DE2354341A1

DE2354341A1 - Gaslaser

Info

Publication number: DE2354341A1
Application number: DE19732354341
Authority: DE
Inventors: Ali Javan; Jeffrey Steven Levine
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1972-10-30
Filing date: 1973-10-30
Publication date: 1974-05-02
Also published as: DE2354341B2; DE2365909C2; GB1443974A; JPS4995596A; DE2354341C3; DE2365909A1; JPS5756225B2

Description

US-Ser.No. 301,894 · '

und 335,820

AT: 30. Oktober 1972

Massachusetts Institute of Technology 77 Massachusetts Avenue, Cainbi^icLcje, Mass. (V.St.A.)

Gaslaser

Die vorliegende Erfindung betrifft Gaslaser (und.zwar sowohl Laser-Oszillatoren als auch nicht selbstschwingende Laser-Verstärker) mit einem Gas, das einen laserfähigen, stimulierbaren Bestandteil enthält, ferner mit einer eine Lichtquelle zur Photoionisation des Gases und eine elektrische Anordnung zum Anlegen einer Spannung an das Gas enthaltenden Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas im Gas, dessen Temperatur ausreicht, um den stimulierbaren Bestandteil in den laseraktiven Zustand zu bringen.

Es ist bekannt, laserfähige (stimulierbare) Gase dadurch in den laseraktiven (stimuliert emittierenden) Zustand' zu bringen, daß man an das Gas ein elektrisches Feld anlegt, dessen Feldstärke ausreicht, um eine selbständige Gasentladung (Lawinendurchbruch) zu erzeugen, wobei ein Plasma entsteht, das so weit erhitzt wird (d.h. dessen mittlere Elek-

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tronentemperatur soweit erhöht wird) daß das Gas auf sein Laserniveau gebracht ("gepumpt") wird. Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, daß bei gepulsten Gaslasern die Gleichförmigkeit der Entladung verbessert und Durchschläge vermieden werden können, wenn man in einer Ililfsentladung schon vor dem Durchgang des Hauptstromimpulses eine Ionisation erzeugt. Die Vorionisation kann z.B. mittels eines Elektronenstrahles erfolgen, wie von Garnsworthy und Mitarbeitern in der Veröffentlichung "Atmospheric-Pressure Pulsed CO„ Laser Utilizing Preionization by High-Energy Electrons" in der Zeitschrift Applied Physics Letters Bd.19, Nr.2, S.5O6, 15. Dezember 1971 geschrieben ist. Photo-Vorionisation (sowie Photoionisation zur Unterstützung der Aufrechterhaltung der Hauptentladung) ist z.B. ί,Γο der Veröffentlichung von Seguin und Mitarbeitern "Photoinitiated and Photosustained Laser" Applied Physics Letters, Bd. 21, No.9, S.414, 1. November 1972, beschrieben.

Vor kurzem ist auch bekannt geworden, einen

hochenergetischen Elektronenstrahl als externe Ionisierungsquelle zur Erzeugung eines Plasmas zu verwenden, das dann durch Anlegen eines zur Aufrechterhaltung der Entladung dienenden elektrischen Feldes mit einem Potential, das unterhalb des Schwellwertes für einen Lawinendurchbruch liegt, erhitzt wird. Dies ist z.B. von Fenstermacher und Mitarbeitern in der Veröffentlichung "Electron-Beam-Controlled Electrical Discharge as a Method of Pumping Large Volumes of CO₂ Laser Media at High Pressure", in der Zeitschrift Applied Physics Letters Bd.20, No.2, S.56 bis 60, 15. Januar 1972 beschrieben, wo auf Seite 57 außerdem erwähnt wird, daß das Plasma auch unter Verwendung einer äußeren Strahlungsquelle durch Photoionisation erzeugt werden kann. Die Erzeugung eines Plasmas durch Photoionisation von leicht ionisierbarem Cä^siumdampf in einem CO^-N^-He-Laser ist in der Veröffentlichung "A Pulsed Dioxide Laser" von Eletski und Smirnov in der Zeitschrift

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Soviet Physics" Band 15, Nr.2, Seiten 109 bis 111, August 1970 beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrund, Gaslaser der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere eine einfachere- ,gleichmäßigere und stärkere Stimulation des Gases zu erreichen.

