DE2347739C2 - Verfahren zum Erzeugen einer transversalen elektrischen Anregung eines Gases in einer Gaslaseranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer transversalen elektrischen Anregung eines Gases in einer Gaslaseranordnung, bei der ein Gas wie Neon oder Stickstoff mit vorgegebenem Druck einen Kanal mit zwei zu beiden Seiten seiner Achse parallel dazu angeordneten Elektroden ausfüllt, ein elektrischer Entladungsgenerator einen zur Speicherung elektrischer Energie dienenden Speicher aufweist, der aus mindestens einer Flachleitung gebildet ist, die aus zwei durch ein Dielektrikum gegeneinander isolierten und mit jeweils einer der im Kanal beidseitig angeordneten Elektroden verbundenen ebenen Leitern besteht, von denen der eine mit Masse/Erdpotential verbunden und der andere auf einem unterhalb der Durchbruchsspannung des Gases liegenden Potential gehalten ist, und eine Elektronenstrahlanordnung eine transversale Entladung auslöst, die räumlich in Richtung der Kanalachse fortschreitet.

Eine Gaslaseranordnung der oben angegebenen Art ist hinsichtlich des geometrischen Aufbaus und der Gasfüllung aus »Applied Physics Letters«, Band 10, t>5 Nr. 1 (1.1.1967), Seiten 3/4 bekannt. Bei dieser bekannten Gaslaseranordnung erfolgt die Erzeugung einer trasversal gerichteten elektrischen Entladung in dem gasgefüllten Kanal, die entlang dessen Achse fortschreitet, in der Weise, daß an eine Seite des Kanals ausgehend von einer einzigen Funkenstrecke über eine Serie von parallel zur Kanalachse angeordneten Schaltern, die nacheinander geschlossen werden, eine solche Potentialerhöhung angelegt wird, daß die Durchbruchsspannung des Gases im Kanal entlang der Kanalachse fortschreitend überschritten wird. Auf diese Weise kommt es in dem Kanal zu einer entlang dessen Achse fortschreitenden Strahlungsstimulation, und am Ende tritt aus dem Kanal ein sehr kurzer und intensiver Laserimpuls aus. Dabei ist die Verstärkung für die Laserstrahlung so hoch, daß ein durch Spiegel begrenzter Resonanzhohlraum entbehrlich ist, es muß jedoch darauf geachtet werden, daß die zur Auslösung der Laserstrahlung verwendete elektrische Erregung sich entlang der Kanaiachse mit einer Phasengeschwindigkeit fortpflanzt, die nahe der Strahlungsgeschwindigkeit in diesem Kanal liegt, da nur dann eine optimale Wechselwirkung zwischen der stimulierten Strahlung und dem Plasma im Kanal zu erreichen ist

Weiter ist aus »Physics Today«, Januar 1972, Seiten 17 — 19, eine Gasiaseranordnung mit einem Kara! bekannt, entlang dessen Achse auf beiden Seiten des Kanals je eine Elektrode vorgesehen ist Die Erzeugung einer zur Laserstrahlauslösung verwendeten transversalen elektrischen Entladung wird bei dieser bekannte Ji Gaslaseranordnung mit Hilfe einer Serie von Elektronenkanonen erzeugt die auf einer Seite des Kanals parallel zu dessen Achse nebeneinander angeordnet sind und nacheinander in Funktion treten. Die von diesen Elektronenkanonen emittierten Elektronenstrahlen führen in dem Kanal zu einer sich entlang dessen Achse fortpflanzenden Vorionisierung in dem den Kanal erfüllenden Gas, was wiederum eine entlang der Kanalachse fortschreitende Laserstrahlemission zur Folge hat, wobei am fernen Ende des Kanals wiederum ein kurzer und intensiver Laserimpuls austritt Wesentlich ist auch bei dieser Gaslaseranordnung eine genaue zeitliche Abstimmung der Zündung der einzelnen Elektronenkanonen, da nur so das beabsichtigte Fortschreiten der Strahlungsstimulation im Kanal zu erreichen ist.

