DE2336831B2

DE2336831B2 - Verfahren und einrichtung zur leistungssteuerung der lichtstrahlung eines mit gleichstrom angeregten gaslasers mittels ueberlagerter hochfrequenz

Info

Publication number: DE2336831B2
Application number: DE19732336831
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Djatlow, Michail Konstantinowitsch; Ostaptschenko, Ewgenij Petrowitsch; Stepanow, Wladimir Anatolewitsch; KuIikow, Jurij Nikolaewitsch; Rjasan (Sowjetunion)
Priority date: 1973-07-19
Filing date: 1973-07-19
Publication date: 1977-03-10
Also published as: DE2336831A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Einrichtungen zur Leistungssteuerung der Lichtstrahlung eines mit Gleichstrom angeregten Gaslasers mittels überlagerter Hochfrequenz. Vorzugsweise besteht das stimulierbare Gasmedium aus Edelgas mit Zusätzen von Dämpfen chemischer Elemente.

Es sind Laser allgemein bekannt, die einen optischen Resonator und ein darin untergebrachtes Gasentladungsrohr mit einem stimulierbaren Medium enthalten, das imstande ist, eine kohärente Strahlung zu liefern, sobald in dem Rohr eine Gleichstromentladung erregt wird. In jüngster Zeit verwendet man als das zu einer

ίο kohärenten Strahlung fähige stimulierbare Medium ein Gemisch aus einem Edelgas und Metall- bzw. Nichtmetall{Metalloid)-Dämpfea Es ist eine Mehrzahl solcher Gemische bekannt, wie z.B. He-Se, He-Zn, He-Mg, He-Hg und Ne-Cd. Die Laser mit Anwendung solcher

Gemische sind im technischen Schrifttum als »Laser mit Metall- bzw. Nichtmetalldämpfen« wie auch »Laser mit Dämpfen chemischer Elemente« bekannt

Es sind verschiedene Verfahren zur Leistungssteuerung der Lichtstrahlung solcher Gaslaser bekannt, z. B.

durch eine Änderung der Entladegleichstromstärke, von welcncr die Leistung der Lichtstrahlung abhängt oder durch eine Änderung des Edelgasdrucks. Die Leistung der Lichtstrahlung kann auch gesteuert werden, indem im Resonator zusätzliche Verluste hervorgerufen werden bzw. auf dem Wege der Lichtstrahlung ein Abschwächer angebracht wird.

Alle oben angegebenen Verfahren sind mit einem gemeinsamen Nachteil behaftet daß sie keine Leistungssteigerung über den Leistungswert ermöglichen, der erreicht wird, wenn alle angeführten Parameter optimal bemessen worden sind.

Außerdem weist jedes der oben angegebenen Verfahren seine eigenen Nachteile auf. Der Nachteil des Verfahrens zur Leistungssteuerung der Lichtstrahlung

des beschriebenen Gaslasers durch eine Änderung des Entladestroms besteht in dessen Tiügheit Bei einer Änderung des Entladestroms ändert sich gleichzeitig durch eine Änderung des Wärmeaustausche des Entladungsrohres mit dem umgebenden Medium der Metall- bzw. Nichtmetalldampfdruck, wobei infolgedessen im Anfangszeitpunkt einer schnellen Änderung des Entladestroms die Leistung nicht eindeutig geändert wird, d. h, sie kann in Abhängigkeit von den Entladebedingungen sowohl gesteigert als auch herabgesetzt werden. Es ist folglich nur eine langsame, träge Leistungssteuerung möglich.

Trägheitsbehaftet ist auch das Verfahren zur Leistungssteuerung der Lichtstrahlung des bekannten Gaslasers durch eine Änderung des Metall- bzw. Nichtmetalldampfdrucks, weil die Einstelldauer der Temperatur des Entladungsrohres und folglich des Dampfdrucks groß ist.

Träge und unbequem für die Praxis ist das Verfahren zur Leistungssteuerung der Lichtstrahlung des betrach-

teten Lasers mit Hilfe einer Änderung des Edelgasdrucks.

