DE2430241A1

DE2430241A1 - Gaslasergenerator

Info

Publication number: DE2430241A1
Application number: DE2430241A
Authority: DE
Inventors: Bruno Godard; Bernard Lacour; Maurice Michon
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1973-06-26
Filing date: 1974-06-24
Publication date: 1975-01-16
Also published as: IT1021037B; GB1467314A; NL7408557A; SE7408439L; JPS5038490A; US3893046A

Description

F 8839/8935

ZK Juni 197*

Dlpl-Ιηα. Jürgen weiNMILLER PATENTASSESSOR Ο/ΟΠΟ/1 SOSPIGmbH 243024Ί

8000 München 8O
zeppeiinstf. 63

COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE 54, rue La Böetie, 75382 PARIS CEDEX 08 (Frankreich)

GASLASERGENERATOR

Die Erfindung betrifft Gaslasergeneratoren, bei denen nach einer elektrischen Entladung in einem aktiven Gasmilieu eine angeregte Emission erreicht wird.

Es sind Gaslaser bekannt, die einen länglichen Hohlraum aufweisen, der ein aktives Gas enthält, und bei denen die elektrische Entladung mit Hilfe einer fortschreitenden Stromwelle erreicht wird, die sich im aktiven Milieu von einem Ende des Hohlraums zum anderen mit einer Geschwindigkeit ausbreitet, die gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer angeregten Lichtemission in diesem Hohlraum ist.

Solche Gaslaser enthalten eine flache elektrische Leitung, die aus einer ersten und einer zweiten auf ver-

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schiedene elektrische Potentiale gebrachten Metallplatte sowie einer dazwischenliegenden Isolierplatte besteht, wobei Erregungsmittel zur Erzeugung einer Entladungswelle in dieser Leitung vorgesehen sind.

Das aktive Gasmilieu befindet sich in einem in eine der Metallplatten der Leitung eingearbeiteten Längsspalt auf dem Weg der Entladungswelle.

Es ist bekannt, daß ein mit dieser Methode erhaltener Laserstrahl eine optimale Leistung aufweist·, wenn die fortschreitende Entladungswelle vollkommen eben ist.

Vorteilhafterweise haben die Ränder der Metallplatten die Form von Parabeln, deren Achse einen Winkel oC ungleich Null mit der Achse des Spalts einschließt.

Darüber hinaus wird die fortschreitende Strorawelle mit Hilfe eines Auslöseschaltkreises erzeugt, der eine praktisch punktförmige Entladung zwischen den Metallplatten in Höhe des Brennpunkts der Parabeln hervorrufen kanne

Jedoch kann mit solchen Lasern wegen einerseits ihrer vor allein insgesamt geringen Kapazität und andererseits wegen einer bestimmten Impedanzunstetigkeit zwischen den Metallplatten nicht die maximale Emissionsleistung erzielt werden.

Mit der Erfindung können solche wesentlichen Nachteile vermieden werden, ziel der Erfindung ist also

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ein Gaslasergenerator mit großer Kapazität, mit dem eine hohe Lichtleistung bei geringen Verlusten erreicht werden kann, wobei dieser Laser gleichzeitig einen kostengünstigen einfachen Aufbau aufweist·

Gegenstand der Erfindung ist also ein Lasergenerator mit

- einem aktiven Gasmilieu,

- einer elektrischen Erregungsleitung, die eine zwischen einer ersten und einer zweiten Metallplatte liegende Isolierplatte umfaßt, wobei ein Rand dieser Platten die Form einer Parabel aufweist, deren Achse mit einem die erste Metallplatte in zwei Teile trennenden Spalt einen WinkeloC ungleich Null einschließt, wobei alle Brennpunkte sowie alle Scheitelpunkte dieser Parabeln jeweils auf gemeinsamen senkrecht zur Plattenebene verlaufenden Geraden liegen und wobei die Metallplatten untereinander parallel verlaufen und mit mindestens einer Spannungsquelle verbunden sind,

