DE1911516C

DE1911516C - Optical transmitter or amplifier (laser)

Info

Publication number: DE1911516C
Authority: DE
Inventors: Robert Sarnow Redondo Beach; Wood Charles Edward Woodland Hills; Calif. Witte (V.StA.)
Original assignee: TRW Inc., Redondo Beach, Calif. (V.StA.)
Publication date: 1972-11-16

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender oder Verstärker (Laser) mit einem gasförmigen stimulierbaren Medium, das mittels Gleichstrom aus einer nicht beheizten großflächigen Kathode angeregt wird.The invention relates to an optical transmitter or amplifier (laser) with a gaseous stimulable medium, which by means of direct current from a unheated large-area cathode is excited.

Es sind bereits Laser der erwähnten Art nach der deutschen Auslegeschrift 1202 901 bekannt, bei denen die Kathode aus Molybdän besteht. Auch ist es bekannt, bei ähnlichen Lasern nicht beheizte Kathoden aus Wolfram, rostfreiem Stahl, Aluminium oder Tantal zu verwenden.There are already lasers of the type mentioned according to the German Auslegeschrift 1202 901 known at where the cathode is made of molybdenum. It is also known that similar lasers are not heated Use cathodes made of tungsten, stainless steel, aluminum or tantalum.

Der Nachteil derartiger nicht beheizter Kathoden liegt darin, daß ohne Anwendung extrem hoher Feldstärken und einer entsprechend aufwendigen Energieversorgung keine annehmbar hohen Elektronendichten zu erreichen sind. Außerdem besitzen derartige Kathoden eine kurze Betriebslebensdauer, was zu einem erheblichen Teil auf einer Kathodenzerstäubung als Folge eines Ionenbombardements beruht.The disadvantage of such unheated cathodes is that without the use of extremely high field strengths and a correspondingly expensive energy supply, acceptably high electron densities cannot be achieved. In addition, such cathodes have a short service life, what to a large extent due to sputtering as a result of ion bombardment is based.

Es sind auch Laser mit Flüssigkathoden aus Quecksilber bekannt. Derartige Kathoden sind nicht anwendbar, wenn der Laser als tragbares Gerät ausgeführt und in verschiedenen Stellungen betrieben werden soll. Außerdem erfolgt wegen des hohen Dampfdruckes des Quecksilbers eine schnelle Vergiftung des gasförmigen stimulierbaren Mediums, so daß die Betriebszeit hierdurch ebenfalls sehr stark begrenzt wird.Lasers with liquid cathodes made from mercury are also known. Such cathodes cannot be used if the laser is to be designed as a portable device and to be operated in various positions. In addition, due to the high vapor pressure of the mercury, poisoning occurs quickly of the gaseous stimulable medium, so that the operating time is also very limited as a result will.

Es sind auch Laser mit direkt oder indirekt beheizten Kathoden bekannt, welche einen sehr schlechten Wirkungsgrad aufweisen, wenn die Elektronenstromdichte zu der hierfür erforderlichen Heizleistung pro Flächeneinheit in Beziehung gesetzt wird. Wegen der somit erforderlichen, eine verhältnismäßig hohe Leistung aufweisenden Heizstromversorgung eignen sich derartige Kathoden nur für stationäre Geräte, nicht jedoch für tragbare und transportable Geräte, bei denen in weitem Umfang Gewicht gespart werden muß.There are also known lasers with directly or indirectly heated cathodes, which have a very have poor efficiency if the electron current density is related to the required heating power per unit area will. Because of the heating power supply that is required and has a relatively high output, such cathodes are only suitable for stationary devices, but not for portable and transportable devices, in which to a large extent Weight must be saved.

Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Lasers, insbesondere einer in diesem verwendbaren, nicht beheizter Kathode, welche bereits bei Anwendunu normaler Feldstärken und dementsprechendThe purpose of the invention is to provide an improved over the prior art Laser, in particular a non-heated cathode that can be used in this, which is already used with normal field strengths and accordingly geringen Anforderungen an die Energieversorgung die Erzielung ausreichender Elektronenstromdichten sowie einen Betrieb des Lasers in beliebiger räumlicher Ausrichtung ermöglicht und außerdem die Betriebslebensdauer nicht durch Vergiftung des gasförmigen stimulierbaren Mediums allzusehr begrenzt. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Kathode aus einem der Metalle, Indium, Gallium, Wismuth und Zinn, mit Bevorzugung von Indium, oderlow demands on the energy supply, the achievement of sufficient electron current densities as well as an operation of the laser in any spatial orientation and also enables the Service life not too limited by poisoning of the gaseous stimulable medium. This object is achieved in that the cathode is made of one of the metals, indium, gallium, bismuth and tin, with preference for indium, or

ίο einer ihrer Legierungen besteht.ίο is one of their alloys.