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

Durch die Erfindung wird bei einem mit Photoionisation arbeitenden Laser durch einfache und zuverlässige Maßnahmen mit hohem Wirkungsgrad ein gleichmäßiges und stabiles Plasma hoher Dichte erreicht, auch in sehr großen Volumina (z.B. 20 Litern oder mehr) und bei hohen Gasdrücken (z»B. bei einem Mehrfachen des Atmosphärendrucks). Die Erfindung läßt sich auf Höchstdrucklaser (sowie auch auf Niederdrucklaser) anwenden, trotzdem die großen Wirkungsquerschnitte, die die am besten geeigneten Lasergase hinsichtlich der Photoionisation und anderer Absorptionsprozesse zeigen (z.B₀beim CO₂-K₃-He-Laser durch die starken Absorptionsbänder der ^-Moleküle) ein gleichmäßiges Eindringen höher energetischer Photonen in das zu stimjlierende Gasvolumen verhindern. Durch die Erfindung werden ferner die Probleme vermieden, die auftreten, wenn man Fenster vorsehen muß, die für ionisierende Photonen durchlässig sind, deren Energie über der Ionisationsenergie des betreffenden Lasergases.liegt. Die Erfindung ermöglicht eine erhebliche Erhöhung der Energie im Laserausgangssignal, größere Übergangslinienbreiten und damit einen größeren Abstimmbereich für das Laserausgangssignal, und mode-synchronisierte Impulse extrem kurzer Dauer sowie Laser, zu deren Realisierung hohe Drücke erforderlich sind (z.B. Laser, die mit einer Molekülbildung durch Atomzusammenstöße arbeiten.)

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BeI Anwendung auf Laser, die mit durch Photoionisation erzeugten, elektrisch erhitzten Plasmen gepumpt werden, wird durch die Erfindung insbesondere der Vorteil erreicht, daß die Energiequellen für die Erhitzung des Plasmas und für die Erzeugung des Plasmas unabhängig sind, d.h. man kann die mittlere Elektronenenergie hinsichtlich der gewünschten Besetzungsinversion optimieren und eine gleichförmige, stabile Entladung in einem großen Volumen (vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise mindestens 20 Liter) erreichen, wobei die Elektronenerzeugungsgeschwindigkeit unabhängig von der Elektronendichte ist; ferner werden durch die Photoionisation die systemeigenen Nachteile der Verwendung von Elektronen strahlen vermieden. Das Pumpen kann sehr schnell erfolgen, d.h. mit einem kürzeren Zeitmaßstab als die Plasmaerzeugung. Auch ein Dauerbetrieb (im Gegensatz zu einem Impulsbetrieb) ist möglich.

Bei einem Laser gemäß der Erfindung ist also die Licht- oder Strahlungsquelle so ausgebildet, daß das effektive Photonenenergiespektrum der emittierten Strahlung unter dem Ionisationspotential des laserfähigen Bestandteils liegt und so gewählt ist, daß zumindest ein Bestandteil des Gases vorwiegend durch einen mehrstufigen Prozess photoionisiert wird, bei dem eine aufeinanderfolgende Absorption von Photonen mitspielt, von denen mindestens das erste eine Photonenergie hat, die kleiner ist als das Ionisationspotential des Bestandteils der ionisiert wird.

Bei manchen Ausfuhrungsformen ist die angelegte Spannung zu niedrig, um einen Lawinendurchbruch erzeugen zu können und das Plasma wird durch Photoionisation erzeugt. Bei anderen Ausführungsbeispielen wird eine überhalb der Durchbruchsspannung liegende Spannung .verwendet, um das Plasma zu erzeugen.

