DE2343140A1 - Gaslaser - Google Patents

Description

RCA Docket No.: 65096
Convention Date:
August 28, 1972

RCA Corporation, New York, N.Y., Y.St.A.

Gaslaser

Die Erfindung betrifft einen Gaslaser mit einem Rohr, das von einer an beiden Enden abgedichteten und mit aktivem Lasergas gefüllten Längsbohrung durchsetzt ist.

Gaslaser, wie sie derzeit hergestellt werden, haben normalerweise ein durchbohrtes Rohr, das eine Kapillare sein kann, aus Glas oder in manchen Fällen aus Hartfeuerporzellan oder Keramik. Die durch das durchbohrte oder Bohrungsrohr gebildete Bohrung, die mit Gas gefüllt ist, bildet einen Teil des optischen Hohlraumresonators oder Resonanzhohlraums, in dem der Lasejr Vorgang stattfindet* Und zwar sind die beiden Enden des Bohrungsrohres durch daran befestigte Abschlußmittel abgedichtet. In FSllen, wo der optische Hohlraumresonator durch äußere Reflektoren gebildet wird, bestehen die Abschlußmittel normalerweise aus Brewster-Winkelfenstern, die den Durchtritt von Laserstrahlung ohne Reflexion gestatten. Durch die Anwesenheit der Brewster-Winkelfenster wird außerdem die erzeugte Laserstrahlung polarisiert· Häufig, besonders bei billigenHelium-Neon-Lasern, dienen jedoch die den optischen Hohlraumresonator bildenden Reflektoren selbst als Abschlüsse. Dies ist deswegen erwünscht, weil man damit einen einheitlichen, einstückigen Laser erhält, was bei Verwendung von äußeren Reflektoren nicht möglich ist. Andererseits wird bei solchen angeformten Reflektoren die er-

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zeugte Laserstrahlung nicht polarisiert, wie es bei einem Brewster-Winkelfenster der Fall ist.

Bekanntlich müssen zur Steuerung oder Beeinflussung der in einem optischen Hohlraumresonator auftretenden Moden oder Wellentypen die Randverluste des Wellentyps bestimmt werden. Wenn der Radius des optischen Hohlraumresonators (oder des Ausblendmittels des optischen Hohlraumresonators) feststeht, so können die relativen Beugungsverluste errechnet werden. Aufgrund von Berechnungen läßt sich voraussagen, daß der Wellentyp niedrigster Ordnung (ΤΕΜ__Λ) kleinere Beugungsverluste aufweist

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als Wellentypen hoher Ordnung. Wenn man den Resonatorradius entsprechend einstellt, so kann man den Laservorgang auf den Grundtyp (Grundschwingungs-Wellentyp) beschränken. Aus der Theorie und Praxis ist die Beziehung zwischen Wellentypdurchmesser und Ausblendmittel oder -öffnung bekannt.

Bei einem Gaslaser sind die Ausblendöffnung und die Randverluste durch den Innendurchmesser des Bohrungsrohres bestimmt. Es ist zwar möglich, mit Hilfe von Spezialverfahren in einem Bohrungsrohr aus Glas, Hartfeuerporzellen oder Keramik eine Bohrung anzubringen, die über ihre gesamte Länge im wesentlichen vollkommen gerade ist und eine vorbestimmte Ausblendöffnung (bestimmt durch den Wert des Innendurchmessers des Bohrungsrohres) mit ausreichend hoher Toleranz aufweist; jedoch sind die mit solchen Spezialverfahren verbundenen Kosten für viele Arten von kommerziell hergestellten Lasern untragbar hoch. Bei solchen Lasern verwendet man wünschenswerterweise für das Bohrungsrohr im Handel erhältliches Kapillarrohr, wenn die Toleranz beimInnendurchmesser solchen Kapillarrohres unter demjenigen Wert liegt, der erforderlich ist, um sicherzustellen, daß die Ausblendöffnung denjenigen bestimmten Wert hat, bei dem der Laser in seinem Grundtyp arbeitet und die Beugungsverluste minimal sind.

Metallrohr, beispielsweise korrosionsbeständiges Stahlrohr, ist im Handel mit einem Innendurchmesser erhältlich, der auf eine viel höhere Toleranz bemessen ist als der Innendurchmesser

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von handelsüblichem Kapillarrohr aus Glas, Hartfeuerporzellen oder Keramik.

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zagrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Gaslaser zu schaffen.

Ein Gaslaser der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß am einen Ende der Längsbohrung eine Auseenkung vorgesehen ist, die eine zweite Bohrung bildet, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Längsbohrung ist und in der gleichachsig mit der Längsbohrung ein hohlzylindrischer Einsatz mit einem kleineren Innendurchmesser als der der Längsbohrung angeordnet ist.

