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Gaslaser Die Erfindung betrifft Gaslaser mit dampfförmigem, durch
Entladung anregbarem, stimulierbarem Medium. Bei derartigen Gaslasern, beispielsweise
Helium-Cadmium-Lasern mit stimulierbarem Cadmiumdampf, ist es bekannt, das in Dampfform
stimulierbare Medium (Cadmiumionen) in fester Form im Lasergefäß in Anodennähe anzuordnen,
durch eine Heizvorrichtung zu verdampfen, die sich außerhalb des Lasergefäßes befindet,
den Dampf kataphoretisch durch den Entladungskanal des Lasergefäßes zu transportieren
und in Kathodennähe in einem auf entsprechend niedrigerer Temperatur gehaltenen
Kondensator wieder in den festen Zustand zu über führen.
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Ist der Vorrat an anodenseitigem Cadmium verbraucht, dieser kataphoretisch
zur Kathode transportiert und dort kondensiert, ist das Ende der Lebensdauer eines
derartigen Lasers erreicht. Dient ein teueres Metallisotop, 1i4 beispielsweise Cadmium
oder Cadmium (UV-Linie bei 325 nm) als Laserfüllung, ist rasches Unbrauchbarwerden
des Lasers besonders unerwünscht.
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Nicht an allen Stellen des Lasers herrscht, bedingt durch die zur
Dampfkondensation notwendige Temperatursenke, eine über dem Kondensationspunkt des
Dampfes liegende Temperatur. Dies führt an den Lasergefäßenden zur Metalldampfkondensation
und zu einem Beschlagen der das Lasergefäß nach außen abschließenden Brewsterfenster
bzw. Resonatorspiegel. Insbesondere eine Bedampfung des kathodenseitigen Gefäßabschlusses
kann auftreten.
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Die Laserleistung wird so sukzessive bis auf O vermindert.
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Dampfdichteschwankungen im Bereich des Kondensators führen zu Auggangssignal
schwankungen, deren Frequenzen in der Größenordnung von etwa 10 bis 100 kHz liegen
und deren Amplitude bis zu 50 % der mittleren Amplitude des Ausgangssignals betragen
kann.
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Es ist bekannt, mit elektrischen Mitteln (durch geeignete Elektrodenanordnung)
oder thermischen Mitteln, beinpielsweise durch Heizen der Brewsterfenster mit IR-Strahlern,
einer Metallda:apikondensation auf Brewsterfenstern bei Lasern mit stimulierbarem
Metalldampf vorzubeugen.
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Höhere Lebensdauer sowie Verringerung der Ausgangssignalschwankungen
werden erreicht, wenn kathodenseitige Dampfkondensation entfällt und über einen
zweiten entladungsfreien Weg Rückdiffusion des zur Kathode transportierten Metall
dampfes zur Anode erfolgt. Hierzu wird das Lasergefäß entsprechend geheizt, ein
geheizter Rücklauf ist ebenfalls vorgesehen.
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Ein bekannter Gaslaser mit Helium-Cadmium-Füllung besitzt ein langgestrecktes,
rohrförmiges, die Entladung führendes Teil, konzentrisch angeordnet zu einem rohrförmigen
Lasergefäß. Das Lasergefäß erstreckt sich über die Enden des die Entladung führenden
Teiles hinaus, ist mit optischen Mitteln, beispielsweise Brewsterfenstern, nach
außen abgeschlossen und enthält feste Elektroden (Anode, Kathode). Die Elektrodenanordnung
ist so gewählt, daß Beschlagen der Fenster vermieden wird. An einem Ende des Lasergefäßes
ist eine Hauptanode, am anderen Ende eine Hilfsanode vorgesehen, die Kathode kann
etwa in der Mitte liegen. Außerhalb des Lasergefäßes angeordnete Heizvorrichtungen
dienen zur Dampfdichteregelung.
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Riickdiffusion kataphoretisch in Kathodennähe transportierten Metalldampfes
zur Anode erfolgt im Ringraum zwischen dem die Entladung führenden Teil und dem
Lasergefäß. Um die Entladung zu zwingen, ihren Weg ausschließlich durch das die
Entladung führende Teil zu nehmen, eine dieses umgehende Entladung im Ringraum zwischen
den vom die Entladung führenden Teil etwas entfernt im Lasergefäßraum liegenden
Elektroden wirksam auszuschalten, ist der Ringraum mittels mehrerer, im Abstand
voneinander längs des die Entladung führenden Teiles angeordneter, ringförmiger,
dampfdurchlassender, elektrisch leitender Gitterelement. in mehrere Abschnitte unterteilt.
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Um die Dampfdichte in vorgegebenen Intervallen längs des die Entladung
führenden Teiles festzulegen, kann dieses außer über seine Enden an weiteren Stellen,
an mehreren über seine Länge verteilten Punkten, mit dem Ringraum in Verbindung
stehen (DT-OS 2 122 657).
