DE2418726A1

DE2418726A1 - Gasstrom-lasergenerator

Info

Publication number: DE2418726A1
Application number: DE2418726A
Authority: DE
Inventors: Genevieve Girard; Maurice Michon
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1973-05-03
Filing date: 1974-04-18
Publication date: 1974-11-21
Also published as: NL7405702A; JPS5017190A; GB1461417A; SE7405951L; FR2279237B1; SE406392B; FR2279237A1; JPS5724672B2; BE813998A; US3952266A; IT1014591B

Description

^PBY/^F'^/C C 3 5J7

5. APR, 1974

COMPAGETIE GENEBAIE D ·EIECTBICITE 54, rue La Boetie, 75382 PABIS CEDEX 08 (Prankreich)

GASSTBOM-LASEHGENEBATOR

Die Erfindung betrifft Gasstrom-Lasergeneratoren, insbesondere solche, die im Impulsbetrieb arbeiten.

Es ist ein Gasstrom-Lasergenerator bekannt, der im Dauerbetrieb arbeitet; er besteht aus einem länglichen Gehäuse, das an einem seiner Enden offen ist und in das durch das andere Ende ein erstes Gas (Stickstoff) mit Überschallgeschwindigkeit . eingeblasen wird, um in diesem Gehäuse eine Turbulenzströmung zu erzeugen; ferner gehören zu diesem Generator zwei Elektroden zur Erzeugung einer elektrischen Entladung, durch die das eingeblasene Gas angeregt wird, eine Niederdruckausdehnungskammer, in die das Gehäuse mit seinem offenen Ende mündet, Mittel zur

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Zuführung eines zweiten Gases (Kohlendioxyd) in diese Kammer und schliesslich ein in dieser Kammer untergebrachter optischer Resonanzraum, der den sich aus der Anregung des zweiten Gases durch Übertragung der Anregungsenergie des ersten Gases beim Mischen der beiden Gase ergebenden lasereffekt hervorrufen kann.

Es ist auch ein Gas-Lasergenerator bekannt, der im Impulsbetrieb arbeiten kann; dieser Generator umfasst einen optischen Besonanzraum mit einem im allgemeinen unter Atmosphärendruck vorliegenden Gasgemisch und zwei Elektroden, mit denen eine kurze elektrische Entladung in dieser Gasmischung erzeugt wird. Jedoch weisen die mit Hilfe dieses Generators erhaltenen Laser-Impulse nur eine relativ geringe Leistung auf, insbesondere deshalb, weil der Abstand zwischen den Elektroden kurz gehalten werden muss, damit es während des Entladevorgangs nicht zur Bildung von Lichtbögen kommt, die zwischen den Elektroden auftreten und die Arbeitsweise des Lasers stark beeinträchtigen. Zur Verhinderung dieser Lichtbogenbildung wurde vorgeschlagen, diesen Lasergenerator zur Erzeugung einer Vorionisierung mit einer Vorrichtung zum Einschiessen von Elektronen zu versehen, die aus einer Elektronenkanone besteht; das Einschiessen der Elektronen erfolgt durch in einer der Elektroden vorgesehene Löcher. Jedoch ist der mit dieser Vorrichtung ausgestattete Lasergenerator sehr kostspielig, und seine Herstellung ist sehr schwierig, weil das Erzielen'einer ausreichenden Abdichtung zwischen einerseits der Vorrichtung zum Einschiessen von Elektronen, die unter Vakuum arbeitet, und andererseits dem die

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Gasmischung enthaltenden Gehäuse problematisch ist.

