DE2406290C2 - Gas-Laser vom Wellenleitertyp - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gas-Laser vom Wellenleitertyp der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Ein solcher Wellenleiter-Gas-Laser ist aus Applied Physics Letters 20 (1972), 403-405 oder aus der US-PS 86 043 bekannt. Es handelt sich dabei um längs angeregte Gas-Laser mit einer langen dünnen gasgefüllten Bohrung mit dielektrischer Innenwand, wobei der Durchmesser für die wcllenleitende Führung eines Einzclmodus der emittierten Lichtstrahlung bemessen ist.

Im allgemeinen muß die Fresnelsehe Zahl eines derartigen Lasers sehr hoch sein, weil das Volumen an stimulierbarem Medium klein ist. Es ist daher generell erwünscht, daß die Laserbohrung im Verhältnis zu ihrem Durchmesser lang ist. Ein Wellenleiter-Gas-Laser hat innenquerschnitte, die kleiner sind als die bei konventionellen Gas-Lasern einschließlich der quer angeregten Gas-Laser.

Bei den querangelegten Gas-Lasern wird eine Gasentladung quer zur Achse des Laserresonators erzeugt Die Entladungsstrecke zwischen den zugeordneten Elektroden ist daher relativ kurz, und die Durchbruchsspannung im Gas entsprechend niedrig. Es können daher entsprechend höhere Gasdrücke vorgesehen werden, die den Zeitsteuerungsbereich eines solchen Lasers erweitern und zu höheren Leistungsdichten führen.

Die US-PS 35 53 603 zeigt ein Beispiel eines solchen querangeregten Gas-Lasers. Dieser Gas-Laser arbeitet mit einem nichtresonanten optischen Hohlraum in Form eines Kanals, der den Querschnitt eines schmalen Rechteckes besitzt. Auf den beiden Schmalseiten dieses Rechteckkanals liegen die beiden Elektroden, während die beiden Breitseiten durch dielektrische Wände gebildet sind. Mit glatten, spiegelnden Kanalseitenwänden hat das Laserausgangsstrahlenbündei mehrere Nebenkeulen und ist dementsprechend schlecht kollimiert. Fs wird deshalb zur Verbesserung der Kollimationseigenschaften ein Aufrauhen der Seitenwände empfohlen, um ein kollimiertes Lichtstrahlenbündel zu erhalten, dessen Divergenzwinkel im wesentlichen vom Kanalbreite : Kanallänge-Verhältnis abhängt.

Ein weiteres Beispiel eines querangeregten Lasers findet sich in Applied Physics Letters, 16 (1970) 504, 505. Es handelt sich dabei um einen bei Atmosphärendruck bestehenden COrLaser, wobei die Kathode in eine Vielzahl kurzer Abschnitte unterteilt ist, um eine vergleichmäßigte Entladung auf der ganzen Laserlänge zu erreichen. In Verbindung mit einem konfokalen Resonator lassen sich mit diesem bekannten Laser Impulse erzeugen, deren Werte mit denen der sogenannte Riesenimpuls-Laser vergleichbar sind.

Ein (längs angeregter) Wellenleiterlaser eignet sich zur Miniaturisierung, erfordert weniger Gas und ist wegen seiner größeren Längsausdehnung relativ einfach zu kühlen. Bisher gibt es aber keinen querangeregten Gas-Laser mit den Vorteilen eines Iringi angeregten Wellenleiterlaser. Umgekehrt gibt es aber auch keinen Wellenleiterlaser, bei dem die Vorteile des querangeregten Gaslasers in nennenswertem Umfang realisiert werden konnten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Vorteile beider Laser-Typen, die bisher wegen ihrer unterschiedlichen Struktur nicht miteinander vereinigt wurden, in einem einzigen Lasertyp, nämlich einem quer angeregten Wellenleiterlaser, zusammenzufassen.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe für den Gas-Laser der vorausgesetzten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst und mit denen der Unteransprüche vorteilhaft weitergebildet.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen detailliert beschrieben. Die Zeichnungen /eigen

F i g. 1 eine schematische Teildarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispielcs der Erfindung.