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Bei manchen Ausführungsformen ist im laserfähigen Bestandteil ein Impfgas niedrigen lonisationspotentials verteilt, dessen Partialdruck vorzugsweise kleiner ist als der des laserfähigen Bestandteils; das Impfgas wird durch das Licht mit der (bezüglich des Ionisationspotentials des laserfähigen Bestandteils) relativ niedrigen Photonenenergie leicht photoionisiert, da die übrigen Gasbestandteile bei diesem Energieniveau verhältnismäßig transparent sind und das Licht tief (vorzugsweise mit einer Eindringtiefe von mindestens einer Größenordnung eines Meters) in die übrigen Gasbestandteile eindringt und ein gleichmäßiges Plasma in einem ausgedehnten Volumen erzeugt. Bei anderen Ausführungsformen tritt eine Photoionisation des laserfähigen Bestandteils selbst durch einen mehrstufigen Prozess ein, bei dem eine Absorption von mehreren Photonen mitspielt, von denen das erste eine Energie unter dem Ionisationspotential des Ga'ses hat; die Photonenenergie des einfallenden Lichtes ist immer noch niedrig genug, um ein gutes Eindringen zu gewährleisten und es ergibt sich anfänglich im Gasvolumen eine gleichmäßige Verteilung niedriger Konzentration von Gasmolekülen mit einem oder mehreren absorbierten Photonen, die bereit sind (analog dem Impfgas), durch Absorption eines weiteren Photons im Zuge des letzten Schrittes des Prozesses ionisiert zu werden. Die^:"Energieniveaus des Impfgases unterscheiden sich vorzugsweise vom oberen Laserniveau des laserfähigen Bestandteils· um mehr als die mittlere thermische Energie eines Gasmoleküls, damit das obere Laserniveau nicht gestört oder gelöscht wird. Bevorzugte Impfgase sind Tri-n-propylamin, Tributylamin und Tripentylamin.

Die ERfindung läßt sich sowohl auf Läseroszillatoren als auch auf nicht schwingende Laser-Verstärker anwenden.

Das die Photoionisation bewirkende Licht (der Begriff "Mcht" wird hier ganz allgemein für elektromagnet!sd©

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Strahlung verwendet) soll vorzugsweise kolUmiert sein und durch das aktive Volumen gerichtet und zurückgeworfen werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen und die hohe Photoneneindringtiefe möglichst gut auszunutzen.

Bei manchen Ausführungsformen wird das effektive Anlegen der Spannung vorzugsweise zumindest solange verzögert, bis die tiefe Photonendurchdringung erreicht ist. Bei verschiedenen anderen Ausführungsformen der Erfindung wird die Photoionisation während der Laserwirkung fortgesetzt; die Flußdichte des Lichts wird durch Fokussierung erhöht, um anfänglich in einer begrenzten Zone eine dichte Ionisation zu erzeugen, das Anlegen der Spannung wird dabei verzögert, um eine Diffusion von Elektronen aus dieser Zone zu ermöglichen und eine gleichmäßigere Verteilung zu erreichen - diese Maßnahme ergibt einen höheren Wirkungsgrad, da die Plasmadichte bei einer mehrstufigen Ionisation mindestens so schell wie das Quadrat der Lichtflußdichte ansteigt; und man bewirkt, daß sich das ionisierende Licht längs der optischen Achse des Lasers ausbreitet, wobei man das Licht in den Laser vorzugsweise durch einen Spiegel eintreten läßt, der für dieses Licht selektiv durchlässig ist aber Licht der Laserfreguenz reflektiert. Ein Dauerbetrieb kann dadurch erreicht werden, daß man das Gas in einer. Kammer photoionisiert und es durch eine andere Kammer strömen läßt,, in der eine Spannung angelegt wird; die Strömungsgeschwindigkeit wird dabei so hoch gewählt, daß sich kein eingeschnürter Bogen ausbilden kann. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die für einen Dauerbetrieb geeignet ist, werden z.B. in einer eigenen Kammer sowohl das Licht als auch die Spannung so schnell gepulst, daß die Bildung eines eingeschnürten Bogens verhindert und die Plasmabesetzung schneller aufgefüllt wird als es der Lebensdauer des strahlenden Zustandes des laseraktiven Bestandteils entspricht.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der

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Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, dabei werden weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes zur Sprache kommen. Es zeigen:

Fig. 1 eine etwas vereinfachte Schnittansicht eines Lasers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ein Schnitt in einer Ebene 2-2 der Fig. 1; .

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vergrößerung der Ausführungsform gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung;

Fig. 5 einen Schnitt in einer Ebene 5-5 der Fig. "4;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Vergrößerung der Ausführungsform gemäß Fig, 4 und

Fig." 7 eine stark vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung handelt es' sich um CO₂-N₂-He-Laser, bei denen Tri-n-propylamin als Impfgas verwendet wird.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Laser

enthält eine Glasrohre 10, die an ihren Enden durch Platten 12 und 14 vakuumdicht verschlossen sind, die einen goldbeschichteten Spiegel 16 (Reflexionsvermögen 99%; Transmission 0%) bzw. einen Germanium-Spiegel 18 (Reflexionsvermögen 90%; Transmission 10%) tragen, die beide Krümmungsradien von je-

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weils 2Meter aufweisen und dadurch einen optischen Hohlraum 20 begrenzen.

