DE1764189A1

DE1764189A1 - Gaslaser mit stabilisiertem Gasdruck

Info

Publication number: DE1764189A1
Application number: DE19681764189
Authority: DE
Inventors: Lucien Dana; Alexandre Milochevitch
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1967-04-19
Filing date: 1968-04-19
Publication date: 1971-06-03
Also published as: CH472791A; GB1179057A; BE713226A; NL6804974A; LU55851A1; FR1527988A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gaslaser mit stabilisiertem Druck des in der Laserröhre enthaltenen Gases, wodurch dessen Betriebsweise, insbesondere im Fall eines Leistungslasers, verbessert werden kann.

Bekanntlich wird in einem Gaslaser der Laser-Effekt nur bei einem für jeden Laser-Typ in einem bestimmten Bereich liegenden Gasdruck erzielt. Die Länge der diskreten Welle des abgestrahlten Strahlenbündels schwankt also zwischen zwei Grenzwerten. So beträgt im Falle eines Argon-Lasers, dessen Druckwerte zwischen den zwei Grenzwerten von 0,2 und 0,7 Torr liegen, der Wellenlängenänderungsbereich des abgestrahlten Bündels 4545 8 bis 5215 8.

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Man kann in einem Gaslaser die Wellenlänge des abgestrahlten Spektrums oder die dominante Wellenlänge dadurch günstig beeinflussen, daß der Gasdruck beim Füllen der Bohre vor Inbetriebnahme eingestellt wird.

Weiterhin ist es bekannt, im Falle eines Gaslasers mit hoher Leistung Graphit- und Keramikringe im Innern der Laserröhre nebeneinander zu ordnen, um eine Wärmeisolierung zwischen den z.B. aus Glas mit hohem Schmelzpunkt oder aus Quarz bestehenden Wänden der Röhre und dem Gasmedium zu erhalten, mit dem die Röhre gefüllt wird, wenn die Innentemperatur mehrere Hundert Grad erreicht. Dabei ist ein Keramikring zwischen zwei Graphitringe eingesetzt, bei denen das Verhältnis k— kleiner als 5 ist, wobei L die Länge des Rings und D der Innendurchmesser, in der Größenordnung von einigen Millimetern ist, so daß eine elektrische Entladung auf dem Niveau der Koronaentladung vermieden ist.

Durch die Verwendung eines Werkstoffs wie Graphit im Innern der Laserröhre ergeben sich jedoch mehrere Nachteile. So absorbiert z.B. bei Kälte das Graphit das Gas, mit dem die Röhre gefüllt ist, während es bei hoher Temperatur entgast. Dadurch steigt der Gasdruck im Röhreninnern während des Laserbetriebs an und der Lasereffekt

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wird bei Erreichen des Maximaldrueks, der im Fall eines Argon-Lasers beispielsweise 0,7 Torr beträgt, beendet.

Eine bekannte Vorkehrung zum Einstellen des Druckes im Innern einer LtserrÖhre, z.B. einer Argon-Laserröhre, besteht darin, eine Argon-Flasche.mit einem Ende der Laserröhre derart zu verbinden, daß das Absinken des Gasdrucks im Innern der Laserröhre vermieden wird. Diese Vorkehrung ist jedoch unwirksam, wenn die Röhre, nachdem sie einige Male in Betrieb genommen wurde, Gas desorbiert anstatt sie es absorbiert.

Weiterhin ist bekannt, daß in einem Ionengaslaser mit niedriger Impedanz und einem Betriebsbereich von beispielsweise 300 V bei ca. 30 A, der durch eine elektrische Entladung über ein sehr dichtes Plasma zwischen den Elektroden erregt wird, entsprechend dem Druck- und · dem Strombereich das Gas von der Anode zur Kathode, oder umgekehrt, mitgenommen wird. Die Brücke zwischen den Enden der Röhre können dabei in einem Verhältnis von 1 bis 10 schwanken. Dieser Nachteil wird dadurch ausgeschaltet, daß die beiden Enden der Laserröhre durch eine Kapillarrohre miteinander verbunden werden, die länger ist als die ■Röhre, um die im Innern der Röhre herrschenden Drücke auszugleichen.