Aus einer Veröffentlichung von D.B« Nichols und anderen "Radiofrequency Preionisation in a Supersonic Transverse Electrical Discharge Laser" (IEEE Journal of Quantum Electronics j Bd. QE-8, n° 8_r August 1972, Seite 718) ist noch ein Gas-Lasergenerator bekannt, der im Impulsbetrieb arbeitet und bei dem der durch eine elektrische Hauptentladung angeregte Stickstoff mit Kohlendioxyd so gemischt wird, dass seine Anregungsenergie auf das Kohlendioxyd übertragen wird und so in einem optischen Resonanz raum eine Laseremission ermöglicht wird. Die Gasmischung erfolgt in einem Überschallgasstrahl. Eine Vorionisierung wird durch eine Hilfsentladung erreicht, die in der Nalie einer Hauptelektrode stattfindet, d.h. in der Ifähe einer Elektrode, die an der Hauptentladung teilnimmt. Bei dieser Hilfsentladung handelt es sich um eine Hochfrequenzentladung. Die Achsen des Gasstrahls, der Hauptentladung und der Hilfsentladung liegen senkrecht zueinander.

Diese Anordnung hat den Nachteil, dass die durch die Hilfsentladung erzeugten Elektronen nicht genügend Energie aufweisen, um ein grosses Volumen mit einem unter hoheim Druck stehenden Gas zu durchdringen. Ein grosses Volumen und ein hoher Druck sind nun aber zur Erzielung einer starken Laserleistung notwendig.

Die durch diese Hilfsentladung erzeugte Ultraviolettstrahlung kann zur Vorionisierung beitragen; wollte man jedoch

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auf diese Weise im G-asraum eine genügend grosse Elektronendichte schaffen, damit die Haupt entladung anschliessend t-nter guten Bedingungen stattfinden kann, müsste diese Hilfsentladung eine übermässig hohe Energie aufweisen.

Die Erfindung will einen Gasstrom-Lasergenerator bereitstellen, der im Impulsbetrieb mit grosser Energie arbeiten kann und bei dem dank einer Vorionisierungsvorrichtung, mit der auf einfache Weise eine hohe Elektronendichte zwischen den Hauptelektroden hergestellt wird, der Abstand zwischen diesen Hauptelektroden gross ist.

Gegenstand der Erfindung ist ein Gasstrom-Lasergenerator mit

- einem länglichen Gehäuse, das an einem seiner Enden zum Teil offen ist,

- einer Düse zum Einblasen eines Gases mit hoher Geschwindigkeit in dieses Gehäuse; wodurch darin eine Turbulenzströmung geschaffen wird, wobei diese Düse am zweiten Ende dieses Gehäuses parallel zur Richtung der Längsachse dieses Gehäuses einmündet,

- zwei in diesem Gehäuse angeordneten und mit einer elektrischen Energiequelle verbundenen Haupbelektroden zur Herstellung einer kurzen Hauptentladung im eingeblasenen Gas,

- mit Vorionisierungsmitteln zur Erzeugung einer Hilfsentladung im eingeblasenen Gas, damit dieses vor der Hauptentladung ionisiert wird,

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- einem optischen Resonanzraum, der in diesem Gehäuse ein durch die Hauptentladung angeregtes Gasgemisch enthält, zu dem auch das eingeblasene Gas gehört, wobei die optische Achse dieses Resonanzraums, die Längsachse des Gehäuses und die Achse der Hauptentladung drei verschiedene Richtungen einnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorionisierungsmittel zwei Hilfselektroden umfassen, die mit einer elektrischen Energiequelle verbunden sind und am Ausgang der Düse angeordnet sind.

An Hand der folgenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung mit einem Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Lasergenerators wird die Erfindung näher erläutert.

Gemäss dieser Figur besitzt ein längliches Gehäuse 1, beispielsweise zylindrischer Form, an seinem Ende 2 mehrere Offnungen -, dieses Ende 2 kann aus einer Platte mit mehreren Bohrungen, wie beispielsweise 3, die gleichmässig über diese Platte verteilt sind, bestehen. Am anderen Ende 4 des Gehäuses 1 mündet eine Einblasdüse 5 mit einer axial ausgerichteten Leitung 6 ein, deren Einspritzöffnung 7 sich zum Innern des Gehäuses 1 hin weitet. Die axial verlaufende Leitung 6 ist mit einer hier nicht dargestellten Druckgasquelle verbunden. An der Stelle, wo das Gas die Düse 5 verlässt, d.h. an der öffnung dieser Drüse, sind zwei Hilfselektroden angebracht, die beispielsweise wie die Elektroden 8 und 9 an der seitlichen Innenfläche der Düse 5 befestigt werden können. Sie können auch, wie es gestrichelt eingezeichnet wurde, auf beiden Seiten des die

