DE2042614C2 - Queranregungssystem für einen Molekulargaslaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Queranregungssystem für einen Molekulargaslaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der CA-PS 9 27 465 ist eine Vielzahl von Elektrodenstrukturen für die Direktanregung eines Molekulargaslasers beschrieben, bei denen jeweils zwischen einem Paar von Elektroden in einem Laserwellen erzeugenden Gas eine Schauerentladmig aufrechterhalten wird, wobei Mittel vorgesehen sind, um die Entstehung von hellen Lichtbögen zu verhindern. Bei derartigen Elektrodenstrukturen treten dann, wenn die Breite der Elektroden quer zur Richtung der Laserentladung gesteigert wird, Instabilitäten auf, welche die bevorzugte Entstehung von statistisch verteilten hellen Lichtbogen zwischen den Elektroden fördern. Wenn also versucht wird, ein großes Gasvolumen unter Verwendung einer Schauerentladung zwischen den Elektroden größerer Abmessungen in Richtung quer zur Laserachse zu erregen, dann ergibt sich eine erhebliche Neigung zur statistischen Erzeugung heller Lichtbogen zwischen den Elektroden, die den ganzen Strom zwischen den Elektroden leiten und damit c'ie Schauerentladung löschen.

Ein Queranregungssystem der eingangs genannten Gattung ist in der FR-PS 13 73 672 beschrieben. Dabei ist die Hilfselektrode zwischen den beiden Hauptelektroden angeordnet. Sowohl die Hauptelektrode als auch die Hilfselektroden werden mit Gleichspannungen versorgt. Der Zweck der Hilfselektrode besteht darin, den Elektronenstrom zwischen den Hauptelektroden zu steuern, die Hilfselektrode ist also dem Steuergitter einer herkömmlichen Elektronen-Verstärkerröhre vergleichbar.

Ferner ist aus der US-PS 33 96 301 ein Helium-Neon-Laser bekannt, bei dem zur Erzielung eines gleichförmigen Verlaufs einer Glimmentladung die beiden Elektroden als rohrförmige, mit einem Längsschlitz versehene (Cathode einerseits und als dem Schlitz gegenüberliegend angeordnete drahtförmige Anode andererseits ausgebildet sind. Beide Elektroden sind in Längsrichtung des Laserhohlraums angeordnet Die Kathode ist als typische Kaltkathode ausgebildet.

ίο Die Anregungssysteme der beiden vorstehend genannten Druckschriften werden überdies ausschließlich aus Gleichspannungsquellen versorgt, sie sind also nur für geringe Leistungen ausgelegt

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht

;3 darin, ein Queranregungssystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung dahingehend weiterzubilden, daß Lichtbogenentladungen zwischen den Elektroden auch bei großem Volumen des Laserhohlraums uind bei hoher Anregungsenergie vermieden werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst
Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung wird nicht nur die Entstehung von Lichtbogenentladungen verhindert, sondern zudem die nutzbare Anregungsenergie in überraschender Weise gewaltig erhöht Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zuerst mittels einer geeigneten Hilfszündungsquelle zwischen der Hilfselektrode und der zugeordneten Hauptelektrode eine Vorentladung gezündet wird, bei der das Gas ionisiert wird. Dieses ionisierte Gas kann durch die öffnungen in der zugeordneten Hauptelektrode hindurch in den Raum zwischen den beiden Hauptelektroden gelangen, so daß bei der nachfolgenden Hauptentladung zwischen den Hauptelektroden, die durch einen Hochspannungsimpulsgenerator gezündet wird, ein sehr gleichmäßiger und strörungsfreier Verlauf der Entladung über die ganze Länge des Laserhohlraumes möglich ist. Die Anregungsenergie und damit aucii die Laserausgangsenergie können dabei um einen Faktor 10 erhöht werden.

Wesentlich ist dabei also, daß durch die vor der Hauptentladung stattfindende Hilfsentladung eine große Zahl von geladenen Teilchen erzeugt wird, die in die Hauptentladungsstrecke eintreten können und zu einer gleichmäßigen und stabilen Hauptentladung hoher Energie beitragen.

