DE2060948A1

DE2060948A1 - Gaslaser

Info

Publication number: DE2060948A1
Application number: DE19702060948
Authority: DE
Inventors: Pinchas Dr Avivi; Felix Dr Dothan
Original assignee: Yissum Research Development Co of Hebrew University of Jerusalem
Current assignee: Yissum Research Development Co of Hebrew University of Jerusalem
Priority date: 1969-12-19
Filing date: 1970-12-11
Publication date: 1971-06-24
Also published as: FR2073481B1; FR2073481A1; US3713043A; GB1326779A

Description

DIPL.-ING. HORST ROSE DIPL.-ING. PETER KOSEL PATENTANWÄLTE

3353 Bad Gandersheim, 10. Dezember. 1970

Hohenhöfen 5

Telefon: (05382)2842

Telegramm-Adresse: Siedpatent Gandersheim

Unsere Akten-Nr,: 26? 5/1

Yissum Research Development Company Patantgesuoh vom 10. Dezember 1970

Yissum Research Development Company of the Hebrew University of Israel, Jerusalem, Israel

Gaslaser

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser mit einem ein Gas enthaltenden Rohr und mindestes zwei im Abstand voneinander angeordneten Elektroden zum Erzeugen einer elektrisch erregten Laserwirkung. Sie betrifft also Laser, bei denen das aktive Medium Gas ist. In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Kohlendioxyd - (COp) -* Laser beschrieben; sie kann jedoch auch bei anderen Gaslasern angewandt werden.

Kurz gesagt weist ein Gaslaser ein gasgefülltes Rohr auf, das einen optischen Hohlraum bildet, sowie mindestens zwei Elektroden in diesem Rohr zum Erzeugen einer elektrischen Entladung. Bei Oszillatoren wird das Rohr am einen Ende

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durch einen vollständig reflektierenden Spiegel und am anderen Ende durch einen teilweise reflektierenden Spiegel verschlossen, wobei der letztere das Ausgangsende darstellt, durch das der Laserstrahl austritt. Bei Verstärkern werden die Spiegel durch Fenster ersetzt, durch die der zu verstärkende Laserstrahl ein- und austritt. Das Lasermedium ist das Gas im Rohr, das aus Atomen, Metalldampf, oder Molekülen bestehen kann. Beim Kohlendioxyd-Laser besteht das Gas hauptsächlich aus Helium, mit kleinen Mengen von Kohlendioxyd und Stickstoff. Die elektrische Entladung im Rohr liefert energiereiche Elektronen, die mit den aktiven Gaspartikeln zusammenstoßen und sie auf höhere Energieniveaus erregen. Dies erzeugt die notwendige "Besetzungsumkehr", wie sie für eine Laserwirkung erforderlich ist, wobei ihre Entleerung (depopulation) die Laserwirkung erzeugt.

Laser im allgemeinen und Kohlendioxydlaser im besonderen sind jetzt in der Literatur gut beschrieben, vgL, z.B. den Artikel "High-Power Carbon Dioxide Lasers" von G.K.N. Patel in "Scientific American", August 1968, S. 23 bis 33, und deshalb sind weitere Einzelheiten über den Aufbau und die Wirkungsweise solcher Geräte leicht erhältlich.

Bei einem üblichen Gaslaser ist das Rohr aus isolierendem Werkstoff aufgebaut, z.B. aus Glas oder ^uarz. Solche Konstruktionen sind gewöhnlich gekennzeichnet durch das Erfordernis einer hohen Spannung zwischen den Elektroden, schlechte Kühlung, hohe Herstellungskosten und/oder starke Neigung zum Zerbrechen.

Es ist auch eine Laserbauart bekannt, die "Ionenlaser mit kleinem Innendurchmesser" (small-bore ion laser) genannt wird und die aus vielen Abschnitten von durch isolierende Distanzstücke getrenntem elektrisch leitfähigem Werkstoff aufgebaut ist. Eine solche Konstruktion, die hauptsächlich

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vorgesehen wird, um die Kühlung zu verbessern, hat immer noch die Grundcharakteristiken eines Lasers mit isolierendem .Rohr, mit vielen der oben erwähnten Nachteile. Diese Laserart wird im folgenden noch ausführlicher diskutiert.

Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein eingangs genannter Laser dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr über
mindestens nahezu seine gesamte axiale Länge zwischen den
Elektroden kontinuierlich elektrisch leitend ausgebildet ist, und daß das Eohr gegen die beiden Elektroden isoliert ist und ihnen gegenüber auf einem schwebenden Potential liegt.

