DE2365909C2 - Gaslaser - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß das Impfgas Tri-n-propylamin, Tributylamin oder Tripentylamin ist

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, <όφ das Impfgas einen niedrigeren Partialdruck aufweist als der stimuiierbare Bestandteil.

3. Gaslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle Photonen mit einem solchen Energiespektrum emittiert, daß die mittlere Eindringtiefe mindesteas 1 Meter beträgt.

4. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Energieniveaus des Impfgases vom oberen Laserniveau um mehr als die mittlere thermische Energie eines Gasmoleküls im Gasgemisch unterscheiden.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gaslaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem Gaslaser kann die für eine stimulierte Emission erforderliche Besetzungsinversion bekanntlich dadurch erzeugt werden, daß man an das Gasgemisch des Lasers eine elektrische Spannung anlegt, die ausreicht, um im Gasgemisch eine Gasentladung mit einem Plasma genügend hoher Elektronentemperatur zu erzeugen. Es ist ferner bekannt, daß die Gleichförmigkeit der Entladung bei gepulsten Gaslasern verbessert und unerwünschte Durchschläge vermieden werden können, wenn man das Gasgemisch schon vor dem Anlegen der den Laserimpuls erzeugenden Spannung ionisiert. Eine Photo-Vorionisation ist z. B. in der Veröffentlichung von Seguin et al »Photoinitiated and Photosustained Laser«, Applied Physics Letters, Bd. 21, No. 9, S. 414,415,1. November 1972, beschrieben.

Es ist ferner aus der Veröffentlichung von Fenstermacher et al »Electron-Beam-Controlled Electrical Discharge as a Method of Pumping Large Volumens of CO₂ Laser Media at High Pressure«, Applied Physics Letters, Bd. 20, No. 2, S. 56 bis 60,15. Januar 1972 bekannt, einen hochenergetischen Elektronenstrahl zum Erzeugen eines Plasmas im Lasergasgemisch zu verwenden, das dann durch Anlegen eines zur Aufreehterhaltung der Entladung dienenden elektrischen Feldes mit einem Potential, das unterhalb des Schwellenwertes für einen Lawinendurchbruch liegt, erhitzt wird. Ferner wird in dieser Arbeit erwähnt, daß das Plasma auch durch Photoionisation mit einer äußeren Strahlungsquelle erzeugt werden kann.

Ein Gaslaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus Soviet Physics-Doklay, Bd. 15 (1970), Nr. 2, Seiten 109 bis 111 bekannt. Bei diesem CO₂-N₂-He-Laser erfolgt die Erzeugung eines Plasmas durch Photoionisation von leicht ionisierbarem Cäsiumdampf. Das als Impfgas verwendete Cäsium ist jedoch bekanntlich sehr reaktionsfähig und dementsprechend unbequem handzuhaben.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Gaslaser anzugehen, der ι ο ein leicht handzuhabendes Impfgas enthält

Diese Aufgabe wird bei einem Gaslaser der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Impfgas Tri-N-Propylamin, Tributylamin oder Tripentylamin ist Diese Impfgase sind einfach zu handhaben und gewährleisten eine gleichmäßige und starke Ionisation und damit eine entsprechend gleichmäßige und starke Stimulation des stimulierbaren Bestandteiles des Lasergases. Ein wesentlicher, unerwarteter Vorteil dieser Impfgase besteht darin, daß sie überraschend wenig mit freien Elektronen rekombinieren, so daß sich eine höhere Dichte an freien Elektronen über längere Zeitspannen ergibt Außerdem haben die vorliegenden Impfgase den Vorteil, daß die bei der Ionisation entstehenden Produkte weitestgehend unter Bildung der ursprünglichen Verbindung rekombinieren, so daß das Impfgas über eine große Anzahl von Impulsen wirksam bleibt und in abgeschmolzenen Laserröhren verwendet werden kann.

Die Erfindung läßt sich sowohl auf Niederdrucklaser als auch auf Höchstdrucklaser und ferner sowohl auf Laseroszillatoren ais auch auf Laserverstärker anwenden.

Der Partialdruck des Impfgases ist vorzugsweise kleiner als der des stimulierbaren Bestandteiles des Gasgemisches. Das Impfgas kann durch Strahlung mit einer bezüglich des Ionisationspotentials des stimulierbaren Bestandteiles relativ niedrigen Photonenenergie leicht photoionisiert werden, da die übrigen Bestandteile des Gasgemisches bei diesem Energieniveau verhältnismäßig transparent sind und eie Strahlung tief, vorzugsweise mit einer Eindringtiefe von mindestens einer Größenordnung eines Meters, in die Gasmischung eindringt und ein gleichmäßiges Plasma in einem ausgedehnten Volumen erzeugt Die Energieniveaus des Impfgases unterscheiden sich vom oberen Laserniveau vorzugsweise um mehr als die mittlere thermische Energie eines Gasmoleküls in der Gasmischung, damit das obere Laserniveau nicht gestört oder gelöscht wird. Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der y\ Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, dabei werden weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes zur Sprache kommen. Es zeigt

F i g. 1 eine etwas vereinfachte Schnittansicht eines Lasers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

F i g. 2 einen Schnitt in einer Ebene 2-2 der F i g. 1;
Fig.3 eine schematische Darstellung einer Vergrößerung der Ausführungsform gemäß F i g. 1;

Fig.4 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung;
F i g. 5 einen Schnitt in einer Ebene 5-5 der F i g. 4;
Fig.6 eine schematische Darstellung einer Vergrößerung der Ausführungsform gemäß F i g. 4 und

Fig.7 eine stark vereinfachte Darstellung eines b5 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 verwen-

det wird.

Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Laser enthält eine Glasrohre 10, die an ihren Enden durch Platten 12 und i4 vakuumdicht verschlossen ist, die einen goldbeschichteten Spiegel 16 (Reflexionsvermögen 99%, Transmission 0%) bzw. einen Germanium-Spiegel 18 (Reflexionsvermögen 90%; Transmission 10%) tragen, die beide Krümmungsradien von jeweils 2 Meter aufweisen und dadurch einen optischen Hohlraum 20 begrenzen.

Im Hohlraum 20 sind parallele, polierte, chromplattievte Elektroden 22 und 24 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 Xenonblitelampen angeordnet, welche über eine kondensatorgezündete Funkenstrecke 36 mit einer Hochspannungsquelle 38 verbunden sind. Die Xenonblitzlampen haben 1 mm dicke Quarekelben mit einem Außendurchmessr;? von 9,5 mm, die kein Licht mit Wellenlängen unter etwa 165,0 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 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 033 mbar geimpft ist, langsam durch die Glasröhre 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.

Die Verwendung des Impfgases ermöglicht 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 wären. Der niedrige Partialdruck und dai verglichen mit den relativ hoch liegenden Photonen-Absorptionsbanden und Ionisationspotentialen aller anderen Bestandteile niedrige Ionisctionspotentiai des Impfgases ergeben sehr große Eindringtiefen (z. B. über 1 m) für üie ionisierenden Photonen und ermöglichen ein gleichförmiges Plasma in einem großen Volumeii mit hohem Fhotoionisations-Wirkungsgrad. Wollte man im Gegensatz hierzu das CO₂ mit Licht, dessen Wellenlänge unter 90 nm 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 to starken Absorptionsbanden der N₂-Moleküle auf.

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 bei denen ein UStravio-Iett-Gaslaser als Strahlungsquelle für die Photoionisation verwendet wird oder die Spiegel 16 und 18 fehlen, so daß die Anordnung dann nicht selbst schwingt und als Verstärker betrieben wird, sind selbstverständlich möglich.

Das in F i g. 4 und 5 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%) bzw. einen Germaniumspiegel 118 (Reflexionsvermögen 90%; Transmission 10%), die beide einen Krümmungsradius von 2 Metern haben und einen optischen Hohlraum 120 bilden.

Im Hohlraum 120 sind durch Plienolharzringe 126 und 128 zwei parallele, polierte, chromplattierte Elektroden

122 und 124 aus Aluminium gehaltert, die durch die Platte 112 hindurch mit einra Kondensator 130 verbunden sind, der durch eine Hochspannungsquelle 131 gespeist wird.

Längs der Seiten des Raumes zwischen den Elektroden sind röhrenförmige Xenonblitzlampen 32 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 Quar2kolben 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 Glasröhre 110 unter Verwendung eines Gaseinlasses 140 und eines Gasauslasses 142 mit geringer Strömungsgeschwindigkeit eine unter einem Gesamtdruck von 1013 mbar stehende Gasmischung geleitet, die CO₂, N₂ und He im Partialdruckverhältnis 1:2:3 ;»wie mit geringer Konzentration unter einem Partialdruck von 0,25 Torr Tri-n-propyiamin enthielt Die Blitzlampen ν urden 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, bi.^c die Photonen in der gewünschten Wp'gs in das Gas eingedrungen sind.

Die resultierende, über das Volumen gleichförmige Photo-Vorionisa* ion ergibt ein sehr gleichförmiges Plasma und verzögert nach Anlegen der Durchbruciisspannung in erwünschter Weise die Bildung eines eingeschnürten Bogens. Eine Fortsetzung der Phoionenzufuhr während mindestens eines Teiles der Lawinentntladung und Laseraktion trägt zusätzlich zur Gleichförmigkeit und Stabilität bei.

Durch die Verwendung des Impfgases 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 Tributylamin und Tripentylamin.

Ein vergrößertes System mit größerem Volumen und

höherem Wirkunssprad. bei Hem Hie hnhp RinHrintrtief»

der Photonen besser ausgenutzt wird, ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Auch hier werden ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 Parabolspiegel 150 und 152 verwendet, um das Licht vor. 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 bewirkte Verzögerung wird so groß (mindestens eine Mikrosekunde) gewählt, daß die 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.

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.

Bei dem in Fig. 7 stark vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung 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 (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 ebenfalls unter der Durchbruchspannung 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

ω sind als die der Plasmaerzeugung zu gestatten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Gaslaser

— mit einem Gasgemisch, das einen stimulierbaren Bestandteil vorgegebener Ionisierungsenergie und ein Impfgas mit einer kleineren Ionisierungsenergie als der stimulierbare Bestandteil enthält,

— mit einer elektrischen Anordnung zum Anlegen einer Spannung an das Gasgemisch und

— mit einer Lichtquelle, die zur Photoionisation des Impfgases eine Strahlung emittiert, deren Spektrum unterhalb der Ionisierungsenergie des stimulierbaren Bestandteils liegt,