DE2109893A1

DE2109893A1 - Metallaser

Info

Publication number: DE2109893A1
Application number: DE19712109893
Authority: DE
Inventors: Marice Ceccaldi; Paul Goujon; Jean-Pierre Leicknam
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1970-03-02
Filing date: 1971-03-02
Publication date: 1972-08-03
Also published as: DE2109893C2; FR2091869A1; FR2091869B1; GB1292016A

Description

Patentanwälte
Dlpl.-Ing. R. Π Γι ET 2 sen.
Dlpl-In-,7. f. !..ATv'Pi'iSlCHT

Dr..ln₀. ϊ.'. l:,--E T 2 Jr. 2l1O-l6 7lQP O * 1Q71

8 München 22, Steinsdorfetr. 10 ^¹⁰"*¹⁰-' ¹I^ 2. ^. 1971

Commissariat ä 1'Energie Atomique, Paris (Frankreich)

Metallaser

Die Erfindung betrifft einen Metallaser, d.h. einen Laser, dessen aktives Medium ein Plasma ist, das Elektronen und Metall ionen aufweist.

In den letzten Jahren sind in Metalldämpfen Laserübergänge entdeckt worden. Dennoch haben die auftretenden Schwierigkeiten zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Verteilung des Metalldampfs im aktiven Lasermedium die Entwicklung von derartigen Metallasern sehr erschwert. Wenn man eine elektrische Entladung in einem Metalldampf erzeugt, der in einem Rohr großen Durchmessers enthalten ist, wird der Metallionenstrom zur Kathode durch eine Rückdiffusion dieser Ionen kompensiert, und die Verteilung des Metalldamps im Innern des Rohrs ist im wesentlichen gleichmäßig. Tatsächlich haben jedoch die für den Aufbau dieser Laser verwendeten Rohre im allgemeinen einen kleinen Durchmesser, so daß die Rückdiffusion, die proportional dem Rohrdurchmesser ist, gering ist. Es bildet sich daher ein verhältnismäßig großer Konzentrationsgradient der Metallionen in

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der Nähe der Kathode aus, was eine kontinuierliche Laseremission aufhebt. Trotzdem sind diese Schwierigkeiten durch den Bau von Lasern überwunden worden, die als aktives Medium ein Gemisch von Helium und Cadmium verwenden. Bei einem derartigen Lasertyp wird eine elektrische Entladung in Helium zwischen einer Anode und einer Kathode erzeugt. In der Nähe der Anode befindet sich ein kleiner Hohlraum, der metallisches Cadmium enthält, das durch Erhitzung verdampft wird. Das verdampfte Cadmium wird durch das Helium erregt, und es bildet sich ein Cadmiumionenstrom von der Anode zur Kathode aus. Bei seiner Ankunft in der Nähe der Kathode wird das Cadmium an den Rohrwänden kondensiert, indem es durch diese abgekühlt wird. Die maximale Ausgangsenergie eines derartigen Lasertyps hängt von der maximalen Dichte -der Cadmiumionen ab, die in der elektrischen Entladung auftreten. Die Wirkungsweise selbst eines derartigen Lasers begrenzt die Dichte des Cadmiumionenstroms und damit die maximale Ausgangsenergie. Außerdem kann die Wellenlänge des emittierten Lichts nur durch Änderung der optischen Eigenschaften der den Resonanzraum bildenden Spiegel variiert werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Metallaser anzugeben, der diese Schwierigkeiten vermeidet, d.h. der insbesondere einfach zu handhaben ist, vor allem für die Änderung der Wellenlänge des emittierten Lichts, und der eine höhere Ausgangsleistung zu erreichen gestattet.

