DE1764976A1

DE1764976A1 - Laser-Vorrichtung

Info

Publication number: DE1764976A1
Application number: DE19681764976
Authority: DE
Inventors: Beck Robert William
Original assignee: Owens Illinois Inc
Current assignee: OI Glass Inc
Priority date: 1968-01-15
Filing date: 1968-09-16
Publication date: 1972-03-02
Also published as: FR1593935A; GB1210052A; NL6815089A

Description

ZUSTELLUNGSANSCHRIFT: HAMBURG 36 · NEUER WALL U TKI.. 367428 UND 36 tllö

TElEOH. NSOgDAPATlNT HAMBURG

Ov/EiiS-ILLIHOIS, INO. München 15 · mozahtstr. 23

405 Madison Avenue TOM)O, Ohio (UBA)

. ,. _r ,, _ . , TEL. 3 38 00 86

405 liadison Avenue

TELEGIt. PiBGBI)APATENT MÜNCHEN

Hamburg, den 13. Sept. 1968

Laser-Vorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochleisbungs-Laservorrichtung, bestehend aus einem Laserhohlraum und einem darin befindlichen Glaslaserstab, der aus einer Neodymoxyd enthaltenden Lithiumoxyä-Siliziumoxyd-Glaszusammensetzung ist und eine Länge von mindestens 2o,32 bis 25»4o cm, vorzugsweise von 3o,48 bis 35,56 cm oder darüber hat, wobei die obere Grenze durch die Streuungsverluste des Lasermaterials bestimmt wird. Die obere Grenze für einen Stab von Io mm Durchmesser ist etwa 63,5o bis 76,2o cm. Die Vorrichtung umfasst auch eine Pumpeinrichtung, einschliesslich einer geraden Entladungslampe einer Elektrodenlänge, die etwa der Länge des Laserstabes entspricht. Die Hoehleistungsvorrihtung umfasst ferner einen total reflektierenden Spiegel an einem Stabende und einen partiell reflektierenden Spiegel am anderen Stabende. Mittel zur Erhaltung maximaler Pumpleistung der Pumpeinrichtung sind vorgesehen, vorzugsweise

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ist dies ein Silber-Reflektor, der den Stab und die Entladungslampe umgibt; die resultierende Vorrichtung hat eine Schräge-Leistungsfähigkeit ( slope efficiency) von mindestens 5 $ und eine Punkt-Leistungsfähigkeit (point efficiency) von mindestens 4 $ bei 3oo Joules Leistungseingang.

Gegenstand der Erfindung ist eine Hochleistungs-Laservorrichtung, bestehend aus einem Laserhohlraum und einem darin befindlichen Laserstab aus einer bestimmten Lithiumoxyd-Siliiaiumoxyd-Glaszusammensetzung, einer Pumpeinrichtung, nämlich einer geraden Entladungslampe einer Elektrodenlänge, die etwa gleich ist der Länge des Glaslaserstabes, und zur Gewährleistung maximaler Pumpleistung der Entladungslampe Mittel zur Begrenzung des Hohlraums, die einen Reflektor einschliessen, welcher den Stab und die Entladungslampe optisch wirksam verbindet.

Die Erfindung schafft ferner eine Hochleistungslaservorrichtung, bestehtnd aus einem Laserhohlraum und einem darin befindlichen Glaslaserstab nachstehender Zusammensetzung, wobei die ungefähren Mengen der einzelnen Bestandteile

— "5 _

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in Liol-73 angegeben sind.

Bestandteil

45 - 75

Li₂O 15-35

CaO ' 1/2-30 Wd₂O₅ 2/10 - 7/10

0, 0-8

Die erfindungsgemässe Laservorrichtung sciiliesst auch eine sum Pumpen bzw. Anregen des ΰ-laslaserstäbes dienende lineare Entladungslampe ein, wobei die Entladungslampe eine Impulslänge von kleinster praktischer Dauer hat, um spontane Verluste auf ein Mindestmass zu beschränken, ferner «littel zur engen Begrenzung des Hohlraumes um die Entladungslampe und den Stab, einschließlich einen Reflektor, der zur maximalen optischen Koppelung von Lampe und Stab dicht darum gewickelt ist.