Die erfindungsgemäß als Material für die Kathode angewendeten Metalle haben einen verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt und im geschmolzenen Zustand einen verhältnismäßig niedrigen Dampfdruck.The metals used according to the invention as the material for the cathode have a relative value low melting point and, in the molten state, a relatively low vapor pressure.

»5 Im Betrieb, d. h. beim Auftreten eines Ionenbombardements, werden Mikrobereiche der Kathodenfläche, insbesondere vorspringende Bereiche, an denen sich eine hohe Feldstärke aufbaut, geschmolzen, wobei die Elektronenaustrittsarbeit stark erniedrigt und»5 In operation, d. H. when an ion bombardment occurs, micro-areas of the cathode surface, in particular protruding areas at which a high field strength builds up, melted, wherein the electron work function is greatly reduced and

»o hohe Elektronenstromdichten erzielt werden, die vergleichbar mit denjenigen bei einer Quecksilberkathode sind. Da indessen der oder die Brennflecke auf der erfindungsgemäßen Kathode infolge der Wirkung von Adhäsionskräften anhaften, ist ein Betrieb»O high electron current densities can be achieved which are comparable to those of a mercury cathode. Meanwhile, the focal point or spots adhering to the cathode of the present invention due to the action of adhesive forces is an operation

des Lasers in beliebiger räumlicher Ausrichtung möglich. Der oder die Kathodenbrennflecke wandern während des Betriebes ständig umher, insbesondere als Folge der Ausbildung von Magnetfeldern, so daß eine gleichmäßige Abarbeitung der Kathodenflächeof the laser possible in any spatial orientation. The cathode spot or spots move constantly moving around during operation, especially as a result of the formation of magnetic fields, so that an even processing of the cathode surface

ohne Ausbildung von Erosionen entsteht. Hierbei bleibt jedoch die auf die Gesamtmasse der Kathode bezogene Durchschnittstemperatur sehr niedrig, so daß die Kathode als »kalt« bezeichnet werden kann. Wegen des trotz des niedrigen Schmelzpunkteswithout the formation of erosions. However, this remains the same as the total mass of the cathode related average temperature is very low, so that the cathode is referred to as "cold" can. Because of that despite the low melting point geringen Dampfdruckes erfolgt im wesentlichen — im Gegensatz zu Quecksilberkathoden — keine Vergiftung des gasförmigen stimulierbaren Mediums, so daß eine lange Betriebsdauer gewährleistet ist. Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichlow vapor pressure takes place essentially - in In contrast to mercury cathodes - no poisoning of the gaseous stimulable medium, see above that a long service life is guaranteed. The invention is shown below with reference to the drawing nung näher erläutert. Es zeigtexplained in more detail. It shows

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lasers im Axialschnitt sowie mit zugeordneten elektrischen Baueinheiten in Blockschaltbilddarstellung,1 shows an exemplary embodiment of a laser according to the invention in axial section and with associated electrical components in a block diagram representation,

F i g. 2 die in dem Laser nach F i g. 1 verwendete Kathode in ausschnittsweiser, stark vergrößerter Darstellung zur Veranschaulichung des Mechanismus der Elektronenmission unmittelbar vor der Zündung der Gasentladung, in schematischer Darstellung,F i g. 2 in the laser of FIG. 1 cathode used in a fragmentary, greatly enlarged view to illustrate the mechanism of the Electron emission immediately before the ignition of the gas discharge, in a schematic representation,

F i g, 3 eine Darstellung ähnlich F i g. 2 nach eingeleiteter Zündung sowie nach Bildung eines Brennflecks auf der Kathodenoberfläche. , Der in F i g. 1 dargestellte Laser besteht aus einem länglichen zylindrischen Entladungsrohr, welches anFIG. 3 shows a representation similar to FIG. 2 after initiation of ignition and after formation of a focal point on the cathode surface. , The one shown in FIG. 1 shown laser consists of an elongated cylindrical discharge tube which is attached to beiden Enden durch Stirnflächen-Austrittsfenster 28, 30 abgeschlossen ist, die zwecks Polarisierung austretender Laserstrahlung im Brewsterschen Winkel zu der Rohrachse ausgerichtet sind. Spiegel 32, 34 sind außerhalb des Entladungsrohres 12 vor denboth ends by end face exit window 28, 30 is closed, the purpose of polarizing emerging laser radiation at Brewster's angle are aligned with the pipe axis. Mirrors 32, 34 are outside of the discharge tube 12 in front of the Fenstern 28, 30 angeordnet, um auftreßende Strahlung wieder zurück in das Entladungsrohr 12 zu reflektieren. Der Spiegel 34 ist zum Austritt der kohärenten Strahlung teildurchlässig.Windows 28, 30 arranged in order to reflect impinging radiation back into the discharge tube 12. The mirror 34 is partially transparent for the exit of the coherent radiation.

