DE2365909A1 - Gaslaser - Google Patents

Description

Ausscheidung aus P 23 54 341.1-33 14.Juni 1976

9181-73A Dr.v.B/E

Massachusetts Institute of Technology 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, Mass. (V.StA)

Gaslaser

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gaslaser mit einer Gasfüllung, die einen stimulierbaren Bestandteil vorgegebener Ionisierungsspannung und ein optisch ionisierbares Impfgas mit einer kleineren Ionisierungsspannung als der stimulierbare Bestandteil enthält.

Es ist bekannt, laserfaähige (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 HiIfsentladung schon vor dem Durchgang des Hauptstromirapulses 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. Dezeinber 1971 geschrieben ist. Photo-Vorionisation (sowie Photoionisation zur Unterstützung der Aufrechterhaltung der Hauptentladung) ist z.B. in- der Veröffentlichung von Seguin und Mitarbeitern "Photoinitiated and Photosustained Laser" Applied Physics Letters, Bd. 21, Uo.9, S.414, 1. November 1972r beschrieben.

Vor kurzem ist auch bekannt geworden, einen

hochpoergetischen Elektronenstrahl als externe Ionlsierungsguelle 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 CO- 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-isimadainpf in einem CO₂-N₂-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.

Cäsium ist jedoch sehr reaktionsfähig und dementsprechend unbequem handzuhaben, es läßt auch in anderer Hinsicht als Impfgas zu wünschen übrig. Dßr vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Gaslaser anzugeben, der von diesen Nachteilen frei ist und insbesondere auch eine einfachere, gleichmäßigere und stärkere Stimulation des stimulierbaren Bestandteils gewährleistet.

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.B.beim He-Laser durch die starken Absorptionsbänder der Nj küle) ein gleichmäßiges Eindringen höher energetischer 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 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 AtomzusammenstöSe arbeiten.)

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Dei Anwendung auf Laser, die rait 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 middestens 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, /vuch 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 lonisationspotential 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 lonisationspotential des Bestandteils der ionisiert wird.

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.

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Bei manchen Ausführungsformen ist im laserfähigen Bestandteil ein Impfgas niedrigen Ionisationspotentials 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 Ausführungsiormen 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 Photonenenergie das einfallenden Lichtes ist immer noch niedrig genug, um eir. ~?ates Eindringen zu gewährleisten und es ergibt sich anfänglich im Gasvolumen eine gleichmäßige Verteilung niedriger KSnsentration von Gasmolekülen mit einem oder mehreren absorbierten Photonen, die bereit sind (analog dem Impfgas), -Avirch Absorption eines weiteren Photons im Zuge des letzten Schrittes des Prozesses ionisiert zu werden. Die Energieni-"eaus 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 Laseroszillatoren als auch auf nicht schwingende Laser-Verstärker anwenden.

Das die Photoionisc.tion bewirkende Licht (der Begriff "licht" wird hier ganz allgemein für elektromagnetische

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Strahlung verwendet).soll vorzugsweise koUlmiert 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 hi»i 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 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

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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. A?.

Fig. 6 eine schen:atische Darstellung einer Vergrößerung der Ausführungsform gemäß Fig. 4 und

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

Dei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung handelt es sich um CO₂-W₂-Ke-LaSCr, bei denen Tri-n-propylair.in als Impf gas 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 1O%) tragen, die beide Krümmungsradien von je-

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weils 2Meter aufweisen und dadurch einen optischen Hohlraain 20 begrenzen. ,

Im Hohlraum 20 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 ram dicke Quarzkolben mit einem Außendurchmesser von 9,5 mm, die kein Licht mit Kellenlängen 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, N₂ 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 4OOO 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 er-

c ·, , i_'j -us j r.1 j. absorbiert werden, von folgt s bei dein nacheinander Photonen '

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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 Piasinas mit Photonen, deren Energie wesentlich unter dem Energiewert liegt, der für eine direkte Ionisation des laserfähigen Mediums CO-liegt, für dessen lonsation Photonen mit Wellenlängen unter 900 S erforderlich wären. Der niedrige Partialdruck und das verglichen mit den relativ hoch liegenden Photonen-Absorptionsbanden und Ionisationspotentialen aller anderen Bestandteile niedrige Ionisationspotential des Irripfgases ergeben sehr große Eindringtiefen (z.B. über 1 rn) für die ionisierenden Photonen und ermöglichen ein gleichförmiges Plasma in einem großen Volumen mit hohem Photoionisaticns^Wirkungsgrad. Uollte man im Gegensatz hierzu das CO₂ mit Licht, dessen ivellenlänge unter 900 R 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 K_-Moleküle auf.

Im allgemeinen sollte das Iinpfgas 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 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. N₃ im CQ₃- Laser) vermieden werden. Das Impfgas sollte außerdem kein starkes Absorptionsband haben, in das die Laser-Ausgangs frequenz 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 Ionisationspotential und kleinem Partialdruck. Im allgemeinen noil 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 55 wird hler 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

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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 O %X bzw. einen Germaniumspiegel 118 (Reflexionsvermögen 90%; Transmission 10%), die beide einen Krümmungsradius von 2 Meter haben und einen optischen Hohlraum 12O bilden.

Im Hohlraum 120 sind durch Phenolharzringe 126 und 128 zwei parallele, polierte, chroinplattierte 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, 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 ram dicken Quarzkolben mit einem Außendurchmesser von 9,5 mm, der für Licht mit einer kürzeren V7ellenlänge als etwa 1650 S 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 spwie rait geringer Konzentration unter einem Partialdruck von O,25 Torr Tri-n-propylamin enthielt. Die Blitzlampen wurden mit etwa 200 Joule betrieben, um das Gasvoluraen 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 , urn 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 PhotonenzufuhrvähBrsämtndestens eines Teiles der Lawinenentladung un--d Laseraktion trägL 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 Tonisationspotential (7,23 eV über dem Grundzustand) das 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 u'er Fig. 1 bis 3 erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben wurden» Andere ge-

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eignete Impfgase sind z.B. Tr*ibutylamin 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 Laserfreguenz jedoch reflektiert.

Die Spiegel 150 und 152 erzeugen im Laservolumen zweckmäßigerweise enge Lichtbündel mit hoher Flußdichte, die nur begrenzte Zonen des Laservolumens durchsetzen. Diedurch das Verzögerungsglied 12 3 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 Fo^ 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

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 Puxnpspannung voll erzeugt werden kann.

Bei dem in Fig. 7 stark vereinfacht dargestellten Äuusführungsbeispiel der Erfindung findet die Photoionisation in einer Kammer 170 statt und das jcnisierte 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 v/erden, 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 kurzer sind als die der Plasmaerzeugung zu gestatten.

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Claims (1)

Patentanspruch

1. Gaslaser mit einem Gasvolumen, das einen
stimulierbaren Bestandteil mit vorgegebener Ionisierungsspannung und ein Impfgas mit einer kleineren Ionisierungsspannung als der stimulierbare Bestandteil enthält/ d a ■ durch gekennzeichnet, daß das
Impfgas Tri-n-propylamin, Tributylamin oder Tripentylamin ist.