Die Erfindung schafft ferner eine noch wirksame 3jaservorrichtung, bestehend aus einem Laserhohlraum und einem Glas-

— 4 — 209810/1U5

BAD ORIGINAL

laserstab, wobei der Glaslaserstab die nachstehende Zusammensetzung hat:

Bestandteil Mo1-$

6o

₂₃ 2.5

M₂O 27,5

CaO Io

₃ 0.5

CeO₂ 0.I6

Die Laservorrichtung umfasst auch eine lineare Entladungslampe, die optisch wirksam mit dem Glaslaserstab gekoppelt ist und eine Impulslänge von minimaler Dauer hat; die Laservorrichtung umfasst ferner einen total reflektierenden Spiegel an einem Ende und einen partiell reflektierenden Spiegel am anderen Stabende, wobei die Spiegelreflektion so gewählt ist, dass bei einer gegebenen Eingangsenergie maximale Ausgangsenergie gewährleistet ist und der Stab mit der Entladungslampe gekoppelt ist.

Aus der nachstehenden Beschreibung, die in Verbindung

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_ 5 —

mit den Figuren vorgenommen wird, wird die Erfindung noch genauer beschrieben.

Fig. 1 ist ein perspektivisches Bild der Laservorrichtung der vorliegenden Erfindung, wobei Teile weggebrochen sind, und dadurch Abschnitte freigelegt sind,

Fig. 2 ist ein vergrössertes Querschnittsbild der

in Fig. 1 gezeigten Torrichtung; sie zeigt den Laserstab im Querschnitt, die Entladungs-Lampenrb'hre und die umgewickelte Metallfolie ,

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die hohe Schräge-Leistungsfähigkeit, die mit der Laservorrichtung der. vorliegenden Erfindung erhalten wird, zeigt.

Durch die Erfindung ist eine hochleistungsfähige Glaslaservorrichtung geschaffen, die eine Schräge-Leistungsfähigkeit von mindestens 5 i> und eine Pump-Leistungsfähigkeit von mindestens 4 i> bei 3oo Joules Eingangsenergie hat, wenn

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die Eingangsenergie in Joules aufgetragen wird. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Laserhohlraum 5 und einen Glaslaserstab Io, der sich in dem Hohlraum befindet. Die Entladungslampe 15 ist neben dem Stab Io angeordnet und hat eine Elektrode 16, welche in etwa die gleiche Länge hat wie der Glasstab. Wie in den Zeichnungen gezeigt, verläuft die Längsachse der Entladungslampe 15 praktisch parallel zur Längsachse des Stabes Io und etwas von ihm entfernt. Die Entladungslampe 15 ist optisch wirksam mit dem Stab gekoppelt und hat, wenn möglich, eine Impulslänge im Bäreich der Nachleuchtzeit des Laserstabmaterials, um die spontanen Verluste auf ein Mindestmass herabzusetzen.

Die Vorrichtung 1 umfasst auch Mittel zur totalen Reflektion eines Wellenausbreitungsweges in dem Laserstab an einem Ende desselben, solche Mittel sind durch einen total reflektierenden Spiegel 18 dargestellt. Mittel zur partiellen Reflektierung der Wellenausbreitung am anderen Ende oder Austrittsende des Stabes sind in der Zeichnung durch den partiell reflektierenden Spiegel 2o veranschaulicht. Die Mittel zur Erreichung maximaler Pumpleistung und zur Begrenzung des Hohlraumes um den Stab Io und die Entladungs-

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lampe 15 ist eine reflektierende Metallfolie 23, vorzugsweise eine Silberfolie, welche dicht um den Stab Io und die Lampe 15 gewickelt ist. Die Vorrichtung kann üblicherweise auf einer geeigneten Unterlage oder in einem Gehäuse montiert sein, so dass die ganze Einheit leicht gehandhabt werden kann.

Im allgemeinen enthalten Laserzusammensetzungen für Stäbe, die zur Erzielung hoher Leistung in der Laservorrichtung geeignet sind, die nachstehenden Bestandteile annähernd in den angegebenen Mol-^-Bereichen.