Ein an einem Ende abgeschlossener Anschluß-A connection terminated at one end

stutzen 14 verläuft rechtwinklig zur Achse des Entladungsrohres 12 und mündet benachbart dem Fenster 30 in dieses ein. In dem Anschlußstutzen 14 ist eine Kathode 24 aus einem der Metalle Indium.nozzle 14 runs at right angles to the axis of the discharge tube 12 and opens into the window 30 adjacent to it. In the connection piece 14 is a cathode 24 made of one of the metals indium.

Gallium, Wismuth und Zinn, mit Bevorzugung von Indium, oder einer ihrer Legierungen so angeordnet, daß (im Gegensatz zu der schematischen Darstellung in Fig. 1) die Kathode 24 an ihrer Umfangsfläche mit der Innenfläche des Anschlußstutzens an dessen abgeschlossenem Ende in inniger Berührung steht.Gallium, bismuth and tin, with preference given to indium, or one of their alloys, arranged in such a way that (in contrast to the schematic representation in Fig. 1) the cathode 24 on its peripheral surface is in intimate contact with the inner surface of the connecting piece at its closed end.

In ähnlicher Weise ist in einem neben dem Fenster 28 angeordneten Anschlußstutzen 16 eine Anode 22 ähnlich der Kathode 24 außerhalb des Strahlenganges des Lasers angeordnet Eine Gleichstromquelle 38, welche über eine zugeordnete Steuerschaltung 44 impulsweise belastet werden kann, ist sowohl mit der Kathode 24 als auch mit der Anode 22 verbunden. An der .Innenwandung des Entladungsrohres ist ferner iu einem geringen Abstand von dem die Kathode 24 aufnehmenden Anschlußstutzen 14 e;ne Zündanode 42 angeordnet, welche über einen durch die Steuerschaltung 44 zu steuernden Impulsgeber 40 zu beaufschlagen ist.In a similar way, there is an anode 22 in a connecting piece 16 arranged next to the window 28 similar to the cathode 24 arranged outside the beam path of the laser a direct current source 38, which can be loaded in pulses via an associated control circuit 44, is both with the Cathode 24 and also connected to anode 22. On the inner wall of the discharge tube is also iu a small distance from the connecting piece 14 e; ne ignition anode receiving the cathode 24 42 arranged, which via a pulse generator 40 to be controlled by the control circuit 44 is applied.

Ein Vorratsbehälter 20 für das gasförmige stimulierbare Medium ist über eine Zuleitung mit dem Anschlußstutzen 14 und über eine andere Zuleitung unmittelbar mit dem Entladungsrohr 12 an einer dem Anschlußstutzen 16 gegenüberliegenden Stelle verbunden.A reservoir 20 for the gaseous stimulable Medium is via a supply line with the connection piece 14 and via another supply line directly to the discharge tube 12 at a point opposite the connecting piece 16 connected.

Im Betrieb erfolgt durch entsprechende Betätigung des Impulsgebers 40 zuerst die Zündung einer Gasentladungsstrecke zwischen der Zündanode 42 sowie ■BBS During operation, a gas discharge path between the ignition anode 42 and BBS is first ignited by appropriate actuation of the pulse generator 40

lung erforderlich ist Einleitung einerinitiation is required

WsmsmWsmsm

Her Größenordnung von etwa 1 Mikrometer hegen.Her order of magnitude of about 1 micrometer.

samimasse der Kathode 24 nur geringfügig erwärmt wird.samimasse of the cathode 24 is only slightly heated will.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Optischer Sender oder Verstärker (Laser) mit einem gasförmigen stimulierbaren Medium, das mittels Gleichstrom aus einer nicht beheizten großflächigen Kathode angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (24) aus einem der Metalle Indium, Gallium, Wismuth und Zinn, mit Bevorzugung von Indium, oder einer ihrer Legierungen besteht.1. Optical transmitter or amplifier (laser) with a gaseous stimulable medium, which is excited by direct current from an unheated large-area cathode, thereby characterized in that the cathode (24) consists of one of the metals indium, gallium, bismuth and tin, with preference given to indium, or one of its alloys.

2. Kathode nach Anspruch 1, die in einem abgewinkelten Anschlußstutzen am Ende des durch Stirnflächen-Austrittsfenster abgeschlossenen Entladungsrohres angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (24) an ihrer Umfahgsfläche mit der Innenfläche des Anschlußstutzens (14) an dessen abgeschlossenem Ende in inniger Berührung steht.2. Cathode according to claim 1, which is in an angled connection piece at the end of the through End face exit window closed discharge tube is arranged, characterized in that the cathode (24) on its circumferential surface with the inner surface of the connecting piece (14) is in intimate contact at its closed end.