DE2351919C3 - Hohlkathoden-Metalldampflaserröhre - Google Patents

Description

der äußeren Kathodenwand und der Anode, so daß keine Entladung an der inneren Kathodenfläche auftritt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Hohlkathoden-Laserröhre der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die einen stabilisierten Ausgangspegel aufweist, eine lange Lebensdauer besitzt und ohne größeren Aufwand mit hoher Präzision herstellbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anodenrohrabschnitte die Kaihodenrtshrabschnitte umfassen und Isolierkörperrohrabschnitte vorgesehen sind, die ebenfalls die Kathodenrohrabschnitte umfassen und dabei die Außenflächen der Kathodenrohrabschnitte vollständig abdecken.

Vorteilhafte Ausführungsformen nach der Erfindung folgen aus den Merkmalen der Untcransprüche.

Im Gegensatz zu den mit Öffnungen oder Schlitzen versehenen Kathodenröhren sind die Kathodenrohrabschnitte mit gleichen Abständen voneinander jeweils koaxial innerhalb eines Anodenrohrabschnittes koaxial zu diesem angeordnet. An die Kathodenrohrabschnitte werden negative Spannungen gelegt, die vorder Inbetriebnahme der Röhre eingestellt werden können, um eine hohe Stabilität und einen optimalen Ausgangspegel zu erzielen.

Dabei werden negative Spannungen von relativ kleinen absoluten Werten an solche Kathodenabschnitte gelegt, die einen günstigen Entladungszustand aufzeigen und größere, absolute Spannungswerte werden an solche Kathodenabschnitte gelegt, die einen ungünstigen Entladungszustand aufweisen, um auf diese Weise einen einheitlichen Entladungszustand zum Aufrechterhalten einer optimalen Entladung über eine genügend lange Zeit erreichen zu können.

Da außerdem jeder Kathodenrohrabschnitt weder radiale öffnungen noch Schlitze besitzt, erfolgt die Entladung in eine Richtung, im wesentlichen parallel zur Rohrachse, wobei eine einheitliche, negative Glimmentladung entlang der gesamten Länge der Rohrachse aufrechterhalten bleibt. Damit kann ein stabilisierter Laserausgang ohne Fehler längere Zeit aufrechterhalten werden.

Durch die HöhIkathoden-Laserröhre ergibt sich der Vorteil, daß die Verunreinigung der Brewstcr-Fenster durch Metalldämpfe verhindert wird, weil eine rohrförrsiigc Anode als eine evakuierte Umhüllung an Stelle einer herkömmlichen Glasumhüllung dient und gleichzeitig eine Hilfsanode gegenüber jedem Brewster-Fensterabschnitt angeordnet ist, um die Diffusion von Metalldämprcn in dem Entladungsraum zu verhindern.

Da die äußeren Flächen Jcr rohrförmigen Kathodenabschnitte durch Isolierungen vollständig abgedeckt sind, besteht auch keine Möglichkeit von Kurzschlüssen zwischen Anode und Kathode.

Durch die Unterteilung der Anode in Rohrabschnitte wird weiterhin die mechanische Präzision für den Zusammenbau der Laserröhre wesentlich begünstigt. Außerdem wird hierdurch das Anlegen von verschiedenen Spannungen an die einzelnen Kathodenrohrabschnitte wesentlich erleichtert.

Die Erfindung wird für ein Ausführungsbeispiel an Hand von schematischen Zeichnungen im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

Fig. I einen Schnitt durch eine herkömmliche Hohlkathode n-Laserrohre,

FiK. 2 einen Schnitt ('rieh eine mittlere Kathoden-Anoden-Baueinheit zum Aufhau einer Laserröhre,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine äußere Kathoden-Anoden-Baueinheit zum Aufbau einer Laserröhre und

Fig. 4 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel, das aus Baueinheiten nach Fig. 2 und 3 zusammengesetzt ist.

