DE1921145C3

DE1921145C3 - Device for generating stimulated infrared emission,! Raser, with a wavelength of about 10.6 µm by means of an electrical discharge in a gas mixture partially consisting of carbonic acid gas

Info

Publication number: DE1921145C3
Application number: DE1921145A
Authority: DE
Inventors: Frederik Bessel Bart Van Dam; Wilhelmus Jacobus Witteman
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1968-05-09
Filing date: 1969-04-25
Publication date: 1979-10-11
Also published as: NL6806545A; DE1921145A1; GB1230914A; DE1921145B2; NL165340B; FR2008129A1; US3768036A; NL165340C

Description

Die Erfindung betriff eine Vorrichtung zum Erzeugen von stimulierter Infrarotemission mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 μπι, welche eine einige Meter lange abgeschlossene Entladungsröhre enthält, die nahe den Enden der Entladungsröhre als Auskupplungsfenster und Reflektor eine planparallele etwa 2 mm dicke Germaniumplatte und am anderen Ende einen Hohlspiegel und weitei Mittel zur Aufrechterhaltung einer elektrischen Entladung mit einer Stromdichte über 15 mA/cm² in der Entladungsröhre enthält, weiche mit einem Gasgemisch bestehend aus Kohlesäuregas, Stickstoff, Helium und Wasserdampf mit einem Druck von 0,2 bis 0,4 Torr gefüllt ist.The invention relates to a device for generating stimulated infrared emission with a wavelength of about 10.6 μm, which contains a sealed discharge tube a few meters long, a plane-parallel about 2 mm thick germanium plate near the ends of the discharge tube as a decoupling window and reflector and at the other end a concave mirror and means for maintaining an electrical discharge with a current density above 15 mA / cm ² in the discharge tube, soft filled with a gas mixture consisting of carbonic acid gas, nitrogen, helium and water vapor at a pressure of 0.2 to 0.4 Torr is.

Unter einer Länge von einigen Metern ist in diesem Zusammenhang etwa anderthalb Meter oder mehr zu verstehen.In this context, under a length of a few meters is about one and a half meters or more to understand.

Vorrichtungen der obenbeschriebenen Art sind bereits bekannt: vgl. Philips Technische Rundschau, 28. Jg.. (1967). Nr. 7, S. 191-201. Infolge der Auskopplung über die planparallele Germaniurnplatte tritt nur eine einzige Infrarotlinie auf, die durch die auf den Vibrationsübergang im Kohlensäuremolekül bezogenen Rotationsniveau bestimmt wird. Infolge der vorhandenen Germaniumplatte, die nicht nur als Auskoppelfenster sondern auch als Reflektor wirksam ist, liegen die Frequenzen, für welche die Reflexion maximal ist, etwa 2 ■ 10"¹Hz auseinander. Die Linien an der Nähe von 10,6 μπι liegen jedoch etwa 5.5 · 10¹⁰Hz auseinander. Dadurch können mehrere Linien im allgemeinen nicht gleichzeitig auftreten.Devices of the type described above are already known: see Philips Technische Rundschau, Vol. 28 (1967). No. 7, pp. 191-201. As a result of the coupling out via the plane-parallel germanium plate, only a single infrared line occurs, which is determined by the level of rotation related to the vibration transition in the carbonic acid molecule. As a result of the existing germanium plate, which is effective not only as a coupling-out window but also as a reflector, the frequencies for which the reflection is maximum are about 2 · 10 " ¹ Hz apart. The lines at the vicinity of 10.6 μπι, however, are approximately 5.5 · 10 ¹⁰ Hz apart, which means that several lines generally cannot appear at the same time.

Eine der wichtigsten Anwendungsmöglichkeiten dieser !raser besteht im Schneiden dünner Schichten, beispielsweise Kohlenschichter auf Widerstandskörpern. Dabei tritt der Nachteil auf, daß die Intensität der fokussierten Strahlung in vielen Fällen dennoch nicht ausreicht. So ist für einen Iraser mit einer Länge von 1.5 m, einem Durchmesser von 20 mm und einer Strahlungsdaiicrleistung von 60 W der Brennflecken nach Fokussierung mit einer Linse mit einer Brennweite von 50 mm, 6 χ IO-'mm^? groß und die Strahlungsintensität 0.1 MW/cm².One of the most important uses of this laser is cutting thin layers, for example layers of carbon on resistor bodies. This has the disadvantage that the intensity of the focused radiation is nevertheless insufficient in many cases. For an Iraser with a length of 1.5 m, a diameter of 20 mm and a radiation output of 60 W, the focal spot after focusing with a lens with a focal length of 50 mm is 6 χ 10 mm ^? large and the radiation intensity 0.1 MW / cm ² .

