DE2354341C3 - Gaslaser - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gaslaser mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Aus einer Veröffentlichung in »Appl. Phys. LetL«, Band 20, Nr. 9, l.Mai 1972, S. 354 bis 355 ist ein COj-Gaslaser bekannt, der mit einer Gasmischung arbeitet, die unter 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 worJen. 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 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 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. C mittels eines Elektronenstrahles erfolgen. wie in Applied Physics Letters Bd. 19. Nr. 2. S. 506. 15. Dezember 1971 beschrieben ist. Photo-Vo'ionisation (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.

Vo;· kurzem ist auch bekannt geworden, einen hochenergetischen Elektronenstrahl als externe lonisierungsquelle zur Erzeugung eines Plasmas zu verwenden, das d mn durch Anlegen eines zur Aufrechterhaltung der Entladung dienenden elektrischen Feldes mit einem Potential, aas unterhalb des Schwellweites für einen Lawinendurchbruch liegt, erhitzt wird. Dies ist z. B. in Applied Physics letters Bd. 20. No. 2. S. 5b bis 60. 15. lanuar 1972 beschrieben, wo auf Seite 57 außerdem erwähnt wird, daß das Plasma auch unter Verwendung einer äuß.ren Strahlungsquelle durch Photoionisation erzeugt werden kann. Die Erzeugung eines Plasmas durch Photoionisation von leicht lonisierbarem Cäsium dampf in einem (JQ^-NrHe-Laser ist in »Soviet Physics«, Band 15, Nr. 2, Seiten 109 bis Il I, August 1970, beschrieben.

Der Vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrpnde, einen Gaslaser der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine einfachere, gleichmäßigere und stärkere Ionisation und Stimulation des Gases auch in grobun Volumina und bei hohen Gasdrücker) 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 gleichmäßiges und stabiles Plasma hoher Dichte erreicht, auch in sehr großen Volumina (z. B. 20 Litern oder mehr) and 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 Absorp'iionsprozesse zeigen (z. B. beim CC>2-N2-He-Laser durch die starken Absorptionsbänder der Nj-Moleküle) ein gleichmäßiges Eindringen höherenergetischer Phr-'onen in das zu stimulierende Gasvolumen verhincrn Durch die Erfindung werden ferner die Probleme vermieden, die auftreten, wenn rnan 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 Laserausg.°ngssignal, 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).

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 Bcsetzunjsinversion optimieren und eine gleichförmige, f.tabile Entladung in einem großen Volumen (vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise mindestens 20 Liter) erreichen, wobei die Elektronenerzeugungsgeschwindigkeit unabhängig von der Elektionendichte 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 Impulsbe trieb) ist möglich.

Bei mancher Ausführungsformen 'St die angelegte Spann-jrg zu niedrig, um einen Lawinendurchbruch erzeugen zu können und das Plasma wird durch Photoionisation erreugt. Bei anderen Ausführungsbei spielen wird eine überhalb der Durchbruchsspannung liegende Spannung verwendet, um das Plasma /ü erzeugen.

Bei manchen Absführungsformen ist im Lasergas ein Impfgas niedrigen Ionisationspotentials verteilt, dessen Partialdruc'k vorzugsweise kleiner ist als dsr des laserfähigen Bestandteils; das Impfgas wifd durch das Licht mit der (bezüglich des lonisationspotentials des laserfähigen Bestandteils) relativ niedrigen Photot.enenergie leicht photoionisiert, da die übrigen Gasbestandteile bei diesem Energieniveau verhältnismäßig transparent sind und das Licht tief (vorzugsweise mit einer Eindringtiefe von mindestens einer Größenord-

nung eines Meiers) in die übrigen Gasbestahdleile eindringt und ein gleichmäßiges Plasma in einem ausgedehnten Volumen erzeugt. Bei anderen Ausfiihrungsformen 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 Gases hat; die Pholonenenergie 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 irrt Zuge des letzten Schrittes des Prozesses ionisiert zu werden. Die Energieniveaus des Impfgases unterscheiden sich vorzugsweise vom oberen Laserniveau des laserfähigen Bestandteils um mehr ais die miniere 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 seltktiv 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 d'e 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 Ausrührungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert dabei werden weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes zur Sprache kommen. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Schnittansichl eines Lasers, bei dem die Erfindung Anwendung finden kann;

F i g. 2 einen Schnitt in einer Ebene 2-2 der Fig. 1;
s Fig.3 einen schemaiischen Axialschnitt einer Abwandlung des Lasers gemäß Fig. I;

Fig.4 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung eines Lasers, bei dem die Erfindung verwirklicht werden kann;

ίο F i g. 5 einen Schnitt in einer Ebene 5-5 der F i g. 4;

Fig. 6 einen schematischen Äxialschnitt einer Abwandlung des Lasers gemäß F i g. 4 und

Fig. 7 eine stark vereinfachte Darstellung einer weiteren Laseranordnung, mit der die Erfindung realisiert werden kann.

Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung handelt e* sich um COj-Nj-He-Laser, die mit einem Lasergas arbeiten, das Tri-n-Propyiarnin ais irnpfgas erimäii.

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 (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, chromplattierte Elektroden 22 und 24 (»suslainer- oder Aufrechterhaltungselektroden«) 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 Elektroden 32 und 34 sind Xenonblitzlampen angeordnet, weiche 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.

AO 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 Gesamtdruck von 1 bar stehende Mischung, die CO2, N₂ und 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 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 zweistufigen 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 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 mil Wellenlängen unter 90 nm erforderlich wären. Der niedrige Parlialdruck und das verglichen mit den relativ hoch liegenden Photonen-Absorptionsbanden und lonisationspotentialen aller anderen Bestandteile niedrige lonisationspntential des Impfgases ergcben sehr große Eindringtiefen (z, B. über I m) für die ionisierenden Photonen und ermöglichen ein gleichföfmig£,ü Plasma in einem großen Volumen mit hohem Photoionisationswirkungsgrad. Wollte man im Gegensatz hierzu das GOj 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-MoICkUIe auf.

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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 goldbeschichtelen 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, chromplatlierte Elektroden 122 und 124 aus Aluminium gehallert, 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

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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 Impfgases 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) ven Jeden 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 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 kolHmiert 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 16 und 18, die dann nicht selbst schwingt und als Verstärker betrieben werden kann usw.

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 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 beL

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 Ausführungsbeispieien 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 wirJ, ist in Fig.6 schemalisch dargestellt. Auch hier werden ähnlich wie bei dem Ausftflirungsbeispiel 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- «ind hergeworfen, wobei es das Volumen zwischen den Elektroden mehrfach durchläuft, während es sich axial Nings 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 Laservolurnen iweckmäßigerweise enge Lichtbündel mit hoher Flußdichte, die nur begrenzte Zonen des Laservolumens durchsetzen. Die durch das Verzögerungsglied 123 (Fig.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 ■bermäßige Plasmaverluste durch die Wände der Röhre 110 eintreten. Da es sich bei der Photoionisation hier um einen zweistufigen Prozeß handelt, ist die Plasmadichiie 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 Fig.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)

Patentansprüche:

1. Gaslaser mit einem Gasgemisch, welches einen laserfähigen, stimulierbaren Bestandteil enthält, ferner mit einer eine Lichtquelle zur Photoionisation 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; 132, 134; 154, 156) emittierte Strahlung ein effektives Photonenenergiespektrum hat, das unter der Ionisierungsenergie des laserfähigen, stimulierbaren Bestandteils sowie derart unterhalb der Absorptionsbanden des Gasgemisches liegt, daß sich eine hohe mittlere Eindringtiefe der Strahlung in das Gasgemisch ergibt, und daß das Photonenencvgiespektrum so gewählt ist, daß mindestens ein Bestandteil des Gasgemische:; vorwiegend durch einen mehrstufigen Prozeß unter aufeinanderfolgender Absorption von Photonen photoionisiert wird.

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekann· zeichnet, 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 Steuervoiricl· ung (123, 125) enthält, die das Anlegen der Spannung verzögert, bis die Photonen von der Lichtquelle mindestens bis zu einer mittleren Tiefe von 1 cm in das Gasgemisch eingedrungen Sind.

4. Gaslaser nach Anspruch 1 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. w

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 « Gasgemisches enthält, und daß die Steuervorrich tung (123, 125) das Anlegen der Spannung so lange verzögert, daß die in diesen Zonen durch Photoioni tation erzeugten freien Elektronen durch da·, Gasgemisch diffundiert sind.

6. Gaslaser narh Anspruch 3 oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Verzöserungsdauer min destens eine Mikrosekunde beträgt.

7. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anord- S5 dung eine Vorrichtung (158. 160) enthält, die einen längs der optischen Achse des Lasers fonschreiten■ den Strahlengang für das Licht in dem Raum, in dem die I.aserwirkung 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 mil einem solchen Energiespektrun? 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 ionisationspotcntia! als dieser hat. und daß das 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 a,3 der laserfähige Bestandteil.

15. Gaslaser nach Anspruch !3 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Impfgas Tri-n-propylamin, Tributylamin oder Tripentylamin 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 I 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 I bis 18. dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch zumindest unter Atmosphärendruck steht.

20. Gaslaser na'-h 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 photoionisierbur 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 Lawmenen.tJadung 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 Impulsbelrieb 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 kurzer ist als die Lebensdauer des strahlenden Zustandes des laseraktiven Bestandteils wieder aufgefüllt wird.