Bei beiden vorgenannten bekannten Gaslaseranordnungen bedarf es jeweils einer sehr aufwendigen Steuerung für ein zeitgerechtes Schließen der Schalter bzw. für das Zünden der Elektronenknnonen entlang der Kanalachse, was den Betrieb der bekannten Gaslaseranordnungen nicht nur kostspielig, sondern auch störungsanfällig macht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie sich die Erzeugung einer transversalen elektrischen Anregung eines Gases in einem gasgefüllten Kanal einer Gaslaseranordnung in solcher Weise entlang der Kanalachse fortschreitend vornehmen läßt, daß es keiner äußeren zeitlichen Ansteuerung für die Entladungsauslösung in dem Gaskanal bedarf.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren, wie es im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Demnach wird somit in dem den Kanal ausfüllenden gasförmigen Medium eine sich entlang der Kanalachse ausbreitende transversale elektrische Entladung durch die Injektion eines Elektronenstrahls ausgelöst, wobei das Fortschreiten der Entladung sich einfach durch die Fortpflanzung des Elektronenstrahls ergibt, deren

Geschwindigkeit eine optimale Wechselwirkung zwischen dem Gasplasma im Kanal einerseits und der darin ausgelösten Laserstrahlung andererseits sicherstellt Als Quelle für den zur Auslösung der transversalen elektrischen Entladung im Kanal und zu deren Fortpflanzung entlang der Kanalachse dient ein Elektronenbeschleuniger, für den die Bedingungen, unter denen der in das Gas injizierte Elektronenstrahl darin eine Besetzungsinversion hervorrufen kann, in »Comptes-sndus de l'Academie des Sciences«, Band 272, Serie B, Seiten 668—671 beschrieben sind. Dabei beruht die Auslösung der elektrischen Entladung in der Gasfüllung des Kanals bzw. deren Fortpflanzung entlang der Kanalachse zum einen auf einer durch den Elektronenstrahl bewirkten Vorionisierung des Gases, wobei optimale Bedingungen eine Synchronisierung zwischen den Elektronen und der stimulierten Strahlung voraussetzen, so daß eine Beschleunigung der Elektronen bis zu der Schwelle für den Cer<;nkov-Effekt empfehlenswert ist Daneben kann es in dem Gas im Kanal aber auch zu einer unmittelbaren Erregung durch den Elektronenstrahl kommen, für die optimale Bedingungen allerdings voraussetzen, daß die Elektronen soweit verzögert werden, daß sie eine Energie besitzen, die dem Maximum des Wirkungsquerschnitts für die Erregung des verwendeten Gases entspricht. Eine wesentliche Verstärkung der Erregung durch diesen zweiten Effekt ist daher nur bei Gasfüllungen zu erwarten, bei denen das Maximum des Wirkungsquerschnitts relativ hoch liegt.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile wird nunmehr auf die Zeichnung bezug genommen, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Gaslaseranordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung veranschaulicht ist; dabei zeigt

F i g. 1 eine Gaslaseranordnung mit einem Elektronenbeschleuniger für die Auslösung der Gasentladung im Gaskanal der Gaslaseranordnung und

F i g. 2 eine graphische Darstellung zur Veranschauiichung der Variation des Durchbruchspotentials für die Gasentladung als Funktion des Gasdrucks.

Die in F i g. 1 dargestellte Gaslaseranordnung besitzt einen Speicher 21 für elektrische Energie, der durch eine Flachleitung mit zwei ebenen Leitern 20 und 22 gebildet ist, die durch ein Dielektrikum 24 gegeneinander isoliert sind. Mit dem Speicher 21 steht ein gasgefüllter Kanal 28 in Verbindung, entlang dem zu beiden Seiten seiner Achse zwei metallische Elektroden 30 und 32 parallel zueinander angeordnet sind, von denen die Elektrode 30 w mit dem Leiter 22 und die Elektrode 30 mit dem Leiter 20 des Speichers 21 in Verbindung steht Die Elektroden 30 und 32 weisen einen gegenseitigen Abstand c/auf, und sie werden über die Leiter 20 und 22, von denen der Leiter 22 mit Masse verbunden ist und der Leiter 22 an ⁵S eine Spannungsquelle 26 angeschlossen ist, auf einer Potentialdifferenz relativ zueinander gehalten, die etwas unterhalb der Durchbruchsspannung für das den Kanal 28 füllende Gas bei dem darin herrschenden Druck liegt &o