- Mitteln zur Einschließung eines aktiven Gasmilieus in diesem Spalt, die aus einer länglichen Isolierplatte bestehen, die den Spalt schließt und an den beiden Teilen der ersten Metallplatte befestigt ist,

- und Mitteln zur Erzeugung einer Stromwelle in der Erregungsleitung, zu denen ein Schaltkreis zur Auslösung einer praktisch punktförmigen Entladung zwischen diesen Metallplatten in Höhe der Brennpunkte der Parabeln gehört. Die Erfindung

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ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Teile der ersten Metallplatte aus einer Folie gebildet wird, die aus einer Isolierschicht besteht und zwischen zwei Elektronen leitende Schichten gelegt wird, wobei diese Folie so gefaltet ist, daß sie bei einem Schnitt parallel zum Spalt und senkrecht zur Ebene der Platten praktisch aus einer fortlaufenden Reihe von U besteht, die untereinander mit den oberen Enden ihrer senkrechten Schenkel in Verbindung stehen.

Die nachfolgende Beschreibung an Hand der beiliegenden Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels verdeutlicht weitere Kennzeichen und Vorteile der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen perspektivischen Gesamtanblick eines erfindungsgemäßen Lasergenerators.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der

Achse XX¹ gemäß Fig. 1 gemäß einer ersten Ausführungsart und einen Schnitt entlang XX¹ oder XlXl¹ der Fig. gemäß einer zweiten Ausführungsart.

Fig. 3 stellt einen Schnitt entlang YY¹ der Fig. 2 gemäß der ersten Ausführungsart dar.

Fig. 4 stellt einen Schnitt gemäß ZZ¹ der Fig. 2 gemäß der ersten Ausführungsart dar.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt gemäß YY¹ der Fig. 2 gemäß der zweiten Ausführungsart.

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Fig. 6 zeigt einen Schnitt gemäß ZZ¹ der Fig. 2 gemäß der zweiten Ausführungsart.

Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Lasergenerator eine elektrische Leitung, die eine erste Metallplatte 2, eine zweite Metallplatte 3, die auf unterschiedliche Potentiale gebracht sind, sowie eine dazwischenliegende Isolierplatte umfaßt.

Diese Platten sind an ihren Enden in Form von Parabeln mit der Achse 4 ausgeschnitten, die auf senkrecht zur Plattenebene stehenden Geraden liegende Brennpunkte F und Scheitelpunkte S aufweisen (diese Geraden sind nicht dargestellt).

Der Lser enthält Mittel zur Erzeugung einer praktisch punktförmigen elektrischen Entladung in Höhe der Brennpunkte F der Parabeln. Diese Erregungsmittel werden beispielsweise aus einem schematisch dargestellten Funkeninduktor 5 oder irgendeinem anderen geeigneten Mittel gebildet.

Die Flankenanstiegzeit der Entladungswelle liegt vorteilhafterweise unter dem Zweifachen der Ausbreitungszeit einer Entladungswelle in der flachen Leitung zwischen dem Brennpunkt F und dem Scheitelpunkt S der Parabel (diese Zeit liegt beispielsweise bei etwa einer Nanosekunde).

Die Platte 2 weist einen Spalt 6 auf, der sie in zwei getrennte Teile 7 und 8 teilt; in diesem Spalt wird ein aktives Lasermilieu aufrechterhalten.

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Handelt es sich dabei um Luft unter Atmosphärendruck, dann ist es nicht notwendig, den aus diesem Spalt gebildeten Gasraum zu schließen. Andernfalls kann das gasförmige Milieu mit Hilfe einer über den Spalt 6 gelegten und beispielsweise durch Kleben an den beiden Rändern dieses Spalts befestigten länglichen Isolierplatte 9 eingeschlossen werden. Die Enden des Gasraums werden durch zwei Fenster auf bekannte Weise geschlossen.

Der Winkel^ zwischen der Richtung des Spalts und den Parabelachsen wird so gewählt, daß cos oC gleich dem Verhältnis zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Entladungswelle in der Leitung entlang der durch die Achse 4 bestimmten Richtung und der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Lichtemission in Richtung des Spalts 6 ist.