Zur Erklärung dieser Funktionsweise nimmt man an,

so daß die Bildung der hellen Lichtbogen nach dem Stand der Technik eine Zufallserscheinung ist, die mit der statistischen Verteilung der geladenen Teilchen (Elektronen oder Ionen) in dem Gas zwischen den Hauptelektroden zum Zeitpunkt der Anlegung des Spannungsimpulses verknüpft ist. Die Entladungspfade der Schauerentladungen entsprechen dabei jeweils zumindest einem geladenen Teilchen, das zur Zeit des Beginns des Spannungsimpulses vorhanden ist. Die Wachstuir.srate der fadenförmigen Schauerentladungen ist dabei abhängig von der Anzahl der anfänglich vorhandenen geladenen Teilchen in jedem Faden. Die schncllstwachsendc Fadenentladung geht dabei in einen hellen Lichtbogen über, der durch seinen Strombedarf alle anderen Schauer-Fäden auslöscht und damit die Gleichförmigkeit der Anregung über die Länge des Laserhohlraums hinweg zerstört. Auf diese Weise kann auch das beobachtete Phänomen erklärt werden, daß bei einer Vergrößerung des Laserhohlraums, also des

Entladungsbereichs, auch die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung heller Lichtbogen wächst.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird nun bereits vor Beginn der Hauptentladung eine sehr große Anzahl geladener Teilchen bereit gestellt, so daß auch eine größere Anzahl von Entladungsfäden bei der Hauptentladung auftreten kann, deren Wachstumsraten näherungsweise gleich cind, da ja die Dichte der bereitgestellten geladenen Teilchen näherungsweise gleichförmig ist. ι ο

Auf diese Weise ist es möglich, die Laserausgangsenergie im Vergleich zu einer Anordnung gemäß CA-PS 9 27 465 etwa auf den lOfachen Wert zu steigern.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Queranregungssystems sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine schematische Skizze eines Molekulargaslasers;

Fig.2 einen Querschnitt einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrodenstruktur;

Fig.3 eine Längsansicht der Elektrodenstruktur gemäß Fig.2, wobei jedoch der eine Hauptelektrode darstellende Draht der Einfachheit halber weggelassen ist;

Fig.4 ein elektrisches Schaltbild eines Queranregungssystems mit Doppelentladung gemäß der Erfindung; und

F i g. 5 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenstruktur.

In der F i g. 1 ist ein Molekulargaslaser dargestellt, bei dem eine Elektrodenstruktur verwendet wird, wie beispielsweise in der CA-PS 8 98 874 beschrieben. Der J5 Aufbau umfaßt einen, Laserwellen erzeugenden Laserhohlraum 10, der eine geeignete Molekulargaslasermischung, einen gebogenen Spiegel 11 und einen teilweise reflektierenden ebenen Spiegel 12 enthält. Eine aus den Elektroden 13 und 14 bestehende Elektrodenstruktur ist in dem Laserhohlraum 10 angeordnet, wobei die Elektroden mit Anschlüssen verbunden sind, an welche die Hochspannungs-Gleichstromimpulse angelegt werden.

Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Queranregungssystems ist in dnn F i g. 2 und 3 dargestellt Unter Verwendung zweier Winkelstangen 30 und 31 als Elektrodenstrukturen wurde ein Draht 32 eng an die Kante einer dieser Stangen gespannt, jedoch von dieser isoliert. Die untere Stange 13 arbeitet als Kathode; der eingespannte Draht 32 wurde als Anode des Hauptentladungssystem verwendet.

Dieses mit der elektrisch abgeschalteten zweiten Stange 31 betriebene System liefert eine nicht zu große elektrische Energie. Durch die Einschaltung eines kleinen Kondensators zwischen die obere Stange 31 und die Kathode 30 wurde die Erzeugung einer Triggerentladung hervorgerufen. Dadurch war es möglich, ohne die Bildung von hellen Lichtbogen die Entladungsenergie auf ein Vielfaches zu erhöhen und die Laserausgängseflefgie proportional dazu zu steigern. Die Hinzufügung eines Isolators 33 zwischen die Hilfselektrode 31 und den Draht 32 führte zu einem höheren Wirkungsgrad, da diese Hilfselektrode 31 eine einheitlichere Triggerentladung herbeiführt. to

In der Fig.4 ist schematisch die Form einer Elektrodenstruktur für die erfindungsgemäße Doppelentladung gezeigt. Eine Kathode 15 ist mit Erde verbunden und eine Anode 16 in Form eines metallischen Gitters ist mit der ungeerdeten Klemme des Pulsgenerator 17 verbunden. Eine isolierschicht 18 ist hinter der Anode 16 angeordnet und befindet sich in innigem Kontakt mit deren Rückseite. Eine als Triggerelektrode vorgesehene Zusatzelektrode 19 ist hinter dem Isolator 18 angeordnet und über einen Kondensator 20 geringer Kapazität mit Erde verbunden. Die in der Fig.4 dargestellte Elektrodenstruktur ist in einem Laserhohlraum aufgenommen und in eine Lasergasmischung eingetaucht

Im Betrieb bewirkt die Elektrodenstruktui nach Fig.4 für die Doppelentladung eine Ionisierung des Molekularlasergases im Bereich der gitterartigen Anode 16; wenn die Spannung zwischen der Anode 16 und der Kathode 15 einen hohen Wert erreicht, tritt dadurch eine Schauerentladung zwischen der Anode 16 und der Kathode 15 auf, die sehr gleichförmig ist und die Anregung eines wesentlichen Volumenteils des Lasergases hstbeiführt Es sind Ausgangsimpulse in der Größenordnung von 3 bis 4 Joule p-.o Meter Laserlänge bei der Verwendung einer solchen Ekktrodenstruktur mit einem aktiven Querschnitt von näherungsweise 10 cm² erreicht worden.

