DE2109843C3 - Frequenzstabilisierter Gaslaser - Google Patents

Description

3. Gaslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 35 Stimmelementes, da sonst die intermolekulare Flägekennzeichnet, daß der Hohlkörper (24) einen chenhaftung zwischen dem Abstimmelement und dem jhermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich Hohlkörper aufbrechen und das Entladungsrohr unvon ± 2 X 10-1 pro ⁰C hat. dicht würde. Wegen des verhältnismäßig großen Aus-

4. Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekenn- dehnungikoeffizienten des Hohlkörpers wird die Aus-Eeichnet, daß der Hohlkörper (24) einen thermi- 40 Steuerspannung weiter erhöht, und die Regelung über sehen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von größere Temperaturbereiche wird schwierig.

± 1 X 10~⁷ pro ⁰C hat. Die Erfindung löst die Aufgabe, einen Gaslaser der-

5. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, art aufzubauen und zu dimensionieren, daß er bei dadurch gekennzeichnet, daß das Paar optischer mechanisch stabilem Aufbau eine wesentlich verbes-Elemente (20, 54) und der Hohlkörper durch eine 45 serte Frequenzstabilität über einen weiten Temperaaxiale Federanordnung (50) verspannt sind. turbereich aufweist.

6. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gedadurch gekennzeichnet, daß das Paar optischer löst, daß ein Hüllgefäß das Gasentladungsmedium Elemente (20,54) und der Hohlkörper axial durch einschließt, der Hohlkörper einen thermischen Auseine Druckdifferenz zwischen dem Gasentladungs- 50 dehnungskoeffizienten von ±4 XlO"⁷ pro ⁰C hat, medium in dem Entladungskanal und dem um- das Abstimmelement in axialer Richtung eine Länge gebenden Medium außerhalb des Entladungs- zwischen den optischen Elementen hat, die kleiner Kanals zusammengedrückt ist. als 10⁰/o des Abstandes zwischen den optischen Elementen ist und die optischen Elemente und das Ab-

55 stimrnelement in axialer Richtung gegen die entgegen-

gesetzten Enden des Hohlkörpers nahe den gegenüberliegenden öffnungen des Gasentladungsweges federnd verspannt sind.

Die Erfindung betrifft einen frequenzstabilisierten Durch die federnde Anordnung wird erreicht, daß Gaslaser mit einem einen Entladungskanal ausbilden- 60 thermisch bedingte Ausdehnungen des Hüllgefäßes den Hohlkörper, einem Paar duroh den Hohlkörper nicht zu einer Änderung des Spiegelabstandes fühvoneinander im Abstand gehaltener optischer EIe- ren und daß keinerlei organische Klebemittel zwimente zur wenigstens teilweisen Reflexion einer in sehen dem Hohlkörper und dem Abstimmelement bedem Entladungskanal erzeugten Strahlung, einem nötigt werden, welche nach einiger Zeit zur Alterung zwischen den optischen Elementen angeordneten Ab- 6s des Gasmediums und damit zur Änderung der Laserstimmelement, dessen Ausdehnung in Richtung der frequenz führen würden.

optischen Elemente durch elektrische Signale ver- Durch die Auswahl der Temperaturkoeffizienten

änderbar ist, und in axialem Abstand voneinander des Hohlkörpers und der axialen Ausdehnung des

Abstimmelementes bezüglich des Hohlkörpers wird bohrung 26 und an deren Endabschnitten angeerreicht, daß die Wannedehnung von Abstimm- schlossenen, im wesentlichen radialen Durchgängen element und Hohlkörper zusammen verhältnismäßig 38 und 40. Der eine Durchgang 40 mündet direkt in klein wird und daher wesentlich schneller und mit einer in dem HüUgefäß eingelassenen Anode 12, einer wesentlich geringeren Aussteuerungsspannung 5 während der andere Durchgang 83 in einem hohlen, als bei dem bekannten Laser kompensiert werden federnd gelagerten Kathodenkörper 32 mündet, deskann. Auf diese Weise ist bei jedem unmittelbar nach sen Elektrode 14 ebenfalls in das HüUgefäß eingelasdetn Einschalten des Lasers auftretenden Temperatur- sen ist. Eine Federanordnung 36 sichert den Kathodenverlauf gewährleistet, daß der Abstand zwischen den körper 32 und den Hohlkörper 24 gegen Verdrehung optischen Elementen und damit die Frequenz des to gegenüber dem HüUgefäß und verstärkt die mecha-Gaslasers präzise konstant gehalten wird. _nj_sche Stabilität des Lasers.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann Das HüUgefäß ist im Bereich der Axialbohrung

