DE2354341B2 - Gaslaser - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gaslaser mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen
Merkmalen.
Aus einer Veröffentlichung in »Appl. Phys. Lett.«, Band 20, Nr. 9, l.Mai 1972, S. 354 bis 355 ist ein
COyGaslaser bekannt, der mit einer Gasmischung arbeitet, die unier einem in der Größenordnung des
Atmosphärendruckes liegenden Druck steht und ein organisches Zusatzgas, wie Benzol, Toluol, Xylol oder
Trimethylbenzol enthält, um die Ionisation zu erleichtern und gleichmäßiger zu machen. Auch Cäsiumdampf
ist für diesen Zweck schon benutzt worden. Das Zusatzgas soll ein niedriges lonisationspotential, einen
hohen Dampfdruck und einen niedrigen Absorptionskoeffizienten für die Laserstrahlung haben.
Es ist ferner bekannt, laserfähige (stimulierbare) Gase dadurch in den laseraktiven (stimuliert emittierenden)
Zustand zu bringen, daß man an das Gas ein elektric ches
Feld anlegt, dessen Feldstärke ausreicht, um eine selbständige Gasentladung (Lawinendurchbruch) zu
erzeugen, wobei ein Plasma entsteht, das so weit erhitz: wird (d. h. dessen mittlere Elektronentemperatur 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 mittels einer Hilfsentladung schon vor dem Durchgang des hauptstromimpulses
eine Ionisation erzeugt. Die Vorionisation kann z. B. mittels eines Eiektronenstrahles erfolgen,
wie in Applied Physics Letters Bd. 19, Nr. 2, S. 506, 15. Dezember 1971 beschrieben ist. Photo-Vorionisation
(sowie Photoionisation zur Unterstützung der Aufrechterhaltung der Hauptentladung) ist z. B. in Applied
Physics Letters, Bd. 21, No. 9, S. 414, 1. November 1972, beschrieben.
Vor kurzem ist auch bekannt geworden, einen hochenergetischen Elektronenstrahl als externe lonisierungsquelle
zur Erzeugung eines Plasmas zu verwenden, das dann durch Anlegen eines zur Aufrechlerhaltung
der Entladung dienenden elektrischen Feldes mit einem Potential, das unterhalb des Schwellwertes für einen
Lawinendurchbruch liegt, erhitzt wird. Dies ist z. B. in Applied Physics Letters Bd. 20, No. 2, S. 56 bis 60,
15. (anuar 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 ionisierbaresn Cäsiumdampf
in einem CCVNi-He-Laser ist in »Soviet Physics«, Band 15, Nr. 2, Seiten 109 bis 111, August 1970,
beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gaslaser der eingangs genannten Art
dahingehend zu verbessern, daß eine einfachere. gleichmäßigere und stärkere Ionisation und Stimulation
des Gases auch in großen Volumina und bei hohen Gasdrücken gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gaslasers gemäß der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
Durch die Erfindung wird bei einem mit Photoionisation arbeitenden Laser durch einfache und zuverlässige
Maßnahmen mit hohem Wirkungsgrad ein gleichmäßi-
H) ges 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
Atmosphärendruckes). 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. B. beim CCb-Ni-He-Laser durch die starken
Absorptionsbänder der N2-Moleküle) ein gleichmäßiges Eindringen höherenergetischer Photonen in das zu
stimulierende 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 lonisationsenergie des betreffenden Laserga ses liegt. Die Erfindung ermöglicht eine erhebliche
Erhöhung der Energie im Laserausgangssignal, größere Übergangslinienbreiten und damit einen größeren
Abstimmbereich für das Laserausgangssignal, und
jo 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).
Bei Anwendung au! 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 Elektronenstrahlen
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 manchen Ausführungsformen 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.
Bei manchen Ausführungsformen ist im Lasergas ein
Bei manchen Ausführungsformen ist im Lasergas ein
oo Impfgas niedrigen lonisationspotentials verteilt, dessen
Partialdruck vorzugsweise kleiner ist als der des laserfähigen Bestandteils; das Impfgas wird durch das
Licht mit der (bezüglich des lonisationspotentials des laserfähigen Bestandteils) relativ niedrigen Photonenenergie
leicht photoionisiert, da die übrigen Gasbestandteile bei Jiesem Energieniveau verhältnismäßig
transparent sind und das Licht tief (vorzugsweise mit einer Eindringtiefe von mindestens einer Größenord-
nung eines Meters) in die übrigen Gasbestandteile eindringt und ein gleichmäßiges Plasma in einem
ausgedehnten Volumen erzeugt. Rei anderen Ausführungsformen tritt eine Photoionisution 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 lonisationspotential des Gases 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 Zuee des letzten Schrittes des Prozesses ionisiert zu werden. Die Energieniveaus
des Implgases 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-npropylamin, Tributylamin und Tripentylamin.