Bei einer in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen

in Hohlkathoden-Laserröhre sind Öffnungen 2 von bestimmtem Durchmesser in der Wand einer Hohlkathode 1 vorgesehen. (Eine bekannte gebräuchliche Hohlkathode weist einen Innendurchmesser von 6 mm und eine Länge von 40 bis 80 cm auf.) Die

Ii Hohlkathode wird von einem Kathodenhalterungsstab 3 getragen, der durch eine äußere Glasrohre 4 dicht geführt ist. In der Glasrohre 4 sind Anodenstäbe 5 gehalten, deren eine Enden gegenüber den Öffnungen 2 liegen. Eine elektrische Entladung erfolgt zwischen der Innenseite der Hohlkathode 1 und jeder Anode 5. Die Entladungen gehe-- dabei von der Innenwand der Hohlkathode über tm· Öffnungen 2 zu den Anoden 5.

Bei derartigen Metalldampf-Laserröhren besteht die Hohlkathode aus einer einstückigen Metallröhre. Eine derartige Ausbildung macht es wie gesagt besonders schwierig, in der Hohlkathode 1 negative Glimmentladungen von einheitlicher Intensität zu erhalten, weil die Kathode 1 über ihrer gesamten Länge

jo auf dem gleichen Potential liegt und die Elektronenemissionen daher an einigen begünstigten Stellen der inneren Fläche der Kathode 1 auf Grund der Flächeneigenschaften auftritt. Ein weiteres Problem besteht darin, daß die Elektronenemissionen sich von Ort zu

ji Ort mit der Zeit ändern, wodurch die Entladung besonders instabil und der Betrieb der Laserröhre unbefriedigend wird.

Fig. 2 zeigt eine mittlere Kathoden-Anodenbaueinheit 14 zum Aufbau einer Laserröhre aus mehreren Baueinheiten. Nach Fig. 2 sind zwei isolierende Keramikröhren vorgesehen, die jeweils mit einem Flansch von relativ großem Durchmesser (30 mm) versehen sind; zwischen den Flanschen ist ein Kathodenrohrabschnitt 6 befestigt, der 5 cm lang ist und einen Innendurchmesser von 4,2 mm aufweist. Er besitzt etwa mittig einen Flansch 11 für den ElektroJenanschluß, der zwischen den Flanschen der Keramikröhren 12 liegt.

Die gegenüberliegenden Flächen der Keramilkflansehe, die in Kontakt mit dem Flansch 11 des K.athodenrohrabschnittes 6 sind, sind metallisiert. Eine hermetisch dichte Verbindung der Keramikflanschie mit dem Kathodenflansch wird durch Löten erreicht.. Eine mittlere Kathoden-Anodenbaueinheit 14, die eine Gesamtlänge von 6,05 cm aufweist, läßt sich derart herstellen, daß zwei an ihren Enden mit Flanschen versehene Anodenrohrabschnitte 13, von denen jeder 2,5 cm lang ist und einen Innendurchmesser von 24 mm besitzt, koaxial zu dem Kathodenrohrabschnitt 6 mit den i" entgegengesetzten Richtungen weisenden Flanschflächen der Keramikröhren 12 verlötet werden. Es zeigt sich, daß bei einer derartigen Metallkathoden-Anodenbaueinhcit 14 die Anode 13 und die Kathode 6 vollkommen elektrisch voncinander isoliert sind.

Fig. 3 zeigt eine B.'.i'einheit 18, die jeweils an den Enden der Laserröhre nach der Erfindung vorhanden ist. Zwischen den Flanschen zweier Keramikröhren

12 uml 16 befindet sich ein halsförmiger Vorsprung M eines Kathodenrohrabschnittes 15, der 3 cm lang ist und einen Innendurchmesser von 4,2 mm aufweist. Der /wischen i\i:n Manschen der Kcramikrührcn gehaltene Vorsprung 11 steht mit einem tileklrodenanschlul.l in Verbindung.

Die Mansche der Keramikröhren 12 und 16 sind an ihren gegenüberliegenden Machen mit einem Metallüberzug versehen, um die Lötverbindung mit dem Vorsprung 11 des Kathodenrohrabschnittes 15 zu erleichtern.