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispicl gemäß Fig. I,

F i g. 3A und 3B verschiedene Ansichten eines schematisch dargestellten modifizierten Ausfuhrtings-

beispieles, bei dem die impulsbildenden Kondensatoren integral in die Laserstruktur einbezogen sind,

Fig.4 im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen eine schematisch dargestellte und verallgemeinerte Anordnung mit mehrfachen Gasein- und Gasauslässen,

F i g. 5 eine schematische Teilansicht eines modifizierten Ausführungsbeispiels zur Durchführung eines Fotoionisationsverfahrens,

Fig.6 eine schematische Teildraufsicht auf das Ausfüiirungsbeispiel gemäß F i g. 5 und

Fig.7A und 7B schematische Teilansichten einer Anordnung zur Durchführung eines Fotoionisationsverfahrens unter Verwendung von Plasmastrahlen.

F i g. 1 zeigt eine Vorrichtung für stimulierte Emission in einer Gasmischung innerhalb eines Wellenleiters 11. In der Gasmischung findet eine Anregungs-Entladung quer zur Wellenleiterachse (Queranregung). Der Wellenleiter enthält eine Mischung aus Kohlendioxyd, Stickstoff und Helium in einer Bohrung mit rechtwinkligem Querschnitt. Diese Bohrung ist definiert durch eine Basisanode 12 aus Kupfer, eine dieser Basisanode gegenüberliegende dielektrische Deckplatte 13, auf deren Unterseite die Kathoden-Elektrodenstreifen 14 aufplattiert sind, und Seitenwände in Form dielektrischer Platten 15 und 16. Die Basisanode 12 wird von zwei Kanälen durchlaufen, einen Gaseinlaßkanal 17 und einen Gasauslaßkanal 18. Beide Kanäle treten direkt unter der Hauptachse des Wellenleiters 11 in diesen ein. Zwischen der Basisanode 12 und einer Vielzahl von Elektrodenstreifen 14, die in einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene direkt hintereinander liegen (F i g. 2) wird eine Entladung mit pulverisierender Gleichspannung erzeugt. Diese Entladung wird von einer Anregungsquelle 19 unterhalten (F i g. 2).

Ferner steht eine thermoelektrische Kühleinrichtung 20 mit der Unterseite der Basisanode 12 in Kontakt. Im einzelnen hat die Kühleinrichtung 20 eine Reihe thermoelektrischer Übergänge alternierenden Typs, die in einer sich wiederholenden Abfolge längs der Unterseite der Anode 12 angebracht sind. Thermoelektrische Halbleiterübergänge geeigneten Typs sind bekannt und brauchen hier nicht weiter beschrieben zu werden. Diese Übergänge sorger, für Erwärmung oder Abkühlung, je nachdem, in welcher Richtung ein Strom aus einer angeschlossenen Stromquelle die in Serie geschalteten Übergänge durchfließt. Man kann thermoelektrische Kühlung bei Wellenleiter-Gas-Laser anwenden, weil diese eine geringe Wärme pro Längeneinheit entwickeln und kompakt ausgeführt sind.

Die dielektrischen Bauelemente 13,15 und 16 können aus Quarzglas sein. Eine größere Wärmeleitfähigkeit ist erreichbar, wenn man das Quarzglas durch Berylliumoxid (BeO) ersetzt.

In Fig. 2 ist die Anregungsquelle 19 detaillierter dargestellt. Man sieht, daß alle quer verlaufenden Kathoden-Elektrodenstreifen 14 längs der Wellenleiterachse äquidistant angeordnet sind. Eine z. B. 5 kV-Gleichspannungsquelle 21 liefert über einen Ladewiderstand 22 einen Lade-Gleichstrom für sämtliche Kondensatoren 23, die einen Endes je mit einem Elektrodenstreifen und anderen Endes untereinander verbunden und über den Widerstand 22 an die Quelle 21 angeschlossen sind. Der Stromkreis durch die Hochspannungsquelle 21 schließt sich über Erdpotential und die Widerstände 24, die je mit mit dem anderen Ende der Kathodenstreifen 14 verbunden .-,ind. Um die gewünschte Änderung des Spannungsabfalls über dem

gasförmigen Medium des Weilenleiters 11 zu erzeugen, betätigt eine Triggerschaltung 25 einen Schalter 26, der beispielsweise ein elektromagnetischer Schalter sein kann, aber vorzugsweise ein Festkörperschalter ist. Wenn der Schalter 26 geschlossen ist, wird der gemeinsame Anschluß aller Kondensatoren 23 plötzlich auf Erdpotential gelegt. Die zuvor voll aufgeladenen Kondensatoren entladen sich daraufhin über die Widerstände 24 und das zu diesen Widerständen parallel liegende gasförmige Medium des Wellenleiters 11.