(floating)

Überraschenderweise wurde nämlich gefunden, daß ein erfolgreich arbeitender Laser mit einem elektrisch leitenden Rohr gebaut werden konnte, wie das oben dargelegt ist. Dies ist, weil man allgemein glaubte, eine stabile Gasentladung, wie sie hier
beteiligt ist, könne nicht in einem elektrisch leitenden Hohr bewirkt werden, dessen Länge beträchtlich größer ist als sein Durchmesser, obwohl gezeigt worden ist, daß ein st&iler elektrischer Lichtbogen in einem Rohr aufrechterhalten werden kann, dessen Wände abwechselnd aus dünnem Metall und nichtleitenden Werkstoffen aufgebaut sind. Wir haben jedoch gefunden, daß eine elektrisch erregte Laserwirkung in einem elektrisch leitenden Rohr bewirkt werden kann, und daß ein erfolgreich arbeitender Laser unter Verwendung eines solchen Rohres gebaut werden kann.

Durch eine solche Konstruktion erhält man eine Anzahl wichtiger Vorteile.

Die Art und Weise der Stromleitung durch ein Gas in einem elektrisch leitenden Rohr ist verschieden von derjenigen in einem isolierenden Rohr. Bei dem elektrisch leitenden Rohr, wie man es beim Laser nach der vorliegenden Erfindung verwendet, wird eine wesentlich niedrigere Entladespannung benötigt als bei
dem üblichen Laser mit isolierendem Rohr. Z.B. wird bei dem

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Ausführungsbeispiel, wie es im folgenden unter Bezugnahme auf Pig. 1 beschrieben wird, eine Spannung von etwa 8000 V/m beim üblichen isolierenden Rohr benötigt, während so wenig wie 800 V/m benötigt werden, wenn man ein elektrisch leitendes Rohr verwendet. (Beim Laser nach Fig. 1 betrug die Spannung 850 V bei einem Abstand zwischen den Elektroden von 0,5 ^m·) Dieser Unterschied bei der erforderlichen Spannung kommt davon, weil die isolierende Wand bei einem üblichen Laser nur als Träger einer negativen Oberflächenladung wirksam wird, während die elektrisch leitende Wand bei unserer neuartigen Konstruktion die Entladung durch ihr Potential beeinflußt, indem sie positive Jonen vom Entladungsplasma und Elektronen von der Kathode absorbiert, und indem sie Elektronen durch verschiedene Sekundärvorgänge emittiert.

Bei unserer Konstruktion wird das Potential der Rohrwand in Bezug auf das Plasma zur Anode hin negativer. In der Entladung wird ein axialer und ein radialer Strom aufrechterhalten, und ferner ein Strom in der Rohrwand, der entlang des Rohres variiert.

Im folgenden wird auch ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem der Laser eine wesentlich höhere Ausgangsleistung erzeugen kann, dabei aber immer noch die grundlegenden Vorteile und Charakteristiken eines Lasers mit einem elektrisch leitenden oder Metallrohr beibehält. Die folgenden Ausführungen werden zum Verständnis dieses Ausführungsbeispiels von Nutzen sein.

Bekanntlich gibt es eine optimale Elektronentemperatur für die Erregung des oberen Laserniveaus bei Gaslasern. Die Elektronentemperatur ist eine nahezu lineare Punktion des Verhältnisses E/p, wobei E das elektrische PeId pro Einheitslänge und ρ der Druck des Gases im Laser ist.

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Bei einem Laser mit isolierendem Rohr kann die Leistungsabgabe erhöht werden, indem man die Länge des Lasers erhöht, da dies das Volumen und die Zahl der aktiven Moleküle des Gases erhöht. Die optimale Elektronentemperatur wird dadurch aufrechterhalten, daß man die Gesamtspannung am Rohr erhöht (und dadurch das optimale E aufrechterhält). Der Spannungsgradient im wirksamen Teil der Entladung bleibt derselbe.