Der große Brennflecken ist die Folge der Tatsache, daß der Iraser in Multi-Modusschwingung arbeitet·, außer dem einen möglichen reinen l.ongituclinalmodus treten gleichzeitig oder abwechselnd mehrere transversale und radiale Moden auf, die alle dieselbe longitudinale Modenzahl haben. Das Modenmuster ist dann im Brennflecken dargestellt.The large focal point is the result of the fact that the Iraser works in multi-mode oscillation, apart from the one possible pure l.ongituclinal mode several transverse and radial modes occur simultaneously or alternately, all of which are the same have longitudinal mode number. The mode pattern is then shown in the focal point.

Aus dem »Elektro-Anzeiger«, 20. Jg. (1967), Nr. 19, S. 394-398, ist ein Multimoden-Durehfluß-Laser-System bekannt, bei dem mit einem Rohrdurchmesser in der Größenordnung von 0,5 cm eine wirksame Unterdrückung höherer transversaler Moden ermöglicht wird.From the »Elektro-Anzeiger«, 20th year (1967), No. 19, Pp. 394-398, is a multimode flow laser system known, in which with a pipe diameter of the order of 0.5 cm an effective suppression higher transverse modes is made possible.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ein-Mode-Laser mit abgeschlossener Entladungsröhre zu schaffen, dessen Mode eine besonders hohe Leistung aufweist.The object of the invention is to create a single-mode laser with a closed discharge tube, whose fashion has a particularly high performance.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Entladungsröhre einen Durchmesser von höchstens 10 mm hat und die Enden der Entladungsröhre durch ein enges Verbindungsrohr, in dem keine Entladung auftritt, verbunden sind.This object is achieved in that the discharge tube has a diameter of at most 10 mm and the ends of the discharge tube through narrow connecting pipe in which no discharge occurs.

Es hat sich herausgestellt, daß in der erfindungsgemäßen Vorrichtung infolge der starken Konkurrenz untereinander bei der hohen Stromdichte im betreffenden Gasgemisch von longitudinalen, radialen und transversalen Moden, nur einer auftreten wird. Mit einem auf diese Weise arbeitenden Iraser wird ein Strahlungsbündel erhalten, dessen Strahlungsintensität nach Fokussierung im Brennfleck bedeutend höher ist als bei den bekannten Vorrichtungen. Das enge Verbindungsrohr zwischen den Enden der Entladungsröhre bewirkt eine Vermeidung einer kataphoretischen, die Leistung des einzigen Schwingungsmoden herabsetzenden Entmischung des Lasergases.It has been found that in the device according to the invention as a result of strong competition with each other at the high current density in the gas mixture concerned of longitudinal, radial and transverse modes, only one will occur. With an Iraser working this way, a Receive radiation beam whose radiation intensity is significantly higher after focusing in the focal point than with the known devices. The narrow connecting tube between the ends of the discharge tube causes an avoidance of a cataphoretic, which reduces the performance of the single oscillation mode Segregation of the laser gas.

Es sei bemerkt, daß zum Erzeugen von Strahlung mit einer Wellenlänge von 10,6 pm und einer Strahlungsdauerleistung von etwa 1 W eine Anordnung mit einer 10 mm weiten Röhre bekannt ist. Die Stromstärke beträgt dabei nur 5 mA. Die Gasfüllung ist Kohlensäure mit Stickstoff ohne irgendeinen Zusatz. Dabei werden infolge der geringen Intensität mehrere radiale und/ oder transversale Moden gleichzeitig auftreten (Applied Physics Letters, Bd. 9 (1966), Nr. 4, S. 174- 176).It should be noted that in order to generate radiation with a wavelength of 10.6 µm and a continuous radiation power of about 1 W an arrangement with a 10 mm wide tube is known. The amperage is only 5 mA. The gas filling is carbonic acid with nitrogen without any additives. Be there due to the low intensity, several radial and / or transverse modes occur simultaneously (Applied Physics Letters, Vol. 9 (1966), No. 4, pp. 174-176).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigtAn embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below described. It shows

F i g. I eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Iraser-EntladungsröhreF i g. I a schematic representation of an Iraser discharge tube according to the invention

Fig. 2 eine graphische Darstellung der damit erzielten Ergebnisse.2 shows a graphic representation of the results obtained therewith.