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Ziel der Erfindung ist es, dieser auf der Entgasung des Graphits oder eines anderen, in der Röhre eines Gaslasers enthaltenen Werkstoffs bei Laserbetrieb beruhenden Nachteile zu beseitigen, und eine einfache und billige Lösung im Vergleich zu den bisherigen Vorkehrungen, beispielsweise den kalibrierten Leckströmen, zu schaffen, die bei der Alterung der Laserröhre unwirksam werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Gaslaser mit stabilisiertem Druck, der sich durch Mittel zum Regulierendes Gasdrucks mit einem Werkstoff mit steuerbarer Gasabsorbierung auszeichnet, die in einem die beiden Enden der Laserröhre verbindenden Umlauf angeordnet sind.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung umfassen die Mittel zum Regulieren des Gasdrucks eine Gasreservekammer und Mittel zum Regeln des Gasdrucks im Innern der Kammer.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Gasreservekammer mit einem Werkstoff gefüllt, der das Gas bei niedriger Temperatur absorbiert und es bei hoher Temperatur abgibt, wodurch der im Innern der Laserröhre herrschende Druck vergleichmäßigt oder auf einem gewünschten Wert gehalten werden kann.

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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung hat die pneumatische Impedanz der Gasreservekammer einen sehr kleinen Wert, um den Druckausgleich zwischen den beiden Röhrenenden zu erhalten.

V/eitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise anhand einer schematischen Ansicht dargestellt.

Der Laser umfaßt eine Laserröhre 3, die mit Gas, beispielsweise mit Argon, gefüllt und zwischen zwei Riegeln 1, 2 angeordnet ist. Der Spiegel 1 ist reflektierend und der Spiegel 2 halbreflektierend. Die Röhre 3 hat eine Doppelwand 6, die die Zirkulation einer Kühlflüssigkeit zwischen zwei an den Enden sitzenden Rohrstutzen 7 und 8 ermöglicht. Graphitringe 4, die durch Keramikringe 5 voneinander getrennt sind, sind im Innern der Röhre 3 nebeneinander angeordnet und bilden während des Laserbetriebs eine Wärmeisolation zwischen dem in der Mitte befindlichen Gasmedium und den Wänden der Röhre. Die Graphitringe 4 sparen in der Röhrenmitte einen kleinen Raum der Größenordnung von einigen Millimetern aus. Zwei ftingelektroden, nämlich eine Anode 9 und eine Kathode 10,

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Ende die jeweils an einem/der Röhre angeordnet sind, sind mit einer Gleichstromquelle 11 verbunden. Eine Kammer 12, deren Volumen sehr viel größer ist als das der Laserröhre 3, und die sehr reines Graphitgranulat 13 enthält, kommuniziert mit den beiden Enden der Laserröhre, und zwar auf der Seite der Anode 9 über ein Quarzrohr 17 und auf der Seite der Kathode 10 über ein Quarzrohr 18. Die Kammer 12 ist beispielsweise hoch, aber schmal, so daß sie eine geringe pneumatische Impedanz darstellt, um den Druckausgleich zwischen den Elektroden ohne Lastverlust beizubehalten. Zwei Wände 14 und 15 mit sehr feinen Öffnungen 16, sind im Innern der Kammer unter geringem Abstand von den Kammerwänden angeordnet, so daß sie einen freien Raum längs dieser Kammerwände für eine bessere Zirkulation des Gases in der Kammer 12 belassen. Die öffnungen 16 haben einen Durchmesser, der kleiner als der der Graphitkörner ist, so daß nur ein Gasaustausch zwischen der Kammer 12 und der Laserröhre 3 möglich ist, und verhindern auch eine elektrische Entladung zwischen der Kathode 10 und der Anode 9 über die Kammer 12.

Die Kammer 12 enthält auch (nicht dargestellte) Heiz- und Kühlmittel; diese sind im Graphitgranulat 13 eingelagert und ermöglichen die Temperatureinstellung der Graphitmasse auf einen

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gewünschten Wert. Die Heizmittel bestehen beispielsweise aus einem elektrischen Widerstand, der mit einer veränderbaren Stromquelle verbunden ist, deren Klemmen 210 und 211 an ein Stromnetz angeschlossen sind. Die Kühlmittel bestehen beispielsweise aus einem Fluidkreislauf, insbesondere mit Luft, Wasser oder Freon, der mit einer Pumpe 20 verbunden ist. Die veränderbare Stromquelle 21und die Pumpe 20 sind jeweils mit einer Ausgangsklemme eines Steuerorgans 22 verbunden, dessen Eingangsklemme mit einer Mtßvorrichtung 19 verbunden ist, beispielsweise einer Pirani-Meßvorrichtung, die den Gasdruck am Ende der Laserröhre auf der Seite der Kathode 10 mißt.