Im Hohlraum 2O sind parallele, polierte, chromplattierte Elektroden 22 und 24 ("sustainer- oder Aufrechterhaltungselektroden") aus Aluminium durch Phenolharzringe 26 und 28 gehlatert und durch die Platte 12 hindurch mit einem Kondensator 30 verbunden, der an eine Hochspannungsquelle 31 angeschlossen ist.

Längs der Seiten des Raumes zwischen den Elektroden 32 und 34 sind Xenon Xenonblitzlampen angeordnet, welche über eine kondensatorgezündete Funkenstrecke 36 mit einer Hochspannungsquelle 38 verbunden sind. Die Xenonblitzlampen haben 1 mm dicke Quarzkolben mit einem Außendurchmesser von 9,5 mm, die kein Licht mit Wellenlängen unter etwa 1650 8 mehr durchlassen.

Im Betrieb des beschriebenen Lasers kann man

beispielsweise unter Verwendung eines Gaseinlasses 40 und eines Gasauslasses 42 eine unter einem Gesamtdruck von 760 Torr stehende Mischung, die CO₂, N„ und He im Verhältnis 1:2:3 enthält und mit etwas Tri-n-propylamin unter einem Partialdruck von 0,25 Torr geimpft ist, langsam durch die Glasrohre 10 strömen lassen. Ferner wird zwischen den Elektroden 22 und ein konstantes elektrisches Feld von 4000 V/cm erzeugt. Die Blitzlampen werden mit etwa 200 Joule gespeist, um den Raum zwischen den Elektroden zu beleuchten und eine Photoionisation des Impfgases zu bewirken. Das resultierende Plasma wird durch das aufrecht erhaltene elektrische Feld erhitzt, um eine Laserentladung zu erzeugen.

Das Licht von den Blitzlampen hat eine solche spektrale Energieverteilung, daß die Photoionisation des Trin-Propylamins vorwiegend durch einen zweistufigen Prozess erfolgt , bei dem nacheinander Photonen absorbiert werden, von

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denen zumindest das erste eine Energie hat, die unter dem Ionisationspotential (7,2 3 eV über dem Grundzustand) des Impfgases liegt.

Die Verwendung des Impfgases und der zweistufige Prozess ermöglichen die Erzeugung eines Plasmas mit Photonen, deren Energie wesentlich unter dem Energiewert liegt, der für eine direkte Ionisation des laser fähigen Mediums CO₂ liegt, für dessen Ionsation Photonen mit Wellenlängen unter 900 8 erforderlich wären. Der niedrige Partialdruck und das verglichen mit den relativ hoch liegenden Photonen-Absorptionsbanden und lonisationspotentialen aller anderen Bestandteile niedrige Ionisationspotential des Impfgases ergeben sehr große Eindringtiefen (z.B. über 1 m) für die ionisierenden Photonen und ermöglichen ein gleichförmiges Plasma in einem großen Volumen mit hohem Photoionisatiohs-Wirkungsgrad. Wollte man im Gegensatz hierzu das CO₅ mit Licht, dessen Wellenlänge unter 900 8 liegt, direkt ionisieren, so stände man vor der Schwierigkeit, geeignete Fenster, die für derart kurzwellige Strahlung durchlässig sind, zu finden und es träten Probleme infolge der Absorption in der äußeren Gasschicht wegen des hohen Photoionisations-Querschnitts des CO₂ und dessen hohem Druck und wegen anderer Absorptionsprozesse, z.B. durch die starken Absorptionsbanden der N₂-Moleküle auf.

Im allgemeinen sollte das Impfgas so gewählt werden, daß sich seine Energieniveaus vom oberen Laserniveau des Lasergases um mehr als die mittlere thermische Energie eines Gasmoleküls unterscheiden, um eine Löschung oder Entleerung des oberen Laserniveaus zu verhindern, während es vorteilhaft sein kann, das untere Laserniveau durch ein mit ihm zusammenfallendes Energieniveaü des Impfgases zu löschen oder zu entleeren und damit zur Besetzungsinversion beizutragen.

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In entsprechender Weise sollte eine Löschung der Erregung eines Zwischengases (z.B. N₂ im C£>₂- Laser) vermieden werden. Das Impfgas sollte außerdem kein starkes Absorptionsband haben, in das die Laser-Ausgangsfrequenz fällt noch sollte es die Lawxnendurchbruchsspannung des Lasermediums stark herabsetzen und sein Dampfdruck sollte bei der normalen Betriebstemperatur des Lasermediums so groß sein, daß eine leichte Mischung mit dem Lasermedium gewährleistet ist (wenn auch unter Umständen Heizung vorgesehen se.in kann.)