In Fig. I ist 1 ein Quarzrohr mit einer Länge von 152 cm und einer lichten Weite von 10 mm. 2 ist ein Wasserkühlmantel. 3 ist ein an seiner Oberfläche mit einer Goldschicht versehener hohler Reflektor mit einem Krümmungsradius von 240 cm. 4 ist eine 2 mm dicke flache Germaniumpiaitc. 5 und 6 sind Platinelektroden in Seitenröhrchen. 7 ist ein Verbindungsrohr mit einer lichten Weite von 3 mm zwischen den Seitenröhrchen. 8 ist ein wasserdampfgesättigter Zeolithstab. Die Gasfüllung besteht aus 2.7 mbar (2 Torr) CO₂, 5,3 mbar (4 Torr) N₂. 10,6 mbar (3 Torr) Hc und 0,5 mbar (0,4 Torr) H₂O. Der an sich bekannte Wasserdampfztisatz ist höher als der bei weiten Entladungsröhren von Multi-Modcn-Irascrn, während das Vcrbindungsrohr 7 zur Vermeidung einer kataphoretischen Entmischung dient.In Fig. I, 1 is a quartz tube with a length of 152 cm and a clearance of 10 mm. 2 is a water cooling jacket. 3 is a hollow reflector with a gold layer on its surface and a radius of curvature of 240 cm. 4 is a 2mm thick flat germanium tube. 5 and 6 are platinum electrodes in side tubes. 7 is a connecting pipe with a clearance of 3 mm between the side tubes. 8 is a water vapor saturated zeolite rod. The gas filling consists of 2.7 mbar (2 Torr) CO ₂ , 5.3 mbar (4 Torr) N ₂ . 10.6 mbar (3 Torr) Hc and 0.5 mbar (0.4 Torr) H ₂ O. The water vapor rate, known per se, is higher than that in the case of wide discharge tubes of multi-mode Irascrn, while the connecting tube 7 to avoid a cataphoretic separation is used.

Bei einem Entladungsstrom von 10 bis 35 mA durch die Röhre, wobei die Brennspannung zwischen 19 und 18 kV schwankt, tritt ein Bündel 9 mil einer Wellenlänge von etwa 10,6 μπι und einer Intensität von gut 30 bis 60 W aus, wobei das im Fokus des Bündels ersichtlicheWith a discharge current of 10 to 35 mA through the tube, the burning voltage between 19 and 18 kV fluctuates, a bundle 9 mils of one wavelength occurs of about 10.6 μπι and an intensity of a good 30 to 60 W, the one visible in the focus of the bundle

bild mit jeweils einem einzigen transversalen igungslyp bei den MeOpunkten in Fig.2 in gigkeit von der Intensität dargestellt ist.
IO und 15 mA ist dieser Mode der punktförmige •Mode, also ein rein axialer Mode, bei der η Stromstärke ist dies der TEMoi-Mode, dessen Figur aus einem Gefüge zweier Kreissektoren besteht. Bei Fokussierung des Bündels von 60 W mit einer Linse von 50 mm Brennweite wird ein Brennfleck erhalten mit einer Fläche von 7 · 10 ι mm-⁷. Die Strahlungsintensität beträgt daher 0,8 MW/cm-¹, das 8-fache derjenigen bekannter Vorrichtungen.image with a single transverse gradient glyph at the MeO points in FIG. 2 in terms of the intensity.
IO and 15 mA, this mode is the punctiform • mode, ie a purely axial mode, with the η current strength this is the TEMoi mode, the figure of which consists of a structure of two sectors of a circle. When the 60 W bundle is focused with a lens of 50 mm focal length, a focal spot is obtained with an area of 7 · 10 ι mm- ⁷ . The radiation intensity is therefore 0.8 MW / cm- ¹ , 8 times that of known devices.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Device for generating stimulated infrared emission with a wavelength of about 10.6 μm, which contains a sealed discharge tube a few meters long, which has a plane-parallel about 2 mm thick germanium plate near the ends of the discharge tube as a decoupling window and reflector and at the other end a concave mirror and further Contains means for maintaining an electrical discharge with a current density above 15mA / cm ² in the discharge tube, which is filled with a gas mixture consisting of carbonic acid gas, nitrogen, helium and water vapor at a pressure of 0.2 to 0.4 Torr, characterized in that, that the discharge tube has a diameter of 10 mm or less, and the ends of the discharge tube are connected by a narrow connecting pipe in which no discharge occurs.