Bei einem Laser vom erfindungsgemäßen Typ, bei dem die Rohrwand elektrisch leitend ist, kann die gesamte Leistungsabgabe nicht dadurch erhöht werden, daß man einfach die Länge des Rohres erhöht wie bei einem isolierenden Rohr. Vielmehr gibt es eine optimale Rohrlänge. Die Gründe hierfür sind wie folgt:

Das Entladungsplasma und das Metallrohr können als eine übertragungsleitung mit verteilten Konstanten angesehen werden (vgl. Pig. 3), bei der die Impedanzen nichtlinear sind derart, daß die Spannung Vj, an jedem der Elemente der Beziehung gehorcht R_R=K . Iⁿ wobei η ?« ο. Diese elektrische Eigenschaft des Glimmentladungsplasmas ist wohlbekannt und wird z.B. bei der Spannungsstabilisierung mittels Glimmentladungsröhren ausgenutzt. Man kann leicht erkennen, daß das Hinzufügen oder Wegnehmen zusätzlicher Impedanzelemente in der Mitte der Übertragungsleitung nur geringe Änderungen der Gesamtimpedanz ergibt, deren Wert zum großen Teil durch die Impedanzen der Elemente in der Nähe der Enden bestimmt Ist. Das experimentelle Ergebnis, daß praktisch keine Änderung der Ent1adungsspannung auftritt, wenn die Länge des Rohres verändert wird, kann nun mit Hilfe der Ersatzschaltung erklärt werden, d.h. auf der Basis der konstanten Impedanz.

Bei konstanter Entladespannung für verschiedene Rohrlängen ergibt sich bei einem langen Entladungsrohr eine niedrige axiale Feldstärke, und bei einem kurzen Entladungsrohr eine hohe axiale Feldstärke.

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Wie zuvor angedeutet, erhält man eine optimale Elektronentemperatur für die Erregung des oberen Laserniveaus bei einem bestimmten Verhältnis E/p (Elektrische Feldstärke/Gasdruck). Falls man deshalb die Elektronentemperatur in einem langen Entladungsrohr aus netall (niedriges E) optimieren will, ist es erforderlich, bei niedrigen Gasdrücken zu arbeiten. Ein niedrigerer Gasdruck bedeutet aber leider auch eine kleinere Menge von CO^-Molekülen. Man kann deshalb bei einem Laser mit Metallrohr die Ausgangsleistung nicht einfach dadurch erhöhen, daß man das Entladungsrohr verlängert, wie man das bei Gaslasern mit Wänden aus isolierendem Werkstoff tun kann.

Die Situation bei einem Laser mit Metallrohr kann wie folgt zusammengefaßt werden: Die Länge des leitenden Rohres beeinflußt nicht seine Impedanz oder den Spannungsabfall an ihm. Sie beeinflußt aber die elektrische Feldstärke E, welche somit (ungefähr) umgekehrt proportional zur ßohrlänge ist. Eine optimale Leistung wird somit für eine gegebene Rohrlänge bei einem optimalen E/p gefunden, indem man den Gasdruck einstellt. Bei einem langen Rohr ist dieser optimale Druck niedriger als bei einem kurzen Rohr. Je höher der Druck ist, desto mehr CO₂ ist aber vorhanden, und folglich ist auch desto mehr Laserleistung möglich. Aber bei sehr hohen Drücken (zu kurzen Rohren) ist die Entladung instabil und kann nicht aufrechterhalten werden.

Es existiert also, und wir haben dies experimentell gezeigt, eine optimale Rohrlänge für jeden Rohrdurchmesser. Bei dieser optimalen Rohrlänge wird ein E/p-Wert erreicht, der eine optimale Leistung ermöglicht, und er wird erreicht bei einem Druck, der hoch genug ist, um eine große Menge von CO^-Molekülen zu beteiligen, jedoch nicht so hoch, um Anlaß zu einer Instabilität der elektrischen Entladung zu geben.

Die optimale Rohrlänge kann für Jede bestimmte Kombination von Rohrparametern experimentell bestimmt werden, indem man ein

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solches Rohr mit verschiedenen Längen baut und die Länge (im Vergleich zum Innendurchmesser) bestimmt, bei der die Leistungsabgabe ein Maximum ist. Zum Beispiel wurde bei dem im folgenden im Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebenen CO^-Laser ermittelt, daß bei einem Rohr mit 29 mm Innendurchmesser die optimale Länge 175 mm betrug.

Im Hinblick auf obiges fanden wir, daß die Ausgangsleistung des Metallrohrlasers dadurch erhöht werden kann, daß man zwei oder mehr Entladungsrohre von geeigneter Länge miteinander in Reihe verbindet. Dies entspricht der Unterbrechung der Leitung unendlicher Leitfähigkeit (Rohrwand) in der Ersatzschaltung. Die wirksame Impedanz der Schaltung kann somit um einen Faktor erhöht werden, der ungefähr gleich der Zahl der Abschnitte (Sektionen) ist. Jeder Entladungsrohrabschnitt hat dieselben Charakteristiken wie ein einzelnes Entladungsrohr. Die Ausgangsleistung bei einem Metallrohrlaser mit mehreren Abschnitten ist deshalb ungefähr gleich der Leistung eines einzelnen Abschnitts multipliziert mit der Zahl der Abschnitte.