Die Pumpe 20 und die Stromquelle 21 werden von dem Steuerorgan 22 angesteuert, das von der Meßvorrichtung 19 eine Information über den Gasdruck erhält.

Das in der Kammer 12 befindliche Graphit kann auch mittels einer Gas- oder vorzugsweise Wasserzirkulation mit veränderlicher und mittels des Steuerorgans 22 auf einen bestimmten Wert einstellbarer Temperatur erwärmt oder gekühlt werden. In einer abgewandelten Ausführungsform kann das Steuerorgan 22 auch mit Heiz- und Kühlmitteln an den Enden der Quarzrohre 17 und 18 beiderseits der Kammer 12 verbunden sein und unmittelbar auf das in der Laserröhre und der Kammer befindliche Gas einwirken, dessen Druck in der Röhre eingestellt werden soll.

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Der Laser mit Druckregulierung gemäß der Erfindung arbeitet wie folgt:

Die Laserröhre 3 und die Kammer 12 werden mit Gas gefüllt. Die Graphitringe 4 und das Graphitgranulat 13 absorbieren das Gas bei der Einfülltemperatür.

Da die Heizmittel für die Kammer nicht gespeist werden, ist vermieden, daß der Graphit bei dieser Temperatur die maximale Gasmenge absorbiert. Auf diese Weise kann der Druck des in der Laserröhre 3 befindlichen Gases durch verlängerte Absorption oder durch Desorption in dem in der Kammer 12 enthaltenen Graphit vermindert bzw. erhöht werden. Da die aus der Laserröhre 3 und der Kammer 12 bestehende Einheit beispielsweise unter einem Druck des Argons von 0,2 bis 0,4 Torr fest verschlossen und ein Arbeitsdruck von 0,5 Torr gewählt ist, beaufschlagt die Meßvorrichtung 19 das die Erwärmung des Graphits in der Kammer 12 steuernde Steuerorgan 22 mit einem Spannungssignal. _

Das Graphitgranulat 13 entgast und bewirkt eine Gasströmung ion der Kammer zur Laserröhre, so daß in de rein Innern ein Druck von 0,5 Torr herrscht.

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Durch die zwischen der Kathode 10 und der Anode 9 der Laserröhre stattfindende, elektrische Entladung werden von den schweren Ionen einige Gasmoleküle zur Kathode mitgenommen; also ergibt sich auf der Seite der Anode 9 eine Druckverminderung und folglich ein Überdruck am Eöhrenende auf der Seite der Kathode 10. Durch die Kammer hindurch fließt Gas von der Kathode zur Anode und dadurch werden die Drücke an den Röhrenenden ausgeglichen.

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Da während des Laserbetriebs die elektrische/1adung zwischen den Elektroden permanent stattfindet, werden die Graphitringe erhitzt, weil die Temperatur auf der Innenfläche 1000° erreichen kann. Dadurch wird durch Entgasung eine Druckerhöhung in der Eöhre und der Kammer von ca. 0,5 auf 0,6 Torr bewirkt. Die Meßvorrichtung stellt einen stark erhöhten Druck fest und setzt über das Steuerorgan 22 die Kühlung der Kammer 12 in Betrieb. Dieser Temperaturabfall des Graphitgranulats 13 ermögliht eine Absorption von Argon und bewirkt folglich eine Verminderung des Drucks von 0,6 auf 0,5 Torr in der Laserröhre.

Die beschriebene Reguliervorrichtung ist also ein Differential-Regelorgan, das den Druck a_nf einen gewählten Wert einstellt, ohne daß ein Bedienungsmann eingreifen muß.