An dem einen Ende des Kanals 28 ist in Verlängerung von dessen Achse ein Elektronenbeschleuniger 40 vorgesehen, der in den Kanal parallel zu dessen Achse einen Elektronenstrahl 42 injizieren kann, der sich darin parallel zu den Elektroden 30 und 32 ausbreitet und bei ^b5 seinem Durchgang durch den Kanal 38 eine Vorionisierung des darin enthaltenen Gases bewirkt und auf diese Weise in der Vorionisierungszone eine transversale Entladung der in dem Speicher 21 gespeicherten elektrischen Energie auslöst, die sich zusammen mit dem Elektronenstrahl 42 entlang der Achse des Kanals 28 fortpflanzt und an dessen dem Elektronenbeschleuniger 40 abgewandten Ende parallel zur Kanalachse einen kurzen und intensiven Laserstrahlimpuls 34 austreten läßt

Die Auslösung der elektrischen Entladung im Kanal 28 mit Hilfe des parallel zur Kanalachse gerichteten Elektronenstrahls 42 hat zunächst den Vorteil, daß es keiner zeitlichen Steuerung bedarf, um eine Fortpflanzung der Entladung entlang der Kanalachse zu erreichen. Außerdem kann die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls 42 sehr einfach mit der in axialer Richtung durch das angeregte Gas emittierten Laserstrahlung synchronisiert werden. Insbesondere können die Elektronen des Elektronenstrahls 42 mit einer solchen Geschwindigkeit in dem Kanal 28 injiziert werden, daß sich unter Berücksichtigung des Brechungsindex der im Kanal 28 enthaltenen Gasfüllung eine Entsprechung mit der Lichtgeschwindigkeit ergibt, was gleichbedeutend damit ist, daß die Elektronen mit einer Energie in dem Kanal 28 injiziert werden, die nahe bei der Schwelle für den Cerenkov-Effekt liegt Dadurch wird die Wechselwirkung zwischen der im Kanal 28 stimulierten Laserstrahlung und dem angeregten Gas optimal.

Vorteilhaft ist weiter, daß sich mit Hilfe des Elektronenbeschleunigers 40 in einfacher Weise sehr kurze Anregungsimpulse mit einer Dauer von weniger als einer Nanosekunde erhalten lassen, wobei die zugehörige Stromstärke sehr hohe Werte annehmen und beispielsweise 10⁴ A betragen kann. Gewünschtenfalls kann auch mit einer noch kürzeren Zeitdauer in der Größenordnung einer Picosekunde für die Injektion der Elektronen gearbeitet werden, womit in allen Fällen auch einer sehr kurzen Lebensdauer der Besetzungsinversion für die angeregten Zustände in der Gasfüllung im Kanal 28 Rechnung getragen werden kann.

Als günstig erweist sich schließlich, daß praktisch keine Einschränkungen für den im Kanal 28 herrschenden Gasdruck bestehen. Zur Veranschaulichung dieses Vorteils der Erfindung kann auf die Darstellung in F i g. 2 bezug genommen werden. In F i g. 2 ist eine Kurve gezeigt, die im Zusammenhang zwischen der Änderung der Durchbruchsspannung V im Kanal 28 einerseits und dem Produkt P ■ oc aus dem Gasdruck P im Kanal 28 und dem Abstand d der Elektroden 30 und 32 andererseits wiedergibt. Dabei entspricht das oberhalb der in Fig.2 dargestellten Kurve liegende Gebiet dem Entladungsbereich. Soll nun dieser Bereich ausgehend von einer Anfangsspannung ν durch eine Erhöhung der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 30 und 32 erreicht werden, so darf der Gasdruck im Kanal nur so hoch gewählt werden, daß bereits eine mit üblichen Spannungsquellen bequem erreichbare Spannung Vi zu einer Verschiebung in den Bereich oberhalb der Kurve in F i g. 2 führt. Diese Verhältnisse sind in F i g. 2 für einen Gasdruck P₁ mit Arbeitspunkten A und B vor bzw. nach der Entladungsauslösung dargestellt. Bedient man sich dagegen des Elektronenstrahls 42 und der dadurch bedingten Vorionisierung der Gasfüllung im !Canal 28 zur Auslösung der elektrischen Entladung, so kann der Arbeitspunkt C für die anfängliche Spannung ν bis zu einem Wert P₂ für den Gasdruck im Kanal 28 verschoben werden, obwohl für den entsprechenden Arbeitspunkt D im Entladungsbereich ohne eine Vorionisierung der Gasfüllung im Kanal 28