Nach einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese also einen Laser mit einer ein Gas enthaltenden Rohrwand und mindestens zwei im Abstand voneinander angeordneten Elektroden zum Erzeugen einer elektrisch erregten Laserwirkung innerhalb der Rohrwand, und dieser Laser ist dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwand aus mehreren in der Axialrichtung leitenden Abschnitten gebildet ist, wobei Jeder Abschnitt eine optimale Länge zum Erzeugen einer optimalen Elektronentemperatur für maximale Leistungsabgabe aufweist, und daß jeder Abschnitt gegenüber den anderen Abschnitten und den Elektroden isoliert ist.

Bei einem GOp-Laser, der die hier als Beispiel beschriebenen Parameter aufweist, wurden besonders gute Ergebnisse erzielt, wenn die Rohrwand einen Innendurchmesser von mindestens 10 mm

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aufweist, und wenn jeder der elektrisch leitenden Abschnitte eine Länge (die optimale Länge) vom fünf- bis achtfachen des Innendurchmessers aufweist. Beim oben erwähnten spezifischen Ausführungsbeispiel, das im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 4 näher beschrieben ist, wurde experimentell gefunden, daß die optimale Länge jeder Sektion 175 ^mm bei einem Innendurchmesser von 29 mm ist, d.h. etwa das sechsfache des Innendurchmessers. Das Bohr, das nach diesem spezifischen Ausführungsbeispiel gebaut wude, hatte zwei symmetrische Arme und zwei Abschnitte aus Metall in jedem Arm und erzeugte eine Ausgangsleistung von 35 Watt in jedem Arm. Wenn an jeden Arm ein zusätzlicher Abschnitt angefügt wurde, so daß ein Rohr mit drei Abschnitten entstand, wurde in jedem Arm eine Ausgangsleistung von 50 Watt erzeugt. Die Leistungsabgabe könnte weiter erhöht werden, indem man lediglich zusätzliche, gegenseitig isolierte Abschnitte aus Metall anfügt, die jeweils die hier beschriebene optimale Länge aufweisen.

Oben wurde kurz Bezug genommen auf Ionenlaser mit kleinem Innendurchmesser von der Art, die aus vielen Abschnitten aus elektrisch leitendem Material, getrennt durch isolierende Distanzstücke, aufgebaut ist. Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich in mehrerlei Hinsichten von dieser Ionenlaserkonstruktion mit kleinem Innendurchmesser.

Zunächst ist der Innendurchmesser solcher Ionenlaser gewöhnlich sehr klein und liegt; in der Größenordnung von 1 bis 2 mm, während der Innendurchmesser der Laser bei der vorliegenden Erfindung in einer wesentlich größeren Durchmesser-Größenordnung liegt und mindestens 10 min beträgt. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt er 29 mm.

Zweitons hat die Kohrwand bei Ionenlasern mit kleinem Innendurchmesser, da sie aus einer großen Anzahl dünnei¹ Scheiben aufgebaut ist, die mit leitenden Scheiben abwechseln, die l';i-und] ep;ondon Charakteristiken einer isolierenden Kohrwand, du

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jede der elektrisch leitenden Scheiben auf einem höheren Potential liegt als die vorhergehende, so daß der Potentialgradient längs der Längserstreckung der Innenseite des Rohres grundsätzlich demjenigen längs der Innenseite einer isolierenden Rohrwand entspricht. Tatsächlich haben die elektrisch leitenden Scheiben bei einem lonenlaser mit kleinem Innendurchmesser lediglich die Aufgabe, eine Wärmeleitfähigkeit in radialer Richtung zu schaffen, um die Wärmeübertragung vom Rohr zu verbessern, dabei aber ebenso wie bei einem isolierenden Rohr das unterschiedliche Potential längs der Rohrwand beizubehalten. Beim Laser nach der vorliegenden Erfindung entspricht dagegen die Gesamtcharakteristik der Rohrwand grundsätzlich derjenigen einer Metallwand und nicht der einer isolierenden Wand. Er hat die grundsätzlichen Vorteile einer Konstruktion mit Metallwand, und den weiteren Vorteil, daß die Leistungsabgabe einfach dadurch erhöht werden kann, daß man zusätzliche Wandabschnitte aus Metall anfügt, von denen jeder eine optimale Länge hat, wie das hier beschrieben ist.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gaslasers,

Fig. 2 eine raum'biIdliehe Teildarstellung im Querschnitt, die eine Abwandlung des Gaslaser—'Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 darstellt,

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild einer Übertragungsleitung mit verbeilten Konstanten, auf das bereite in der vorausgehenden Einleitung Bezug genommen wurde, und

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Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gaslasers.