Ein Metallaser mit einem Gehäuse, das mit einem unter Unterdruck steuernden Gas oder Gasgemisch füllbar ist und aufweist eine Anode und eine Kathode, zwei Spiegel, die an beiden Enden des Gehäuses oder in dessen Innern angeordnet sind und einen Resonanzraum bilden, und eine Einrichtung zur Erzeugung einer Ptentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode, wobei das Gehäuse an seinen beiden Enden durch zwei Fenster verschlossen ist, die sich auf der Achse des Resonanzraums befinden,

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ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode durch eine geradlinige Nut gebildet ist, die an ihren beiden Enden offen und in einen Block eingeschnitten ist, daß die Tiefe der Nut größer als deren Breite ist, daß die Achse der Nut mit der Resonanzraumachse zusammenfällt, daß die Wände der Nut elektrisch leitend sind, und daß die das aktive Lasermedium bildenden Plasmaionen aus den Wänden der Nut herausgeschlagene Metallionen sind.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der zwei AusfUhrungsbeispiele des erfindungsgemäßen Metallfaserε abgebildet sind. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Metallaser gemäß der Erfindung; und

Fig. 2 die wesentlichen Bauteile eines abgewandelten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung.

Das in Fig. 1 abgebildete Gehäuse des Lasers besteht aus einem Glasrohr 2, das an seinen beiden Enden durch zwei Fenster 4 verschlossen ist, die unter dem Brewster'sehen Winkel angeordnet sind. Auf der Achse des Glasrohrs 2 und an dessen beiden Enden befinden sich zwei Spiegel 6 und 8, von denen einer eine Totalreflexion vornimmt, während der andere halbdurchlässig ist, so daß ein Resonanzraum gebildet wird. Diese Bauteile sind an sich bekannt.

Das Rohr 2 enthält eine Kathode 10 und eine Anode 12j die Kathode 10 besteht aus einem Metallblock, in den über die ganze Länge eine rechteckige Nut 20 eingeschnitten ist, die an ihren beiden •Enden offen und deren Tiefe größer als deren Breite ist. Die Achse der Nut 20 fällt mit der Achse des Rohrs 2 sowie mit der Achse des von den Spiegeln 6 und 8 gebildeten Resonanzraums zusammen. Die hier beschriebene. Kathode stellt allerdings nur ·

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eine mögliche Ausführung dar. Grundsätzlich wird die Kathode durch einen Block gebildet, in den eine Nut eingeschnitten ist, die an ihren beiden Enden offen ist und deren Wände elektrisch leiten. Der Block kann aus einem metallischen Werkstoff oder einem elektrischen Isolierstoff bestehen, wobei in letzterem Fall die Wände der Nut teilweise oder ganz von einer Metallbeschichtung bedeckt sind. Diese Beschichtung bzw. der metallische Block besteht aus einem einzigen Metall oder aus einer Legierung. «Die Nut hat glatte Wände, und ihre Tiefe ist größer als ihre Breite. Die Kathode wird durch einen Kühlmittelkreis gekühlt, wobei das Kühlmittel bei 14 in einen durch den Kathodenblock verlaufenden Kanal ein- und bei 16 ausströmt. Die'Anode ist ein geradliniger Leiter, der parallel zur Nut angeordnet ist. Eine Spannungsquelle 18 erlaubt die Herstellung einer einstellbaren Potentialdifferenz zwischen der Anode 12 und der Kathode 10.

In Fig. Ib, die einen Schnitt A-A durch den Laser von Fig. la zeigt, ist die Tiefe der Nut 20 größer als deren Breite, und die Wand der Nut ist am Boden abgerundet. Der im Metallblock parallel zur Nut 20 verlaufende Kanal 22 erlaubt die Kühlung der Kathode. Die Anode 12 befindet sich oberhalb der Nut 20.