Mol-fl

SiO₂ 45 - 75

Al₂O₃ 0-8

Li₂O 15 - 35

OaO 0 - 3o

O₃ 2/I0 - 7/I0

wobei die Gesamtmenge von Li₂O und OaO nicht wesentlich grosser als etwa 5o Mol-# ist; wenn Li₂O mit etwa 5o anwesend ist, ist die Menge OaO mindestens etwa Io und wenn der OaO-Gehalt niedrig, etwa 1/2 Mol-# oder sogar

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O ist, ist die Menge Li„O mindestens 24 Mol-#. Die bevorzugten und "besten Glaslaserzusammensetzungen für den Stab sind nachstehend aufgeführt, wobei die Mengen, annähernd, in Mol-$ angegeben sind.

bevorzugt optimal

SiO₂ 48 - 65 49 - 62

Al₂O₃ 0-8 2-5

M₂O 2o - 3o 25 - 3o

CaO 5-25 8 - 22

Nd_o0„ 0.3 - 0.5 0.3 -

CeO₂ o.l - 0.3 o.l -

wahlweise kann bis zu 8 Mol-$ Al₂O, eingesetzt werden; wenn es eingesetzt wird, dann vorzugsweise in Mengen von mindestens 2 Mol-$ , so dass es zu der ungewöhnlichen Eigenschaftskombination des Glaslaserstabes, einschliesslich chemischer Haltbarkeit, hoher Leistungsfähigkeit und geringer Solarisation beiträgt.

Wie bereits weiter oben gesagt, wird im allgemeinen Neodymoxyd in Mengen von etwa o,2 Mol-# bis etwa o,7 Mol-?i

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oder darüber eingesetzt, wobei der bevorzugte Bereich etwa o,3 - o,5 Mol-# ist.

Im allgemeinen wird das Solarisations-inhibierende Oxyd, das vorzugsweise OeO₂ ist, in Mengen von etwa l/lo bis 1/2 Mol-$ oder darüber eingesetzt. Die Anwesenheit von mindestens etwa l/lo Mol-# OeOp trägt dazu bei, die Solarisation wesentlich zu inhibieren, durch welche der Stab dunkel würde, was in einem erheblichen Leistungsabfall resultiert. Vorzugsweise wird die Dosierung von CeOp relativ niedrig gehalten, so dass andere erwünschte Eigenschaften des Glaslasers nicht beeinflusst werden. In bestimmten Fällen kann ein Teil oder das ganze CeOp durch andere inhibierende Oxyde, wie Antimonoxyd und Titanoxyd, ersetzt werden, vorzugsweise sind aber mindestens 5o Mol-# des inhibierenden Oxydes CeOp. Es ist darauf hinzuweisen, dass das Ceroxyd in den Gläsern mit CeOp bezeichnet ist, das Oxyd aber tatsächlich für gewöhnlich sowohl als CeO₂ als auch als ^G©2°3 ^vorl:i-^eg'^fc» wobei das Ce₂O^ wahrscheinlich die Hauptmenge ausmacht.

Ein besonders bevorzugter Stab hat die nachstehende Zusammensetzung, wobei die Mengen sowohl in Mol-# als auch in

- Io -

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	- Io -	Gew.-^
Gew.-^ angegeben	sind:	66,29
	MoI-Ji	4.69
SiO₂	60	15.11
AI2O5	2.5	10.31
Li₂O	27.5	3.09
CaO	Io	0.51
Hd₂O₃	0.5
OeO₂	0.I6

Stäbe der obigen Zusammensetzung einer Länge von etwa 35,46 cm und eines Durchmessers von etwa Io mm geben hervorragende Ergebnisse, wenn sie in der erfindungsgemässen Vorrichtung eingesetzt werden. Während im allgemeinen der Durchmesser des Stabes variiert werden kann, kann Schräge-Leistungsfähigkeit von mindestens 5 i° und Punkt-Leifitungsfähigkeit von mindestens 4 # mit Stäben einer Kürze von 2o,32 bis 25,4 cm erreicht werden, wenn der Durchmesser der Entladungslampe auf etwa 17 mm steigt und der Durchmesser des Stabes von einem Minimum von etwa 7 mm bei längeren Stäben auf etwa 17 mm steigt. Obwohl die vorgenannten Leistungsfähigkeiten erhalten werden, wenn die Stablänge etwa 2o,32 bis 25,4 cm beträgt, sollte der Stab