Wie dar gestellt, ist der Anodemohi abschnitt 13 koaxial /um Kathodeniohrabschnitt 15 angeordnet und an den Mansch dei Kcrnmikröhrc 12 angelötet. Das Kopfende des langen Keramikendi(ihres 16 ist ebenfalls metiillisieit. um ein linde des rohrförmigen metallischen I lilfsanodenabschnittes 17 anlöten /u können. Dasandeie linde des Hilfsanodenabschnittes i~ isi linier eiern iircwsiei-w'inkei schräg geschniuen. Die Biuicinhcit 18 ist derart ausgebildet, daß eine ausleichende Isolation /wischen der Kathode 15 und der Anode 13 gegeben ist.

I· ig. 4 zeigt eine Hohlkathoden-Metalldampflascri öhre, die aus sieben mittleren Kathoden-Anoden-Baueinhcitcn 14 und zwei äußeren Kathoden-Anodcn-Haueinhciten 18 zusammengesetzt worden ist.

Die sieben mittleren Kathoden-Anoden-Baueinheiten 14 sind gemäß F^;ig. 2, die in Fig. 4 mit 14« bis 14 s; bezeichnet sind, aneinandergesetzt, daß die /cntrallen Achsen miteinander fluchten. Die Nahtstellen 19 sind mit Hilfe eines Heliiimlichtbogenschweiß- \ erf ahrens verschwel Bt.

Die äuUeren Kathoden-Anodenendbaueinheiten 18« und 18/>. von denen eine in Fig. 3 dargestellt ist. sind bei 20 an die beiden Enden des mittleren Kathoden-Anodenaufbaues koaxial angeschlossen, wobei ebenfalls das Heliumlichtbogeiischweißverfahren zur Anwendung kommt.

Ferner sind Kadmium-Metallteüe 10 von jedem offenen Finde der Hilfsanoden l7 aus als aktives Medium derart eingebracht, daß das Kadmium in etwa gleichen Abständen auf der innenwand jedes Anodenrohrabschnittes vorhanden ist.

Die wirksame Kathodenlänge dieser Metalldampflaser röhre beträgt 41 cm, und es können leicht unabhängige Spannungen angelegt werden, weil die Anode ebenfalls in Rohrabschnitte unterteilt ist. Eine negative Spiannung wird über je einen 2,l-kQ-Widcrstand ;m jedem Kathodenrohrabschnitt angelegt, wohingegen alle Anodenrohrabschnitte an derselben Spannung liegen. Eine positive Spannung einer Hilfsspannungsqucllc 22 liegt an einer Hilfsanode, während die entgegengesetzten, negativen Elektroden der Hilfsspannungsqucllen an die negative Elektrode der Hauptspannungsquelle 23 angeschlossen sind.

Im folgenden wird die Art der Laseroszillation an einem Beispiel beschrieben, bei dem ein Heliumgasdruck von 1,6 mbar aufrechterhalten wird und die Distanz zwischen den zwei Spiegeln, die die optische Resonanz herbeiführten. 90 cm beträgt.

Um eine Verunreinigung der Brewstcr-Fenster zu \ermeiden, beträgt der Strom, der zu den beiden Hilfsanoden 17 geleitet wird, 30 mA, wobei in jeder Keramikröhre 16 eine positive Säule gebildet wird. Dann wird von der Hauptspannungsquelle ein Entladestrom von annähernd 1 A zu allen Kathodcnrohrabschnitten geführt. Sobald das Kadmium auf Grund der Wärme zu verdampfen beginnt, die von der Entla

dung herrührt, beginnt de Lntladestroni zu jeden Kathodenrohrabschnitt abzunehmen, und die Laser rohrendspannung steigt an. Nach etwa 30 min spiel sich der Entladesttom und die Endspannung auf kon staute Werte von etwa HHU mA bzw. 370 V ein. Ii diesem Fall liegt die AnodenflächentempcraUi konstant bei 252° C und der Laserausgang mi 58 mW (Wellenlänge von 441.t> nm) ist ebcnfall: konstant.