vorgesehen werden, daß das Paar optischer Elemente von einem schernatisch angedeuteten Elektromagne-

und der Hohlkörper durch eine axiale Federanord- ten 90 umgeben, dessen in Richtung des Hauptlaser-

nung verspannt sind. _{15 str}ahles 64 gerichtetes Magnetfeld von 300 G gemäß

Die federnde Anordnung der optischen Elemente dem Zeemann-Effekt bewirkt, daß der Laser zwei

kann auch gemäß einer anderen Aurführungsform Strahlkomponenten mit unterschiedlichen Frequen-

dadurch erreicht werden, daß das Paar optischer EIe- zen und entgegengesetzten Zirkularpolarisationen

mente und der Hohlkörper axial durch eine Druck- erzeugt. Statt dessen könnte der Laser auch ohne

differenz zwischen dem Gasentladungsmedium in dem ao Elektromagnet im TEM-Betrieb mit nur einem Strahl

Entladungskanal und dem umgebenden Medium betrieben werden.

außerhalb des Entladungskanals zusammengedrückt Eine schematisch angedeutete Regelschaltung 68

i^st· zur Stabilisierung der Laserfrequenz von der Einstell-

Im folgenden werden zwei bevorzugte Ausfüh- temperatur bis zur Betriebstemperatur enthält einen

rungsbeispiele der Erfindung an Hand der F i g. 1 a₅ nicht dargestellten Detektor zur Aufnahme des von

und 2 erläutert. dem Spiegel 54 durch die zugeordnete Laserendfläche

F ι g. 1 stellt eine Ausführungsform eines Gaslasers hindurchgelasssenen Meßlaserstrahles 66. Der Regler

dar, bei welcher die im Strahlengang des Laserlichtes gibt ein beispielsweise der Amplitudendifferenz der

liegenden Elemente innerhalb eines abgeschlossenen unterschiedlich polarisierten Strahlanteile proportio-

Hüllgefäßes durch eine Feder verspannt sind. 30 nales Gleichspannungs-Regelsignal im Bereich von 0

Im Innern des gläsernen Hüllgefäßes 10 befinden bis 2500 V über eine Leitung 70, eine in das Hüll sich ein an der einen Endfläche des Hüllgefäßes an- gefäß eingelassene Elektrode 16 und die Feder 50 an liegendes Distanzstück 18, ein erster Spiegel 20, ein eine Elektrode 52 des piezoelektrischen Abstimmlängsgestreckter Hohlkörper 24, ein zwischen diesem elementes 42, so daß dieses den Abstand der Spie- und einem zweiten Spiegel 54 eingefügtes, scheiben- 35 gel 20 und 54 im Sinne einer Symmetrierung der förmiges, piezoelektrisches Abstimmelement 42 und Strahlkomponenten, d. h. im Zentrum der atomaren eine die genannten Elemente zusammendrückende, Übergangslinie der Oszillatorfrequenz und damit im zwischen dem zweiten Spiegel und einer anderen End- Sinne einer Stabilisierung des Sollwertes der Laserfläche des Hüllgefäßes eingefügte Spiralfeder 50. Bei frequenz nachregelt. Die andere Elektrode des piezoder vorgegebenen Betriebswellenlänge von etwa 40 elektrischen Abstimmelementes ist leitend über den 6328 A haben die Spiegel 20 bzw. 24 optische Durch- Kathodenkörper 32 mit der Elektrode 14 verbunden, laßwerte von etwa 0,6 bis 0,85 bzw. 0,05 %>. Die in das HüUgefäß eingelassenen Elektroden 12,

Die den Hohlkörper 24 und die Feder 50 umgeben- 14 und 16 sind hermetisch abgedichtet und bestehen

den Zylinderabschnitte des gläsernen Hüllgefäßes 10 aus einem elektrisch leitfähigen Metall mit einem

sind auf einem Präzisionsdorn aufgeschrumpft und 45 thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der dem-

haben einen Innendurchmesser, der nur um 0,5 mm jenigen von Glas entspricht, wodurch eine Glas/

größer als der Außendurchmesser des Hohlkörpers Metall-Abdichtung erreicht wird, welche Tempera-

24 ist. Desgleichen sind die axiale Feder 50, im zu- türen von 500° C aushält.

sammengedrückten Zustand, der Spiegel 54, das Ab- Herkömmliche piezoelektrische Materialien haben

