Ablcnklasers mit einem neuartigen Elektronenstrahlerzeuger,

F i g. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 nach Fig. 2,

F i g. 4 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 nach Fig. 2,

F i g. 5 eine Schnittansicht nach einer anderen Ausführungsform des Elektronenstrahlerzeugers nach Fig,2,

F i g. 6 eine Teilschnittansicht einer zweiten abgeänderten Ausführungsform des Elektronenstrahlerzeugers nach Fig. 2, wobei Ablenkplatten zur Ablenkung des Elektronenstrahles verwendet werden,

ίο F i g. 7 eine Schnittansicht längs der Linie 7-7 der F i g. 6 und

Fig. 8 eine teilweise Schnittansicht einer Ausführungsform eines Lasers gemäß der Erfindung, wobei antireflektierende Fenster verwendet werden.

In F i g. 1 ist ein einen Laser bildendes gasgefülltes Entladungsrohr 10 dargestellt, dessen eingeschlossenes Gas auf den Laserschwellenwert angehoben werden soll. Das Entladungsrohr 10 besitzt zwei optische Fenster 40 und 42, die im Brewster-Winkel angeordnet sind, sowie einen Elektronenstrahlerzeuger 12 am einen Ende des Rohres 10, damit Elektronen gleicher Geschwindigkeit in das Gas eingeführt werden. Der Elektronenstrahl kann durch Fokussierelektroden, z. B. die Elektroden 54, 56 und 58, durch eine Fukussierspule, z. B. die Spule 14, oder durch beide gebündelt werden. Der Elektronenstrahl wird durch einen Satz Ablenkspulen 16, durch Ablenkplatten 68, 70, 72. und 74, wie in den F i g. 6 und 7 gezeigt, oder durch beide abgelenkt. Das Gas innerhalb des Rohrs 10 wird bis nahe an den Schwellenwert angeregt, indem eine Spannung aus der Speisequelle 22 über die Schaltanordnung 24 zwischen eine Anode 20 und eine Kathode 18 gelegt wird. Das Potential zwischen den Elektroden 18 und 20 bewirkt, daß die Gasenergie zwischen ihnen bis auf etwas unter den Schwellenwert angeregt wird. Das Einführen eines Elektronenstrahles erhöht die Energie in einem bestimmten, räumlich begrenzten Bereich des Gases, d. h. längs der Bahn des konzentrierten Elektronenstrahles, damit eine örtliche Laserwirkung erreicht wird. Zwei konkave Spiegel 36 und 38, deren Vorderseite bearbeitet ist (ihre Oberflächen, die den entsprechenden Stirnflächen des Entladungsrohres gegenüberstehen, sind reflektierend) und von denen einer nur teilweise reflektierend bzw. lichtdurchlässig ist, bestimmen die Länge des optischen Resonators.

Der Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform eines Elektronenstrahlerzeugers 12 zur Verwendung im Ablenklaser gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Der Elektronenstrahlerzeuger 12 besitzt koaxiale Einbauten ringförmiger Gestalt, die aufeinander ausgerichtet sind und eine Bahn für den erzeugten Laserstrahl längs der Achse 48 frei lassen. Ein Heizelement 46 heizt die Kathode 50 auf. Eine Steuerelektrode, die üblicherweise als Steuergitter bezeichnet wird, ist mit 52 bezeichnet. Im Strahlerzeuger wird wenigstens eine Fokussierelektrode verwendet; mit 54, 56 und 58 sind drei dieser Fokussierelektroden gezeigt. Ferner werden zwei Beschleunigungselektroden 60 und 62 verwendet. Es ist aber nur eine Beschleunigungselektrode unbedingt erforderlich. Die Elektroden sind in axialer Richtung gegenüber der Kathode 50 versetzt, damit die Strahlelektroden aus der Kathode in der in Fig. 1 gezeigten Weise be schleunigt werden, wobei die Elektronenbahnen zwe Kreuzungsstellen 90 und 92 aufweisen und schließ lieh an einen Brennpunkt 94 gelangen. Die Fokussie rung erfolgt auf Grund des Potentials an den Fokus

sierelektroden 54, 56 und 58 und wird von der Fokussierspule 14 unterstützt. Bei jeder Ausführungsform können Fokussierelektroden oder eine Fokussierspule allein verwendet werden. Wie dargestellt, sind die Einbauten 46 und 50, 52, 54, 56, 58, 60 und 62 etwa ringförmig ausgebildet und weisen etwa kreisförmige Öffnungen im Bereich der Achse 48 auf.

Der Elektronenstrahlerzeuger kann ferner Ablenkplatten, z. B. die Ablenkplatten 68, 70, 72 und 74 aufweisen, die im einzelnen in den F i g. 6 und 7 gezeigt sind.

Die Fokussierelektroden 54, 56 und 58 sowie die Fokussierspule 14 sind in der Lage, den Elektronenstrahl in den Brennpunkt im Bereich der Fokussierspule 14 oder der Ablenkplatten 68, 70, 72 und 74 zu bringen.