Der zwei- oder mehrstufige Prozess kann dazu

dienen, das Lasermedium selbst zu photoionisieren, so daß man dann kein Impfgas benötigt. Diejenigen Gasmoleküle, die nach Absorption mindestens eines Photons in einem ersten Übergang für die Ionisation durch Absorption eines zusätzlichen Photons bereit sind, werden sich im übrigen Gasvolumen ganz ähnlich verteilen, wie ein Impfgas mit niedrigem IonxsationspotentxaI und kleinem Partialdruck. Im allgemeinen soll bei dem zweistufigen Prozess für die erste Stufe ein schwacher erlaubter Übergang verwendet werden, um die Eindringtiefe zu erhöhen, wobei der Begriff "schwach, erlaubt" hier bedeuten soll, daß sich eine mittlere Eindringtiefe ergibt, die größer als die entsprechende Abmessung des gewünschten Plasmas ist.

Ein vergößertes System mit größerem Volumen

und höherem Wirkungsgrad, bei dem die hohe Eindringtiefe der Photonen besser ausgenutzt wird, ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Das Licht von Blitzlampen 54 und 56 wird hier jeweils durch einen Parabolspiegel 50 bzw. 52 kollimiert und durch Spiegel 58 und 60 hin- und hergeworfen, wobei es den Raum zwischen den Elektroden mehrmals durchläuft.

Andere Ausführungsformen und Abwandlungen sind selbstverständlich möglieh, z.B. die Vervrendung eines

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Ultraviolett-Gaslasers als Strahlungsquelle für die Photoionisation; eine Anordnung ohne die Spiegel 16 und 18, die dann nicht "selbst schwingt und als Verstärker betrieben werden kann usw.

Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel enthält eine Glasrohre 110, die an ihren Enden durch Glasplatten 112, 114 vakuumdicht verschlossen ist. Die Glasplatten 112, 114 tragen einen goldbeschichteten Spiegel 116 (Reflexionsvermögen 99%; Transmission 0 %X bzw. einen Germaniumspiegel 118 (Reflexionsvermögen 90%; Transmission 10%), die beide einen Krümmungsradius von 2 Meter haben und einen optischen Hohlraum 120 bilden.

Im Hohlraum 120 sind durch Phenolharzringe 126 und 128 zwei parallele, polierte, chromplattierte Elektroden 122 und 124 aus Aluminium gehaltert, die durch die Platte 112 hindurch mit einem Kondensator 130 verbunden sind, der durch eine Hochspannungsquelle 131 gespeist wird.

Längs der Seiten des . Raumes zwischen den Elek- _x troden sind röhrenförmige Xenonblitzlampen 132 und 134 angeordnet, w^eiche mit einer Funkenstrecke 136 verbunden sind, die durch einen Kondensator gezündet werden kann und an eine Hochspannungsquelle 138 angeschlossen ist. Die Xenonblitzlampen haben jeweils einen 1 mm dicken Quarzkolben mit einem Außendurchmesser von 9,5 mm, der für Licht mit einer kürzeren Wellenlänge als etwa 1650 A* nicht mehr durchlässig ist.

Bei einer beispielsweisen Betriebsart wurde durch die Glasrohre 110 unter Verwendung eines Gaseinlasses 140 und eines Gasauslasses 142 mit geringer Strömungsgeschwindigkeit eine unter einem Gesamtdruck von 760 Torr stehende Gasmischung geleitet, die CO₂/ N₂ und He im Partialdruckver-

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hältnis 1:2:3 sowie mit geringer Konzentration unter einem Partialdruck von 0,25 Torr Tri-n-propylamin enthielt. Die Blitzlampen wurden mit etwa 200 Joule betrieben, um das Gasvolumen zwischen den Elektroden zu beleuchten und eine Photoionisation des Impfgases zu bewirken. An die Elektroden 122 und 124 wurde eine ausreichende Spannung (z.B.10 kV) gelegt , um eine Lawinenentladung mit resultierender Laserwirkung zu erzeugen. Zwischen den als Energiespeicher dienenden Kondensator 130 und die eine der Elektroden 122, 124 ist ein Schalter 125 geschaltet, der über ein Verzögerungsglied 12 3 mit der Funkenstrecke 136 verbunden ist und das effektive Anlegen der Spannung an das Gas zumindest solange verzögert, bis die Photonen in der gewünschten Weise In das Gas eingedrungen sind.