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Im Pall eines Argon-Lasers bietet die Erfindung zahlreiche Vorteile. Der im Innern der Laserröhre herrschende Gasdruck ist derart einstellbar, daß er einen Grenzwert, bei dem der Laserbetrieb unterbrochen wird, z;B. bei Argon o,7 Torr, nicht überschreitet. Es kann außerdem mit Hilfe der eine Gasreserve bildenden Kammer 12 der Gasdruck über die Zeit auf einem genauen Wert gehalten werden, so daß die insbesondere von den Leckströmen herrührenden Druckabfälle vermieden sind. Die Lebensdauer des Laser« ist folglich durch den Entgasungseffekt des in der Kammer 12 enthaltenen Graphits verlängert. Da die Reguliervorrichtung auf einen gegebenen Druck des in der Laserröhre befindlichen Gaseieingestellt ist, ist die Graphitkammer-Temperatur dauernd so steuerbar, daß dieser gegebene Druckwert, ungeachtet des die Röhre durchfließenden Stromes, aufrechterhalten wird.

Mit dem Steuerorgan 22 kann auch bei Laserbetrieb der Gasdruck im gesamten Betriebsbereich der Laserröhre verändert werden, also im vorliegenden Fall von 0,2 bis 0,7 Torr. Folglich ist die Wellenlänge des abgestrahlten Energiebündels unabhängig von der Temperatur im Innern der Röhre auf den gewünschten Wert einstellbar und es ist eine Maximalleistung für eine gewünschte Wellenlänge erzielbar, die zur dominanten Wellenlänge des vom Laser ausgesandten Spektrums wird.

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Claims

Patentansprüche :

1. Gaslaser mit stabilisiertem Gasdruck, gekennzeichnet durch eine Reguliervorrichtung (12) für den Gasdruck, die in einem die beiden Enden der Laserröhre (3) verbindenden Kreislauf (17, 12, 18) angeordnet ist .

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reguliervorrichtung für den Gasdruck einen Werkstoff (13) mit steuerbarer Gasabsorption enthält.

3. Gaslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ■ der Werkstoff (13) mit steuerbarer Gasabsorption sich in einer in den Kreislauf eingeschalteten Kammer (12) befindet.

4. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reguliervorrichtung für den Gasdruck eine Kammer (12) mit geringer Impedanz umfaßt, die einen das Gas bei niedriger Temperatur absorbierenden und es bei hoher Temperatur abspaltenden Werkstoff (13) enthält, iowie Temperatursteuerung im Innern der Kammer.

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5. Gaslaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (12) mit Graphit (13) in Form von Granulat gefüllt ist.

6. Gaslaser nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursteuerung in der Kammer (12) aus Heiz- und Kühlkreisen

^ besteht , die in das Graphit (13) eingelagert und außerhalb der Kammer (12) mit steuerbaren Heiz- und Kühlquellen (20, 21) verbunden sind.

7. Gaslaser nach Anspruch 5_f dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursteuerung der Kammer aus steuerbaren Heiz- und Kühlkreisen besteht .., die beiderseits der Kammer (12) in dem die Kammer mit den Enden der Laserröhre (3) verbindenden Kreislauf angeordnet

* sind.

8. Gaslaser nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (12) zwei innere, mit öfhungen (16) für den Gasdurchtritt durch den Werkstoff (13) mit der steuerbaren Absorption versehene Wände (14, 16) hat, zwischen denen sich der Werkstoff (13) befindet.

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9. Gaslaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Wände (14, 15) beiderseits des Werkstoffs (13) je eine Gasexpansionskammer definieren.

10. Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (12) ein größeres Volumen hat als die Laserröhre (3).

11. Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (12) eine pneumatische Impedanz von geringem Wert darstellt.

12. Gaslaser nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (19) zum Messen des im Innern der Laserröhre (3) herrschenden Gasdrucks und ein Steuerorgan (22) zum Einstellen des im Innern der Kammer (12) herrschenden Gasdrucks, das mit der Keßvorrichtung (19) und der ßeguliervorrichtung für den Gasdruck in der Kammer verbunden ist.

13. Gaslaser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan (22) von der Meßvorrichtung (19) abhängig ist und daß mit dessen Hilfe der Gasdruck im Innern der Laserröhre (3) auf einem konstanten Wert gehalten werden kann oder

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der Druck im Betriebsbereich der Laserröhre (3) veränderbar ist.

14. Gaslaser nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Laserröhre (3) Wärmeisolierungen (4, 5) zwischen dem Gasmedium im axialen Teil der Laserröhre (3) und den Wänden der Laserröhre aufweist.

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