Anstatt der Ablenkplatten kann eine Reihe von Ablenkspulen 16, die insbesondere in F i g. 4 mit 76, 78, 80 und 82 bezeichnet sind, verwendet werden, damit der Elektronenstrahl abgelenkt und der Bereich der örtlichen Laserwirkung des Gases verschoben wird.

Spannung- wird an die Elektroden des Entladungsrohres 10 mit Hilfe einer Befestigung bzw. einer abgedichteten Einführung 34 in Fig. 2 angelegt. Zusätzliche Durchführungsleitungen, die mit den Elektroden des Kathodenstrahlerzeugers 12 verbunden sind, sind nicht gezeigt.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 geht der vergrößerte Teil des den Kathodenstrahlerzeuger 12 umgebenden Gehäuses in ein engeres Endstück im Bereich des Fensters 42 über. Entsprechend den Ausführungsformen nach den Fig. 5 und 6 ist dieses Endteil des Entladungsrohres 10 dem vergrößerten Durchmesser angeglichen, damit die Konstruktion des Rohres und das Einsetzen des Elektronenstrahlerzeugers 12 vereinfacht wird.

Zum Sammeln der Elektronen wird ein stromleitender Überzug 28 auf der inneren Wandungsfläche des Rohres 10 aufgebracht. Der Überzug 28 ist mit einer Sammelektrode 26 verbunden, die an ein verhältnismäßig hohes positives Potential gegenüber der Kathode 50 über eine Spannungsquelle 30 gelegt ist. Der Überzug 28 kann ein Überzug hohen Widerstandes, z. B. aus Zinnoxydchlorid sein.

Die Fokussierspule 14 ist im einzelnen in Fig. 3 dargestellt. Es sind dort keine Leitungen zum Zuführen von Strom an die Spule dargestellt. Stromgröße und -richtung können jedoch so gesteuert werden, daß sie die Fokussierung des Elektronenstrahles auf den entsprechenden und gewünschten Punkt 94 ermöglichen.

Der Aufbau geeigneter Ablenkspulen ist in F i g. 4 gezeigt. Zwei gegenüberliegende Spulen sind in Reihe geschaltet, so daß sie vom gleichen Strom durchflossen werden. Die Ablenkung in einer Richtung wird durch den Stromfluß durch zwei entgegengesetzte Spulen 76 und 80 erzielt, während die Ablenkung rechtwinklig zur ersten Richtung von dem Stromfluß durch die Spulen 78 und 82 bewirkt wird.

Bei einer anderen Ausführungsform nach Fig. 8 werden anstatt der Fenster, die im Brewster-Winkel angeordnet sind, vergütete Fenster 84 und 86 verwendet, deren Krümmungsmittelpunkte asymmetrisch-konzentrisch etwa am Brennpunkt des Strahles liegen, d. h. an der Stelle 94 in dem Bereich, in dem der Elektronenstrahl abgelenkt wird.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist ein Laser mit einem Entladungsrohr 10, in das Gas eingeschlossen ist, das für ungedämpften Laserbetrieb verwendet wird. Beispiele für derartiges Gas sind Helium und Gemische aus Helium und Neon, z. B. ein Gemisch aus neun Teilen Helium und einem Teil Neon. Die Hilfsenergiequelle 18, 20, 22 und 24 kann dazu dienen, die Energie des Gases beispielsweise bis knapp unter den Laserschwellenwert anzuheben. Der Elektronenstrahlerzeuger 12 dient zum Einführen von Elektronen hoher Energie in das Gas, damit eine örtliche Laserwirkung in dem Bereich entsteht, der vom Brennpunkt 94 ausgeht. Transparente Fenster 40 und 42 sind an beiden Enden des Rohres 10 vorgesehen. Lichtreflektierende Spiegel 36 und 38 werden zur Begrenzung des optischen Resonators des Lasers verwendet, wobei einer dieser Spiegel nur einen Teil der einfallenden Lichtenergie reflektiert und den Rest durchläßt.

Die für Licht durchlässigen Fenster sind optische Fenster 40 und 42, die im Brewster-Winkel angeordnet sind, oder vergütete Fenster 84 und 86. Die Spiegel 36 und 38 weisen auf der Vorderseite reflektierende Oberflächen auf, von denen eine einen Teil des Lichtes übertragen und einen Teil des Lichtes reflektieren kann. Die Oberflächen können versilbert sein oder weisen eine andere lichtreflektierende Oberfläche, z. B. einen Goldbelag, auf.

Das Gas innerhalb des Rohres 10 stellt das stimulierbare Medium dar. Der Elektronenstrahlerzeuger 12 bewirkt zusammen mit der Ablenkspule 16 oder dem Satz von Ablenkspulen 68, 70, 72 und 74 in Abhängigkeit von Steuersignalen, daß dieses Gas örtlich in einen Zustand umgekehrter Besetzungsdichte angeregt wird, so daß ein ungedämpfter Laserbetrieb längs eines linearen, selektriv gewählten Pfades möglich ist.