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Düse 5 verlnssenden Gasstroms an den Stellen 10 und 11 montiert werden. Die "beiden Elektroden 8 und 9 bzw. 10 und 11 werden an die Ausgangsklemmen einer hier nicht dargestellten elektrischen Stromquelle angeschlossen, die ausserhalb des Gehäuses 1 aufgestellt ist; diese Verbindung wird mit Hilfe von die Wandung des Gehäuses 1 durch hermetisch schliessende !Durchgänge durchquerenden Verbindungsleitungen hergestellt, die ebenfalls in der Zeichnung nicht dargestellt werden.

Im Innern des Gehäuses 1 auf der Seite des Endes 2 sind zwei Haupte lekt ro den 12 und 13 angeordnet, deren Entladungsachse in einer praktisch senkrecht zur Längsrichtung des Gehäuses liegenden Ebene 14 verläuft. Diese Elektroden 12 und sind mit einer hier nicht dargestellten elektrischen Energiequelle verbunden, wobei die dazu notwendigen Verbindungsleitungen die Wandung des Gehäuses 1 durch hermetisch abschliessende Durchgänge 15 und 16 durchqueren. Das Gehäuse 1 enthält einen optischen Resonanzraum, der aus zwei Beflektoren wie beispielsweise 17 gebildet wird, wobei die Achse dieses Resonanzraums praktisch in der Ebene 14 liegt und in dieser Ebene zur Entla,-dungsachse der Elektroden 12 und 13 geneigt ist3 diese beiden Achsen sind vorzugsweise senkrecht zueinander angeordnet. Das Gehäuse 1 ist mit öffnungen wie beispielsweise die öffnung 18 ausgestattet, die auf der Achse des Resonanzraums angeordnet sind.

Die Arbeitsweise des in der Figur dargestellten Lasers ist wie folgt; Durch die öffnung 6 der DUse wird das Gas aus

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der Druckgasquelle in das Gehäuse 1 eingeblasen; dieses Gas kann aus einer Mischung von Helium, Stickstoff und Kohlendioxyd bestehen. Das Einblasen geschieht mit Überschallgeschwindigkeit und ruft im Gehäuse 1 eine Turbulenzströmung hervor, die durch Pfeile 19 symbolisiert wird. Die Ausbildung der Turbulenzen bei dieser Strömung hängt von verschiedenen Parametern ab, wie beispielsweise von den Abmessungen des Gehäuses und von der öffnung der Diisej die Abmessungen und die Anzahl der Offnungen 3 werden im übrigen so gewählt, dass der Druck im Gehäuse bei einem Wert von etwas mehr als einer Atmosphäre gehalten wird.

Das aus der Düse 5 tretende Gas wird mit Hilfe der Hilfselektroden 9 und 8 bzw. 10 und 11 isonisiert. Wegen der hohen Einblßsgeschwindigkeit und der Beständigkeit der Ionisierung, die etwa einige Millisekunden andauern kann, ist das Gas noch ionisiert, wenn es zwischen die Hauptelektroden 12 und 13 gelangt.

Mit Hilfe eines durch die elektrische Stromquelle gelieferten Hochspannungsimpulses zwischen den Elektroden 12 und 13 wird zwischen diesen Elektroden eine kurze Entladung erzeugt. Dieser Hochspannungsimpuls wird vorzugsweise einen kurzen Augenblick nach dem Anlegen der Spannung an die Hilfselektroden erzeugt, um die Zeit zu berücksichtigen, die das vorionisierte Gas bis zum Eintreffen zwischen den Hauptelektroden 12 und 13 benötigt. Die elektrische Entladung zwischen den Elektroden 12 und 13 regt die Gasmischung in dem optischen Eesonanzraum an, um einen Laserimpuls hervorzurufen.