Um den im Ausführungsbeispiel dargestellten Laser-Resonator einzustellen, laufen die Enden des Wellenleiters 11 in dielektrische Rohre 27 und 28 aus, die von bekannten Brewster-Winkel-Fenstern 29 und 30 aus Kaliumchlorid abgeschlossen werden. Es folgen dann als Spiegel des Laser-Resonators die justierbaren Außenspiegel 31 und 32, die längs der Laserachse variabel ausgerichtet werden können, um durch den Wellenleiter 11 hindurch den Resonantor zu bilden.

Die in den F i g. I und 2 dargestellte Vorrichtung weist gegenüber konventionellen Gas-Lasern mit Querentladung folgende Vorzüge auf:
Erstens arbeitet sie wegen des geringeren Elektrodenabstandes bei kleineren Spannungen. Beispielsweise können die Elektroden 12 und 15 des Lasers einen Millimeter voneinander entfernt sein und deshalb schon bei Spannungen wirksam werden, die ungefähr 25mal kleiner als die Spannungen sind, mit denen ein konventioneller Queranregungslaser betrieben wird, dessen Elektrodenabstand 25 mm beträgt. Es wurde festgestellt, daß bei Drücken von etwa V₂ Atmosphäre die Anregungsspannung nicht höher als ca.! Kilovolt zu sein braucht.

Zweitens ist wegen der Nähe der Wellenleiterwände zum Entladungsort die Gaskühlung besser.
Drittens sind Strahlablenkungs- und Fokussierungseffekte minimal, weil sowohl das Licht als auch die Entladung auf den Wellenleiter beschränkt sind.
Viertens ist die Vorrichtung kompakt. Sie kann, falls man Innenspiegel verwendet, die die Enden des Wellenleiters 11 ohne Rohre 27 und 28 abschließen, noch kompakter gemacht werden, wenn sie genügend genau hergestellt wird und man dafür sorgt, daß die Spiegel automatisch präzise justiert sind oder, daß einfach ein flexibler Kitt zur Befestigung der Spiegel direkt an der Wellenvorrichtung benutzt wird, um so eine Justiermöglichkeit für die Spiegel zu erhalten, die der flexible Kitt zuläßt.

Auch wäre ein Betrieb bei Drücken von 8 oder mehr Bar möglich. Bei derartigen Drücken fallen die separaten Schwingungslinien zusammen und bilden ein Frequenzkontinuum, wodurch eine extrem breitbandige Arbeitsweise möglich wird. Außerdem können in einem solchen Laser Impulse mit phasenstarrer Modenkopplung im Pikosekundenbereich leicht erzeugt werden. Auch kann die Anregungsimpulsfolgefrequenz ausgedehnt werden, bis eine quasi kontinuierliche Impulsserie erreicht werden kann. Es besteht auch die Möglichkeit einer kontinuierlichen Emission im Gleichspannungsbetrieb bei höherem Laserwirkungsgrad.

Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden die dielektrische Deckplatte 13 und die Kathoden-Elektrodenstreifen 14 wie folgt hergestellt: Eine Platte 13 aus Quarzglas wurde poliert, um eine ebene Oberfläche zu bilden. Auf diese polierte Fläche wurde zunächst ein dünner Titanüberzug aufgebracht, dann eine zwei Mikrometer dicke Kupferschicht aufgedampft und diese

schließlich selektiv weggeätzt, wobei die Streifen 14 stehen blieben, die in der zusammengesetzten Struktur zwischen den Seitenwänden 15 und 16 ein Quadratmillimeter freistehende Oberfläche aufwiesen.

Der Arbeitsbereich des in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles wurde durch die Brewster-Winkel-Fenster 29 und 30 auf linear polarisierte Moden höherer Ordung beschränkt. Es wurden Impulsfolgefrequenzen von hundert Impulsen pro Sekunde und Drücke bis zu etwa 1 bar verwendet.