Der Einsatz enthält ein Bauteil, das die Ausblendöffnung der Längsbohrung mit einer höheren Toleranz als die der Bohrung selbst bestimmt. Ferner kann der Einsatz ein Brewster-Winkelfenster enthalten, was erwünscht ist, um eine polarisierte Laserstrahlung zu gewinnen, wenn die Abschlüsse aus angeformten Re- -flektoren, die den optischen Hohlraumresonator bilden, bestehen.

Die Erfindung wird nachstehend anHand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 den Aufbau eines typischen Gaslasers gemäß dem Stand der Technik;

Figur 2 einen Teil eines demgegenüber abgewandelten Gaslasers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 3, 4 und 5 Einzelheiten von Teilen des Gaslaseraufbaus nach Figur 2;

Figur 6 einen Teil eines Gaslasers gemäß eher anderen Ausführungsform der Erfindung; und

Figur 7 einen Teil des Gaslaseraufbaus nach Figur 6.

Figur 1 zeigt schematisch einen typischen Gaslaser gemäß dem Stand der Technik, wie er im Handel erhältlich ist. Der Gaslaser 10 hat ein Bohrungsrohr 12 aus Glas mit durchsetzender Bohrung 14. Das linke Ende der Bohrung 14 ist mit einem daran

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befestigten Spiegel l6 abgedichtet, der das linke Ende des Bohrungsrohres 12 abschließt. Das rechte Ende der Bohrung 14 ist mit einem daran befestigten Spiegel 18 abgedichtet, der das rechte Ende des Bohrungsrohres 12 abschließt. Ein das Bohrungsrohr 12 umgebender Kolben 20 ist an seinen beiden Enden auf der Außenseite des Bohrungsrohres 12 befestigt, wie gezeigt. Ein die Wandung des Bohrungsrohres 12 durchsetzendes Loch 22 stellt die Verbindung zwischen der Bohrung 14 und dem Inneren des Kolbens 20 her. Die Bohrung 14 und das Innere des Kolbens 20 sind mit einem ein aktives Lasermedium enthaltenden Gas, beispielsweise einem Gemisch aus Helium und Neon gefüllt.

In der Nähe des linken Endes der Bohrung 14 ist in Verbindung mit dieser eine Anode 24 angebracht, die eine Anschlußverbindung zur Außenseite des Lasers 10 herstellt. Koaxial oder konzentrisch zur Längsachse der Bohrung 14 ist im Inneren des Kolbens 20 im Abstand vom Bohrungsrohr 12 eine kalte Kathode 26 angeordnet. Ein Kontaktstift 28 stellt die Anschlußverbindung zwischen der Kathode 26 und der Außenseite des Gaslasers 10 her. Bei Anlegen einer geeigneten positiven Spannung an die Anode 24 und einer geeigneten negativen Spannung an die kalte Kathode 26 über den Kontaktstift 28 finet eine Gasentladung von der Anode 24 durch die Bohrung 14, das Loch 22 und das Innere des Kolbens 20 znr Kathode 26 statt. Durch die Anwesenheit eines einspringenden oder nach innen vorstehenden Rohrteils 30 des Kolbens 20 wird erreicht, daß der Gasentladungsweg einen größeren Bereich der Oberfläche der Kathode 26 als ohne diesen Rohrteil 30 einschließt. Bei Stattfinden einer solchen Gasentladung wird Laserstrahlung innerhalb der Bohrung 14 erzeugt, die den durch die Spiegel 16 und 18 abgeschlossenen optischen Hohlraumresonator bildet. Mindestens einer der Spiegel 16 und 18 ist teilweise durchlässig, so daß vom Gaslaser 10 ein Laserlicht erhalten werden kann.

Der erfindungsgemäße Gaslaser ist ähnlich aufgebaut wie der Gaslaser nach Figur 1, außer daß das Bohrungsrohr 12 und die Bohrung 14 etwas anders geformt und mit einem Einsatz versehen sind.

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Bei der Ausführungsform nach Figur 2 hat das Bohrungsrohr 12-2 mit der Bohrung 14-2 eine Aussenkung 32-2, die vom einen Ende bis zu einer gegebenen Stelle 34-2 zwischen den Enden des Bohrungsrohres 12-2 reicht. Im übrigen ist das Bohrungsrohr 12-2 nach Figur 2 gleich ausgebildet Wie das Bohrungsrohr 12 nach Figur 1.

Wie man aus Figur 2 sieht, hat die Bohrung des Bohrungsrohres 12-2 einen ersten Durchmesser in der Aussenkung· 32-2 und einen zweiten, kleineren Durchmesser im übrigen Teil der Bohrung 14-2 von der gegebenen Stelle 32-2 bis zum anderen Ende des Bohrungsrohres 12-2.