Stimmelement 42 und das Distanzstück 18 sämtlich 50 üblicherweise einen thermischen Ausdehnungskoeffi-

mit gleichem und etwas geringfügigerem Außendurch- zienten in der Größenordnung von 2 χ 10"^β pro ° C

messer als der Hohlkörper 24 hergestellt, so daß sie und einen Spannungs-Ausdehnungskoeffizienten in

sich axial innerhalb der Zylinderabschnitte des Hüll- der Größenordnung von 635x10"« mm/kV. Wenn

gefäßes bewegen können, während im wesentlichen beispielsweise der Hohlkörper 24 mit einem thei-

verhindert wird, daß diese Teile sich darin seitlich 55 mischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von

bewegen. + 1 X 10~⁷ pro ⁰C und ein piezoelektrisches Ab-

Das HüUgefäß 10 wird aus zwei Abschnitten hei - Stimmelement 42 zwischen den Spiegeln 20 und 54

metisch dichtend zusammengeschmolzen, evakuiert, verwendet werden, dessen axiale Länge weniger als

bei einer Temperatur von 250 bis 400° C entgast und 1 % des Abstandes zwischen den Spiegeln beträgt,

unter einem Druck von 3 bis 6 Torr mit einem Gas 60 k?nn eine spannungsabhängige Längenänderung des

gefüllt, das beispielsweise 10 Teile Helium und 1 Teil piezoelektrischen Abstimmelementes erhalten wer-

Neon aufweist. Das Entgasen bei diesen hohen Tem- den, die in einer Richtung so groß wie die Längeh-

peraturen ist möglich, wejl keine organischen Binde- änderung des Hohlkörpers und des Abstimmelemen-

mittel, sondern lediglich Glas/Glas-Verbindungen und tes durch Temperaturänderung ih der anderen Rich-

Glas/Metall-Verbindungen und Federspannungen 65 tung über den ganzen dynamischen Bereich des

beim Zusammenbau des Lasers verwendet werden. Lasers (rund 50° C) reicht, und zwar von dem Zeit-

Der Entladungskanal des Gaslasers wird gebildet punkt an, zu welchem der Laser eingeschaltet wird,

durch eine in dem Hohlkörper 24 befindliche Axial- bis zu dem Zeitpunkt, in welchem er seine normale

Arbeitstemperatur erreicht, indem dem Abstimm- metisch auf dem Flansch 82 e abgedichtet. Der Endelement eine entsprechende Gleichspannung im Be- abschnitt 72a des Hüllgefäßes wird auf die Befestireich von 0 bis 2500 V zugeführt wird. Beispiels- gungsanordnung 82 aufgeschrumpft, und eine konweise ergeben ein Hohlkörper 24 mit einer Länge kave Reflexionsfläche 22 des Spiegels 20 liegt auf von 127 mm und einem thermischen Ausdehnungs- 5 dem Vorderende des Hohlkörpers 24 auf. Der koeffizienten von 1χ10~⁷ je ⁰C und ein piezoelek- Flansch 82c der Befestigungsanordnung wird dann trisches Abstimmelement mit einer axialen Länge verschweißt und hermetisch auf dein offenen Ende von etwa 1 mm und einem thermischen Ausdeh- des Endabschnittes 72a der Befestigungsanordnung nungskoeffizienten von 2χ10-" pro ⁰C eine korn- abgedichtet.

binierte Längenänderung von 0,736χ10~³ mm über io Eine Feder 30 und eine hohle ringförmige Alumieinen Temperaturbereich von 50° C. Daher genügt niumkathode 32 sind auf dem Hohlkörper 24 innerfür ein piezoelektrisches Abstimmelement 42 mit halb des Endabschnittes 72 b des Hüllgefäßes geeinem Spannungs - Ausdehnungskoeffizienten von lagert. Die Feder 30 ist zwischen dem ringförmigen 635χ10~^β mm/kV und einem Abstimmbereich von Rand 72/ des Endabschnittes 72b und der ring-0 bis 2500 V eine Änderung der Regelspannung zwi- 15 förmigen Seite 32 a der Kathode angeordnet. Die sehen 1100 und 1200 V, um den Abstand zwischen Kathode 32 wird axial gegen die Feder 30 gepreßt, den Spiegeln zu stabilisieren. bis die öffnung des seitlichen Durchganges 40 des

Fig. 2 stellt eine Ausführungsform eines Lasers Hohlkörpers24 zwischen den Seiten 32a und 32c

dar, bei welcher die im Strahlengang des Laserlichtes der Kathode zentriert ist und wird dann permanent

liegenden Elemente durch den Druck der Um- ao befestigt, indem Siahlstifte 86 in Anlage mit der

gebungsluft zusammengehalten sind. Seite 32c der Kathode gebracht und mit der Innen-