Die gezeigten Ausführungsbeispiele können wie folgt modifiziert werden: Wenn die dielektrischen Bauelemente 13, 15 und 16 Berylliumoxid-Bauclemente sind, läßt es ihre hohe dielektrische Konstante zu, daß die Eritlade-Schaliungsanordnung in der in den F i g. 3Λ und ! 3B dargestellten Art miniaturisiert wird, indem eine Metallschicht 33 auf der oberen Fläche der dielektrischen Deckplatte 13' aufplattiert wird, um integrierte Entladungskondensatoren mit den Streifen 14 zu bilden, die in der Fig. 2 dargestellten Kondensatoren 23 ersetzten.

Wie ferner in der Fig. 3B gezeigt ist, kann, um die Wahrscheinlichkeit herabzumindern, daß sich die' Entladung in der Nähe der Seitenwände 15' und 16' konzentriert, eine isolierende Schicht 34 aus aufgestäubtem Glas zwischen die Elektrodenstreifen 14 einerseits und die Entladungszone sowie die Seitenwände 15' und 16' andererseits eingebracht werden. Dann wird die Schicht 34 selektiv geätzt, um eine verhältnismäßig kleine Elektrodenoberfläche 35 freizulegen, die von den ^o Seitenwänden 15' und 16' im Abstand gelegen ist, so daß sich die Entladung von dieser relativ kleinen Entladungszone aus zur Anode 12 hin ausbreiten muß. Eine solche aufgestäubte Glasschicht kann auch bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Quarzglasausführung ^J5 verwendet werden.

Außerdem kann, wie in der Fi g. 4 dargestellt ist, der Gasdruckabfall in einem gasdurchströmten System wie der Wellenleiter- und Entladungszone U' dadurch reduziert werden, daß man Mehrfach-Einlässe 37, die gegenüber den Mehrfachauslässen 38 versetzt sind, vorsieht. In der Praxis können die Einlasse 37 und die Auslässe 38 alternierend längs der Laser-Achse angeordnet sein, wobei sie in derselben Richtung durch die Anode 12 in die Entladungszone 11' eintreten. Die Abbildung 4 ist nur ein Modell zum besseren Verständnis der Gasflußeigenschaften im Bereich solcher Mehrfachdurchlässe. Diese Mehrfachdurchlässe ermöglichen, daß das Laserglied die gewünschte Länge haben kann.

Feiiiei können die KüiidcüSüiür-Lädcwiderstände 24

genauso wie die in der F i g. 3A dargestellte kapazitive Schicht 33 mit Hilfe einer dünnen Metallschicht auf der Deckplatte 13 gebildet werden. Eine solche Schicht könnte sich über die freiliegenden Enden der Elektrodenstreifen 14 hinaus auf einer Verlängerung der Deckplatte (nicht dargestellt) erstrecken, wo dann die elektrischen Anschlüsse erfolgen.

Weitere Verbesserungen des Lasers betreffen das besonders wichtige Gebiet der Vorionisierungs-Verfahren, mit deren Hilfe der Entladungsvorgang längs der Laser-Achse gleichmäßiger gemacht werden soll.

Ein erstes derartiges Vorionisationsverfahren wird durch die in der Fig.5 dargestellten Anordnungen realisiert, wonach UV-Lampen 51 zur Fotoionisation des gasförmigen Mediums verwendet werden. Diese Lampen sind in dem Material 52, über das die UV-Strahlung übertragen wird, enthalten, und zwar zwischen den Seitenwänden 55 und 56 aus Berylliumoxid und der Entladungszone 11". Die Lampen enthalten ein gasförmiges Medium wie z. B. Hg-Dampf, der von einer Quelle 57. die die UV-Lampcn für Fotoionisation speist, über eine nicht näher dargestellte konventionelle Elektrodenanordnung angeregt wird. Die bezeichnete Quelle ist vorzugsweise von der Laser-Anregungsquelle 19 getrennt.

Im Falle des in der F i g. 6 als Draufsicht dargestellten, etwas modifizierten Ausführungsbeispieles kann ein Fotoionisationsverfahren derselben Art angewendet werden. Anstelle der Lampen 51 werden UV-Quellen dadurch vorgesehen, daß man einige der Elektrodenstreifen 14' mit einer Impulsquelle 59 verbindet, deren Impulse zeitlich so gesteuert sind, daß sie den von der Quelle 69 gelieferten Impulsen, welche die Besetzungsumkehr im gasförmigen Medium erzeugen, etwas voraus laufen. Die Impulsquelle 59 wird derart ausgelegt, daß sich Lichtbogen zwischen der Elektrode 14' und der Basisanode 12 bilden. Diese Lichtbogen emittieren einen wesentlichen Anteil an UV-Licht, das sich in Längsrichtung durch das Medium fortpflanzt und dieses fotoionisiert, ehe die Impulse von der Impulsquelle 69 eintreffen.