Ein beispielsweise aus einer kreisbogenförinigen öffnung, die auf den Brennpunkt F zentriert ist, in der Platte 2 gebildeter Reflektor 10 liegt auf der Seite des Brennpunktes F, der dem Scheitelpunkt S gegenüberliegt. Die Querabmessung der kreisbogenförmigen öffnung wird praktisch durch zwei Geraden begrenzt, die durch den Brennpunkt F und die Endpunkte des Spalts 6 verlaufen, beispielsweise durch die Gerade 11.

An Hand der Fig. 2 wird nun der Aufbau des Teils 8 der Platte 1 gemäß einer ersten Ausführungsform erklärt. Wie es in dieser Fig. 2 gezeigt wird, wird der Teil 8 aus einer Folie gebildet, die eine

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zwischen zwei leitenden Kupferschichten 13 und 14, die wie dargestellt U-förmig gefaltet sind, angeordnete Isolierschicht 12 umfaßt, wobei ein Abdichtmaterial wie beispielsweise ein Silikon vorteilhafterweise in die durch diese Struktur entstehenden Zwischenräume 15 gefüllt wird. Diese Folie wird einerseits mit ihrem oberen Bereich mit einer Platte 16 und andererseits mit ihrem unteren Bereich mit der Isolierplatte 1 und der Platte 3 in elektrischen Kontakt gebracht, so wie es in den Figuren 3 und 4 dargestellt wird.

Ferner werden die Platte 16 und die Kupferschicht 13 auf ein Potential -V gebracht, während die Schicht 14 durch die Platte 3 auf Nullpotential und der Teil 7 der Platte 2 auf ein Potential -V oder -V/2 gebracht wird. -

Die Fig. 3 und 4 zeigen, daß die Kupferschicht 14 eine Länge aufweist, die unter der der Schicht 13 liegt, so daß lediglich die Schicht 13 den Spalt 6 erreicht, wobei die Isolierschicht 12 auf das Ende der Kupferschicht 14 so zurückgebogen ist, wie es in 17 bzw. 18 in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist.

Die Isolierschicht 12 reicht an den Plattenenden, die nicht parabelförmig ausgeschnitten sind, leicht nach außen über die Kupferschichten 13 und 14 hinaus, wie es an den Stellen 19 und 2O in den Fig. 3 bzw. 4 gezeigt wird. Eine solche Anordnung der Isolierschicht ermöglicht in allen Fällen, einen Überschlag zum falschen Zeitpunkt zwischen den leitenden Schichten 13 und 14 zu vermeiden. 409883/1030

Eine solche Vorrichtung arbeitet folgendermaßen :

In einem gegebenen Augenblick sendet der Funkeninduktor 5 in Höhe der Brennpunkte F der Parabeln eine Entladung aus; die so erzeugte Entladungswelle weist in bezug auf die Brennpunkte F eine Rotationssymmetrie auf; der zwischen dem durch die Gerade 11 und ihr Gegenstück bestimmten Winkel liegende Teil der Entladungswelle wird vom Reflektor 10 reflektiert.

Alle in Höhe des Brennpunktes F ausgesandten Wellen werden also in Richtung auf die Parabeln gesandt und auf deren Peripherie reflektiert; es ist bekannt, daß die Parabel für zwei konjugierte Punkte vollkommen stigmatisch ist, für ihren Brennpunkt F und für Unendlich. Die von F ausgehende und durch die Parabeln reflektierte Wellenoberfläche erhält also die Form einer vollkommen ebenen Welle, die senkrecht zur Achse 4 der Parabeln verläuft und durch eine Schnittlinie 21 dargestellt wird.