Der in Fig. 1 dargestellte Gaslaser ist vom Zwillingsrohrtyp und weist zwei symmetrische Arme auf, die eine gemeinsame Kathode 2 und zwei getrennte Anoden 4 und 6 haben. Jede dieser Elektroden ist aus einem kurzen, rohrförmigen Metallstück hergestellt. Ein Metallrohr 8 ist zwischen der Kathode 2 und der Anode 4 angeordnet, und ein zweites Metallrohr 10 ist zwischen der Kathode 2 und der Anode 6 angeordnet. Zwei isolierende Distanzstücke 12 und 14, z.B. aus dem Polyamid KILON, trennen das ßohr 8 von der Kathode 2 und der Anode 4, und zwei andere isolierende Distanzstücke 16 und 18 trennen das Rohr 10 von der Kathode 2 und der Anode 6. Die Elektroden 2, 4 und 6 sind somit ringförmig und mit den Rohren 8 und 10 gleichachsig. Die isolierenden Distanzstücke 12, 14, 16 und 18 zwischen den jeweiligen Elektroden und den ihnen zugeordneten Rohren sind ebenfalls ringförmig und mit den Rohren gleichachsig.

Zwei Abschlußstücke 20 und 22 aus Metallrohr sind mit Anschlüssen 20' bzw. 22' für das Zuführen von Gas versehen. Die Kathode 2 ist mit einer Verbindung 2' zum Ableiten von Gas versehen. Der Laserhohlraum ist am einen Ende durch einen rückwärtigen Spiegel 24 abgeschlossen, der vollständig reflektierend ausgebildet ist, und am anderen Ende durch einen Auslaßspiegel 26, der als teilweise reflektierender Spiegel ausgebildet ist.

Ersichtlich könnten die Laser anstatt mit zwei Abschnitten (Sektionen) nur mit einem Abschnitt ausgeführt werden, d.h. nur mit zwei Elektroden (z.B. 2 und 4) und einem Metallrohr (z.B. 8), oder aber mit mehr Abschnitten. in jedem Falle wäre das Rohr nach Fig. 1 (im Gegensatz zu dem nach Fig. 4) auf praktisch seiner gesamten zwischen den Elektroden liegenden Länge elektrisch leitend, jedoch selbstverständlich von den Elektroden isoliert und bezogen auf sie auf einem schwimmenden (schwebenden) el ek t ri sahen Potential, (float, i n^ poUmtiaJ ) .

- I 1-BAD ORIGINAL

1 Π 9 H '; ί; /1 ^ S 1

Der Laser kann durch Wasser gekühlt werden, das durch Kühlmantel 28 und 30 in Form von direkt auf die Rohre 8 und 10 aufgelöteten zusätzlichen Metallrohren geleitet wird. Falls gewünscht, können die Kathode 2, die Anode 4· und 6 und die Abschlußstücke 20 und 22 ebenfalls mit Kühlmänteln versehen werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 wurde für den Bau aller Metallteile 2,4,6,8,10,20 und 22 dasselbe Kupferrohr mit 38 mm Innendurchmesser verwendet. Die Kühlmantel 28 und 30 waren aus Kupferrohr mit 8 mm Durchmesser. Das verwendete Gas war eine Mischung aus Kohlendioxyd und Helium, und die Partialdrücke waren 1,5 Torr Helium und 0,5 Torr Kohlendioxyd (1 Torr = 1 mm Quecksilbersäule). Eine Vakuumpumpe mit einer Pumpgeschwindigkeit von 50 l/min war an die Kathode 2 angeschlossen. Jede Hälfte der Entladung (d.h. zwischen den Elektroden 2 und 4- bzw. zwischen den Elektroden 2 und 6) wurde bei 850 V und 200 mA betrieben. Der reflektierende Spiegel 24 bestand aus einer Goldschicht, die auf einem konkaven, einen Krümmungsradius von 1,5 m aufweisenden Glassubstrat aufgedampft wurde. Der Laserstrahl trat durch ein Loch mit einem Durchmesser von 3 m im Gold-Auslaßspiegel 26 aus; dieses Loch war mit einem NaCl-Fenster bedeckt.