Die zwischen der Hilfselektrode 19 und der gitterörmigen Anode 16 vorgesehene Festkörperisolierung 18 vereinfacht die Konstruktion und führt ein einheitliches Glimmen herbei, da weniger Energie in der ersten Entladung verbraucht wird, wenn die gitterförmige Anode 16 und die Hilfselektrode 19 sehr nahe beieinander liegen.

Es sind verschiedene Gestaltungen als Anode und als Hilfselektrode verwendet worden; eine typische Ausführungsform ist in der F i g. 5 gezeigt. Die F i g. 5 ist ein Querschnitt durch eine Alisführungsform eines Elektrodensystems, das eine profilierte Kathode 15 umfaßt, deren Form durch Potentialgradienten-Betrachtungen bestimmt ist, wie in CA-PS 9 27 465 erläutert. Die Anodenstruktur der Fig.5 umfaßt einen Aluniiniumwinkel 21, auf den ein Drahtgitter 22 gewickelt ist. Hinter dem Gitter ist als Hilfselektrode eine aus Aluminium bestehende Stange 23 angeordnet. Obgleich es nicht wesentlich ist, wird bevorzugt ein Isolierfilm auf die Stange aufgebracht. Ein solcher Isolator kann beispielsweise ein heiß aufschrumpfbarer Kunststoffilm 24, beispielsweise aus Polyamid sein. Segmente von Aluminiumrohr 25 und 26 sind an dem Aluminiumwinkel 21 befestigt, um den Potentialgradienten an den Enden des Winkels herabzusetzen. In einer Betriebsausführungsform der Erfindung wurde ein Gitter 22 aus Draht mit einem Durchmesser von etwa 0,6438 mm und etwa 4 Windungen pro cm gewickelt; der Aluminiumwi.nkel hatte im Querschnitt zwar die Schenkelabmessung 5,06 cm χ 5,08 cm und die als Hilfselektrode ausgebildete Stange 23 hatte etwa die Abmessungen 2,54 cm χ 0,635 cm mit einer auf ihr angebrachten wärmeschrumpfbaren Isolierung von 0,8118 mm. Mit einer solchen Struktur von näherungsweise 1 m Länge wurde eine Laserausgangsleistung in der Größenordnung von 4 Joule pro Impulse bei einer Impulswiederholungsrate von etwa einem Impuls pro Sekunde erreicht (diese Wiederholungsrate war durch die zur Verfügung stehende Energiequelle begrenzt).

Das Gitter 22 kann beispielsweise durch ein Drahtgewebe crse'zt werden, vorausgesetzt, daß dieses Gewebe genügend durchlässig ist für die Ionisierung der ersten Entladung, damit die erforderliche Schicht des ionisierten Gases auf der Oberfläche des Gitters im

bereich der Kathode 15 gebildet werden kann. Die Anode kann beispielsweise auch die l'orm einer mit einem Gewinde versehenen Stange aufweisen, wobei die Hilfselektrode als isolierter Draht in die Ausnehmungen des Gewindes der Stange eingewickelt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Queranregungssystem für einen Molekulargaslaser, mit zwei in Längsrichtung in einem Laserhohlraum angeordneten, mit einer Versorgungsquelle verbundenen Hauptentladungselektroden und einer nahe einer Hauptentladungselektrode angeordneten, mit einer Hilfszündungsquelle verbundenen Hilfselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsquelle ein Hochspannungsimpulsgenerator (17) ist, daß die mit der vor der Entladung zwischen den Hauptelektroden (30, 32; 15, 16; 15, 22) eine Vorentladung zündenden Hilfszündungsquelle (20) verbundene Hilfselektrode (31; 19; 23) auf der der anderen Hauptelektrode (30; 15) abgewandten Seite der einen Hauptelektrode (32; 16; 22) angeordnet ist, und daß die eine Hauptelektrode (32; 16; 22) zum Durchtritt des während der Vorentladung zwischen der Hilfselektrode (31:19; 23) und der einen Hauptelektrode (32; 16; 22) erzeugten ionisierten Gases mit Öffnungen versehen ist.

2. Queranregungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfszündungsquelle (20) ein zwischen die Hilfselektrode (31; 19; 23) und die andere Hauptelektrode (30; 15) geschalteter Kondensator ist.

3. Queranregungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Hauptelektrode (16; 22) als Gitter und die Hilfselektrode (23) als massive Stange ausgebildet sind.