- 11 209810/1445

- li -

Torzugsweise etwa 3o,48 - 35,56 cm lang sein oder länger, soweit die Länge noch als praktisch angesehen werden kann.

Die Entladungslampe sollte eine Elektrodenlänge haben, die etwa der Länge des Glaslaserstates entspricht, um wirksamste A optische Kupplung von Lampe und Stab zu gewährleisten. Ein Beispiel für eine Entladungslampe, mit welcher hervorragende

Ergebnisse erhalten werden, ist die lineare Entladungslampe E. G. & G. FX-81-14 einer Elektrodenlänge von 35,46 cm und einem inneren Durchmesser von Io mm. Wie weiter vorne gesagt, sollte die Impulslänge von minimaler praktischer Dauer sein, um die Terluste klein zu halten; ein Impuls von etwa 2oo bis zu etwa 6oo bis 8oo /U see (MikroSekunde) ist für eine Eingangsenergie von etwa loo bis 8oo Joules für geeignet

I befunden worden. Die Eingangsenergie der Entladungslampe ~

sollte 4 kW pro cm nicht übersteigen, um die Schräge-Leistungskurven linear zu halten. Das Maximum der Eingangsenergie muss unter der Grenze liegen, oberhalb der die Entladungslampe und das Laserstabmaterial zerstört werden, sie ist eine Punktion der Länge und des Durchmessers der Entladungslampe, der Länge und des Durchmessers des Stabes und der Impulslänge.

- 12 209810/H45

Is ist gefunden worden, dass ein 99 »9 1° goldverstärkter Spiegel für die totale Reflection der Wellenausbreitung an einem Ende des Stabes ausgezeichnet geeignet ist. Der partiell reflektierende Spiegel oder Ausgangsspiegel kann eine Reflektion zwischen etwa 33 und 76 $ haben, abhängig von der Geometrie der Vorrichtung, die Reflektivität des Ausgangsspiegels ist bestimmt durch die Reflektivität, welche bei gegebener Stablänge, gegebenem Stabdurchmesser,

und
gegebener Entladungslampe/einer gegebenen Eingangsenergie

die maximale Ausgangsenergie ergibt.

Es ist gefunden worden, dass bei Verwendung der hierin beschriebenen Laservorrichtung ein Glaslaserstab eines Durchmessers von etwa Io mm (vorzugsweise einer Zusammensetzung von etwa 6o Mbl-jf SiO₂, 2,5 Mol-?* Al₃O₅, 27,5 Mol-# Li₂O, Io Mol-# CaO, o,5 Mol-# Nd₂O₅ und o,l6 Mol-# CeO₂) eine Länge von mindestens 26,7 cm haben sollte, um eine Schräge-Leistungsfähigkeit von mindestens etwa 5 1° zu erhalten. Wenn der Stab 36,83 cm lang ist, erreicht die Schräge-Leistungsfähigkeit rund 6 $ und die Punktleistungsfähigkeit wird 4,6 io bei einer Eingangs energie von 3oo Joule.

Eine Schmelze aus einem Gemisch der nachstehend aufge-

— 13 —

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führten Rohmaterialien τοη Reagenzqualität (reagent grade) wurde hergestellt, die von optisch hoher Qualität waren.

Mol-56
SiO₂

Li₂O
CaO

6ο	VJl
2.	.5
27
Io	VJl
0.	16
0.