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Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform eines Gaslasers mit Inertgas
und verdampfbarem, durch Entladung anregbarem, ionisierbarem, stimulierbarem Medium,
einem langgestreckten, rohrförmigen, mehrere Öffnungen längs der Entladungsstrecke
aufweisenden und die Entladung führenden Teil in einem konzentrisch zu diesem Teil
angeordneten Lasergefäß, das durch optische Mittel, die eine über Raumtemperatur
liegende Temperatur besitzen, gegen außen abgeschlossen ist und internen als Kathode
bzw. Anode ausgebildeten festen Elektroden in einem optischen Resonator ist gemäß
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden getrennt vom vom Lasergefäß
umschlossenen Raum angeordnet sind, unmittelbar mit dem von dem die Entladung führenden
Teil umschlossenen Raum, unter Ausschluß des Lasergefäßraumes, in direkter Verbindung
stehen, daß eine Vielzahl Öffnungen in geringem Abstand voneinander gleichmäßig
quer und längs der Entladungsstrecke über die Oberfläche des die Entladung führenden
Teiles verteilt sind, dieses gleichsam gleichmäßig perforiert erscheint, daß der
Querschnitt des die Entladung führenden Teiles so groß und der Querschnitt der Öffnungen
so klein gewählt sind, daß ein Durchtritt der Entladung in den vom Lasergefäß und
vom die Entladung führenden Teil begrenzten Ringraum unterbleibt, die Entladung
zwischen den Elektroden nur in dem die Entladung führenden Teil brennt, und eine
elektrische Heizvorrichtung vorgesehen ist, die Dampfkondensation auf den das Lasergefäß
abschließenden optischen Mitteln verhindert.
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Die Elektroden unter Ausschluß des Lasergefäßraumes in direkter Verbindung
mit dem vom die Entladung führenden Teil umschlossenen Raum anzuordnen, erlaubt
die bisher üblichen Gitterelemente im Ringraum wegzulassen.
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Zur optimalen Anregung von Laserniveaus gibt es - Druck des Inertgases
und des Metalldampfes vorgegeben - eine optimale Stromdichte. Bei einem 2 Helium-Cadmium-Laser
beträgt diese beispielsweise 2 A/cm . Bei hohen Strömen, wie sie bei Lasern mit
großem Querschnitt des die Entladung führenden Teiles und zur Erzielung einer entsprechend
hohen Laserleistung notwendig sind, entstehen merkbare Unterschiede in der Ionen-
und Atomkonzentration
im Lasergefäß. Die Vielzahl der Öffnungen
im die Entladung führenden Teil erlaubt Gasaustausch (Dampfaustausch) längs des
die Entladung führenden Teiles von allen Seiten - auch über die Elektrodenbereiche
hinaus - und wirkt derartigen Konzentrationsschwankungen wirksam entgegen. Der Querschnitt
der Öffnungen ist so klein gewählt, daß Durchtritt der Entladung in den Ringraum
vermieden wird. Um trotzdem wirksamen Gasaustausch zu erzielen, ist die Zahl der
Öffnungen entsprechend groß.
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Der Rücklaufweg bleibt jetzt auch ohne Gitterelemente entladungsfrei.
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Der Entladungsweg ist bei der gefundenen Elektrodenanordnung der energetisch
günstigste. Es muß nur dafür gesorgt werden, daß der Durchmesser des die Entladung
führenden Teiles gegenüber dem Lasergefäß groß genug gewählt wird.
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Da bei Metalldampflasern die Relaxation der unteren Laserniveaus durch
unelastische Atom-Atomstöße und nicht durch Wandstöße erfolgt, ist dies durchführbar.
Der besondere Relaxationsmechanismus erlaubt großen Querschnitt des die Entladung
führenden Teiles. Entsprechend hohe Entladungsströme können fließen.
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Eine Hilfsanode, die Bedampfen der Gefäßabschlüsse verhindert, kann
entfallen. Deren Aufgabe wird durch die elektrische Heizung, beispielsweise eine
entsprechend angeordnete Heizspirale im Bereich der Gefäßenden, bzw.
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Gefäßabschlüsse, übernommen.
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Die Erfindung wird anhand von Figuren noch näher erläutert.
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Figur 1 zeigt einen Gaslaser, einen Metalldampfionenlaser, gemäß der
Erfindung.
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Figur la zeigt den erfindungsgemäßen Gaslaser von vorne im Schnitt
entlang der Linie A-B.
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Figur Ib zeigt die Kathode des erfindungsgemäßen Gaslasers in Seitenansicht.
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Figur 2 zeigt den erfindungsgemäßen Gaslaser in einem Gehäuse.
