DE2326561A1

DE2326561A1 - Gaslaser

Info

Publication number: DE2326561A1
Application number: DE2326561A
Authority: DE
Inventors: Jacques Becrelle; Andre Besson
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1972-05-24
Filing date: 1973-05-24
Publication date: 1973-12-13
Also published as: FR2185874B1; FR2185874A1; JPS4962095A; GB1422602A; US3936767A; DE2326561C2; JPS5537864B2

Description

Unser Zeichen; T 1393

THOMSON-CSP

173 Bd.Haussmann

7500B Paris, Frankreich

Gaslaser

Die Erfindung betrifft Gaslaser„ Sie befaßt sich insbesondere mit einer neuartigen Ausbildung der Katode des Erregungskreises, welcher die Entladung in der Gasmischung solcher Laser entstehen läßt, wobei dieser Erregungskreis in an'sich herkömmlicher Weise durch zwei Elektroden, nämlich eine' Katode und eine Anode gebildet ist.

Ganz allgemein enthält ein Gaslaser in einem dichten Glaskolben, der mit einer Gasmischung (beispielsweise einer Helium-Neon-Mischung) gefüllt ist, einerseits einen optisehen Resonator mit Spiegeln, welcher die elektromagnetische Mikrometerwelle oder Lichtwelle (oder auch J'Laserwelle")aufrechterhält und abgibt, und andrerseits einen Erregungskreis,der durch eine Katode und eine Anode gebildet ist. Das Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen der Katode und der Anode verursacht eine Entladung in der Gasmischung, und die Laser-Lichtwelle wird in klassischer Weise in dem Resonator aufrechterhalten und verstärkt. Die Katode kann entweder eine Kaltkatode oder eine heiße Katode sein. Die Erfindung betrifft ausschließlich die Kaltkatoden-Gaslaser _a

309850/0916

Je nach dem Aufbau des betreffenden Lasers kann sich die Katode entweder außerhalb des Resonators befinden, wobei dann der Glaskolben im -allgemeinen die Form eines U hat, von dem ein Schenkel den Resonator bildet, und der andere Schenkel die Katode enthält, oder sie kann rings um den Resonator angeordnet sein, wobei das Laser dann eine "koaxiale" Struktur hat. Beispiele für koaxiale Laser"sind in der US-PS 3 495 119 beschrieben. Die Erfindung eignet sich für diese beiden Arten von Gaslasern.

Bei allen bisher bekannten Lasern dieser Art ist die Katode eine- Elektrode in Form eines zylindrischen Rohres, das in den Glaskolben eingeschlossen ist. Dieser Aufbau ergibt mehrere Nachteile. Die Oberfläche der Katode ist notwendigerweise begrenzt, was zur Erhöhung ihrer Erwärmung beiträgt; ferner ist die Wärmeabfuhr nur sehr schwer möglich, weil die Wärmeschränke überschritten v/erden muß, die durch die Glaskolben gebildet wird. Die Leistung, die von derartigen Lasern emittiert werden kann, ist dadurch notwendigerweise begrenzt.

Das Ziel der Erfindung ist die Verbesserung von Kalikatoden-Gaslasern in der Weise, daß bei gleichem Raumbedarf des Laserrohres Katoden mit größerer Oberfläche verwendet werden können, die daher eine geringere Neigung zur * Erwärmung im Betrieb zeigen und leichter gekühlt werden können.

Ferner sind die nach der Erfindung ausgeführten Laser weniger zerbrechlich und einfacher herzustellen, wie die Gaslaser nach dem Stand der Technik, insbesondere in der "koaxialen" Ausbildung.

Bei den herkömmlichen Lasern, und zwar auch bei den koaxialen Lasern, sind nämlich die beiden Spiegel, welche

309850/0 915

2328561

den die Laser-Mikrometerwelle aufrechterhaltenden Resonator verschliessen, im allgemeinen nicht direkt an dem Glaskolben befestigt, sondern an einem starren und nicht verformbaren Gestell, das als Träger für die Spiegel und das Laser selbst dient. Der Grund für diese bevorzugte Maßnahme besteht darin, daß die Orientierung der Spiegel in Bezug auf die Achse des Resonators sehr präzise eingestellt und im Betrieb bleiben muß. Nun wird jedoch der Glaskolben unter der Wirkung der im Reson.ator aufrechterhaltenen Entladung sehr stark erwärmt, was zu mechanischen Verformungen führt, vrelche die Lage der Spiegel beeinträchtigen würden» wenn diese direkt an dem Glaskolben befestigt wären. Natürlich ist die Verwendung dieses Gestells ein größer Nach- · teil sowohl im Hinblick auf die erforderlichen Einjustierungen als auch hinsichtlich des Raumbedarfs und der Fertigung der Laser.

Bei den nach der Erfindung ausgeführten koaxialen Lasern kann dieses Gestell- entfallen; das Laser hat daher eine kompakte und wenig empfindliche Struktur und ist dennoch ebenso präzise wie die bekannten Laser.

Bei dem Gaslaser na'ch der Erfindung, gleichgültig ob es von. koaxialer oder nicht koaxialer Struktur ist, ist die Katode durch ein Aluminiumrohr gebildet, das einen integrierten Bestandteil des dichten Kolbens des Laserrohres bildet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellte Darin zeigen:

Fig.1 eine schematische Schnittansicht eines Gaslasers mit nichtkoaxialer Struktur nach der Erfindung,

Fig.2 eine schematische Schnittansicht einer möglichen Ausführungsform eines Gaslasers mit koaxialer

303850/091S

Struktur und zwei Anoden nach der Erfindung,

Fig.3 eine Schnittansicht einer abgeänderten Ausführung eines-Teils eines Lasers von Fig.2 und

Figο4 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines Gaslasers mit koaxialer Struktur und einer Anode nach der Erfindung.

Fig.1 zeigt sehr schamatisch in Schnittansicht die wesentlichen Bestandteile einer Ausführungsform eines Kaltkatoden-Gaslasers mit einer nichtkoaxialen Struktur.

Der dichte Glaskolben 1 hat einen ersten Schenkel 2, der den- optischen Resonator bildet, der an seinen beiden Enden durch halbdurchlässige Spiegel 3 und 4 verschlossen ist. Der Spiegel 4 ist beispielsweise derjenige., der die Lichtwelle (Pfeil 5) aus dem Resonator austreten läßt. Der zweite Schenkel 6 des Kolbens endet in einem zylindrischen Rohr 7 aus Aluminium, das die Katode des Erregungskreises bildet, dessen Anode beispielsweise bei 8 liegt«,

Das Rohr 7 ist natürlich an einem Ende verschlossen, während das andere Ende mit dem Schenkel 6 des Kolbens verschweißt ist. Die Katode 7 1st beispielsweise mit dem Glaskolben 6 über ein. rohrförmiges Teil 101 aus einer Legierung verbunden, die mit dem Glas des Kolbens verschweißbar ist, beispielsweise der unter der Handelbezeichnung' Kovar bekannten Legierung .

Die Katode 7 wird an ein Bezugspotential, beispielsweise Massepotential gelegt, während die Anode 8 auf ein Potential V gebracht wird, das geeignet ist, die Entladung der Gas-

309850/09 1 5

2^& ^% f^ P⁷ PS £3 1 /hnh ι w i. U U U j

mischung zu zünden^ mit "welcher der so gebildete dichte Kolben gefüllt ist.

Die Gasmischung ist· beispielsweise in herkömmlicher Art eine Helium-Weon^Mischungp die durch einen Pumpstutzen 9 in den Kolben eingebracht wird_P nachdem der Kolben über den gleichen Pumpstutzen evakuiert worden ist_o

Die mit dem so gebildeten Laser erzielten Vorteile sind deutlich erkennbare Einerseits sind die Abmessungen der Katode nicht auf die Abmessungen des Glaskolbens beschränkt; andererseits steht die Katode 'in direktem Kontakt mit der äußeren Atmosphäre und ist daher leicht zu kühlen_o

Fig.2 zeigt schematisch eine Schnittansicht uiies Lasers mit koaxialer Struktur_oAuch in diesem Fall handelt es sich wieder um ein Kaltkatoden~Gaslaser (beispielsweise mit einer Helium-Neon-Mischung)„

Die Katode 10 ist durch ein zylindrisches Aluminiumrohr gebildet₉ an dessen Enden zwei Stirnwände 11 und 12 ₅ gleich= falls aus Aluminium angeschweißt sind_o Durch die Mitte jeder dieser Stirnwände ist ein Kapillarrohr 13_S 14 aus einem » starren Isoliermaterial beispielsweise Keramik geführte Die beiden Kapillarrohre liegen in geringem Abstand in Verlängerung voneinander^ der freie Zwischenraum zwischen ihnen ermöglicht den Übergang der Entladung₈ wie später erläutert wird_e

Am Außenende jedes Kapillarrohres 13 und 14 ist eine zylindrische Anode 15 bzw_o 16 befestigt, die beispiels·= weise aus Kovar besteht„ Schließlich sind an den beiden Anoden die beiden halbdurchlässigen Spiegel 17 und 18 befestigtj die den Kolben verschliessen und zusammen mit dem Innsnraum der Kapillarrohre 13 und 14 den optischen

3ÖSI5Ö/QI18

232656

Resonator bilden, der die·Laserwelle verstärkt), die sich aus der Entladung ergibt, wie später erläutert wird*

Wenn alle diese Bestandteile zusammengebaut sind_? kann der so gebildete dichte Kolben über einen Pumpstutzen 19 evakuiert und dann mit der geeigneten Gasmischung gefüllt werden; der Pumpstutzen wird anschliessend nach der üblichen Technik verschlossen«

Dieses Ausführungsbeispiel ist besonders einfach herzu·» stellen; es ergibt mit verhältnismäßig geringen Kosten · ein Laser mit guter Leistung und vorteilhafter Struktur« Insbesondere ermöglicht diese Ausführungsform den Fortfall des " Gestells "₉ da das die Katöde bildende Aluminiumrohr die Rolle des Gestells übernimmt»

Das Laser hat somit eine kompakte Struktur _s da die Spiegel direkt an den Enden des Resonators befestigt sind, ohne daß die Genauigkeit und die Konstanz ihrer Einstellung dadurch beeinträchtigt wird, da die Katode kalt bleibt und sich nicht verformt.

Die Fertigung dieser Laser kann industefell unter guten Bedingungen erfolgen.Es genügt beispielsweise ₉ die Anoden 15 und 16 dicht mit den Kapillarrohren zu verbinden und dann die Kapillarrohre 13 und 14 , gleichzeitig mit dem Pumpstutzen 19 durch Hartlöten an den Stirnwänden 11 und zu befestigen. Hierfür kann es zweckmässig sein, das Hartlötverfahren anzuwenden, das in der DT=OS 2 253 915 beschrieben ist.

Die Katode 10 wird anschließend an den beiden Stirnwänden und 12 befestigt, beispielsweise durch Helium-Lichtbogenschweissung über ihren ganzen Umfang_$ wie bei F in Fig,2 angedeutet ist« Während dieser Operation wird eine Stange in

309850/0915

2326581

die "beiden Kapillarrohre eingeführt, damit sie genau in Verlängerung voneinander liegen« Nach Beendigung des Vorgangs wird die Stange entfernt»Die Spiegel 17 und 18 ■werden dicht mit den beiden Anoden 15 bzw» 16 verbunden^ der Kolben wird über den Pumpstutzen 19 evakuiert und mit der Gasmischung gefüllt _t und schließlich wird der Pumpstutzen 19 verschlossen«

Das Anlegen einer geeigneten Erregungsspannung zwischen den beiden-Anoden 15 und 16 einerseits und der Katode 10 andererseits verursacht eine Entladung in der Gasmischung_p die bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel in Wirklichkeit aus zwei parallelen Entladungen zwischen der Katode 10 und den beiden Anoden 15 und 16 besteht_o

Der zwischen den beiden Spiegeln 17 und 18 liegende Resonanzraum, der hauptsächlich durch die Innenräume der Kapillarrohre 13 und 14 gebildet ist, verstärkt die Laserwelle in klassischer Weise„ Diese Welle tritt aus dem Resonanzraum durch einen der beiden Spiegel ausρ der zu diesem Z\?eck halbdurchlässig ist«,

Versuche, die an derartigen Lasern vorgenommen worden sind, haben gezeigt,daß unter bestimmten Verwendungsbedingungen nach einer gewissen Zeit die vom Laser emittierte Strahlungsleistung abnehmen kann» Es scheint, daß diese Verringerung der Güte des Resonators auf 'einer Ansammlung von Gasionen an den .direkt an den-Anoden befestigten Spiegeln beruht.

Fig.3 zeigt eine andere Befestigung der Spiegel, welche die Beseitigung dieses Nachteils ermöglicht. Die Spiegel (von denen hier nur der Spiegel 17 dargestellt ist, wobei

309850/0915

natürlich der Spiegel 18 in gleicher Weise montiert ist) sind dicht mit einem isolierenden Zwischenstück 20 verbunden, beispielsweise aus Aluminiumoxids, das seinerseits (zugleich mit den Teilen 13 bzw«, 14) durch Hartlöten mit · den Anoden verbunden wird«

Die koaxialen Laser der beschriebenen Art ergeben beträchtliche Vorteile gegenüber den Lasern nach dem Stand der Technik»

Y/ie bei dem in Verbindung mit Fig<,1 beschriebenen Laser sind die Bedingungen für die Kühlung der Katode sehr gut, wodurch die Leistungswerte verbessert werden können.

Das Laser bildet einen kompakten Block, dessen größter Teil, nämlich die Katode ₉ auf dem als Bezugspotential dienenden Massepotential liegt* Es ist nicht zerbrechlich und kann mit minimalen Vorsichtsmaßnahmen direkt in die Geräte eingebaut werden, beispielsweise den Flugzeugen oder Flugkörpern.

Die Fertigung ist einfach und umfaßt nur maschinelle Bearbeitungen (Drehbank, Hartlöten) unter Ausschluß jeglicher Handarbeit,'wie Glasbläserei.

Ferner ist es bei dem hier beschriebenen Beispiel wegen des Bestehens von zwei parallelen Entladungen infolge des Vorhandenseins von zwei Anoden und zwei Kapillarrohren möglich, für die gleiche Ausgangsleistung eine kleinere Speisespannung anzuwenden, was sowohl hinsichtlich der Kosten als auch hinsichtlich des Raumbedarfs und insbesondere de's Gewichts von Vorteil ist.

Fig.4 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform des beschriebenen koaxialen Lasers, die jedoch ein Laser von unsymmetrischer Struktur mit einer einzigen Anode und

309850/0915

<C vi (C. U vJ vj ρ

einer einzigen Entladung betrif£t_o>

Die Katode 10 ist wie in Figo 2 durch ein zylindrisches Aluminiumrohr gebildet_ρ an dessen Enden zwei Stirnwände 11 und 12's gleichfalls aus Aluminiumsangeschweißt sind* . Ein Kapillarrohr 13 aus einem starren Isoliermaterial? beispielsweise Keramik^ ist durch die Mitte der Stirnwand hindurchgeführt und ragt nach außen aus dem Kolben heraus _o Es ist dicht mit der Stirnwand 11 verbunden^ beispielsweise durch Hartlöten nach dem zuvor erwähnten. Verfahrene

Am Ende dieses aus der Stirnwand 11 ragenden Kapillarrohres ist eine zylindrischeAnode 15 befestigt _s die beispielsweise aus Kovar besteht. Einer der beiden den Resonator und den dichten Kolben verschliessenden halbdurchlässigen Spiegel _s nämlich der Spiegel 17₉ ist an dieser Anode 15 befestigt ₉ beispielsweise über ein isolierendes Zwischenstück 20 airs Aluminiumoxid, das seinerseits durch Hartlöten mit dur Anode 15 verbunden ist» ^N

Das andere Ende 14 des Kapillarrohres 13 ist durch die Mitte der Stirnwand 12 geführt _v Jedoch nicht aus dem von. der Katode und der Stirnwand 12 gebildeten Zylinder nach außen verlängert* Es ist ferner.an dieser Stirnwand nicht befestigt, so daß es bei einer Wärmeausdehnung unter der Wirkung der durch die Entladung erzeugten Wärme in dieser Stirnwand gleiten kann und keine mechanische Spannung verursacht. An diesem Ende des Zylinders ist der zweite Spiegel 18 des Resonanzhohlraums direkt auf der Stirnwand 12 dicht befestigt.

In dem Kapillarrohr 13 ist nahe seinem Ende 14 ein zylindrisches Loch 21 angebrachtj das den zentralen Kanal 22 des Kapillarrohres mit dem gasgefüllten Raum 23 in Verbindung

- -SO -

7326561

bringt,, damit der Übergang der Entladung zwischen der Anode 15 und der Katode 10 möglich ist»

Ein "beispielsweise an der Stirnwand 11 befestigter Pumpstutzen 19 eimb'glicht das Evakuieren des Raumes 23 und dann das Füllen dieses Raumes mit der geeigneten Gas™ mischung; er wird anschliessend in herkömmlicher Weise verschlossen.

Die Fertigung eines derartigen Lasers erfolgt im wesent·» liehen in der gleichen Weise, wie sie zuvor für das koaxiale Laser mit zwei Anoden beschrieben worden ist.

Patentansprüche

3QtSSQ/0915

Claims

Patentansprüche

Kaltkatoden-Gaslaser mit einem mit einer Gasmischung gefüllten dichten Kolben^ einem optischen Resonator mit zwei halbdurchlässigen Spiegeln und einem Erregungskreis für die Erregung einer Entladung in der Gasmischung_g zu dem eine Kaltkatode und eine Anode gehören^ an die eine Erregungsspannung angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Katode durch ein Aluminiumrohr (J₉ 10) gebildet ist, das einen integrierten Bestandteil des dichten . Kolbens bildet. "

2» Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet_p daß der Kolben zwei Glasschenkel aufweist, von denen der eine Schenkel (20) an seinen beiden Enden durch die .beiden . Spiegel(3₃ 4) verschlossen ist und den Resonator bildet₉ in den die Anode (8) ragt_P und daß der zweite Schenkel (6) an seinem nicht mit dem ersten Schenkel verbundenen Ende durch das die Katode bildende Aluminiumrohr (7) verlängert ist, von dem ein Ende an dem zweiten Schenkel (6) befestigt ist und dessen anderes Ende geschlossen ist_o

3» Gaslaser nach Anspruch 1_p dadurch gekennzeichnet _a daß durch das die Katode bildende Alumiumrohr (10) entlang seiner Achse zwei isolierende Kapillarrohre (13» 14) in Verlängerung voneinander hindurchgeführt sind, daß jedes Kapilllarrohr (13, 14) an dem ausserhalb der Katode liegenden Ende durch eine zylindrische Anode (15?16) verlängert ist, und daß die beiden Kapillarrohre an ihren außerhalb der Katode liegenden Enden durch die beiden halbreflektierenden Spiegel (17, 18) verschlossen sind.

309850/0915 ,

4_β Gaslaser nach Anspruch 1 _s dadurch gekennzeichnet_s daß durch das als Katode dienende AliaEiniumrohr (10) entlang seiner Achse ein isolierendes Kapillarrehr (13) hindurchgeführt ist, dessen zentraler Kanal(22) in der Nähe eines der beiden Enden(i4) des Kapillarrohres mit dem Gasraum in Verbindung stehtj daß das andere Ende des Kapillarrohres aus der Katode (10) nach außen ragt und durch eine zylindrische Anode (15) verlängert 'ist, an der ein halbreflektierender Spiegel (17) angebracht ist, der den Gasraum verschließt, und daß der zweite halbreflektierende Spiegel (18) am anderen Ende des durch das Kapillarrohr (13) gebildeten Resonators direkt dicht mit der Katode (10) verbunden ist»

"5. Gaslaser nach Anspruch 3 oder 4_S dadurch gekennzeichnet, daß ein Isolierendes zylindrisches Teil (20) zwischen die Anode bzw«, die Anoden und den bzw_o die entsprechenden halbreflektierenden Spiegel eingefügt ist«

3 0 9850/0915

I -α /a re 0 ι