Die Erfindung läßt sich sowohl auf Laseroszillatoren als auch auf nicht schwingende Laser-Verstärker
anwenden.
Das die Photoionisation bewirkende Licht (der Begriff »Licht« wird hier ganz allgemein für elektromagnetische
Strahlung verwendet) soll vorzugsweise kollimiert 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 schnell wie das Quadrat der
Lichtflußdichte ansteigt; und man läßt das ionisierende Licht sich längs der optischen Achse des Lasers
ausbreiten, wobei man das Licht in den Laser vorzugsweise durch einen Spiegel eintreten läßt, der für
dieses Licht selektiv durchlässig ist aber Licht der Laserfrequenz 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 Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, dabei
werden weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes zur Sprache kommen. Es zeigt
Fig. 1 eine vereinfachte Schnittansicht eines Lasers,
bei dem die Erfindung Anwendung finden kann;
F i g. 2einen Schnitt in einet Ebene2-2der Fig. 1;
F i g. 2einen Schnitt in einet Ebene2-2der Fig. 1;
, F i g. 3 einen schematischen Axialschnitt einer Abwandlung des Lasers gemäß F i g. I;
F i g. 4 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung eines
Lasers, bei dem die Erfindung verwirklicht werden kann;
Fi g. 5 einen Schnitt in einer Ebene5-5der Fig.4;
F i g. 6 einen schematischen Axialschnitt einer Abwandlung des Lasers gemäß F i g. 4 und
F i g. 7 eine stark vereinfachte Darstellung einer weiteren Laseranordnung, mit der die Erfindung
,, realisiert werden kann.
Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung handelt es sich um CO2-N2-He-Laser,
die mit einem Lasergas arbeiten, das Tri-n-Propylamin als Impfgas enthält.
.·« Der in den F i g. 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 (Reflexionsvermögen 99%; Transmission 0%) bzw. einen Germanium-Spiegel 18
.?-> (Reflexionsvermögen 90%; Transmission 10%) tragen, die beide Krümmungsradien von jeweils 2 Meter
aufweisen und einen optischen Hohlraum 20 begrenzen.
Im Hohlraum 20 sind parallele, polierte, chromplat-
tiertc Elektroden 22 und 24 (»sustainer- oder Auf-
•;i rechterhaltungselektroden«) aus Aluminium durch Phenolharzringe
26 und 28 gehaltert 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
i'i Elektroden 32 und 34 sind 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 93 mm,
4ii die kein Licht mit Wellenlängen unter etwa 165 nm
mehr durchlassen.
Im Betrieb des beschriebenen Lasers kann man beispielsweise unter Verwendung eines Gaseinlasses 40
und eines Gasauslasses 42 eine unter einem Gesamt-
4Ί druck von 1 bar stehende Mischung, die CO2, N2und He
im Verhältnis 1:2:3 enthält und mit etwas Tri-n-propylamin
unter einem Partialdruck von 33.25 Pa geimpft ist. langsam durch die Glasrohre 10 strömen lassen.
Ferner wird zwischen den Elektroden 22 und 24 ein
v\ 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 Tri-n-Propylamins vorwiegend durch einen zweistu-
bo figen Prozeß erfolgt, bei dem nacheinander Photonen
absorbiert werden, von denen zumindest das erste eine Energie hat, die unter dem Ionisationspotential (7,23 eV
über dem Grundzustand) des Impfgases liegt
Die Verwendung des Impfgases und der zweistufige
βί Prozeß ermöglichen die Erzeugung eines Plasmas mit
Photonen, deren Energie wesentlich unter dem Energiewert liegt, der für eine direkte Ionisation des
laserfähigen Mediums CO2 liegt, für dessen Ionisation
Photonen mit Wellenlängen unter 90 nm erforderlich wärer.. Der niedrige Fartialdruck und das verglichen mit
den relativ hoch liegenden Photonen-Absorptionsbanden und lonisationspotentialen aller anderen Bestandteile
niedrige Ionisationspotential des Impfgases ergeben sehr große Kindringtiefen (z. B. über 1 m) für die
ionisierenden Photonen und ermöglichen ein gleichförmiges Plasma in einem großen Volumen mit hohem
Photoionisationswirkungsgrad. Wollte man im Gegensatz hierzu das CO2 mit Licht, dessen Wellenlänge unter
90 nm liegt, direkt ionisieren, so stünde 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-Quer-Schnitts 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 Energieniveau des Impf gases zu löschen oder zu
entleeren und damit zur Besetzungsinversion beizutragen.