Gänzlich innerhalb der Aussenkung 32-2 befindet sich ein Einsatz mit einem Brewster-Winkelfenster 36, einem ersten hohlzylindrischen Teil 38 und einem zweiten hohlzylindrischen Teil 40. Einzelheiten eines typischen Ausführungsbeispiels des Brewster-Winkelfensters 36, des ersten hohlzylindrischen Teils 38 und des zweiten hohlzylindrischen Teils 40 sind in Figur 3» 4 bzw. 5 gezeigt.

Das vorzugsweise aus Schlieren-Hartfeuerporzellai* gefertigte Brewster-Winkelfenster 36 ist, wie gezeigt, elliptisch auf einen Brewsterschen Winkel von 34° 30' geschnitten. Die Toleranz dieses Brewsterschen Winkels liegt innerhalb + 15'· Die Dicke des Brewster-Winkelfensters 36 beträgt 0,089 cm (0,035 Zoll) mit einer Toleranz von + 0,013 cm (0,005 Zoll). Die Breite des Brewster-Winkelfensters 36 beträgt 0,307 cm (0,121 Zoll) mit einer Toleranz von + 0,008 cm (0,003 ZoIlX Es ist erwünscht, daß die Parallelität des Brewster-Winkelfensters 36 innerhalb einer Winkeltoleranz von 2¹ und die Wellenfrontverzerrung innerhalb einer Toleranz von X/4 im Hinblick auf den Strahlungsdurchgang gehalten werden, daß die Oberflächengüte 10-5 oder besser ist, damit sich eine nur vernachlässigbare Streuung der hindurchtretenden Laserstrahlung ergibt, und daß der Mittelteil des Fensters mit mindestens 0,152 cm (0,060 Zoll) Durchmesser klar ist.

Wie in Figur 2 gezeigt, ist der Innendurchmesser des ersten

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Teils 38 etwas kleiner äs der Innendurchmesser des die Bohrung 14-2 bildenden Bohrungsrohres 12-2. Und zwar hat, wie in Figur gezeigt, das erste Teil 38, das vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Stahlrohr mit einem Außendurchmesser von 0,318 cm (0,125 Zoll) und einer Wanddicke von 0,0826 cm (0,0325 Zoll), so daß sich ein Innendurchmesser von 0,152 cm (0,060 Zoll) ergibt, eine Gesamtlänge von 1,27 cm (0,50 Zoll). Wie in Figur 4 gezeigt, ist die eine Stirnfläche des ersten Teils 38 im wesentlichen senkrecht zur Achse des ersten Teils 38 angeordnet, während die andere Stirnfläche des ersten Teils 38 im Brewsterschen Winkel von 34° 31 * zur erwähnten einen Stirnfläche angeordnet ist.

Wie in Figur 5 gezeigt, ist das ebenfalls aus korrosionsbeständigem Stahlrohr gefertigte zweite Teil 40 identisch ausgebildet wie das erste Teil 38, außer daß es bei einem Außendurchmesser von 0,318 cm (0,125 Zoll) eine Wanddicke von nur 0,0318 cm (0,0125 Zoll) hat, so daß sein Innendurchmesser 0,254 cm (0,100 Zoll) beträgt, statt 0,152 cm (0,060 Zoll) wie beim ersten Teil 38. Ferner ist das zweite Teil 40 ursprünglich etwas deformiert, so daß es einen anfänglichen maximalen Außendurchmesser von 0,33 cm (0,130 Zoll) mit einer Toleranz von + 0,005 cm (0,002 Zoll) hat und damit eine gewisse Unrundheit aufweist.

Der Durchmesser der Aussenkung 32-2 nach Figur 2 beträgt ungefähr 0,318 cm (0,125 Zoll). Wie in Figur 2 gezeigt, wird zuerst das erste Teil 38 in die Aussenkung 32-2 eingeschoben und mit seiner senkrechten Stirnfläche an das Ende der Aussenkung 32-2 angesetzt. Sodann wird das Brewster-Fenster 36 in die Aussenkung 32-2 so eingesetzt, daß es mit seiner einen Oberfläche über im wesentlichen deren gesamten Umfang auf der abgewinkelten Stirnfläche des ersten Teils 38 aufliegt. Wie weiter in Figur 2 gezeigt, liegt des zweite Teil 40 mit seiner im Brewsterschen Winkel geneigten Stirnfläche auf der anderen Oberfläche des Brewster-Fensters 36 ilber im wesentlichen deren gesamten Umfang auf. Wenn das zweite Teil 40, wie in Figur 2 gezeigt, gänzlich innerhalb der Aussenkung 32-2 angeordnet ist,

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drückt es wegen seiner anfänglichen ünrundheit als Federklammer gegen die Wand der Aussenkung 32-2, so daß alle drei Teile des Einsatzes fest in der Aussenkung 32-2 eingespannt sind.