Umfangreiche Versuche mit gleich bzw. ähnlich aufgebauten I lohlkathoden-Lascrröhrcn mit ver schiedenen Heliumgasdrücken und verschiedener Spiegelabständen haben gezeigt, daß bei einer An/.ah von Wellenlängen wie HK7.H nm, 853.1 nm, XOd,7 mn 728.4 nm. 723,7 nm, <V36,0 nm, 537.7 nm, 533.7 nir und so weiter, ungedämpfte Läse ι schwingungen inii genügender Stabilität erzielt weiden konnten.

Da die positive Säule innerhalb jeder langen Kcra inikcndiöhre ίό gebildet wird, kann die Wanuicmpe raturder Keramikendröhren genügend hoch gehaltei weiden. Daher schlagen sich clic Metalldämpfe an dei Innenwänden der Keiamikröhien 16 nicht nieder. Au (jnincl des Durchmessers und der Länge der langet Keiamikröhien 16. die vergleichsweise schmal um lang sind, werden die Metalldämpfe, die vom Kalho denende diffundiert sind, in der positiven Säule positiv ionisiert und auf Grund des bekannten Phänomen; des Kataphrwsisflusscs zu dem Kathodenende zulückgedrückt. Dabei wird die Diffusion der Metall dämpfe von dem Kathodenende und die resultierende Verunreinigung der Brewster-Fenstci verhindert. Die Metalldämpfe als Laseraktivstoffe können mehrfach verwendet weiden, und eine ausreichende lange Le benszeit sowie praktische Verwertbarkeit ist für dei erfindungsgemäßen Laser gegeben.

Im Gegensatz dazu stellen die Kathode oder dii Anode der herkömmlichen Hohlkathodenlaseiröhrer keine genügend hermetisch dichte Konstruktion füi Metalldämpfe dar. Die Metalldämpfe, die von den Entladungsraum freikommen, können sich daher au den inneren Flächen einer Einfassung, wie Glaswän den. niederschlagen, wodurch sich die Metalldampf dichte innerhalb des Kathodenraumes wesentlich verringert.

Beim Ausschalten der Gasentladung beginnt dii Temperatur innerhalb der Röhre zu fallen und dii Metalldämpfe beginnen sich an verschiedenen Wand flächen niederzuschlagen.

Da die äußeren Wände der Kathodcnabschnitk vorteilhafterweise vollständig von den Keramikröhrer abgedeckt sind und die Abnahme der Temperatu nahe der Kathodenabschnitte am geringsten ist. be steht keine Möglichkeit der Anhaftung von Metall dämpfen in einem solchen Maße, daß Kurzschluß ent stehen könnte und die Entladung aufhört, wie bei der bekannten Laserröhren.

Anders als bei der Kathode einer herkömmlicher Laserröhre ist die Kathode nach der Erfindung ir Rohrabschnitte unterteilt mit der Möglichkeit, vcrschiedene Spannungen an die einzelnen Kathodenabschnitte zu legen. Da die Spannung an jedem Kathodenrohrabschnitt über einen Widerstand angelegt ist variieren die Spannungsabfälle zwischen je zwei Kathodcn-Anodenrohrabschnitten. Der Grad der Ahweichungen hängt von dem Elektronenemissionszustand ab.

In Fällen, in denen der Elektroncnemissionszustand ungünstig ist, fällt der Entladestrom von jedem

Kiithodeniohrabschnitt ab, und der Spannungsabfall entlang dem Widerstand fällt daher ebenfalls ab. Die Spannung zwischen den Elektroden steigt daher, wodurch die Elektronenemission verbessert wird, und der Entladestrom beginnt zu steigen. In jedem Kathodenrohrabschnitt wird somit ein stabilisierter Sclhstaufsch'·. mgerzielt. In allen Kathodenrohrabschnitten sind somit Mctalldämpfc mit einheitlichen Dichten vorhanden und die negativen Glühbereiche werden einheitlich. Auf diese Weise kann eine Hohlkathoden-Laserröhre mit stabilisierter Arbeitsweise und hoher Wirksamkeit erreicht werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung folgt, daß nach der Lehre der Erfindung eine neue Laser-Entladungsröhre geschaffen worden ist. bei der jeder Kathoden- !ohrabschnitt, jede isolierende Keramikröhre und jeder Anodenrohrabschnitt mit hoher mechanischer Präzision und exakten Ausmaßen hercestellt werden kann. Die thermischen Kapazitäten von sämtlichen Kathoden-Anodenbaueinheiten fallen daher gleich aus.