In entsprechender Weise sollte eine Löschung der Erregung eines Zwischengases (z. B. N2 im CCVLaser)
vermieden werden. Das Impfgas sollte außerdem kein starkes Absorptionsband haben, in das die Laser-Ausgangsfrequenz
fällt noch sollte es die Lawinendurchbruchsspannung 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
sein 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 lonisationspotential und kleinem
Partialdruck. Im allgemeinen soll bei dem zweistufigen Prozeß für die erste Stufe ein schwacher erlaubter
Übergang verwendet werden, um die Eindringtiefe zu 5c
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 vergrößertes System mit größerem Volumen und höherem Wirkungsgrad, bei dem die hohe Eindringtiefe
der Photonen besser ausgenutzt wird, ist schematisch in F i g. 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 möglich, z. B. die Verwendung eines
Ultraviolett-Gaslasers als Strahlungsquelle für die Photoionisation; eine Anordnung ohne die Spiegel !6
und 18, die dann nicht selbst schwingt und als Verstärker betrieben werden kann usw.
Der in Fig.4 und 5 dargestellte Laser 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%) 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 Elektroden sind röhrenförmige Xenonblitzlampen 132
und 134 angeordnet, welche 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 AußendÄrchmesser von 9,5 mm, der für Licht mit
einer kürzeren Wellenlänge als etwa 165 nm 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 1 bar stehende Gasmischung geleitet, die CO2, N2 und
He im Partialdruckverhältnis 1:2:3 sowie mit geringer
Konzentration unter einem Partialdruck von 33,25 Pa 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. 10kV)
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 123 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 Photonenzufuhr während mindestens eines Teiles der
Lawinenentladung und Laseraktion trägt zusätzlich zur Gleichförmigkeit und Stabilität bei.
Das Licht von den Blitzlampen hat eine solche spektrale Energieverteilung, daß die Photoionisation
des Tri-n-propylamins vorwiegend durch einen zweistufigen Prozeß erfolgt bei dem nacheinander Photonen
absorbiert werden, von denen mindestens das erste eine unter dem lonisationspotential (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 F i g. 1 bis 3 erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben
wurden. Andere geeignete 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 Quarz, der dielektrisch 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 (F i g. 4) 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 Folge
davon wird durch die Fokussierung der Lichtbündel zur Erhöhung 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 CO2.
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 Lasersystems findet die Photoionisation in einer
Kammer 170 statt und das ionisierte 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 Flußdichteerhöhung 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 kann dadurch erreicht
werden, daß man das Gas so schnell, z. B. mit Überschallgeschwindigkeit, durch die Kammer 172
strömen läßt, daß sich kein eingeschürter Lichtbogen ausbilden kann.
Bei den verschiedenen Ausführungsformen, die anhand der F i g. 4 bis 7 erläutert wurden, kann die
Spannung 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.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (22)
1. Gaslaser mit einem Gasgemisch, welches einen laserfähigen, stimulierbaren Bestandteil enthält,
ferner mit einer eine Lichtquelle zur Photoionisation r>
des Gasgemisches enthaltenden optischen Anordnung sowie einer elektrischen Anordnung zum
Anlegen einer Spannung an das Gasgemisch zum Erzeugen eines Plasmas im Gasgemisch, dessen
Temperatur ausreicht, um den stimulierbaren Bestandteil auf ein Laserniveau anzuregen, dadurch
gekennzeichnet, daß die von der Lichtquelle (32, 34; 54, 56; «32, 134; 154, 156) emittierte
Strahlung ein effektives Photonenenergiespektrum hat, das unter der Ionisierungsenergie des laserfähigen,
stimulierbaren Bestandteils sowie derart unterhalb der Absorptionsbanden des Gasgemisches Hegt,
daß sich eine hohe mittlere Eindringtiefe der Strahlung in das Gasgemisch ergibt, und daß das
Photonenenergiespektrum so gewählt ist, daß mindestens ein Bestandteil des Gasgemisches
vorwiegend durch einen mehrstufigen Prozeß unter aufeinanderfolgender Absorption von Photonen
photoionisiert wird.
2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Anordnung (22, 24, 30,
31) ein elektrisches Feld liefert, das unterhalb der Durchbruchsfeldstärke des Gasgemisches liegt.
3. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Anordnung eine so
Steuervorrichtung (123, 125) enthält, die das Anlegen der Spannung verzögert, bis die Photonen
von der Lichtquelle mindestens bis zu einer mittleren Tiefe von 1 m in das Gasgemisch eingedrungen
sind. «
4. Gaslaser nacli Anspruch I oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektrische Anordnung (22, 24, 30, 31) eine Spannung an das Gasgemisch
anzulegen gestattet, die für die Erzeugung eines Lawinendurchbruchs im Gasgemisch ausreicht.
5. Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anordnung eine Vorrichtung
(50,52,58,60; 150,152; 158, 160) zum Erhöhen
der Flußdichte des von der Lichtquelle (54, 56, 154, 156) erzeugten Lichtes in begrenzten Zonen des ir>
Gasgemisches enthält, und daß die Steuervorrichtung (123, 125) das Anlegen der Spannung so lange
verzögert, daß die in diesen Zonen durch Photoionisation erzeugten freien Elektronen durch das
Gasgemisch diffundiert sind. ·><>
6. Gaslaser nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsdauer mindestens
eine Mikrosekunde beträgt.
7. Gaslaser nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anordnung
eine Vorrichtung (158, 160) enthält, die einen längs der optischen Achse des Lasers fortschreitenden
Strahlengang für das Licht in dem Raum, in dem die Laserwirkung stattfindet, definiert, und daß
einander gegenüberliegende Spiegel in dem Raum angeordnet sind, von denen der eine (116') für das
Licht von der Lichtquelle (154,156), nicht jedoch für das Licht der Laserfrequenz durchlässig ist.
8. Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Spiegel (116') aus dielektrischen
Schichten auf einem Quarzsubstrat besteht.
9. Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung ausreicht, um im Gas
einen Lawinendurchbruch zu erzeugen und daß die Steuervorrichtung (123, 125) so ausgebildet ist, daß
die Photoionisation des Gases vor einer etwaigen, durch die Spannung verursachten eingeschnürten
Lichtbogenentladung stattfindet
10. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle 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
Anlegen der Spannung fortdauert.
12. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil, der ionisiert wird, der laserfähige Bestandteil ist
13. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch ein Impfgas enthält, das im laserfähigen Bestandteil
verteilt ist und ein niedrigeres lonisationspotential als dieser hat. und daß aas Impfgas der vorwiegend
durch den mehrstufigen Prozeß fotoionisierte Bestandteil des Gasgemisches ist
14. Gaslaser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß das Impfgas einen niedrigeren Partialdruck hat als der laserfähige Bestandteil.
15. Gaslaser nach Anspruch 13 oder 14, dadurch
gekennzeichnet, daß das Impfgas Tri-n-propylamin, Tributylamin oderTripentylamin ist.
16. Gaslaser nach einem der Ansprüche 13 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 Gasgemisches
unterscheiden, so daß eine Entleerung des oberen Laserniveaus durch strahlungslose Übergänge
vermieden wird.
17. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch
Kohlendioxid, Stickstoff und Helium enthält.
18. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Schritt des
mehrstufigen Prozesses ein schwacher, erlaubter Übergang (erlaubter Übergang mit geringer Übergangswahrscheinlichkeit)
verwendet wird.
19. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch
zumindest unter Atmosphärendruck steht.
20. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch eine erste Kammer (172), in
der die Spannung an das Gasgemisch anlegbar ist, eine zweite Kammer (170), in der der Bestandteil des
Gasgemisches durch den mehrstufigen Prozeß photoionisierbar ist und durch eine Vorrichtung zur
Überführung des Gasgemisches von der zweiten in die erste Kammer.
21. Gaslaser nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung ausreicht, um im
Gasgemisch eine Lawinenentladung hervorzurufen und daß die Gasüberführungsvorrichtung in der
ersten Kammer (172) eine so hohe Strömungsgeschwindigkeit erzeugt, daß die Ausbildung einer
eingeschnürten Bogenentladung verhindert wird.
22. Gaslaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Anordnung eine Vorrichtung zum Impulsbetrieb der Lichtquelle und die die
elektrische Anordnung eine Vorrichtung zum
Anlegen der Spannung mit einer solchen Impulsfrequenz enthält, daß das Entstehen einer eingeschnürten
Bogenentladung verhindert und das Plasma innerhalb einer Zeitspanne, die kürzer ist als die
Lebensdauer des strahlenden Zustandes des laseraktiven
Bestandteils wieder aufgefüllt wird.
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DE3546210A1 (de) * | 1985-12-27 | 1987-07-02 | Gugg Anton Dipl Ing Fh | Laserentfernungsmesser |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3546152A1 (de) * | 1985-12-27 | 1987-07-02 | Gugg Anton Dipl Ing Fh | Laser |
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