Die Ausblendöffnung der Bohrung in der Anordnung nach Figur 2 ist durch den Innendurchmesser des ersten Teils 38 des Einsatzes bestimmt. Da die Toleranz des Innendurchmessers des ersten Teils 38 über seine Länge beträchtlich höher ist, als die Toleranz des Innendurchmessers des Bohrungsrohres 12-2 über den die Bohrung 14-2 bildenden Teil seiner Länge, wird eine Laserwirkung im Grundtyp mit kleineren Beugungsverlusten erhalten. Ferner wird durch die Anwesenheit des Brewster-Winkelfensters 36 die erzeugte Laserstrahlung polarisiert, was bei einem optischen Hohlraumresonator nach Figur 1, der durch angeformte Spiegel 16 und 18 und 18 gebildet ist, nicht der Fall wäre.

In Fällen, wo keine polarisierte Laserstrahlung erzeugt werden soll oder wo die Abschlüsse für das Bohrungsrohr Brewster-Winkelfenster statt angeformte Spiegel 16 und 18 nach Figur 1 sind, braucht der Einsatz das Brewster-Winkelfenster 36 nicht aufzuweisen. In diesen Fällen kann man die Anordnung nach Figur 6 verwenden. Wie in Figur 6 gezeigt, besteht die Bohrung des Bohrungsrohres 12-6 aus einer Aussenkung 32-6 und einem übrigen Teil 14-6, die gleich ausgebildet sind wie die Aussenkung 32-2 und der übrige Bohrungsteil 14-2 des Bohrungsrohres 12-2, außer daß die Längserstreckung der Aussenkung in Figur 2 und Figur 6 unterschiedlich groß sein kann.

In Figur 6 besteht der Einsatz aus einem einzigen hohlzylindrischen Teil, vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Stahlrohr. Wie in Figur 7 gezeigt, sind der Außen- und der Innendurchmesser des Teils 42 gleich groß wie beim ersten Teil 38 des Einsatzes nach Figur 2. Jedoch sind die beiden Stirnflächen des Teils 42 im wesentlichen senkrecht zu seiner Achse angeordnet und beträgt die gesamte axiale Länge des Teils 42 nur 0,33cm (0,13 Zoll), statt 1,27 cm (0,50 Zoll) wie beim ersten Teil 38 des Einsatzes nach Figur 2. Gleichwohl beeinflußt der Einsatz nach Figur 6 die im optischen Hohlraumresonator des Lasers auf-

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tretenden räumlichen Wellentypen in der gleichen Weise und aus den gleichen Gründen wie das erste Teil 38 des Einsatzes nach Figur 2 so, daß sich Laserwirkung im Grundtyp ergibt.

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Claims (5)

Patentansprüche

1. jGaslaser mit einem Rohr, das von einer an beiden Enden abgedichteten und mit aktivem Lasergas gefüllten Längsbohrung durchsetzt ist, dadurch .gekennzeichnet, daß am einen Ende der Längsbohrung (14-2) eine Aussenkung (32-2) vorgesehen ist, die eine zweite Bohrung bildet, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Längsbohrung ist und in der gleichachsig mit der Längsbohrung ein hohlzylindrischer Einsatz (38, 42) mit einem kleineren Innendurchmesser als der der Längsbohrung angeordnet ist.

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch geken nzeichnet, daß der Innendurchmesser des zylindrischen Einsatzes (38, 42) nur innerhalb eines verhältnismäßig hohen Toleranzbereiches schwankt.

3. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsbohrung des Rohres an dem besagten einen Ende durch ein das äußere Ende des hohlzylxndrischen Einsatzes verschließendes Brewster-Fenster (36) abgedichtet ist.

4. Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche am äußeren Ende des hohlzylxndrischen Einsatzes im Brewstersehen Winkel zur Achse der zweiten Bohrung angeordnet ist; daß das Brewster-Fenster mit seiner einen Oberfläche über deren Umfang auf der genannten Stirnfläche des Einsatzes aufliegt; und daß ein zweites hohlzylindrisches Teil (40) mit einer im Brewsterschen Winkel zu seiner Achse orientierten Stirnfläche innerhalb der Aussenkung so angeordnet ist, daß es mit dieser Stirnfläche über deren Umfang auf der anderen Oberfläche des Brewster-Fensters aufliegt.

5. Gaslaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite hohlzylindrische Teil aus einem federnden Material besteht, das zu einer geringfügigen Unrundheit deformiert ist und bei Anordnung innerhalb der Aus-

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Senkung gegen deren Wand drückt, derart, daß das erste hohlzylindrische Teil und das Brewster-Fenster innerhalb der Aussenkung des Rohres fest eingespannt sind.

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