durch den Elektronenstrahl 42 eine Spannung V₂ für die Entladungsauslösung aufzuwenden wäre, die weit jenseits der mit den bekannten Spannungsquellen ohne weiteres erzielbaren Werte liegt. Die auf diese Weise erzielbare Erhöhung des zulässigen Gasdrucks im Kanal 28 wiederum führt zu einer porportionalen Vergrößerung der Intensität der erzeugten Laserstrahlung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur ein einziger Speicher 21 vorgesehen, der mit dem (Paar der Elektroden 30 und 32 verbunden ist. Nun wird jedoch die Entladung im Kanal 28 räumlich und zeitlich vollkommen durch die Vorionisierung bestimmt, die sich beim Durchgang des Elektronenstrahls 42 durch den Kanal 28 ergibt. Daher ist es ohne weiteres möglich, mehrere Energiespeicher vorzusehen, die dem Speicher 2i im Aufbau analog ausgebildet und parallel mit ebenso

vielen entlang des Kanals 28 angeordneten Elektrodenpaaren verbunden sein können, wobei sich die Entladung aller dieser Energiespeicher vollkommen synchron vollzieht. Auf diese Weise kann gewünschtenfalls die für die Entladung zur Verfügung stehende gespeicherte elektrische Energie erheblich vergrößert werden, so daß sich auch die Energie der erzeugten Laserstrahlung vergrößern läßt, ohne daß dies zu Schwierigkeiten bei der Synchronisierung der Entladung im Kanal 28 führen würde.

Die Gasfüllung im Kanal 28 kann aus Stickstoff bestehen, womit sich dann eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 337,1 nm ergibt, bei einer Füllung des Kanals 28 mit Neon läßt sich eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 540,1 nm erhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erzeugen einer transversalen elektrischen Anregung eines Gases in einer Gaslaseranordnung, bei der

— ein Gas wie Neon oder Stickstoff mil vorgegebenem Druck einen Kanal mit zwei zu beiden Seiten seiner Achse parallel dazu angeordneten Elektroden ausfüllt,

— ein elektrischer Entladungsgenerator einen zur Speicherung elektrischer Energie dienenden Speicher aufweist, der aus mindestens einer Flachleitung gebildet ist, die aus zwei durch ein Dielektrikum gegeneinander isolierten und mit jeweils einer der im Kanal beidseitig angeordneten Elektroden verbundenen ebenen Leitern besteht, von denen der eine mit Masse/Erdpo tential verbunden und der andere auf einem unterhalb der Durchbruchsspannung des Gases liegenden Potential gehalten ist, und

— eine Elektronenstrahlanordnung eine transversale Entladung auslöst, die räumlich in Richtung der Kanalachse fortschreitet,

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dadurch gekennzeichnet, daß durch einen als Elektronenstrahlanordnung dienenden Elektronenbeschleuniger in den Kanal parallel zu seiner Achse entlang der Elektroden ein Elektronenstrahl sehr kurzer Dauer injiziert wird, dessen Geschwindigkeit in etwa der Geschwindigkeit des im Kanal erzeugten Laserlichtes entspricht

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des injizierten Elektronenstrahls in der Größenordnung einer Nanosekunde J5 liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des injizierten Elektronenstrahls in der Größenordnung einer Pikosekunde liegt. -to