Ein Laserbetrieb wurde ohne Schwierigkeiten erreicht, und das System arbeitete viele Stunden lang kontinuierlich und erzeugte eine Leistungsabgabe von 2 bis hinauf zu 10 Watt.

Da die Kühlmäntel 28 und 30 um die rohrförmigen Teile des Lasers herum und in Kontakt mit ihnen angeordnet sind, ist die Kühlung des Laserrohrs im Betrieb sehr gut.

Eine andere Art der Kühlung des Lasers erfolgt durch das Vorsehen von Kühlrippen innerhalb der Metallrohre 8 und 10. Dies ist in Fig. 2 dargestellt, wo zu sehen ist, daß das Metallrohr 8' mit inneren Jiippen 32 versehen ist, die »ich axial zu ihm

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erstrecken. Die Elektroden könnten ebenfalls mit inneren Bippen ausgebildet werden. Wie oben erläutert, wird hierdurch die Kühlfläche vergrößert und der Abstand für die Wärmeleitung vermindert, wodurch die Ableitung der Wärme aus dem Gas im Rohr verbessert wird.

Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Lasers mit Metallrohr liegt darin, daß er in einfacher Weise moduliert werden kann, so daß er für die Übertragung von Sprache oder anderer Information verwendet werden kann. Wie zuvor erwähnt, nimmt das Potential des Metallrohrs während einer stationären Entladung einen definierten Wert an. Andererseits bewirken relativ kleine aufgedrückte Änderungen des Wandpotentials große Änderungen der Entladung, die ihrerseits die Laserwirkung beeinflussen. In dieser Hinsicht ist die Entladung im Metallrohr der wohlbekannten Vakuumtriode ähnlich, bei der eine kleine Änderung des Giifcerpotentials eine große Änderung des Anodenstroms bewirkt.

Zum Beispiel wurde das Wandpotential des beschriebenen Metallrohr-Lasers mit Sprache über ein Mikrophon und einen NF-Verstärker moduliert. Ein pyroelektrischer Detektor (z.B. ein Heißleiter) fing den Laserstrahl auf, und das NF-Signal wurde durch einen Verstärker einem Lautsprecher zugeführt.

Das modulierende NF-Signal kann zwischen der Kathode und der Wand des Metallrohres angelegt werden, zwischen der Anode und der Wand des Metallrohres, oder zwischen der Kathode und der Anode. NF-Signale bis zu 50 V wurden angelegt, und über 50 % Modulation wurden erzeugt.

Die Vorteile, einen Laserstrahl in dieser Art und Weise modulieren zu können, sind im Vergleich zu den herkömmlichen, komplizierteren Techniken (z.B. der Verwendung von elektrooptischen Kristallen) ganz offensichtlich; unter diesen Vorteilen sind äußerste Einfachheit und die Verwendung leicht

orhaJUieher, billiger Bauteile. -13-

SAD ORIGINAL

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i 1 ■ ι Ψ ι ■ Ii H ,Hi mm mpip. ρ mflpffPFppin „ι. , ψψ, ι ,„ρ,

- 13 -

Der in JJ¹Ig. 4 dargestellte Gaslaser ist ebenfalls von Zwil-■ lingsrphrtyp mit zwei symmetrischen Armen A und B, die eine i gemeinsame Kathode 102 und zwei getrennte Anoden 104 und 106 f.. aufweisen. Jede dieser Elektroden ist aus einem kurzen, rohr-

i ■ .

',.- förmigen Metallstück hergestellt. Die Rohrwand zwischen der

j Kathode 102 und der Anode 104 des Armes A wird gebildet von

ί zwei elektrisch leitenden Abschnitten in !form von Metallrohren

) 108 und 110, die durch ein isolierendes Distanzstück 112

I getrennt sind. Der Abschnitt 110 ist von der Anode 104 durch

» ein rohrförmiges isolierendes Distanzstück 114 getrennt, und

i der Abschnitt 108 ist von der Kathode 102 durch ein isolieren-

j des Distanzstück 116 getrennt. Der zweite Arm B des Rohres

\ zwischen der Kathode 102 und der Anode 106 ist ähnlich aufge-

I baut und weist zwei Abschnitte 108' und 110¹ aus Metall auf,

j sowie isolierende Distanzstücke 112',114' und 116¹. ί ■ -

' Man sieht also, daß die Elektroden, die aus Metall bestehenden

ί Abschnitte der· Rohrwand, und die isolierenden Distanzstücke

ί ^N -

• alle ringförmig und gleichachsig sind.