Alternativ dazu kann die Vorionisierung durch Plasma- oder Elektronenstrahlen erfolgen, wie das im Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 7A und 7B angedeutet ist. Zu diesem Zwecke müssen Plasmastrahl-Einheiten in eine Berylliumoxid-Seitenwand 15' eingearbeitet werden. Jede der Plasmastrahl-Einheiten umfaßt einen Hohlraumresonator 71, der mit engerem Querschnitt in den Entladungsraum 81 einmündet und versehen ist mit einer Plasmastrahlkathode 72 und einer ringförmigen Anode 73, die neben einem Durchgangskanal zum Entladungsraum 8t angeordnet ist und den größeren Teil des Durchgangskanalquerschnittes umschreibt. Die Anode 73 liegt mit anderen Worten zwischen der Kathode 72 und dem Entladungsbereich 81. Die Plasmaimpulsanregungsspannung wird von einer Anregungsquelle 74 aus mit einer geringen Voreilungszeit gegenüber dem Impuls von der Laser-Anregungsquelle 19' zwischen der Kathode 72 und Anode 73 angelegt, so daß Plasma in das im Entladungsgebiet 81 befindliche Medium eintritt, bevor dieses die Energie zur Erzeugung der Besetzungsumkehr zugeführt erhält. Sowohl in den F i g. 7A als auch 7B sind die Ringanoden 73 aus der Norrr.alperspektive herausgedreht, um ihre Ringstruktur anzudeuten.

Im Falle eines kontinuierlich angeregten Lasers oder im Falle von Anordnungen, bei denen Zeitsteuerungsprobleme vermieden werden sollen, können kontinuierliche Plasmaströme auf einfache Weise von Plasmastrahlen gebildet werden, indem die Kathoden 72 mit einer Quelle 74' negativer Hochspannung verbunden werden, während die Anoden 73 auf Erdpotential liegen. Die gepulste Version würde zeitlich so gesteuert, daß die hohe negative Spannung einige Mikrosekunden vor Einsetzen der Gasentladung an die Kathoden 72 angelegt würde.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gas-Laser vom Wellenleitertyp mit

— einem als Bohrung ausgebildeten Hohlraum, dessen Querabmessungen für eine Wellenleitung der Laserstrahlung durch die Bohrung bemessen sind,

— einem laseraktiven Gas innerhalb der Bohrung, und to

— einer Anode und einer Kathode zum Erzeugen einer Entladung in dem Gas zum Erhalt einer der Strahlungsemission dienenden Besetzungsumkehr,

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dadurch gekennzeichnet, daß

— die Anode (12) eine glatte Oberfläche aufweist, die längs der Bohrung verläuft und eine Wand des Wellenleiters (11) bildet,

— eine dieser gegenüberliegende aus dielektrischem Material gebildete Wand (13) mit einer Vielzahl im wesentlichen hiermit bündiger, dünner, die Kathode bildender Elektrodenstreifen (14) versehen ist, die längs der Wellenleiterachse in gegenseitigem Abstand sowie senkrecht zur Laserachse angeordnet sind und Teil des Wellenleiters sind.

2. Gas-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

— eine Elektrode (33) auf einer Oberfläche der dielektrischen Wand gegenüber den Kathoden-Elektroden (14) befestigt ist und mit diesen *^r> integrierte Kondensatoren bildet.

3. Gas-Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

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— die Kathoden-Elektroden (14) von einer ihr Entladungsgebiet (35) eingrenzenden Glasschicht (34) abgedeckt sind (F i g. 3B).

4. Gas-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ⁴^ zeichnet, daß die Anode (12) eine Vielzahl Gaseinlässe (37) und Auslässe (38) aufweist, die alternierend längs der Bohrung verteilt sind.

5. Gas-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Vorionisierungsein- ⁵⁽⁾ richtungen (51, 59, 71, 72, 73) in der Bohrung vorgesehen ist.