Die resultierende, über das Volumen gleichförmige Photo-Vorionisation ergibt ein sehr gleichförmiges Plasma und verzögert nach Anlegen der Durchbruchsspannung in erwünschter Weise die Bildung eines eingeschnürten Bogens. Eine Fortsetzung der Photonenzufuhrhöhendmindestens eines Teiles der Lawinenentladung urud Laseraktion trägt zusätzlich zur Gleichförmigkeit und Stabilität bei.

Das Licht von den Blitzlampen hat eine solche spektrale Energieverteilung, daß die Photoionisation des Trin-propylamins vorwiegend durch einen zweistufigen Prozess erfolgt, bei dem nacheinander Photonen absorbiert werden, von denen mindestens das erste eine unter dem Ionisationspotential (7,23 eV über dem Grundzustand) des Impfgases liegende Energie hat.

Durch die Verwendung des Impfgases und des zweistufigen Prozesses ergeben sich die gleichen Vorteile, wie sie in Verbindung mit dem anhand der Fig. 1 bis 3 erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben wurden. Andere ge-

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-13-eignete Impfgase sind z.B. Tributylamin und Tripentylamin.

Auch hier kann der zweistufige Prozess dazu verwendet werden, eine Photoionisation des Lasermediums oder laserfähigen Bestandteiles der Gasmischung selbst zu bewirken.

Ein vergrößertes System mit größerem Volumen und höherem Wirkungsgrad, bei dem die hohe Eindringtiefe der Photonen besser ausgenutzt wird, ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Auch hier werden ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 Parabolspiegel 150 und 152 verwendet, um das Licht von Blitzlampen 154 und 156 zu kollimieren. Das kollimierte Licht wird dann wieder durch Spiegel 158 und 160 hin- und hergeworfen, wobei es das Volumen zwischen den Elektroden mehrfach durchläuft, während es sich axial längs der optischen Achse des Lasers ausbreitet. Dieses Ausführungsbeispiel enthält einen Endspiegel 116' aus Quart, der eli*elektrisch beschichtet ist, so daß er zwar das Licht von den Blitzlampen 154 und 156 durchläßt, das Licht der Laserfrequenz jedoch reflektiert«

Die Spiegel 150 und 152 erzeugen im Laservolumen zweckmäßigerweise enge Lichtbündel mit hoher Flußdichte, die nur begrenzte Zonen des Laservolumens durchsetzen. Die durch das Verzögerungsglied 123 bewirkte Verzögerung wird so groß (mindestens eine Mikrosekunde) gewählt, daß die zweistufige Ionisation ablaufen kann und das anfänglich nicht gleichmäßig verteilte resultierende Plasma sich wenigstens annähernd gleichmäßig durch Diffusion im Laservolumen verteilen kann, jedoch nicht solang, daß übermäßige Plasmaverluste durch die Wände der Röhre 110 eintreten. Da es sich bei der Photoionisation hier um einen zweistufigen Prozess handelt, ist die Plasmadichte proportional dem Quadrat der Flußdichte und als FoIe davon wird durch die Fokussierung der Lichtbündel zur Erhöhung

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der Flußdichte Und die anschließend für die Diffusion vorgesehene Verzögerung der Wirkungsgrad der Plasmaerzeugung stark erhöht.

Ein Dauerbetrieb kann dadurch erreicht werden, daß man sowohl die Lichtquelle als auch die Quelle für das elektrische Feld so schnell pulst/ daß das Entstehen einer eingeschnürten Bogenentladung verhindert und das Plasmakollektiv innerhalb einer Zeitspanne wieder aufgefüllt wird, die kleiner ist als die Lebensdauer des strahlenden Zustands des CCL·.

Die Erfindung läßt sich auch mit Vorteil für ·

das Erreichen sehr großer Pumpgeschwindigkeiten verwenden, also Pumpgeschwindigkeiten, die größer sind als die Geschwindigkeit der Plasmaerzeugung, da das photoionisierte Plasma vor dem Anlegen der Pumpspannung voll erzeugt werden kann.