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Im Rahmen der Erfindung kann das durch die Elektroden 12 und 13 angeregte Gasmilieu auf verschiedene We:sen hergestellt werden. So kann beispielsweise das durch die Düse 5 eingeblasene Gas Helium sein und das Gehäuse 1 zuvor mit Kohlendioxyd und Stickstoff gefüllt worden sein. Auch kann für das Einblasen Stickstoff und für die Füllung des Gehäuses Helium und Kohlendioxyd gewählt v/erden. Auf diese Weise kann im Augenblick der Vorionisierung durch die Hilfselektroden die Bildung von Sauerstoff infolge von Kohlendioxydzersetzung vermieden werden, da das Vorhandensein von Sauerstoff in der Gasmischung das gute Funktionieren des Lasers beeinträchtigt.

Erfindungsgeinässe Gasstrom-Lasergeneratoren sind besonders einfache Ausführungen und bieten den Vorteil, ohne die Bildung von Lichtbögen mit viel weiter voneinander entfernten Hauptelektroden zu arbeiten, als dies bei bisher bekannten Lasern mö*glich war. Sie k'dnnen bei der Herstellung von sehr kurzen und sehr energiereichen Lichtimpulsen eingesetzt werden.

-Patentansprüche-

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Claims

PATENTMSPBtTCHE

Gasstrom-Lasergenerator mit

- einem länglichen Gehäuse, das an einem seiner Enden zum Teil offen ist,

- einer Düse zum Einblasen eines Gases mit hoher Geschwindigkeit in dieses Gehäuse, wodurch darin eine Turbulenzströmung geschaffen wird, wobei diese Düse am zweiten Ende dieses Gehäuses parallel zur !Richtung der Längsachse dieses Gehäuses einmündet,

- zv/ei in diesem Gehäuse angeordneten und mit einer elektrischen Energiequelle verbundenen Hauptelektroden zur Herstellung einer kurzen Hauptentladung im eingeblasenen Gas,

- mit Vorionisierungsniitteln zur Erzeugung einer Hilfsentladung im eingeblasenen Gas, damit dieses vor der Hsuptentladung ionisiert wird,

- einem optischen Resonanz raum, der in diesem Gehäuse ein durch die Hauptentladung angeregtes Gasgemisch enthält, zu dem auch das eingeblasene Gas geh'drt, wobei die optische Achse dieses Resonanzraums, die Längsachse des Gehäuses und die Achse der Haupt entladung drei verschiedene Richtungen einnehmen _f dadurch gekennzeichnet, dass die Vorionisierungsmittel zwei Hilfselektroden (8, 9? 10, 11) umfassen, die mit einer elektrischen Energiequelle verbunden sind und am Ausgang der Düse (5) angeordnet sind.

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2· Lasergenerator gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfs elektroden an der seitlichen Innenfläche der Düse befestigt sind.

3. Lasergenerator gemäss Anspruch 1, dadurch gekennze ichne t, dass das erste, zum Teil offene Ende (2) des Gehäuses (1) aus einer Platte besteht, die mit mehreren gleichmässig verteilten Bohrungen (3) versehen ist.

4. Lasergenerator gemäss Anspruch 1 , dadurch gekennze ichne t, dass das eingeblasene Gas aus einer Mischung von Stickstoff, Helium und Kohlendioxyd besteht, wobei die vorgenannte Gasmischung aus diesem eingeblasenen Gas besteht.

5. Lasergenerator gemäss Anspruch 1, dadurch gekennz e ichne t, dass das eingeblasene Gas Stickstoff ist und die Gasmischung aus diesem Stickstoff, Kohlendioxyd und Helium gebildet wird,

6. Lasergenerator gemäss Anspruch 1, dadurch gekennze ichne t, dass das eingeblasene Gas Helium ist und die Gasmischung aus diesem Helium, Kohlendioxyd und Stickstoff gebildet wird.

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