; Zwei Abschlußstücke 118 und 118', die ebenfalls aus Metallrohr ι bestehen, sind mit Anschlüssen 120 und 120' zur Zufuhr von V Lasergäs versehen; in der Kathode 102 ist ein zusätzlicher Anschluß 122 für die Ableitung des Gases vorgesehen. Der Laserhohlraum wird an einem Ende durch einen rückwärtigen Spiegel 124 abgeschlossen, der vollständig reflektierend ausgebildet ist, und am gegenüberliegenden Ende durch einen Ausgangsspiegel 126, der teilweise reflektierend ausgebildet ist.

Im Arm A umgibt ein Wasserkühlmantel 130 die Anode 104; er weist einen Zufluß 132 und einen Abfluß 134 auf. Ein zweiter , Waaserkühlmantel 136 mit einem Zufluß 138 und einem Abfluß j umgibt den Metallwandabschnitt 110. Der Mantel 136 ist vom Mantel 130 durch ein isolierendes, abgedichtetes Verbindungsstück 142 getrennt. Ein anderer Wassermantel 144 mit einem

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Zufluß 146 und einem Abfluß 148 umgibt den Metallwandabschnitt 108 und ist vermittels eines isolierenden, abgedichteten Verbindungsstücks 150 vom Mantel 136 getrennt.

Die Kathode 102 ist von einem anderen Wassermantel I52 umgeben, der einen Zufluß 15^ und einen Abfluß I56 aufweist. Letzterer ist in einer^Muffe I58 ausgebildet, durch die der Gasauslaß 122 geht. Der Kathodenmantel I52 ist vom Mantel 154 mittels eines isolierenden, abgedichteten Verbindungsstücks 160 getrennt,

Die andere Hälfte (Arm B) des Rohres ist in der gleichen Weise aufgebaut wie Arm A, und gleiche Teile werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, denen ein ' nachgestellt ist, z.B. 110' statt 110.

Beim Aufbau des in Pig. 4 dargestellten Lasers wurden alle rohrförmigen Metallteile aus Kupferrohr mit 29 mm Innendurchmesser hergestellt. Die Länge der Metallwandabschnitte war Jeweils 175 ^mm> die Länge der beiden Anoden 104 und 106 betrug 35 mm; und die Länge der Kathode 102 betrug 75 mm. Der Abstand zwischen den Metallwandabschnitten betrug 29 mm, und derselbe Abstand war zwischen den Metallwandabschnitten und ihrer Anode und Kathode gegeben. Die Länge der Abschlußstücke 118 und 118¹ aus Metall betrug 70 mm.

Das Gas war das für GOp-Laser übliche, nämlich eine Mischung aus Kohlendioxyd, Stickstoff und Helium, und der gesamte Gasdruck betrug 7 Torr. Eine Vakuumpumpe mit einer Pumpkapazität von 180 l/min war an den Auslaß 122 angeschlossen. Das Rohr wurde bei einer Gesamtspannung von 1800 V und I50 mA, für jede Seite, betrieben. Die Wassei'zuflüsse waren an eine Wasserversorgung von einer Zapfstelle mit 20° 0 angeschlossen.

Die Ausgangsleistung, die in jedem Arm des Rohres erzeugt wurde, betrug 35 ^.

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Bei dem Laser mit den oben beschriebenen Parametern wurde die optimale Länge der Metallwandabschnitte (108,110,108·,110'> zu 175 mia ermittelt, d.h. etwa das sechsfache des Innendurchmessers (29 mm). Dies wurde experimentell dadurch ermittelt, daß man das Rohr baute, die Länge der Metallwandabschnitte variierte, und dabei die Leistungsabgabe des Lasers aufzeichnete. Die größte Ausgangsleistung von jedem Abschnitt wurde erzeugt, wenn die Länge des MetallwandabSchnitts das 5-bis 8-fache des Innendurchmessers betrug, und das Maximum lag etwa beim 6-fachen des Innendurchmessers.

Diese optimale Länge kann in ähnlicher Weise für jede Kombination von Rohrparametern bei jeder bestimmten Konstruktion experimentell ermittelt werden.

Anstatt mit zwei symmetrischen Armen kann der Laser ggf. mit nur einem Arm gebaut werden, d.h. nur mit einer Anode und einer Kathode. Ebenso kann ein Arm jeweils anstatt zwei gegeneinander isolierten Metallwandabschnitten nur einen Metallwandabschnitt pro Arm aufweisen, oder mehr als zwei Metallwandabschnitte pro Arm.