Gemäß Fig. 2, die eine perspektivische Ansicht von verschiedenen Bauteilen eines Metallasers'gemäß der Erfindung darstellt, wird die Kathode 10 durch einen Metallblock gebildet, auf dessen ganzer Länge eine Nut 20 mit Rechteckquerschnitt eingeschnitten ist, wobei die Tiefe der Nut größer als deren Breite ist. Die Nutwände sind glatt. Zwei Spiegel 6 und 8, von denen der eine sphärisch und der andere plan ist, sind auf der Achse der Nut 20 angeordnet und bilden einen Resonanzraum. Die Anode 12 wird durch drei geradlinige Leiter gebildet, die untereinander und zur Nut 20 parallel sowie oberhalb der Nut.20 angeordnet sind. Eine Spannungsquelle 18 ermöglicht, nacheinander unterschiedliche Spannungen an jeden der drei Leiter anzulegen. Eine metallische Beschichtung 24 ist z.B. durch thermisches Ver-

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dampfen in Vakuum auf dem Boden der Nut 20 aufgetragen. Das Metall, die Legierung oder die Verbindung, das bzw. die die Beschichtung 24 und den Metallblock bildet, sind verschieden. Die Beschichtung 24 kann auch die Seitenwände der Nut 20 bedecken.

Wenn die zwischen der Anode und der Kathode angelegte Spannung genügend groß ist, werden Metallionen aus den Wänden der Nut herausgeschlagen, was die Bildung eines Plasmas veranlaßt, das das aktive Lasermedium darstellt. Da die Tiefe der Nut größer als deren Breite ist und die Wände der Nut von Unebenheiten frei sind, bleibt das Plasma in der Nut eingeschlossen. Die Ionen werden vom die Nutwände bildenden Metall abgegeben, so daß sie Ionen des Metalls, der Legierung oder der Verbindung sein können, das bzw. die den Metallblock bildet, in den die Nut eingeschnitten ist, oder Ionen der Beschichtung 24. Wegen der Form der Kathode und der verwendeten Mittel, um das Plasma zu erzeugen, kann dieses eine sehr große Dichte und beträchtliche Länge aufweisen. Zweckmäßigerweise, jedoch nicht notwendigerweise verlaufen die elektrischen Feldlinien zwischen der Anode und der Kathode senkrecht zur Achse der Nut 20. Die Spamungsquelle 18 liefert eine Gleich- oder modulierte Spannung. Der Wert dieser Spannung kann sehr klein sein; er hängt ab vom Absaugpotential der Ionen, der Geometrie der Anoden-Kathoden-Einheit sowie der Leistung und der Wellenlänge des zu erzeugenden Laserstrahls.

Durch Änderung der zwischen der Anode und der Kathode angelegten elektrischen Spannung erhält man Plasma unterschiedlicher Temperatur und Dichte. Daher sind die Energieniveaus der angeregten Metallionen entsprechend dem Wert dieser Spannung nicht identisch und damit auch nicht die Besetzungsumkehrungen, die man im gebildeten Plasma erhalten kann. Wenn die benutzten Spiegel 6 und 8 breitbandig sind, kann die Wellenlänge des vom

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Laser emittierten Lichts durch einfache Variation der Anoden-Kathoden- Vor spannung geändert werden.

So hat man bei einem erfindungsgemäßen Metallaser, dessen Kathode den in pig. 2 gezeigten Aufbau hatte und aus einem Block aus rostfreiem Stahl bestand, über dessen ganze Länge eine Nut eingeschnitten war, aufderen Boden eine cadmiumschicht niedergeschlagen war, drei Laserstrahlungen verschiedener Wellenlänge für drei unterschiedliche Werte der Anoden-Kathoden-Spannung und einen Heliumdruck von etwa 6 mbar beobachtet. Die Strahlungswellenlängen betrugen 44l6 8, 5337 S bzw. 6j560 S für folgende Versuchsbedingungen: Anoden-Kathoden-Spannung von etwa 320 V, 28Q V bzw. 260 V und elektrischer Strom von etwa 2,9 A, 2,5 A bzw. 1,7 A. Wenn die Vorspannung zwischen der Anode und der Kathode abwechseln diese drei Werte annimmt, was leicht mit Hilfe einer modulierten Spannungsquelle l8 zu erreichen ist, tritt am Ausgang des Lasers ein Lichtstrahl auf, dessen Wellenlänge sich mit derselben Frequenz wie die Modulationsfrequenz der Vorspannung ändert. Ein Metallaser gemäß der Erfindung kann daher vorteilhaft zur Wiedergabe eines Farbbilds auf einem großen Schirm benutzt werden, z.B. für einen Fernsehempfänger. In letzterem Fall kann das Videofernsehsignal die Anoden-Kathoden-Vorspannung steuern, und zwar direkt oder indirekt über ein Gitter.