Weniger träge sind Verfahren zur Leistungssteuerung, welche auf dem Zustandebringen zusätzlicher Verluste im Resonator bzw. der Anwendung von Abschwächern beruhen, die im Wege der Lichtstrahlung angeordnet werden. Diese Verfahren führen aber entweder große nutzlose Leistungsverluste der Lichtstrahlung herbei, oder sie machen die Anwendung mechanischer beweglicher Teile erforderlich, die unhandlich und unzuverlässig im Betrieb sind. Diese verschlechtern dabei die Güte der Lichtstrahlung eines Gaslasers, indem sie zusätzliche Änderungen in der Richtcharakteristik und der Homogenität der Licht-

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Demgegenüber itt es Aufgabe der Erfindung, mit dem Verfahren und den Einrichtungen der eingangs genannten Art eine Metige Lcmungwteucrung innerhalb eines großen ^eittungvbercichs ta erzielen und dabei auch da* Rautchen in der Laser-Lichtstrahlung, das normalerweise durch nichtmtionare Schwingungen im stimulierbaren Medium bei dessen Anregung mit Gleichstrom entsteht, stark herabzusetzen, insbesondere um /wci (iröUenordnungcn beim Ausstrahlungsmaximum, wobei gleichzeitig die Leistungssteuerung ohne merkliche Tragheil und ohne Einfluß auf die Güte der Lichtstrahlung sein soll.

Die lösung dieser Aufgabe bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfolgt erfindungtgemätt nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Leistungssteuerung der Lichtstrahlung eines Gasiasers weist eine bedeutend kleinere Trägheit als viele bekannten Verfahren auf und ermöglicht eine mindestens zweifache Leistungssteigerung der Lichtstrahlung im Vergleich mit dem Fall ohne Steuerung. Außerdem wird durch das elektrische Hochfrequenzsignal Jas Rauschen in der La$erlicht8trahlung bedeutend herabgesetzt, das infolge nichtstntionarer Schwingungen im stimulierbaren Medium bei dessen Anregung mit Gleichstrom darin entsteht. Diese Herabsetzung des Rauschens ist so groß, daß beim Erreichen der maximalen Leistung der Üchstrahlung ihr Wert um zwei Größenordnungen vermindert wird. Die Verwendung des crfindungsgemä-

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Dse LrfHMSung wtru anhand dexr Becibung von Ausfuhnirtg&etspteieii der eründraigseemäSen Emnchtung näher erläuten. Es zeigt

Fig. J einen Gaslaser imt Dämpfen chemischer Elemente mit einer Einrichtung zur Leistungssteuerung semer Lichtstrahlung,

F1 g. 2 ein Diagramm der Lebtungsäaderung der Lichtstrahlung des Gasiasers mh emem Gemisch von Helium und Cadmiumdämpfen bei einer Frequenzänderung des elektrischen Wechselstroms,

F1 g. 3 em Schema des Gasiasers mit Dämpfen chemischer Elemente mit einer Einrichtung zur Leistungssteuerung dessen Lichtstrahhiag. welche eine Sinusstromquelle enthält, und

Fig.4 ein Schema des Gaslasers mit Dämpfen chemischer Elemente mit einer Einrichtung zur Leistungssteuerung dessen Lichtstrahlung, welche eine Sinusspannungsquelle enthält

Fig. 1 zeigt einen Laser 1, zu dessen Strahlunpleistungssteuerung eine Einrichtung 2 verwendet wird, welche eine Gleichstromquelle 3 und eine Wechselstromquelle 4 enthält

Der Gaslaser 1 weist eine Gasentladungsrohr 5 mit optischen Fenstern 6 auf, welche unter dem Brewsterschen Winkel zur optischen Achse des Lasers 1 eingestellt sind, sowie Spiegel 7, welche einen optischen Resonator bilden.

Im Inneren des Gasentladungsrohres 5 sind Elektroden 8 angeordnet, welche in den elektrischen Ausgangsstromkreis der Gleich- und der Wechselstromqueue 3 bzw. 4 geschaltet sind. Zwischen diesen Elektroden entsteht die Entladungsstrecke des Gasentladungsrohres 5. In das Innere des Gasentladungsrohres sind Helium und Cadmium eingeführt, welches bei der Erregung einer Gleichstromentladung verdampft, wodurch in dem Gasentladungsrohr 5 ein Gemisch aus Helium und Cadmiumdämpfen entsteht Dieses Gemisch stellt ein stimulierbares Medium dar, welches durch die erwähnte Gleichstromentladung zu einer kohärenten Strahlung angeregt wird. Anstelle von Helium kann ein anderes Edelgas und anstelle von Cadmiumdämpfen können Dämpfe eines anderen Metalls bzw. Nichtmetalls verwendet werden, deren Gemisch mit Edelgas das stimulierbare Medium der

erwähnten Laser mit Dämpfen chemischer Elemente bildet.