Außerdem hat die Unterteilung der Kathode in einzelne Rohi abschnitte zur Aufrechterhaltung einer einheitlichen Entladungsbeschaffenheit es möglich gemacht, eine Hohlkathoden-Lascrröhre mit stabilisierter Arbeitsweise, langer Lebenszeit, hoher Wirksamkeit und hoher mechanischer Stoüfestigkeit zu schaffen.

Die Erfindung ist auf Metalldampf-Laserröhren anwendbar, in welchen Dämpfe z. B. von Kadmium, Zink, Selen, Tellur, Cäsium, Zinn, Magnesium oder Quecksilber als Laseraktivstoff verwendet werden können.

Wahrend die langen Endröhren 16 in Fig. 4 aus einem Keramikmaterial bestehen, kann ein Teil der Röhren durch Glas ersetzt sein.

Außerdem kann der metallische Hilfsanodenrohrabschnitt 17 durch eine Glasröhre ersetzt sein, wobei ein metallischer Leitungsdraht dicht in der Glasröhre eingefaßt ist. Außerdem kann jedes Brewster-Fenstcr 21 durch einen Spiegel vom Typ der Innenlascrspiegel ersetzt sein.

Es ist weiterhin klar, daß die Anzahl der mittleren Kathoden-Anodenbaueinheiten zum Aufbau einer Laseiröhre beliebig erhöht werden kann, um eine bestimmte Laseroszillation zu erhalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Hohlkathodcn-Metaildampflaserröhrc aus mehrerer, koaxialen Anoden-Kathodenrohrabschnitten, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenrohrabschnitte (13) die Kathodenrohrabschnitte (6; 15) umfassen und Isolierkörperrohrabschnitte (12) vorgesehen sind, die ebenfalls die Kathodenrohrabschnitte umfassen und dabei die Außenflächen der Kathodenrohrabschnitte vollständig abdecken.

2. Hohlkathoden-Metalldampflaserröhre nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kathoden-Anodenbaueinheit (14) zum Aufbau der Röhre aus einem Kathodenrohrabschnitt (6) und einem Isolierkörperrohrabschnitt (12) besteht, der an seinem Außenumfang mittig einen radial nach außen gerichteten Flansch aufweist, durch den der elektrische Kathodenrohranschluß isoliert nachstoßen geführt ist und an den beidseitig zwei gleiche A^nodenrohrabschnitte (13) mit ihren einen Enden angreifen, deren axial in entgegengesetzte Richtungen weisenden anderen Enden die beiden Enden des Kathodenrohrabschnittes um gleiche Längen überragen, wobei mehrere axial aneinandergereihte Kathoden-Anodcnbaucinheiten (14a bis 14g) einen mittleren Rohrkörper mit gleichen Kathodenrohrahschnittcn bilden.

3. Hohlkathoden-Metalldainpflaserröhrc nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörperrchrabschnitt (IiS) entlang einer mittleren radialen Ebene durch den Flansch in zwei gleiche Teilabschnitte aufgeteilt ist und der Kathodenrohrabschnitt (b) mittig einen radial nach außen gerichteten Flansch (il) aufweist, an den beidseitig die sich gegenüberliegenden Flanschhälften der beiden TeiiiilKchnitte der Isolierkörnerrohrahschnitte (12) angrenzen und durch den freien Ringspalt zwischen den Flanschhälften der Isolierkörperteilabsdinittc der Kathodenrohranschluß geführt ist.

4. Hohlkathoden-Metalldampflascrröhrc nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Teilabschnitte (16) der Isolierkörperrohrabschnitte an den beiden Rohrenden über die nach außen gerichteten Enden der beiden äußersten Kathodenrohrabschnitte (15) hinaus nach außen wesentlich verlängert sind und an den äußeren Enden der Teilabschnitte (16) äußere Hilfsanodenrohrabschnitte (17) von kleinerem Durchmesser als die mittleren Anodenrohrabschnitte (13) angreifen.