Bei dem in Fig. 7 stark vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung findet die Photoionisation in einer Kammer 170 statt und das inisierte Gas wird dann rasch durch eine Kammer 172 geleitet, in der die Pumpspannung angelegt wird. Durch das überführen des Gases von der einen Kammer in die andere wird automatisch eine Verzögerung zwischen der Ionisation und dem Pumpen und damit z.B. eine Diffusion im Anschluß an die Bestrahlung mit zur Flußdichteerhöhunj fokussiertem Licht ermöglicht, Vorzugsweise wird in der Kammer 170 und im Kanal zwischen den Kammern eine schwache Spannung angelegt, um Elektronenverluste durch Elektronenanlagerung zu verzögern. Ein Dauerbetrieb (CW-Betrieb) kann dadurch erreicht werden, daß man das Gas so schnell, z.B. mit Überschallgeschwindigkeit, durch die Kammer 172 strömen läßt, daß sich kein eingeschnürter Lichtbogen ausbilden kann.

Bei den verschiedenen Ausführungsformen, die anhand der Fig. 4 bis 7 erläutert wurden, kann die Spannung

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ebenfalls unter der Durchbruchsspannung gehalten werden und dann nur zur Erhitzung des (durch Photoionisation erzeugten) Plasmas auf das Laserniveau dienen und nicht zum Erzeugen einer Lawinenentladung. In diesen Fällen wird das Anlegen der Spannung vorzugsweise verzögert, um die Diffusion eines anfänglich nicht gleichförmigen Plasmas zu ermöglichen oder um ein schnelles Pumpen mit Zeiten, die kürzer sind als die der Plasmaerzeugung zu gestatten.

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Claims

Patentansprüche

1J Gaslaser mit einem Gasvolumen, das einen laserfähigen, stimulierbaren Bestandteil enthält, ferner mit einer eine Lichtquelle zur Photoionisation des Gases und eine elektrische Anordnung zum Anlegen einer Spannung an das Gas enthaltenden Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas im Gas, dessen Temperatur ausreicht, um den stimulierbaren Bestandteil in den laseraktiven Zustand zu bringen, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Lichtquelle (32,34; 54, 56; 132,, 134; 154,'156) emittierte Strahlung ein effektives Photonenenergiespektrum hat, das unter der Ionisierungsenergie des laserfähigen Bestandteils liegt und so gewählt ist, daß mindestens ein Bestandteil des Gases vorwiegend durch einen mehrstufigen Prozess unter aufeinanderfolgender Absorption von Photonen photoionisiert wird, von denen mindestens das erste eine Photonenenergie hat, die kleiner ist als die Ionisierungsenergle des Bestandteils, der ionisiert wird.

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß die elektrische Anordnung (22, 24, 30, 31).ein elektrisches Feld liefert, das unterhalb der Durchbruchsfeldstärke des Gases liegt.

3. Gaslaser nach Anspruch 1, gekennzeichnet- dvU r c h eine Steuervorrichtung (123, 125) zur Verzögerung des effektiven Anlegens der Spannung,bis die Photonen von der Lichtquelle mindestens bis zu einer mittleren Tiefe von 1 cm in das Gas eingedrungen sind.

4. Gaslaser nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet,, daß die elektrische Anordnung eine Spannung an das Gas anzulegen gestattet, die für die Erzeugung eines Lawinendurchbruchs im Gas ausreicht.

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5.'Gaslaser nach Anspruch 3 gekennzeichnet durch eine optische Anordnung (50, 52, 58, 60; 150, 152, 158, 160) zum Erhöhen der Flußdichte des von der Lichtquelle (54, 56, 154, 156) erzeugten Lichtes, das begrenzte Zonen des Gasvolümens durchdringt, und daß die Steuervorrichtung (123, 125) das effektive Anlegen der Spannung solange verzögert, daß die in diesen Zonen durch Photoionisation erzeugten freien Elektronen durch das Gasvolumen diffundiert sind.

6. Gaslaser nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsdauer mindestens eine Mikrosekunde beträgt.

7. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine optische Vorrichtung (158, 160), die einen längs der optischen Achse des Lasers fortschreitenden Strahlengang für das Licht in dem Raum, in dem die Laserwirkung stattfindet, definiert, und durch einander entgegengesetzte Spiegel, die in dem Raum zur Erzeugung von Schwingungen angeordnet sind und von denen der eine (116') für das Licht von der Lichtquelle (154, 156), Txicht jedoch für das Licht der Laserfrequenz, durchlässig ist.