OeO₂

Ein Stab der vorstehend aufgeführten Zusammensetzung einer Länge von 36,83 cm, eines Durchmessers von 9,9 mm und einer rauhen Oberflächenbeschaffenheit wurde in der hierin beschriebenen lesevorrichtung unter Benutzung eines 99»9 % goldverstärkten Spiegels als total reflektierender Spiegel, eines Ausgangsspiegels und einer Impulslänge, wie oben angegeben, einer linearen Entladungslampe, z.B. einer E.G. & G. PX-81-14 Lampe mit einer Elektrodenlänge, die in etwa der Länge des Glasstabes entspricht, und einer Silberfolie, die dicht um den Stab und die Entladungslampe gewickelt ist, getestet. Dabei wurden die nachstehenden Ergebnisse erhalten, wobei kV Kilovolt und /uf Mikrofarad bedeuten:

- 14 -

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- 14 Ausgangsspiegel 76.0 $ Dielectricum Impulslänge 3oo /U see

Eingangsenergie Ausgangsenergie

kV	/Uf	/Uf	/Uf 25o	/Uf	Hl	4.12	5.67 -	6.98	0.92
1.5	125	/ 15o	25o	I 25o	18o	5.52	8.42	11.3	1.53
1.7	125	15o	25o	25o	226	7.35	11.8	16.3	2.26
1.9	125	15o	Ausgangsspiegel 94.6 f	25o	276	9.26	15.5	Impulslänge lloo/U see
2.1	125	15o	kV		Io Dielectricum	Impulslänge 6oo/U see	Impulslänge 9oo /U see	Eingangsenergie Ausgangsenergie
Ausgangsspiegel 57.7 5	Ausgangsspiegel 33.7 ?	l.o.		Eingangsenergie Ausgangsenergie	Eingangsenergie Ausgangsenergie	125
kV	kV	1.2	169	281	18o
1.5	1.5	1.4	216	361	245
1.7	1.7	271	452
1.9	1.9	33o	» Dielectricum
2.1	i Dielectricum

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Wenn die Ergebnisse als Ausgangsenergie in Joules gegen Eingangsenergie in Joules aufgetragen werden (wie in Figur 3) ergibt sich, dass eine Scnräge-Leistungsfähigkeit von mindestens 5 i° und eine Punkt-Leistungsfähigkeit von mindestens 4 i° bei einer Eingangsenergie von 3oo Joule erhalten wird, wenn die Reflektivität des Ausgangsspiegels 57»7 # und die Impulslänge 6oo /U see beträgt.

In den oben angegebenen Versuchen wurde die Impulsbildung mit einer 6-gliedrigen Induktor-Kondensator-Kette erreicht, wobei die Gesamtinduktion und Kapazität der Kette bestimmt wurde durch die Gegeninduktion, die Impulslänge und den Bedingungen der Energiespeicherung.

Die oben beschriebenen Tersuchsergebnisse zeigen, dass ausser der Forderung, dass der Stab mindestens 2o,32 bis 25,14 cm, vorzugsweise 3o,48 bis 35,56 cm, oder langer sein sollte, die Spiegelreflektiyität bei gegebener Stabzusammensetzung, Stablänge und Stabdurchmesser und gegebener Ausgangsenergie in Joules, so gewählt werden sollte, das maximale Ausgangsenergie gewährleistet ist. Ebenso sollte für Schräge-Leistungsfähigkeit von mindestens 5 # die Entladungslampe wirksam optisch mit dem Laserstab gekoppelt sein, wie hierin beschrieben, wo die Elektrodenlänge weitgehend der

- 16 209810/U45

Länge des Glaslaserstabes entspricht und der Impuls so ist, dass spontane Y_erluste auf ein Mindestmass reduziert sind.

Es versteht sich von selbst, dass verschiedene Modifikationen der hierin beschriebenen Erfindung vorgenommen werden können, die mit in den Rahmen der Erfindung fallen.