5. Hohlkathoden-Metalldaniipflaserröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußersten Kathodenrohrabschnitte (15) jeweils von ihren Flanschen (HL) aus in Richtung der Hilfsanodenrohrabschnitte (1L7) verkürzt sind.

6. Hohlkathoden-Metalldamipflaserröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Isolierkörperrohrabschnitte (12, 16) im wesentlichen gleich ist mit dem Außendurchmesser der Kathodenrohrabschnitte (6, 15

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hohlkathoden-Metalldampflaserröhre aus mehreren koaxialen Anoden-Kathodenrohrabschnitten,

Metalldampf-Laserröhren werden in zwei Gruppen

eingeteilt. Die eine Gruppe verwendet eine positive Säule einer Glimmentladung. Eine solche Entladungsröhre ist z. B. in der DT-OS 2()o()948 beschrieben. Bei der anderen Gruppe wird die Anregung im negativen Glimmbereich einer Entladung ausgenützt.

ίο Die Entladungsröhre nach der Erfindung gehöre zur letzteren Gruppe der sogenannten Hohlkathoden-Laserröhren, die sich grundsätzlich von den Entladungsröhren mit positiver Glimmentladungssäule unterscheiden.

Es gibt verschiedene Arten von Hohlkathoden-Laserröhren. Eine bekannte Hohlkathoden-Laserröhre nach der GB-PS 1072357 enthält eine schlanke zylindrische Metallröhre als Hohlkathode und stabförmige Anoden, die gegenüber Löchern in der Hohlkathode angeordnet sind.

Eine andere bekannte Hohlkathoden-Laserröhre nach der DT-AS ! !91484 besteht aus mehreren, koaxialen Kathodenrohrabschnittcn, zwischen denen ringförmige Anoden koaxial angeordnet sind.

Auch gibt es bereits eine Hohlkathoden-Lascrröhre,die als Elektroden zwei zylindrische Metallröhren von verschiedenen Durchmessern aufweisen. Hierbei weist die Kathrxlenröhre entlang iln er ganzen Länge einen Schlitz auf und ist koaxial innerhalb der

μ Anodenröhre oder parallel zu dieser angeordnet. Hierbei tritt eine Entladung quer zur Kathodenachse auf.

Bei den Hohlkathoden-Laserröhren tritt an der Innenseite der Kathode ein Glimmlicht auf. das von Atomen und Ionen des Trägergases und zerstäubtem Kathodenmaterial herrührt. Diese Partikel werden in der Hohlkathode durch eine Vielzahl von Kollisionen argcregt, Lichtstrahlen entsprechend seinem charakteristischen Spektrum auszusenden.

Die bekannten Hohlkathoden· Lsrerröhrcn besitzen jedoch den Nachteil, daß ihnen vor allem ein einheitlicher Metalldampfdruck, eine einheitliche Stromdichte und eine einheitliche Temperatur über der gesamten Kathodcnlängc fehlt. Hierdurch wird die Ausgangsstabilität und die Wirksamkeit der Laseroszillation beeinträchtigt, wodurch der praktische Gebrauch solcher Laserröhren erschwert ist.

Außerdem sind die herkömmlichen Hohlkathoden-Laserröhren sehr kurzlebig, was folgenden Fak- torcn zugeschrieben werden kann:

1. Das Metall neigt, nachdem es zur Bildung des Lasermediums verdampft ist, dazu, zur Außenseite der Anode, zu den Glaswänden der Röhre und zu den Brewster-Fenstern hin zu diffundic ren, wodurch es aus dem Entladungsraum ver schwindet;

2. Metallpartikel, die auf die Brewster-Fenstcr aufgedampft werden, erhöhen den Ernergieverlust des optischen Resonators und unterbrechen die

M Laseroszillation;

3. in dem Maße wie die Temperatur in der Laserröhre sinkt, nachdem die Lascroperation unterbrochen wurde, haften Metalldämpfe in der Röhre auf isolierenden Schichten und bilden ci-

(,5 nen leitenden Film, der Anlaß zu einem Kurzschluß zwischen der Anode und der Kathode sein kann;

4. in einigen Fällen erfolgen Entladungen zwischen