Der Gaslaser enthält ein Hüllgefäß 72 aus Metall wandung des Endabschnittes 72b verschweißt wer-

mit zylindrischen Endabschnitten 72 a und 72 b des den. Daher bilden die axiale Bohrung 26 und die

gleichen Durchmessers und einem zylindrischen Zwi- Durchgänge 38 und 40 einen Entladungsweg inner-

schenabschnitt 72 c verminderten Durchmessers. Das 25 halb des Hohlkörpers 24 zwischen der Kathode 32

Hüllgefäß hat offene Enden, ein kreisförmiges Be- und dem Anodenstift 76.

festigungsloch 72 d im Endabschnitt 72 a und zwei Ein ringförmiges piezoelektrisches Abstimmele-Paare nach innen gerichteter Vorsprünge 72 e, die ment 42 ist ebenfalls innerhalb des Endabschnittes symmetrisch an den Enden des Zwischenabschnittes 72 b des Hüllgefäßes auf dem zylindrischen Vor-72 c angeordnet sind. Eine Anodenanordnung 74 ist 30 sprung am hinteren Ende des Hohlkörpers 24 gein den Abschnitt 72 a eingebracht und in das Be- lagert. Es besteht eine elektrische Verbindung zwifestigungsloch 72 d eingesetzt. Diese Anordnung um- sehen dem Hüllgefäß 72 und einer auf der Vorderfaßt einen Anodenstift 76 und ist mittels eines glok- fläche der piezoelektrischen Scheibe 42 gebildeten kenförmigen Glasträgers 78 gelagert. Sie enthält wei- Chromelektrode über die Chromschicht 48 und die terhin eine balgartige Feder 80, deren eines Ende 35 Vorsprünge 72 e. Der Spiegel am offenen Ende des hermetisch auf der flachen oberen Fläche des Trä- Hüllgefäßes ist durch Verschweißung eines federngers78 abgedichtet ist und deren anderes Ende durch den, ringförmigen Traggliedes 87 mit der Umfangsdas Befestigungsloch 72 d ragt. Die Anodenanord- wand des Endabschnittes 726 befestigt und hernung 74 ist oberhalb des Zwischenabschnittes 72 c metisch abgedichtet. Ein Kontaktstift 88 ist ebenfalls befestigt, wodurch das Anbringen des zylindrischen 40 in einer Seite des Spiegels 74 abgedichtet und liegt Hohlkörpers 24 in dem Zwischenabschnitt 72 c er- an der Chromelektrode an, die auf der Rückfläche leichtert wird. Die Vorsprünge 72 e des Mittel- des Abstimmelementes 42 aufgebracht ist, so daß zu abschnittes72c werden auf dem Hohlkörper 24 auf- diesem eine elektrische Verbindung hergestellt wird, geschrumpft. Dadurch ist das Hüllgefäß mit dem Nachdem der Laser zusammengefügt worden ist, Hohlkörper verbunden, während es gleichzeitig von 45 wird das Hüllgefäß 72 evakuiert und mit einer diesem einen festen Abstand aufweist, so daß die Mischung aus Helium und Neon gefüllt. Dieses erWirkungen äußerer Einflüsse auf den Hohlkörper folgt über die Auslaßöffnung 84 im Flansch 82 e am minimal werden. Endabschnitt 72 σ des Hüllgefäßes. Da das Hüllgefäß

Nachdem der Hohlkörper 24 ortsfest angebracht 72 mit dem Gasentladungsmedium bei einem kleineworden ist wird die Anode 74 gelöst und durch die 50 ren Druck als demjenigen des Umgebungsmediums Feder 80 nach unten gepreßt bis die untere Fläche (etwa 3 bis 6 Torr) eingefüllt wird und da die Spieder Umfangslippe des Trägers 78 entlang der öff- gel 20 und 54 jeweils mit einer Seite in Verbindung nung des Durchganges 40 federbelastet auf dem mit dem Gasentladungsmedium innerhalb des Hüll-Hohlkörper aufsitzt. Die Anodenanordnung 74 wird gefäßes und mit der anderen Seite in Verbindung mit dann befestigt und hermetisch abgedichtet. 55 dem Außenmedhim stehen, werden sie und das piezo-

Der Laser nach F i g. 2 enthält wiederum ein Paar elektrische Abstimmelement 42 gegen die Enden des