Die Ausgangsleistung des Laserstrahls kann erhöht werden, weil das im Innern der Nut gebildete Plasma eine große Länge und eine erhöhte Dichte aufweisen kann.

Außerdem kann man einen Laser mit zwei Strahlen mittels einer Kathode erreichen, die zwei Nuten hat, die entlang zwei verschiedenen Achsen ausgerichtet sind.

Die Erfindung kann in verschiedener Weise in Bezug auf die hier dargestellten AusfUhrungsbeispiele abgewandelt werden.

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Insbesondere können der Querschnitt der Nut und die Anode anders als in Fig. 1 und 2 abgebildet gewählt sein. Es ist auch möglich, zwischen der Anode und der Kathode ein Gitter anzuordnen,, das von einem Leiter gebildet wird, der auf einem variablen
elektrischen Potential relativ zur Anoden-Kathoden-Vorspannung liegt. Dieses Gitter gestattet, nach Belieben den Entstehungszeitpunkt des Plasmas zu verzögern und die Energie der erzeugten Ionen zu ändern.

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Claims

Patentansprüche

IJMetallaser rait einem Gehäuse, das mit einem unter Unterdruck steuernden Gas öder Gasgemisch füllbar ist und aufweist eine Anode und eine Kathode, zwei Spiegel, die an beiden Enden des Gehäuses oder in dessen Innern angeordnet sind und einen Resonanzraum bilden, und eine Einichtung zur Erzeugung einer "Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode, wobei das Gehäuse an seinen beiden Enden durch zwei Fenster verschlossen ist, die sich auf der Achse des Resonanzrauras befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode durch eine geradlinige Nut (20) gebildet ist, die an ihren beiden Enden offen und in einen Block (10) eingeschnitten ist, daß die Tiefe der Nut größer als deren Breite ist, daß die Achse der Nut mit der Resonanzraumachse zusammenfällt, daß die Wände der Nut elektrisch leitend sind, und daß die das aktive Lasermedium bildenden Plasmaionen aus den Wänden der Nut herausgeschlagene Metallionen sind.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (20) in einen Metallblock (1O) eingeschnitten ist.

5. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (10) aus einem elektrischen Isolierstoff besteht, und daß mindestens ein Teil der Wände der in den Block eingeschnittenen Nut (20) mit einer Metallbeschichtung bedeckt ist.

k. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil (24) der Wände der Nut (20) mit einer Beschichtung bedeckt ist, die aus mindestens einem Metall oder einer Verbindung dieses Metalls besteht, das andere Eigenschaften als der Metallblock hat.

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5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallblock (10) aus rostfreiem Stahl besteht, und daß die Metallbeschichtung Cadmium ist.

6. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (12) ein geradliniger elektrischer Leiter ist, der parallel zur Nut (20) und oberhalb von ihr angeordnet ist.

7. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (12) durch mehrere geradlinige elektrische. " Leiter gebildet ist, die parallel zueinander und zur Nut (20) sowie oberhalb dieser angeordnet sind.

8» Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Nut (20) senkrecht zu ihrer Achse ein Rechteck ist.

9. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil der Nut (20) breiter als deren oberer Teil ist (Pig. Ib),

10. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- | kennzeichnet_Λ daß die Kathode zwei Nuten hat, die auf zwei verschiedenen Achsen liegen.

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