Als die Gleichstromquelle 3 kann eine beliebige zur Zeit bekannte stabilisierte Stromquelle verwendet werden. Es genügt, wenn diese einen Strom von 50 bis 250 mA und eine Spannung von 1000 bis 5000 V abgibt.

Als Wechselstromquelle 4 kann ein beliebiger Generator von Wechselsinusstrom (von Wechselsinusspannung) verwendet werden, welcher einen Frequenzbereich hat, der gleich dem Frequenzbereich nichtstationärer Schwingungen des stimulierbaren Mediums bei der Erregung einer elektrischen Gleichstromentladung darin ist. In einer Gleichstromentladung sind nichtstationäre Schwingungen des stimulierbaren Mediums vorhanden, die durch eine Differenz der Drift- und der Diffusionsgeschwindigkeit der Elektronen und Ionen in dem durch die Gleichstromquelle 3 erzeugten elektrischen Feld sowie durch Elektronen- und lonenströme an Wandungen des Gasentladungsrohres 5 erzeugt werden. Diese nichtstationären Schwingungen rufen Inhomogenitäten in der Konzentration und der Temperatur der Elektronen und Ionen des stimulierbaren Mediums hervor, weswegen die Anregungsbedingungen an verschiedenen Abschnitten des Entladungsrohres nicht die gleichen sind.

Die Frequenz des Wechselsinusstroms (der Wechselsinusspannung), bei welcher die maximale Leistung der Lichtstrahlung erzielt wird, hängt vom Edelgasdruck, vom Durchmesser des Gasentladungsrohres 5 sowie von dessen Länge und vom Druck der Metall- bzw. Nichtmetalldämpfe ab.

In jedem Fall genügt es, wenn der Frequenzsteuerbereich der Wechselstrom- bzw. der Wechselspannungsquelle 4 für 40 bis etwa 300 kHz ausgelegt ist

In Gaslasern, deren stimulierbares Medium aus Helium mit Cadmiumdampfzusätzen besteht, werden die minimale und die maximale Leistung, wie es aus der Kurve 9 (F i g. 2) ersichtlich ist, bei einer Frequenzänderung der Wechselstromquelle 4 von 80 bis 110 kHz erzielt. Beim Erreichen der maximalen Leistung, in diesem Fall 110 kHz, wird in der Lichtstrahlung eine Rauschverminderung um das 10Of ache beobachtet

Bei der Verwendung einer Wechselstromquelle 4 kann die Einrichtung 2 einen Transformator 10 (F i g. 3) aufweisen, dessen Sekundärwicklung 11 die Gleich- ^₅ stromquelle 3 mit der Elektrode 8 verbindet und induktiv über die Primärwicklung 12 an die Wechselstromquelle 4 angeschlossen ist Die Wechselstromquelle 4 ist derart zu bemessen, daß deren Stromamplitude etwa 1% der Stromamplitude der Gleichstromquelle 3 beträgt.

Bei der Verwendung einer Wechselspannungsquelle kann eine Schaltung empfohlen werden, wie sie F i g. 4 zeigt. In diesem Ausfühmngsbeispiel ist sowohl die Wechselspannungsquelle 4 über einen Kondensator 13 als auch die Gleichspannungsquelle 3 über einen Widerstand 14 parallel zur Entladestrecke geschaltet. Die Wechselstromquelle 4 wird derart bemessen, daß ihre Spannungsamplitude etwa 1% der Spannung der Gleichstromquelle 3 beträgt