Wenn bei dem Rohr nach Fig. 4 jeder Arm nur einen Metallwandabschnitt (108 oder 110) mit demselben Aufbau und denselben Abmessungen aufwies, wurde in jedem Arm eine Ausgangsleistung von 18 W erzeugt. Wenn jeder Arm des Rohres nach Fig. 1 drei Metallwandabschnitte mit demselben Aufbau und denselben Abmessungen aufwies, die aber gegeneinander und gegen die Elektroden isoliert waren, wurde in jedem Arm eine Ausgangsleistung vor 50 W erzeugt.

Die Erfindung ist zwar vorstehend am Beispiel von COp-Lasern beschrieben worden; sie kann aber auch bei anderen bekannten Gaslasern verwendet werden, und im Rahmen des ihr zugrundeliegenden allgemeinen Erfindungsgedankens sind zusätzlich zu den oben erwähnten Möglichkeiten mannigfache Variationen, Abwandlungen und Anwendungen möglich. _1G_

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Claims

DlPL-ING. HORST RDSE A DIPL-ING. PETER KOSEL PATENTANWÄLTE 3353 Bad Gandersheim, 10. Dezember 1970 Hohenhöfen 5 Telefon: (05382)2842 Telegramm-Adresse: Siedpatent Gandersheim Unsere Akten-Nr.: 2675/1 Yissum Research Development Company Patentgesuch vom 10. Dezember 1970 Ansprüche

1. Laser mit einem ein Gas enthaltenden Rohr und mindestens zwei im Abstand voneinander angeordneten Elektroden zum Erzeugen einer elektrisch erregten Laserwirkung, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (8, 10) über mindestens nahezu seine gesamte axiale Länge zwischen den Elektroden (2, 20, 22) kontinuierlich elektrisch leitend ausgebildet ist, und daß das Rohr (8, 10) gegen die beiden Elektroden isoliert ist und ihnen gegenüber auf einem schwebenden Potential liegt. (floating)

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Rohr ein Metallrohr (8, 10) ist.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 20, 22) ringförmig ausgebildet und mit dem elektrisch leitenden Rohr (8, 10) gleichachsig sind, und daß zwischen den Elektroden und dem elektrisch leitenden Rohr jeweils ein koaxiales, ringförmiges isolierendes Distanzstück angeordnet ist.

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Bankkonto: Braunechwelfllacha Staatebank, Fi"ale Bad Ganderehelm, Kto.-Nr. 22.118.970 ■ Poetecheckkonto: Hannover 66715 7Θ9

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4.. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anoden (20, 22) vorgesehen sind, von denen an jedem Ende des Rohres (8, 10) eine angeordnet ist, und daß zwischen ihnen eine Kathode (2) angeordnet ist.

5· Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmantel (28, 30) um das elektrisch leitende Rohr (8, 10) herum und in Kontakt mit ihm angeordnet ist.

6. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Rohr (8¹) mit inneren Kühlrippen (32) versehen ist (.Fig. 2).

7· Laser mit einem ein Gas enthaltenden Rohr und mindestens zwei im Abstand voneinander angeordneten Elektroden zum Erzeugen einer elektrisch erregten Laserwirkung in dem Rohr, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr aus in der Axialrichtung elektrisch leitenden Abschnitten (108, 110, 108', 110¹) gebildet ist, wobei jeder Abschnitt eine optimale Länge zum Erzeugen einer optimalen Elektronentemperatur für die maximale Leistungsabgabe aufweist, und daß jeder Abschnitt gegenüber den anderen Abschnitten und den Elektroden (102, 118, 118') isoliert ist.

8. Laser nach Anspruch 7j dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (108, 110, 108', 110¹) einen Innendurchmesser von mindestens 10 mm aufweist, und daß die elektrisch leitenden Abschnitte jeweils eine Länge vom fünf- bis achtfachen des Innendurchmessers aufweisen.

9· Laser mit einem ein Gas enthaltenden Rohr und mindestens zwei im Abstand voneinander angeordneten Elektroden zum Erzeugen einer elektrisch erregten Laserwirkung in dem Rohr, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr einen Innendurchmesser von mindestens 10 mm aufweist und aus mindestens einem elektrisch leitenden Abschnitt gebildet ist, der eine Länge vom fünf- bis achtfachen des Innendurchmessers aufweist, wobei der elektrisch leitende Abschnitt gegen die Elektroden isoliert ist.