2Ü9810/ U45

Claims

PATENTANWÄLTE 1 *7 C / Q *7 R

DK.ing. II. NEGENDANK · dipl.-ing. II. IIAUCK · dipl.-fhys. W. SCHMITZ

HAMBURG-MÜNCHEN

ZUSTELLUNGSANSCHKIFT: HAAiBURG 36 · NEUER WALL 41

TEL. 3β 74 28 VND 364119

OWiiiiTS-ILLIIfOIS, InG. ^ΤϊΙΒβ8· »μμαμιητ hambuhg

Madison Avenue München 15 · mozartstr. 2a

TEL·. 5 38 ΟΠ 8β

TOLEDO , OhXO (USA) ,„,es. »ΒΟΕΜΡΛΙΚΝΤ „ÜNCHBN

Hamburg, 13. Sept. 1968 Patentansprüche

. Laser-Vorrichtung einer Schräge-Leistungsfähigkeit ^ (slope efficiency) von mindestens 5 /£ und einer Punkt-Leistungsfähigkeit (point efficiency) von mindestens 4 ^c/° bei 300 Joules Dingangsenergie, gekennzeichnet durch einen Laserhohlraum (5) und einen darin befindlichen Grlaslaserstab (10) einer Länge von mindestens 20,32 cm, eines Durchmesser von etwa 7 bis 17 mm, einer Zusammensetzung, wie nachstehend aufgeführt

Bestandteile Mol-'/o Jj

SiO₂ 45 - 75

Li₂O 15-35

CaO 0-30

Nd₂O₅ 0.2 - 0,7 Al₂O₅ 0-8

wobei die Gesamtmenge Li₂O und OaO nicht wesentlich über 50 Mol-76 liegt, ferner, wenn Li₂O in einer Menge von etwa 15 MoI-^ anwesend ist, die Menge CaO mindestens etwa

209810/U45 ~ ² -

Mol-# beträgt und wenn der CaO-Gehalt etwa O ist, die Menge Li₂ ⁰ mindestens 24 Mol-# beträgt, und der Laserhohlraum 5 einschliesst

1. Pumpmittel, wie eine Entladungslampe (15) zur Erregung des Laserstabes (lo), bei welcher die Impulslänge

ψ zwecks Reduzierung der spontanen Verluste am praktischen

^inimum liegt und die Eingangsenergie in Joules zur Erzielung einer relativ hohen Punkt-Leistungsfähigkeit ausreicht,

2. total reflektierende Mittel, wie ein total reflektierender Spiegel (18) an einem Ende des Stabes zur Reflektierung einer Wellenausbreitungsbahn im Stab(lo)

5. partiell reflektierende Mittel, wie einen die Wellenausbreitungsbahn partiell reflektierenden Spiegel(2o)am |. anderen Ende des Stabes zur Erzeugung einer maximalen

Ausgangsenergie und

4. Mittel zur Erhaltung maximaler Pumpleistung, wie ein Reflektor in Form einer Metallfolie (23), die um die Entladungslampe 15 und den Laserstab (Io) gewickelt ist, so dass beide wirksam optisch miteinander gekoppelt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch einen Glaslaserstab nachstehender Zusammensetzung

- 3 209810/U45

-zr-

SiO₂ 49 -

Al O^ 2-5

Li₂O 25 -

CaO 8-22

Nd₃O₃ 0.3 -

CeO₂ o.l -

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch einen Glaslaserstab nachstehender Zusammensetzung

60 5 2. .5 27 Io .5 0 .16 0

SiO₂ Al₂O₃ Li₂O CaO

Nd₂O₃ CeO_n

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstab (lo) etwa 35,56 cm lang ist, die Pumpmittel, wie die Entladungslampe (15)» einen Impuls im Bereich von etwa 2oo - 800 /U see haben und die Reflektivität etwa 45 - 65 # beträgt.

- 4 20981Ü/U45

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur partiellen Reflektion der Wellenausbreitung ein Spiegel (18) mit einer Reflektivität von etwa 33 - 76 # ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für partielle Reflektion ein Ausgangsspiegel eines Dielectricums von 57 _f 7 1° ist und die Impulslänge 6oo /U see beträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Glasstab Io einen Durchmesser von 9»9 mm und eine Länge von 36,83 cm hat, die Impulslänge 3oo - 6oo /U see ist und die Mittel zur Begrenzung des Laserhohlraumes (5) eine reflektierende Silberfolie (23) einer Dicke von etwa 5 mil ist.

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