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Der Gaslaser l besitzt ein langgestrecktes, rohrförmiges, die Entladung
führendes Teil 2 aus Quarz, Hartglas oder Keramik mit seitlichen Ansätzen
in
konzentrisch zu diesem angeordneten rohrförmigen Lasergefäß 4, das mit Brewsterfenstern
3 gegen außen abgeschlossen ist. Einen optischen Resonator bildende Spiegel, von
denen einer teilweise strahlungsdurchlässig ist, der andere dagegen total reflektierend
ausgebildet ist, können auf einer optischen Bank angeordnet werden oder statt der
Brewsterfenster als Gefäßabschluß dienen. Der Querschnitt des die Entladung führenden
Teiles 2 kann beispielsweise zwischen 0,1 und 10 cm betragen. Das die Entladung
führende Teil wird vom Mantel gefäß gehaltert, ist an einem seiner Enden fest mit
diesem verbunden, ragt mit dem anderen Ende frei in den Gasraum Der Zwischenraum
zwischen dem die Entladung führenden Teil 2 und dem Lasergefäß 4 erlaubt Rückdiffusion
zur Kathode 7 transportierten Metalldampfes zur Anode 8.
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Ein Inertgas, beispielsweise Helium, und festes Cadmium 6, bei spiels-Cadmium112
und Cadmium114 weise Cadmium1l und Cadmium1l , elementar oder als Bestandteil einer
Legierung, dienen als Laserfüllung. Das Cadmium kann an geeigneter Stelle im Lasergefäß
oder in einem mit dem die Entladung führenden Teil verbundenen, durch das Lasergefäß
nach außen geführten, heizbaren seitlichen Ansatz angeordnet sein. Statt Cadmium
kann als stimulierbares Medium auch Selen oder Zink Verwendung finden.
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Das die Entladung führende Teil 2 ist perforiert. Es weist über seine
gesamte Oberfläche gleichmäßig verteilt eine Vielzahl Öffnungen 5 auf (Figur 1,
Figur 1a), die längs der Entladungsstrecke einen Dampfkonzentrationsausgleich von
allen Seiten erlauben. Die Öffnungen können kreisförmigen, ovalen oder rechteckigen
Querschnitt aufweisen. Feste interne Elektroden sind in seitlichen Ansätzen des
die Entladung führenden Teiles kurz vor den Enden des die Entladung führenden Teiles
im von diesem und den seitlichen Ansätzen umschlossenen Raum angeordnet. Die Kathode
7 (Figur lb) liegt im seitlichen Ansatz 13 des die Entladung führenden Teiles 2,
steht vom Lasergefäßraum getrennt, über eine Öffnung 5' mit dem die Entladung führenden
Teil in Verbindung, die Anode 8 im seitlichen Ansatz 14 des die Entladung führenden
Teiles endet unmittelbar in diesem.
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Elektrische Heizspiralen 9 dienen zum Beheizen der Lasergefäßenden.
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Damit die Elektrodenheizung bzw. die durch die Entladung hervorgerufene
Erwärmung ausreicht, Dampfkondensation zu verhindern, sind die Elektrodenansätze
klein gehalten.
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Zum Verdampfen des Cadmiums und zum Aufrechterhalten der gewünschten
Temperatur im Laser kann die Wärmeenergie der Entladung ausgenutzt werden. Gegebenenfalls
kann das Lasergefäß zusätzlich noch mit einer elektrischen Heizspirale versehen
sein. Auch kann noch eine Anode vorgesehen werden. Die Kathode liegt dann in der-Mitte,
die Anoden im Bereich der Enden des die Entladung führenden Teiles und innerhalb
des von diesem und seinen seitlichen Ansätzen umschlossenen Raumes.
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Um Kühlung durch Konvektion zu vermeiden, möglichst sicher die gewünschte
hohe Betriebstemperatur zu erreichen und um Temperaturkonstanz der Laseranordnung
zu erzielen, kann der Laser 1 auch in einem als Ofen auJgebildeten Gehäuse 10, beispielsweise
aus Aluminium1 untergebracht sein (Figur 2). Eine elektrische Heizung, eine von
Keramikstäben 11 getragene Heizwicklung 12 dient zum Beheizen der Brewsterfenster.
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In der beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gaslasers
mit Helium-Cadmium-Füllung beträgt der Heliumdruck etwa 4,5 Torr, der Quer-2 schnitt
des die Entladung führendes Teiles 0,5 cm , das Verhältnis des Lasergefäßquerschnitts
zum Querschnitt des die Entladung führenden Teiles etwa 3 s 1 und der Durchmesser
der Öffnungen 5 etwa 2,0 mm. Die Öffnungen 5 sind im Abstand von 1 cm voneinander
angeordnet. Auf einer Länge von 10 cm des die Entladung führenden Teiles sind etwa
30 Öffnungen gleichmäßig über die gesamte Oberfläche verteilt. Besitzen die Öffnungen
rechteckigen Querschnitt, d.h. sind sie als Schlitze ausgebildet, beträgt die Schlitzbreite
etwa 1 mm, die Schlitzlänge 10 mm.
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- Patentansprüche -