Spiegel 20 und 54. Der Spiegel 20 und eine ring- Hohlkörpers 24 durch die Druckdifferenz vor-

förmige Tragfeder sind innerhalb eines zylindrischen gespannt, die zwischen dem Gasentladungsmedium

Abschnittes der Befestigungsanordnung 82 befestigt in dem Hüllgefäß und der Umgebung außerhalb des

und abgedichtet Ein anderer zylindrischer Abschnitt 60 Hüllgefäßes herrscht

82 d mit verjüngtem Durchmesser ist mit dem ande- Im übrigen sind wiederum ein Elektromagnet 90

ren Ende des Abschnittes 826 verbunden und zur mit einer diesen speisenden Stromquelle 92 und eine

Umgebung hin geöffnet Ein ringförmiger Flansch 82 e Regelschaltung vorgesehen, wobei sich insgesamt die

ist zwischen dem Hüllgefäß 72 und der Befestigungs- gleiche Betriebsweise wie bei der Ausführungsfonn

anordnung fixiert und eine Auslaßöffnung 84 ist her- 65 gemäß F i g. 1 ergibt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

angeordneten und mit dem Entladungskanal in VerPatentansprüche: bindung stehenden Elektrodeneinrichtungen zum Erzeugen einer Gasentladung in dem Entladungskanal.

1. Frequenzstabilisierter Gaslaser mit einem Ein derartiger Gaslaser ist aus der US-PS 3 477336 einen Entladungskanal ausbildenden Hohlkörper, s bekannt.

einem Paar durch den Hohlkörper voneinander Aus der US-PS 3 453 557 ist ferner eine Regelim Abstand gehaltener optischer Elemente zur schaltung zum Stabilisieren der Frequenz eines Lasers wenigstens teilweisen Reflexion einer in dem Ent- bekannt, bei welcher ein Magnetfeld die Laserstrahladungskanal erzeugten Strahlung, einem zwischen lung in rechts und links zirkularpolarisierte Kompoden optischen Elementen angeordneten Abstimm- io nenten zerlegt, ein Detektor einen zusätzlichen Meßelement, dessen Ausdehnung in Richtung der op- strahl des Lasers aufnimmt und daraus in einem tischen Elemente durch elektrische Signale ver- Regler ein der Differenz der Amplituden der rechts änderbar ist, und in axialem Abstand voneinander und links zirkularpolarisierten Komponenten des angeordneten und mit dem Entladungskanal in Lasers proportionales Gleichspannungs-Regelsignal Verbindung stehenden Elektrodeneinrichtungen 15 ableitet und dieses einem piezoelektrischen Element zum Erzeugen einer Gasentladung in dem Ent- zuführt, so daß der Abstand zwischen den Laserspieladungskanal, dadurch gekennzeichnet, geln im Sinne einer Symmetrierung der Polarisationsdaß ein Hüllgefäß (10 in Fig. 1; 72 in Fig. 2) komponenten zwecks Konstanthaltung der Sollfredas Gasentladungsmedium einschließt, der Hohl- quenz des Lasers nachgeregelt wird,
körper (24) einen thermischen Ausdehnungskocf- to Der aus der US-PS 3 477 036 bekannte Gaslaser izientenvon ±4 X 10 'pro Chat, das Abstimm- weist ein relativ dickes, piezoelektrisches Abstimmelement (42) in axialer Richtung eine Länge zwi- element zwischen einem Ende eines den Entladungsichen den optischen Elementen (20, 54) hat, die kanal bildenden, zylindrischen Hohlkörpers und kleiner als 10⁰/o des Abstandes zwischen den op- einem der seitlich angeordneten Spiegelhalter auf, tischen Elementen ist und die optischen Elemente 25 welches selbst einer erheblichen Wärmedehnung und das Abstimmelement in axialer Richtung unterliegt und eine hohe Aussteuerungsspannung ergegen die entgegengesetzten Enden des Hohl- fordert. Dieses Abstimmelement hat glattgeschliffene körpers nahe den gegenüberliegenden öffnungen Endflächen, welche durch intermolekulare Flächendes Gasentladungsweges federnd verspannt sind. haftung dichtend mit dem Hohlkörper bzw. dem

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 30 einen Spiegelhalter verbunden werden sollen. Der teichnet, daß das Abstimmelement (42) eine thermische Ausdehnungskoeffizient des Hohlkörpers axiale Ausdehnung von weniger als 1 % des Ab- kann nicht wesentlich geringer gemacht werden als Standes zwischen den beiden optischen Elementen der durch die verfügbaren piezokeramisohen Werk-(20, 54) hat. stoffe vorgegebene Ausdehnungskoeffizient des Ab-