8. Laser nach Anspruch 7, dadurch

gekennzeichnet, daß der Spiegel aus dielektrischen Schichten auf Quarz besteht.

9. Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung ausreicht, um im Gas einen Lawinendurchbruch zu erzeugen und daß die Steuervorrichtung so ausgebildet ist, daß die Photoionisation des Gases vor einer etwaigen, durch die Spannung verursachten eingeschnürten Lichtbogenentladung stattfindet.

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OBiGlMALtNSPEGTED

-Ιδ-ΙΟ. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle, die Photonen mit einem solchen Energiespektrum emittiert, daß die mittlere Eindringtiefe mindestens 1 Meter beträgt.

11. Gaslaser nach Anspruch 4 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle so ausgebildet ist, daß die Emission von Licht auch noch nach dem effektiven Anlegen der Spannung fortdauert.

12. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasvolumen ein Impfgas enthält, das im laserfähigen Bestandteil verteilt ist und ein niedrigeres Ionisationspotential als dieser hat.

13. Ga-s laser nach Anspruch 12, dadurch gekenn ζ ei chn e t, daß das Impfgas einen niedrigeren Partialdruck hat als der laserfähige Bestandteil.

14. Gaslaser nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung des Spektrums derart vorgegeben ist, daß das Impfgas vorwiegend durch einen mehrstufigen Prozess fotoionisiert wird, bei welchem eine aufeinanderfolgende Absorption von Photonen mitspielt, von denen zumindest das erste eine Photonenenergie hat, die kleiner ist als das Ionisationspotential des Impfgases.

15. Gaslaser nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Impfgas Tri-n-propylamin, Tributylamin oder Tripentylamin ist.

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16. Gaslaser nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß

sich alle Energieniveaus des Impfgases vom oberen Laserniveau des laserfähigen Bestandteils um mehr als die mittlere thermische Energie eines Moleküles des Gases unterscheiden, so daß eine Entleerung des oberen Laserniveaus durch strahlungslose übergänge vermieden wird„

17 ο Gaslaser nach Anspruch 15, dadurch

gekennzeichnet, daß das Gasvolumen ein Gemisch aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium enthält»

18. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß der Bestandteil, der ionisiert wird, der laserfähige Bestandteil ist.

19. Gaslaser nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Schritt des mehrstufigen Prozesses ein sehwacher, erlaubter Obergang (erlaubter Obergang mit geringer Obergangswahrscheinlichkeit) verwendet wird.

2Ö. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß dem Gasvolumen einander entgegengesetzte Spiegel (16,18; 116, 116', 118) zugeordnet sind, .die einen Schwingungsbetrieb ermöglichen.

21 ο Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gas zumindest unter Atmosphärendruck steht.

22. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine

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Vorrichtung (50, 52) zur Bündelung des Lichts von der Lichtquelle (54, 56) und durch Spiegel (58, 60), durch die das gebündelte Licht durch das Gasvolumen derart hin- und hergeworfen wird, daß eine gute Ausnutzung der hohen Eindringtiefe der plasmaerzeugenden Photonen gewährleistet ist.

23. Gaslaser nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, gekennzeichnet durch eine optische Vorrichtung, die in dem Gasvolumen, in dem die Laseraktion stattfindet, einen optischen Strahlengang definiert, der in Richtung der optischen Achse des Lasers fortschreitet.

24. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste Kammer (172), in der die Spannung an das Gas anlegbar ist, eine zweite Kammer, in der das Gas durch die Photonen ionisierbar ist und durch eine Vorrichtung zur überführung des ionisierten Gases von der zweiten in die erste Kammer.

25. Gaslaser nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,, daß die Spannung ausreicht, um im Gas eine Lawinenentladung hervorzurufen und daß die Gasüberführungsvorrichtung in der ersten Kammer eine so hohe Strömungsgeschwindigkeit erzeugt, daß die Ausbildung einer eingeschnürten Bogenentladung verhindert wird.

26. Gaslaser nach Anspruch 4, gekennzeichnet d urch eine Anordnung zum Impulsbetrieb der Lichtquelle und der elektrischen Anordnung zum Anlegen der Spannung mit einer solchen Impulsfrequenz, daß das Entstehen einer eingeschnürten Bogenentladung verhindert und das Plasmakollektiv innerhalb einer Zeitspanne, die kürzer ist als die Lebensdauer des strahlenden Sustandes des laseraktiven Bestandteils wieder aufgefüllt wird.

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