DE2108076A1

DE2108076A1 - Discharge vessel for a gas laser

Info

Publication number: DE2108076A1
Application number: DE19712108076
Authority: DE
Inventors: Boye Prof. Dr. 8058 Klettham Ahlborn
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1971-02-19
Filing date: 1971-02-19
Publication date: 1972-08-24

Description

Entladungsgefäß für einen Gas laser Die vorliegende Erfindung betrifft ein Entladungsgefäss mit einem rohrförmigen Teil, der mindestens je eine Einlaß- und Auslaßöffnung sowie durch Fenster abgeschlossene Stirnenden hat, zur Aufnahme eines stimulierbaren Mediums für einen Gaslaser. Discharge vessel for a gas laser The present invention relates a discharge vessel with a tubular part that has at least one inlet and outlet opening as well as front ends closed by windows, for receiving a stimulable medium for a gas laser.

Gaslaser können optisch, elektrisch oder chemisch angeregt werden und bei den bekannten Gaslaser ist das das stimulierbare Medium aufnehmende Entladungsgefäss der jeweils vorgesehenen Anregungsart angepasst. Es ist jedoch, insbesondere bei Experimenten, oft erwünscht, zwischen verschiedenen Anregungsarten wechseln oder verschiedene Anregungsarten kombinieren zu können. Dies ist jedoch mit den bekannten Entladungsgefässen, wenn überhaupt, nur in begrenztem Masse möglich. Gas lasers can be excited optically, electrically or chemically and in the known gas lasers the discharge vessel which receives the stimulable medium is adapted to the type of excitation provided in each case. It is, however, especially at Experiments, often desired, alternate between different types of excitation or to be able to combine different types of stimulation. However, this is with the known Discharge vessels are only possible to a limited extent, if at all.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Entladungsgefäss für einen Gaslaser anzugeben, das sehr vielseitig verwendbar ist und mit den verschiedensten Anregungsarten betrieben werden kann. The present invention is accordingly based on the object to specify a discharge vessel for a gas laser that is very versatile is and can be operated with the most varied types of excitation.

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Entladungsgefäß der obengenannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einlaßöffnung oder -öffnungen mit einer Elektrodenanordnung kombiniert sind, die in Richtung der Achse des Entladungsgefässes eine nennenswerte Ausdehnung hat. According to the invention, this object is achieved by a discharge vessel solved the above type, which is characterized in that the inlet opening or openings are combined with an electrode arrangement which extends in the direction of Axis of the discharge vessel has a significant expansion.

Vorzugsweise sind mindestens drei als Elektroden ausgebildete Einlaßöffnungen vorgesehen, die in Achsrichtung des rohrförmigen Entladungsgefässes im Abstand voneinander im Entladungsgefäß münden, oder es ist eine in Achsrichtung langgestreckte hohle Elektrode vorgesehen, die eine in Achsrichtung verlaufende schlitzartige Öffnung hat, durch die Gas in das Entladungsgefäss eingeleitet werden kann. There are preferably at least three inlet openings designed as electrodes provided that in the axial direction of the tubular discharge vessel at a distance from one another open in the discharge vessel, or it is a hollow elongated in the axial direction Electrode is provided which has a slot-like opening running in the axial direction through which gas can be introduced into the discharge vessel.

Ein solches Entladungsgefäss ermöglicht nicht nur eine freie Wahl der Anregungsart, sondern gewährleistet auch eine gleichförmige und hohe Anregung des in ihm enthaltenen stimulierbaren Gases, so daß hohe Leistungsdichten erreicht -werden können. Such a discharge vessel not only enables a free choice the type of excitation, but also ensures uniform and high excitation of the stimulable gas contained in it, so that high power densities are achieved -can be.

Die Erfindung ist sowohl auf Laser-Oszillatoren, bei denen das Entladungsgefäß in einem optischen Resonator angeordnet ist als auch auf Laser-Verstärker, deren Entladungsgefäß im Wege eines zu verstärkenden kohärenten Strahlungsbündels angeordnet ist, anwendbar. The invention applies to both laser oscillators in which the discharge vessel is arranged in an optical resonator as well as on laser amplifiers, whose Discharge vessel arranged in the way of a coherent radiation beam to be amplified is applicable.

l Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. l Developments and refinements of the invention are in the subclaims marked.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, es zeigen: Figur 1 eine vereinfachte, teilweise geschnittene perspektivisuche Ansicht eines Gaslasers mit einem Entladungsgef fäß gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Figur 2 einen Querschnitt durch das Entladungsgefäß des Gaslasers gemäss Figur 1. In the following, exemplary embodiments of the invention are referred to Explained in more detail on the drawing, it shows: Figure 1 a simplified, partially cut perspective search view of a gas laser with a discharge vessel according to an exemplary embodiment of the invention, and FIG. 2 shows a cross section through the discharge vessel of the gas laser according to FIG. 1.

Figur 3 einen Axialschnitt eines zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung,und Figur 4 einen Querschnitt in einer Ebene 4-4 der Figur 3. Figure 3 is an axial section of a second embodiment of the Invention, and Figure 4 shows a cross section in a plane 4-4 of the figure 3.

Der in Figur 1 und 2 stark vereinfacht dargestellte Gas laser enthält zwei Spiegell,3, von denen mindestens einer teildurchlässig ist. Die Spiegel 1 und 3 bilden in üblicher Weise einen optischen Resonator, in dem ein Entladungsgefäss mit einem rohrförmigen Teil 5 angeordnet ist, dessen Enden durch nicht dargestellte Fenster, insbesondere Brewster-Fenster, abgeschlossen sind.The gas laser shown in greatly simplified form in FIGS. 1 and 2 contains two mirrors, 3, of which at least one is partially transparent. The mirrors 1 and 3 form an optical resonator in the usual way, in which a discharge vessel is arranged with a tubular part 5, the ends of which by not shown Windows, especially Brewster windows, are locked.

In das Entladungsgefäß münden von unten Einlaßöffnungen, die durch zwei Rohr-Düsen-Kämme aus Röhren 7a bis 7e bzw. 9a bis 9e gebildet werden. Die Düsenröhren 9a bis 9e bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, wie Messing, oder enthalten ein solches Material, z.B. in Form einer Metallisierung, so daß sie sowohl zum Einleiten von Gas als auch als Elektroden verwendet werden können. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Röhren 9a bis 9e aus Messing und sind mit einer ausserhalb des Entladungsgefässes 5 entlanglaufenden Speiserohrleitung li verbunden, die33enfalls aus Metall, wie Messing, besteht und gleichzeitig als elektrischer Anschluß für die als Elektroden ausgebildeten Düsenröhren dienen.Inlet openings which open through from below into the discharge vessel two tube-nozzle combs are formed from tubes 7a to 7e and 9a to 9e, respectively. The nozzle tubes 9a to 9e consist of an electrically conductive material, such as brass, or contain such a material, for example in the form of a metallization, so that it can be used both for introduction of gas as well as electrodes can be used. In the illustrated embodiment the tubes 9a to 9e are made of brass and one is outside the discharge vessel 5 along the feed pipe li, which is made of metal, such as Brass, exists and at the same time as an electrical connection for the as electrodes trained nozzle tubes are used.

Die Düsenröhren 9 können am oberen Ende einen Schlitz 13 (Figur 2) aufweisen (oder flachgequetscht sein) und sind dicht in das vorzugsweise aus Isoliermaterial, wie Glas, Quarz oder Kunststoff bestehende Entladungsgefäss 5 eingeführt.The nozzle tubes 9 can have a slot 13 at the upper end (Figure 2) have (or be squeezed flat) and are tightly integrated into the preferably made of insulating material, such as glass, quartz or plastic existing discharge vessel 5 introduced.

Die Düsenröhren 7a bis 7e bestehen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Isoliermaterial, wie Glas und sind mit einer entsprechenden Speiserohrleitung 15 verbunden.The nozzle tubes 7a to 7e exist in the illustrated embodiment made of insulating material such as glass and come with an appropriate feed pipe 15 connected.

Die Düsenröhren 9 des einen Satzes können weiter in das Entladungsgefäss 5 hineinreichen als die Düsenröhren 7 des anderen Satzes. Gewünschtenfalls kann der radiale Abstand bh zwischen den Mündungen der Düsenröhren 7 und 9 verstellbar sein, z.B.The nozzle tubes 9 of one set can continue into the discharge vessel 5 reach in as the nozzle tubes 7 of the other set. If desired, can the radial distance bh between the mouths of the nozzle tubes 7 and 9 is adjustable be, e.g.

indem auf die Röhren 9 verschiebbare Hülsen-atrfgesetzt werde-n.by placing displaceable sleeves on the tubes 9.

Diametral gegenüber von den Einlaßöffnungen befindet sich eine Reihe von Auslaßöffnungen 17, die über eine gemeinsame Pumpleitung 19 mit einer nicht dargestellten Absaugpumpe verbunden sind.There is a row diametrically opposite the inlet ports of outlet openings 17, which have a common pump line 19 with a not illustrated suction pump are connected.

Auf der den Einlaßöffnungen gegenüberliegenden Seite befindet sich ferner eine Reihe von Hilfselektroden 21, deren Zuführungen vakuumdicht durch die Wand des Entladungsgefässes 5 hindurchgeführt snd. Die Hilfselektroden 21 bilden eine Sahne, die der Reihe aus den Düsenröhren 9 gegenüberliegt (siehe Figur 2).On the side opposite the inlet openings is also a number of auxiliary electrodes 21, the leads vacuum-tight through the Wall of the discharge vessel 5 passed through it. The auxiliary electrodes 21 form a cream which is opposite the row of the nozzle tubes 9 (see Figure 2).

Die Düsenröhren 9 sind über die Speiseleitung 11 mit Masse und einer Klemme einer Spannungsquelle 23 verbunden, deren andere Klemme gegebenenfalls unter Zwischenschaltung je eines Strombegrenzungswiderstandes, an die Hilfselektroden 21 angeschlossen ist.The nozzle tubes 9 are via the feed line 11 with ground and one Terminal of a voltage source 23 connected, the other terminal of which may be below Interconnection of a current limiting resistor each to the auxiliary electrodes 21 is connected.

Bei der ersten möglichen Betriebsart der beschriebenen Anordnung als chemischer Laser werden zwei Reaktionsgase A und B durch die beiden Rohr-Düsen-Kämme 7 bzw. 9 (oder vorgemischt gemeinsam durch den einen Düsenkamm, insbesondere den Düsenkamm 9) in den Reaktionsraum eingeführt. Durch eine Impuls-oder Gleichspannung von der Spannungsquelle 23 wird zwischen dem einen Düsenkamm 9 und den Hilfselektroden 21 eine elektrische Entladung erzeugt, die eines der Reaktionsgase, z.B.In the first possible mode of operation of the described arrangement as chemical laser, two reaction gases A and B pass through the two tube-nozzle combs 7 or 9 (or premixed together by one nozzle comb, in particular the Nozzle comb 9) introduced into the reaction chamber. By a pulse or DC voltage from the voltage source 23 is between the one nozzle comb 9 and the auxiliary electrodes 21 generates an electrical discharge which one of the reaction gases, e.g.

Sauerstoff, dissoziiert. Die so erzeugten Ionen leiten die Reaktion ein, die dann die zum Betrieb des Lasers erforderlichen laseraktiven Zwischenprodukte liefern.Oxygen, dissociated. The ions generated in this way guide the reaction one, which then contains the laser-active intermediates required to operate the laser deliver.

Z.B. beim chemischen Kohlenmonoxid-Laser mit Schwefelkohlenstoff und Sauerstoff als Reaktionsgasen wird der Sauerstoff durch die Entladung dissoziiert und zersetzt den Schwefelkohlenstoff, wobei als Reaktionsprodukt u.a. schwingungsangeregtes CO entsteht, das als kimuliertes Verstärkermedium eines Lasers dienen kann.E.g. the chemical carbon monoxide laser with carbon disulfide and Oxygen as reaction gases, the oxygen is dissociated by the discharge and decomposes the carbon disulfide, whereby the reaction product includes vibration-induced CO is produced, which can serve as a simulated amplifier medium for a laser.

Das verbrannte und desaktivierte Gas wird durch die Auslaßöffnungen 17 oder andere Auslaßöffnungen, z.B. Schlitze, abgepumpt.The burned and deactivated gas is released through the exhaust ports 17 or other outlet openings, e.g. slots, are pumped out.

Der Laser liefert einen einzigen Strahlungsimpuls, wenn die Reaktionsfolge im eingeführten Gasgemisch durch eine einmalige gepulste elektrische Entladung in Gang gesetzt wird. Die Leistungsausbeute ist dann von der zulässigen Anregungspulsrate begrenzt, die ihrerseits von der Geschwindigkeit der Zufuhr frischen Gasgemisches abhängt. Eine praktische obere Grenze für den Betrieb mit getrennten Impulsen (Einzelimpulsen) dürfte im Kilohertz-Bereich liegen.The laser delivers a single pulse of radiation when the response sequence in the introduced gas mixture by a single pulsed electrical discharge in Gear is set. The power output then depends on the permissible excitation pulse rate limited, in turn, by the speed of the supply of fresh gas mixture depends. A practical upper limit for operation with separate pulses (single pulses) should be in the kilohertz range.

Der Laser kann aber auch mit stetigem Durchleiten des Gasstromes betrieben werden, wobei die gewünschte Durchflußmenge und der Betriebsdruck durch den Gas zustrom und die Pumpleistung der Absaugpumpe geregelt werden.The laser can, however, also be operated with the gas flow being continuously passed through with the desired flow rate and operating pressure through the gas inflow and the pumping capacity of the suction pump can be regulated.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel des beschriebenen Kohlenmonoxidlasers wurde mit folgenden Betriebsparametern gearbeitet: Elektrische Entladungsenergie 0,5 Joule Entladungsdauer I Konzentrationsverhältnis CS2:02 = 1:100 1 Arbe itsdruck ?O Torr Dauer des Laserimpulses 50 /usec Pulsfolge 100 Impulse/sec Durchschnittliche Leitung pro Impuls 1 Watt Die Dauer eines Laserimpulses lässt sich durch einen 20-fachen Überschuss an Helium im zugeführten Gasgemisch auf das Doppelte verlängern.In a practical embodiment of the carbon monoxide laser described the following operating parameters were used: electrical discharge energy 0.5 Joule discharge duration I concentration ratio CS2: 02 = 1: 100 1 working pressure ? O Torr Duration of the laser pulse 50 / usec Pulse train 100 pulses / sec Average Line per pulse 1 watt The duration of a laser pulse can be increased by 20 times Extend the excess of helium in the supplied gas mixture to double.

Beim Betrieb der beschriebenen Anordnung als elektrisch angeregter Laser dienen ebenfalls die Hilfselektroden 21 und die gegenüberliegenden Gaszuführungsröhren 9 als Elektroden. Das Arbeitsgas, z.B. Kohlendioxid mit oder ohne Fremdgaszusatz, kann dabei entweder quer durch den Resonator strömen oder einmalig in den Reaktionsraum eingefüllt werden. When operating the described arrangement as electrically excited Lasers also serve the auxiliary electrodes 21 and the opposing gas supply tubes 9 as electrodes. The working gas, e.g. carbon dioxide with or without the addition of external gas, can either flow across the resonator or once into the reaction chamber be filled.

In Figur 3 und 4 sind für entsprechende Teile die gleichen Bezugszahlen, jedoch mit angehängtem Akzent, verwendet worden, wie in Figur 1 und 2. Bei dem in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das rohrförmige Teil 5' aus gewebeverstärktem Kunststoff. Es ist nur eine einzige Einlaßöffnung 13' in Form eines in Achsrichtung des rohrförmigen Teiles 5' verlaufenden langen und schmalen Schlitzes vorgesehen. Die schlitzförmige Einlaßöffnung 13' wird durch zwei in nahem Abstand (z.B. 0,2 mm) voneinander angeordneten und an ihren achsialen Stirnenden dicht miteinander verbundenen Messingplatten gebildet, die als Gaszuführungsleitung und Elektrode 9' fungieren. Die Platten können an den im rohrförmigen Teil 5' gelegenen Rand abgeschrägt sein, wie es in Figur 4 dargestellt ist. Das andere Ende der Platten und damit das der schlitzförmigen Einlaßöffnung 13' entgegengesetzte Ende des durch die Elektrode 9' gebildeten Gaszuführungskanals liegt in einer Zuführungsröhre 11', in die das in das Entladungsgefäss einzuspeisende Gas oder Gasgemisch über einen Anschlußstutzen 12 eingeleitet wird. In Figures 3 and 4, the same reference numerals are used for corresponding parts, but with the accent attached, as in Figures 1 and 2. In the case of the in The embodiment shown in these figures consists of the tubular part 5 ' made of reinforced plastic. There is only a single inlet port 13 'in shape a long and narrow one extending in the axial direction of the tubular part 5 ' Slit provided. The slot-shaped inlet opening 13 'is through two in close Distance (e.g. 0.2 mm) from each other and at their axial front ends tightly interconnected brass plates formed as a gas supply line and electrode 9 'function. The plates can be attached to those located in the tubular part 5 ' Edge be beveled, as shown in FIG. The other end of the panels and thus that of the slot-shaped inlet opening 13 'opposite end of the through the electrode 9 'formed gas supply channel lies in a supply tube 11', into which the gas or gas mixture to be fed into the discharge vessel via a Connection piece 12 is initiated.

I Wie Figur 4 zeigt, sind die Hilfselektroden 21<, 21'a abwechselnd von der einen und anderen Seite her schräg eingeführt und mit Strombegrenzungswiderständen 22'verbunden. In Figur 4 liegt die Elektrode 21' also z.B. in der Zeichenebene und die Elektrode 21'a in einem vorgegebenen axialen Abstand hinter der Zeichenebene.As FIG. 4 shows, the auxiliary electrodes 21 <, 21'a are alternating inserted obliquely from one side and the other and with current limiting resistors 22 'connected. In FIG. 4 the electrode 21 'lies, for example, in the plane of the drawing and the electrode 21'a at a predetermined axial distance behind the plane of the drawing.

Die die Einlaßöffnung(en) bildende(n) Elektrodenanordnung erstreckt sich vorzugsweise über einen beträchtlichen Teil der z.B. mehr als 1/3 oder 1/2 oder 3/4 in Achsrichtung gerechneten Länge des rohrförmigen Teils 5 bzw. 5' um eine gleichmässige Anregung in einem möglichst grossen Volumen des Entladungsgefässes zu gewährleisten.The electrode assembly (s) forming the inlet port (s) extends preferably over a substantial part of, for example, more than 1/3 or 1/2 or 3/4 length of the tubular part 5 or 5 'calculated in the axial direction by one uniform excitation in the largest possible volume of the discharge vessel to ensure.

Der Wert des Entladungsgefässes gemäss der Erfindung liegt in erster Linie in seiner Universalität. Im infraroten Spektralgebiet kann z.B. der überstrichene Wellenlängenbereich vom elektrisch angeregten Kohlendioxidlaser mit einer Strahlung von etwa 10,6 pm über den elektrisch angeregten Sauerstofflaser mit einer Strahlung um 6 pm, den chemischen Kohlenmonoxidlaser mit einer Strahlung bei etwa 5,5 vm bis zum chemischen Kohlenwasserstofflaser mit einer Strahlung von etwa 3,5 pm , und zum Fluorwasserstofflaser mit einer Strahlung von 2,8 pm reichen.The value of the discharge vessel according to the invention is first Line in its universality. In the infrared spectral range, for example, the swept over Wavelength range from the electrically excited carbon dioxide laser with radiation of about 10.6 pm via the electrically excited oxygen laser with radiation at 6 pm, the chemical carbon monoxide laser with radiation at around 5.5 vm to to the chemical hydrocarbon laser with a radiation of about 3.5 pm, and to the hydrogen fluoride laser with a radiation of 2.8 pm.

Bei Versuchen zur Auffindung neuer stimulierbarer Lasermedien kann der das. vorliegende Entladungsgefäss enthaltende Laser und die zugehörigen -Einrichtungen, wie Strahlungsempfänger u. dgl. , durch einen Vorversuch mit bewährten stimulierbaren Medien, wie C02 auf Betriebsfähigkeit überprüft und optimal einjustiert werden. Anschließend kann man dann neue Materialien, gegebenenfalls mit anderen Anregungsarten,untersuchen.When trying to find new stimulable laser media the laser containing the discharge vessel and the associated devices, such as radiation receivers and the like, through a preliminary test with proven stimulable Media such as C02 are checked for operability and optimally adjusted. You can then investigate new materials, possibly with other types of excitation.

Claims

Discharge vessel with a tubular part, each of which has at least one Has inlet and outlet openings as well as front ends closed by windows, for Recording of a stimulable medium for a gas laser, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the inlet opening (13 ') or openings (13) with a Electrode arrangement (9 ', 9) are combined in the direction of the axis of the discharge vessel has an appreciable extent.

2.) Discharge vessel according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that at least three inlet openings designed as electrodes (9) are provided in the axial direction of the tubular part (5) at a distance open from each other in the tubular part.

3.) Discharge vessel according to claim 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the inlet openings (13) are essentially in the axial direction of the tubular part (5) form a running row.

4.) discharge vessel according to claim 2 or 3, d a d u r c h g e k It is noted that the inlet openings (13) through electrically conductive tubes (9) are formed.

5.) discharge vessel according to claim 2, 3 or 4, d a d u r c h g e k it is noted that two sets (7,9) of inlet ports are provided, which are connected to separate gas inlet lines (15 and 11).

6.) Discharge vessel according to claim 5, d a d u r ch g e -k e n n z e i c h n e t that the inlet openings of the two Sets (7.9) in a single row are arranged in which the inlet openings of the two Alternate sentences.

7.) Discharge vessel according to claim 5 or 6, d a d u r ch g e k e It is noted that the inlet openings of one set (9) have a larger one Distance from the wall of the tubular part (5) than the inlet openings of the other sentence (7).

8.) Discharge vessel according to claim 5, 6 or 7, d a d u r c h g e it is not noted that the inlet ports of one set are different from those of the other set are electrically isolated.

9.) Discharge vessel according to claim 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the inlet openings of a set (9) of metal pipes and the inlet openings of the other set (7) consist of insulating tubes.

10.) Discharge vessel according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the inlet opening (13 ') through an at least approximately in Axially extending, slot-shaped opening (13 ') of an elongated in the axial direction Electrode (9 '), one of which is the slit-shaped opening with a gas supply line (11 ') connecting channel contains is formed.

JI 11.) Discharge vessel according to one of the preceding claims, g e k e n n n z e i c h n e t d u r c h a series of outlet openings (17), which the Inlet opening (13 ') or the inlet openings (7,9) at least approximately diametrically lying opposite.

12.) Discharge vessel according to one of the preceding claims, d a it is indicated that at least one auxiliary electrode (21, 21 ', 21'a), which is at least approximately diametrically opposite the inlet openings, is provided is.

13.) Discharge vessel according to claim 12, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that one running in the axial direction of the tubular part (5, 5 ') Row of auxiliary electrodes (21; 21 '; 21'a) is provided.

14.) Discharge vessel according to claim 11 and 13, d a d u r ch g e k Note that the auxiliary electrodes alternate from one to the other Side of the inlet openings (17 ') inserted obliquely into the tubular part (5') are that their ends located in this form an axial row.

15.) Discharge vessel according to claim 12 or 13, d a d u r ch g e k It is noted that each auxiliary electrode (21,21'a) has its own resistor (22) is connected to a voltage source (23 ').