Die Anregungsenergiequelle mit ihren Schaltbauteilen 18, 20, 22 und 24 kann zur Anregung des Gases auf einen Wert unterhalb oder oberhalb des Schwellenwertes für die Laserwirkung verwendet werden, und der Kathodenstrahlerzeuger 12 zur Anregung des Gases und zur Überschreitung des Schwellenwertes oder auf vergrößerte Ausgangswerte längs der ausgewählten Bahnen im Gas.

Anstatt eines Elektronenstrahles kann gemäß der Erfindung eine Anordnung zur Erzeugung eines Ionenstromes verwendet werden, damit das Gas in einen angeregten Zustand versetzt wird.

Wie oben beschrieben, sind die koaxialen Einbauten des Kathodenstrahlerzeugers 12 längs der Achse 48 ausgerichtet, diese Einbauten sind das Heizelement 46, eine aktive Kathode 50, die in der Nähe des Heizelementes zu seiner Aufheizung angeordnet ist, wenigstens eine Beschleunigungselektrode 60 und 62, die in axialer Richtung gegenüber der Kathode 50 versetzt ist, um einen Elektronenstrahl aus der Kathode 50 zu beschleunigen, ein Steuergitter 52 zwischen Kathode 50 und Beschleunigungselektroden 60 und 62 und wenigstens eine Fokussierelektrode 55, 56 und 58 zwischen dem Steuergitter 52 und den Beschleunigungselektroden 60 und 62, wobei die Fokussierelektroden elektrisch miteinander verbunden sind, so daß sie auf einem gemeinsamen elektrischen Potential gehalten werden. Die Einbauten des Kathodenstrahlerzeugers 12 sind symmetrisch um die gemeinsame Achse 48 angeordnet und weisen Öffnungen auf, die einen optischen Weg im Bereich der Achse 48 frei-

geben, so daß Licht, das durch die Laserwirkung erzeugt wird, zwischen den Spiegeln 36 und 38 reflektiert wird.

Im allgemeinen sind die Elektrode und die Strahlerzeugereinbauten 46, 50, 52, 54, 56, 58 und 60 und 62 ringförmig ausgebildet, und die Öffnungen der Teile sind etwa kreisförmig, so daß ein freier Pfad für den Lichtstrahl des Lasers erreicht wird.

In Betrieb wird eine Glimmentladung oder ein Lichtbogen zwischen den Elektroden 18 und 20 ge- ίο zündet. Der Kathodenstrahl oder der Elektronenstrahlerzeuger 12 wird so erregt, daß er Elektronen in das Gas einführt, um das Gas auf einen Schwellenwert längs des Strahlweges anzuregen, der an der Stelle 94 beginnt. Der Elektronenstrahl ist durch die Ablenkplatten 68, 70, 72, 74 oder die Ablenkspule 16 auslenkbar. Wenn der Elektronenstrahl abgelenkt wird, wird auch der Bereich der Laserwirkung, die mit dem Strahlweg zusammenfällt, abgelenkt, wodurch das Licht um den Drehpunkt 94 in seiner Riehtung gesteuert wird.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender mit Richtungssteuerung innerhalb eines richtungsindifferenten optischen Resonators mit gasförmigem stimulierbarem Medium, dadurch gekennzeichnet, daß ein innerhalb des stimulierbaren gasförmigen Mediums erzeugter. Elektronenstrahl die Anregung des stimulierbaren Mediums über seinen Schwellenwert bewirkt und zugleich den Weg des stimulierten Lichtes vorzeichnet.

2. Optischer Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ablenkung des Elektronenstrahles Ablenkplatten (68, 70, 72, 74) bzw. Ablenkspulen (76, 78, 80, 82) vorgesehen sind.

3. Optischer Sender nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahlerzeuger (12) im Entladungsrohr (10) eingebaut ist.

4. Optischer Sender nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahlerzeuger (12) eine Kathode (50), wenigstens eine Beschleunigungsanode (60, 62) und wenigstens eine Fokussierelektrode (54, 56, 58) aufweist.

5. Optischer Sender nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahlerzeuger (12) zusätzlich eine Steuerelektrode (52) aufweist.

6. Optischer Sender nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfsenergiequelle (18, 20, 22, 24) für eine Gasentladung in dem gasförmigen stimulierbaren Medium zur Anregung auf eine Energiestufe unterhalb oder oberhalb des Schwellenwerts der Laserwirkung vorgesehen ist.

7. Elektronenstrahlerzeuger zur Verwendung in einem optischen Sender nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerzeugerelektroden (52, 54, 56, 58, 60, 62) ringförmig ausgebildet sind und daß die zentralen Öffnungen der Elektroden koaxial ausgerichtet sind.

8. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiges Heizelement (46) zur Aufheizung der ringförmigen Kathode vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen