DE2332453A1 - Innenmodulierter gaslaser - Google Patents

Description

RCA 66,O55
U.S.Ser.No. 266,074
Filed;June 26, 1972

RCA Corporation

New York N.Y. (V.St.A.)

Innenmodulierter Gaslaser

Die vorliegende Erfindung betrifft einen innenmodulierten Gaslaser mit zwei Reflektoren, die einen auf eine vorgegebene Wellenlänge abgestimmten optischen Resonator begrenzen, in dem zwei Gasentladungsröhren fluchtend hintereinander angeordnet sind, von denen die erste mit einem ersten Gas gefüllt ist, in dem durch eine Gasentladung Schwingungsenergie der vorgegebenen Wellenlänge erzeugbar ist, und von denen die zweite mit einem zweiten Gas gefüllt ist, in dem eine Gasentladung zum Absorbieren eines Teiles der in der ersten Gasentladungsröhre erzeugten und die zweite Gasentladungsröhre durchsetzenden Schwingungsenergie erzeugbar ist.

Ein solcher Gaslaser, bei dem das in einer ersten Gasentladungsröhre erzeugte Licht durch teilweise Absorption in einer zweiten Gasentladungsröhre modulierbar ist, ist aus der UC-PS 3 321 714 bekannt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Gaslaser zu vereinfachen und seine nutzbare Lebensdauer zu erhöhen.

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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Beim Gaslaser gemäß der Erfindung enthält die zweite Gasentladungsröhre lediglich zwei Elektroden, von denen die eine eine kalte Kathode und die andere eine Anode ist, was wesentliche Vorteile gegenüber der Verwendung einer dreipoligen Gasentladungsröhre mit heißer Kathode ergibt, wie sie bei dem Gaslaser gemäß der US-PS 3 321 714 verwendet wird. Die Vorteile einer kalten Kathode gegenüber einer heißen Kathode sind u.a. erstens keine Anheizzeit; zweitens keine thermische Verformung des Resonators durch die von der Kathode abgegebene Wärme und drittens keine Stromversorgung für die Kathodenheizung. Gemäß einem anderen Merkmal des erfindungsgemäßen Gaslasers sind die beiden Gasentladungsröhren und die den optischen Resonator begrenzenden Reflektoren vorzugsweise mechanisch miteinander verbunden, so daß sich ein innenmodulierter Gaslaser in Form einer einstückigen Struktur ergibt. Durch dieses Merkmal ergibt sich zusammen mit der langen Lebensdauer ein kommerziell brauchbarer innenmodulierter Gaslaser, der einfach ist, eine lange Lebensdauer hat und preisgünstig hergestellt werden kann.

Im folgenden wird ein in der Zeichnung im Längsschnitt dargestelltes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, wobei weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes zur Sprache kommen werden.

Der in der Zeichnung dargestellte innenirodulierte Gaslaser enthält eine erste Gasentladungsröhre 10 und eine zweite Gasentladungsröhre 12. Die erste Gasentladungsröhre 10 besteht aus einer Kapillarröhre 14, welche eine axial verlaufende Bohrung 16 aufweist. Am rechten Ende der Kapillarröhre 14 ist ein erster Spiegel 18 angebracht, der das rechte Ende der Bohrung 16 dicht abschließt. Mit dein linken Ende der Kapillarröhre 14 ist ein Brewster-Fenster 20 verbunden, das das linke jiiie der

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iiohrung 16 verschließt. Die Kapillarröhre 14 ist von einem hermetisch geschlossenen Kolben 22 umgeben, dessen linkes und rechtes Ende außen an die Kapillarröhre 14 angeschmolzen ist, wie die Zeichnung zeigt. Die Wand der Kapillarröhre 14 hat in der Nähe des Brewster-Fensters 20 ein Loch 24, durch das eine Verbindung zwischen der Bohrung 16 und dem Inneren des Kolbens 22 hergestellt wird. Sowohl die Bohrung 16 als auch das Innere des Kolbens 22 sind mit einem stimulierbaren Gas, z.B. einer Helium-Neon-Mischung, gefüllt.

Die Wand der Kapillarröhre 14 wird ferner in der iJähe des ersten Spiegels 18 von einer eingeschmolzenen Anodenelektrode 26 durchsetzt. Koaxial zur Bohrung 16 und im Abstand vom mittleren Teil der Kapillarröhre 14 ist eine zylindrische Kaltkathodenelektrode 28 angeordnet,Die Kaitkathodenelektrode 28 ist mit einem Leiterstift 30 verbunden, der die Viand des Kolbens 22 durchsetzt und mit dieser dicht verschmolzen ist. Mit der Anodenelektrode 26 und dem Leiterstift 30 sind die positive bzw. negative Klemme einer Laserenergiequelle 32 verbunden, um in dem in er ersten Gasentladungsröhre 10 enthaltenen Gas eine Entladung zu erzeugen. Diese Entladung liefert durch stimulierte Emission Schwingungsenergie einer vorgegebenen Wellenlänge.

Die zweite Gasentladungsröhre 12 enthält eine zweite Kapillarröhre 34 mit einer zweiten Bohrung 36, die mit der Bohrung 16 koaxial ist. Wie dargestellt, ist die zweite Kapillarröhre 34 longitudinal kolinear und in Reihe mit der Kapillarröhre 14 angeordnet. Das rechte Ende der zweiten Kapillarröhre 34 ist offen und hat, wie dargestellt, einen gewissen Abstand vom ßrewster-Fenster 20. Das linke Ende der zweiten Kapillarröhre 34 ist mit einem zweiten Spiegel 38 verbunden, der das linke Ende der zweiten Bohrung 36 dicht verschließt. Mit dem linken Ende des Kolbens 22 der ersten Gasentladungsröhre 10 ist mittels einer Epoxyharzverbindung das rechte Ende eines zweiten Kolbens 40 luftdicht verbunden. "Das linke I^nde des zweiten Kolbens

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40 ist mit der Außenseite der zweiten Kapillarrohre 34 an einem Punkt etwa in der Mitte zwischen den Enden dieser Kapillarröhre dicht verschmolzen. Die Wand der Kapillarrohre 34 wird in der Nähe des zweiten Spiegels 38 von einer Anodenelektrode 44 durchsetzt. Im Inneren des Kolbens 40 befindet sich eine zweite zylindrische Kaltkathodenelektrode 46, die im wesentlichen koaxial zur zweiten Bohrung 36 und im Abstand von der zweiten Kapillarrohre 34 montiert ist. Die zweite Kaltkathodenelektrode 46 ist mit einem Leiterstift 48 verbunden, der durch die Wand des zweiten Kolbens 40 nach außen führt.

Die zweite Bohrung 36 und das Innere des zweiten Kolbens 40, sind mit einem Gas, wie Neon unter einem Druck von Torr, gefüllt, in dem eine Gasentladung zur Absorption eines Teiles der durch die erste Gasentladungsröhre 10 erzeugte Schwingungsenergie unterhalten werden kann. Die Gasentladung in der Bohrung 36 und im Inneren des Kolbens 40 v/ird durch eine Modulatiortssignalquelle 50 erzeugt und in ihrer Intensität gesteuert, deren negative Klemme direkt mit dem Leiterstift 48 und deren postive Klemme über einen Vorwiderstand 52 mit der Anodenelektrode 44 verbunden sind. Die Intensität der Entladung in der Bohrung 36 und im Inneren des Kolbens 4O wird durch die Modulationssignalquelle 50 in einem Bereich gesteuert, der von einem ersten Wert, bei dem die Entladung für die Schwingungsenergie der durch die Gasentladungsröhre 10 erzeugten Wellenlänge im wesentlichen transparent ist, bis zu einem zweiten Wert, bei dem die Entladung für die S chwingungsenergie dieser vorgegebenen Wellenlänge im wesentlichen undurchlässig ist, reicht. Bei dem Labormodell, das als Gasfüllung für die erste Gasentladungsröhre 10 eine Mischung von Helium und Neon und als Gasfüllung für die zweite Röhre im wesentlichen ausschließlich Neon unter einem Druck in der Größenordnung von 10 Torr enthielt, erstreckte sich der Wertbereich für die Intensität der Entladung von etv/a 1 mA bis etwa 8 mA.

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Das Brewster-Fenster 20 wird gegen die Einflüsse der im Inneren des Kolbens 40 brennenden Gasentladung durch eine Schutzabschirmung, z.B. eine Glashülse 54 geschützt, die das Brewster-Fenster 20 umgibt. Wie die Zeichnung zeigt/ ist die Schutzhülse 54 über das linke Ende der Kapillarrohre 14 geschoben und wird von diesem getragen. In der Praxis ist die Schutzhülse 54 mit der, Außenwand des linken Endes der Kapillarrohre durch eine Schicht aus Epoxyharz verklebt, diese Schicht ist jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt, um letztere nicht unnötig unübersichtlich zu machen.

Die beiden Spiegel 18 und 38 sind in bezug aufeinander so orientiert, daß sie einen optischen Resonanzhohlraum bilden, der die Bohrung 16 der ersten Gasentladungsröhre 10, das Brewster-Fenster 20, eine Durchbrechung 56 in der Schutzhülse und die Bohrung 36 enthält. Der erste Spiegel 18 ist vorzugsweise ein im wesentlichen vollständig reflektierender, sphärischer konfokaler Spiegel ( mit einem Krümmungsradius von z.B. etwa 30 cm), während es sich bei dem zweiten Riegel 38 vorzugsweise um einen teilweise durchlässigen, ebenen Spiegel handelt.

Die Durchbrechung 56 liegt auf der gemeinsamen Achse der Bohrungen 16 und 36 und hat einen Durchmesser, der vorzugsweise gleich oder kleiner als die Durchmesser der Kapillarröhren ist.

Im Betrieb ist die Spannung zwischen der Anodenelektrode 44 und der Kaltkathodenelektrode 46 verhältnismäßig unabhängig von der Amplitude des Modulationssignales, das von der ilodulationssignalquelle 50 geliefert wird. Die Intensität des Entladungsstromes zwischen der Anodenelektrode 44 und der Kaltkathodenelektrode 46 ändert sich jedoch entsprechend der Amplitude des Modulationssignals von der Modulationssignalquelle 50. Wenn also die Amplitude des Modulationssignals zunimmt, erhöht sich der Spannungsabfall am Vorwiderstand 52 ( der z.B. einen

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Wert von etwa 20 kDhm haben kann) und umgekehrt. Das Ausgangssignal des Lasers hat einen Maximalwert, wenn die Entladung in der Gasentladungsröhre 12 für die Schwingungsenergie der Wellenlänge, die in der ersten Gasentladungsröhre 10 erzeugt wird, verhältnismäßig transparent oder durchlässig ist. Dies ist der Fall, wenn die Amplitude des Modulationssignals und damit die Intensität des Entladungsstromes in der zweiten Gasentladungsröhre 12 ihren Minimalwert haben. Das Ausgangssignal ist Null, wenn die Entladung in der zweiten Gasentladungsröhre 12 im wesentlichen undurchlässig für die Schwingungsenergie mit der in der Gasentladungsröhre 10 erzeugten Wellenlänge ist. Dies tritt ein, wenn die Amplitude des Modulationssignals und damit die Intensität des Entladungsstromes in der zweiten Gasentladungsröhre 12 ihren Maximalwert haben. Im Bereich zwischen dem Minimalwert und dem Maximalwert des Entladungsstromes in der zweiten Gasentladungsröhre 12 hat das Ausgangssignal Zwischenwerte, die eine einwertige Funktion der Amplitude des Modulationssignals von der Modulationssignalquelle 50 sind. Der dargestellte, innenmodulierte Laser liefert also als Ausgangssignal Licht, das durch die Modulationssignalquelle 50 modulierbar ist.

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Claims (7)

Patentansprüche

1.) Innenmodulierter Gaslaser mit zwei Reflektoren, die einen auf eine vorgegebene Wellenlänge abgestimmten optischen Resonator begrenzen, in dem zwei Gasentladungsröhren fluchtend hintereinander angeordnet sind, von denen die erste mit einem ersten Gas gefüllt ist, indem durch eine Gasentladung Schwingungsenergie der vorgegebenen Wellenlänge erzeugbar ist, und von denen die zweite mit einem zweiten Gas gefüllt ist, indem eine Gasentladung zum Absorbieren eines Teiles der in der ersten Gasentladungsröhre erzeugten und die zweite Gasentladungsröhre durchsetzenden Schwingungsenergie erzeugbar ist, d adurch gekennzeichnet, daß die zweite Gasentladungsröhre (12) zur Erzeugung und Steuerung der Gasentladung in dieser zweiten Gasentladungsröhre lediglich eine Kaltkathodenelektrode(46)und eine im Abstand von dieser angeordnete Anodenelektrode (44) enthält.

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Gasentladungsröhre (10, 12) getrennte Kolben (22, 40) enthalten, die dicht miteinander verbunden sind, und daß die erste Gasentladungsröhre (10) eine Kapillarrohre (14) enthält, deren eines Ende in den Kolben (40) der zweiten Gasentladungsröhre (12) hineinreicht.

3. Gaslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Kolben (40) der zwei ten Gasentladungsröhre (12) reichende Ende der Kapillarrohre (14) durch ein Brewster-Fenster (20) verschlossen ist und daß das Brewster-Fenster (20) von einer Schutzabschirmung (54) umgeben ist, die sich im Kolben (40) der zweiten Gasentladungsröhre befindet und das Brewster-Fenster von der in dieser Gasentladungsröhre stattfindenden Gasentladung trennt.

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4. Gaslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Kolben (40) der zweiten Gasentladungsröhre (12) reichende Ende der Kapillarrohre (40) durch ein Brewster-Fenster (20) verschlossen ist; daß bei dem Brewster-Fenster im Kolben (40) der zweiten Gasentladungsröhre ein offenes Ende einer zweiten Kapillarrohre (34) angeordnet ist, deren Bohrung (36) koaxial zur Bohrung (16) der ersten Kapillarröhre (14) ausgerichtet ist und daß das andere Ende der zweiten Kapillanßhre (34) durch einen teilweise durchlässigen Spiegel (38) verschlossen ist, der einen der beiden Reflektoren bildet.

5. Gaslaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltkathodenelektrode eine zylindrische Elektrode (46) enthält, die koaxial um die Bohrungen (16, 36) der Kapillarröhren (14, 34) angeordnet ist und das offene Ende der zweiten Kapillarröhre (34) umfaßt und daß die Anodenelektrode (44) in der Bohrung (36) der zweiten Kapillarröhre (34) angeordnet ist.

6. Gaslaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Gasentladungsröhre (12) eine Schutzabschirmung (54) vorgesehen ist, die das Brewster-Fenster (20) umgibt und dieses gegen die Entladung in der zweiten Gasentladungsröhre schützt und daß die Schutzabschirmung eine Durchbrechung (56) aufweist, die auf der gemeinsamen Achse der Bohrungen (16, 36) liegt und einen Durchmesser hat, der gleich oder kleiner als die Durchmesser der Bohrungen ist.

7. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Anodenelektrode (44) und die Kaltkathodenelektrode (46) der zweiten Gasentladungsröhre (12) eine Modulationssignalguelle (50) zur Modulation der Gasentladung in der zweiten Gasentladungsröhre geschaltet ist.

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