Das erfindungsgemäße Verfahren wird wie folgt durchgeführt

Wenn die Gleichstromquelle 3 eingeschaltet wird, entsteht in dem Gasentladungsrohr 5 eine elektrische Entladung. Diese Entladung regt das stimulierbare Medium an, und im Resonatorinneren entsteht eine induzierte Lichtstrahlung, die aus dem Resonator über einen der Spiegel 7 entnommen wird. Wie schon erwähnt worden ist, entstehen dabei nichtstationäre Schwingungen. Beim Anlegen eines elektrischen Wechselstroms mittels der Wechselstromquelle 4 werden nichtstationäre Schwingungen in reguläre Schwingungen mit einer Frequenz verwandelt, die der Frequenz des elektrischen Wechselstroms gleich ist Wenn der elektrische Wechselstrom eine solche Frequenz hat, daß das Verhältnis der Lebensdauer der Edelgasionen zur Periode regulärer Schwingungen eine ungerade ganze Zahl beträgt, weisen die Konzentrationen und die Temperatur der Elektronen des stimulierbaren Mediums gesteigerte Werte auf. Dabei erreicht die Leistung der Lichtstrahlung den maximalen Wert Wenn die Frequenz des elektrischen Wechselstroms eine solche ist daß das Verhältnis der Lebensdauer der Edelgasionen zur Periode regulärer Schwingungen eine gerade ganze Zahl beträgt, weisen die Konzentration und die Temperatur der Elektronen des stimulierbaren Medi ums herabgesetzte Werte auf. Dabei erreicht du Leistung der Lichtstrahlung den minimalen Wert Di* Einstellung regulärer Schwingungen und der Leistunj der Lichtstrahlung erfolgen im Laufe einiger Schwin gungsperioden, & h. die Leistungssteuerung der Licht strahlung erfolgt ohne Trägheit

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Leistungssteuerung der Lichtstrahlung eines mit Gleichstrom angeregten Gaslasers mittels überlagerter Hochfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß der überlagerte hochfrequente elektrische Wechselstrom eine solche Frequenz aufweist, die in dem Frequenzbereich der nichtstationären Schwingungen des stimulierbaren Gasmediums liegt, die bei elektrischer GleichstromjGasentladung auftreten, so daß mit der Umwandlung dieser nichtstationären Schwingungen in reguläre Schwingungen unter dem Einfluß des Wechselstroms die Lichtstrahlung in ihrer Leistung steuerbar wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz im Bereich von etwa 40 bis etwa 220 kHz geändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz nur innerhalb eines Frequenzbereichs von 20 kHz geändert wird, um von einem Ausstrahlungsminimum auf ein Ausstrahlungsmaximum zu kommen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsamplitude des elektrischen Wechselstroms nur etwa 1% der Spannungsamplitude des elektrischen Gleichstroms beträgt

5. Einrichtung zur Leistungssteuerung mittels überlagerter Hochfrequenz eines mit Gleichstrom angeregten Gaslasers, dadurch gekennzeichnet, daß eine in ihrer Frequenz verstellbare hochfrequente Wechselstromquelle (4) mit der Gleichstromquelle (3) hintereinander geschaltet an die Elektroden (8) des Entladungsrohres (5) angeschlossen ist und daß diese Frequenz sinusförmiger Signale der hochfrequenten Wechselstromquellt (4) im Frequenzbereich der nichtstationären Schwingungen des stimulierbaren Gasmediums bei Gleichstromentladung liegt (Fi s. 1).

6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Transformator (10), der mit seiner Sekundärwicklung (11) in Reihe mit der Gleichstromquelle (3) geschaltet ist (F i g. 3).

7. Einrichtung zur Leistungssteuerung mittels überlagerter Hochfrequenz eines mit Gleichstrom angeregten Gaslasers, dadurch gekennzeichnet, daß eine in ihrer Frequenz verstellbare hochfrequente Wechselstromquelle (4) parallel zur Gleichstromquelle (3) an die Elektroden (8) des Gasentladungsrohres (5) angeschlossen ist und daß diese Frequenz sinusförmiger Signale der Wechselstromquelle (4) im Frequenzbereich der nichtstationären Schwingungen des stimulierbaren Gasmediums bei Gleichstromentladung liegt (F i g. 4).

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle (4) an die eine Elektrode unmittelbar und an die andere über einen Kondensator (13) angeschlossen ist und daß die Gleichstromquelle (3) in ihrem Ausgangsstromkreis einen Vorwiderstand (14) enthält (F i g. 4).