Die fortschreitende Entladungswelle 21 erreicht also nacheinander in Richtung des Pfeils 22 die Atome bzw_o Moleküle des aktiven Gases. Die angeregte Lichtemission geschieht also von einem Ende zum anderen des Spalts in Richtung des Pfeils 22 mit derselben Geschwindigkeit, mit der die Welle 21 sich in Richtung dieses Spalts bewegt. Durch diese Gegebenheit ist es möglich, am Ausgang des Spalts 6 einen sehr leistungsstarken kohärenten Laserstrahl zu erhalten.

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Es muß darauf hingewiesen werden, daß bei der durch den Funkenindüktor 5 erzeugten Entladung die Potentiale des Teils 7 der Platte 2 und der Platte 3 praktisch zu -V/2 oder -v/4 werden, je nachdem, ob dieser Teil der Platte 2 auf ein Potential -V oder -V/2 gebracht wurde. Daraus ergibt sich eine Entladung zwischen den Enden der leitenden Schichten 13, die auf das Potential —Vgebracht sind, und dem Teil 7 der Platte 2; diese Entladung wird durch die Pfeile F in den Fig. 3 und angedeutet.

Gemäß einer zweiten Ausführungsart weist der Teil 7 der Metallplatte 2 eine Struktur auf, die praktisch gleich der des Teils 8 ist und in Fig. 2 dargestellt ist.

Folglich sind die Teile 7 und 8 jeweils aus einer Folie gebildet, die eine zwischen zwei leitenden Kupferschichten 13 und 14, die darstellungsgemäß U-förmig gefaltet sind, angeordnete Isolierschicht 12 aufweist, wobei ein Dichtmaterial wie beispielsweise eine Silikon vorteilhaft die durch eine solche Struktur gegebenen Zwischenräume 15 ausfüllt. Diese Folie wird einerseits mit ihrem oberen Teil mit einer Platte 16 und andererseits mit ihrem unteren Teil mit der Isolierplatte 1 und der Platte 3 gemäß der in den Figuren 5 und 6 gezeigten Weise in elektrischen Kontakt gebracht.

Weiterhin sind die Platte 16 und die Kupferschicht 13 des Teils 8 auf ein Potential -V gebracht,

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während die Schicht 14 durch die Platte 3 auf ein Nullpotential und die Platte 16 sowie die Kupferschicht 13 des Teils 7 auf ein Potential von etwa -V oder -V/2 gebracht sind.

Die Figuren 5 und 6 zeigen, daß die Kupferschicht 14 in beiden Teilen eine Länge aufweist, die unter der der Schicht 13 liegt, so daß diese Schicht den Spalt 6 erreicht, wobei die Isolierschicht 12 auf das Ende der Kupferschicht 14 zurückgebogen wird, wie es in 17 und 18 in den Figuren 5 bzw. 6 dargestellt wird.

Ebenso reicht die Isolierschicht 12 an den Enden der Teile 7 und 8 leicht nach außen über die Kupferschichten 13 und 14 hinaus, wie es an den Stellen 19 und 20 in den Figuren 5 bzw. 6 gezeigt wird.

Eine solche Anordnung der Isolierschicht 12 ermöglicht es, in jedem Fall jeglichen ungewollten Überschlag zwischen den leitenden Schichten 13 und 14 zu vermeiden.

Die Arbeitsweise einer solchen Ausführungsform ist analog der zuvor beschriebenen.

Es sei lediglich darauf hingewiesen, daß bei der durch den Funkeninduktor 5 erzeugten Entladung die Potentiale des Teils 7 der Platte 2 und der Platte 3 praktisch -V/2 oder -V/4 werden, je nachdem, ob der Teil 7 der Platte 2 auf ein Potential -V oder -V/2 gebracht worden ist. Dadurch ergibt sich also eine

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Entladung zwischen den Enden der leitenden Schichten 13 des Teils 8, die auf das Potential -V gebracht worden sind, und den Enden der Schichten, 13 des Teils 7; diese Entladung wird durch die Pfeile F in den Figuren 5 und 6 angedeutet. Bei allen erwähnten Ausführungsarten ergibt sich in diesem erfindungsgemäßen Laser eine besonders homogene Anregung des gasförmigen Emissionsmilietis. Darüber hinaus sei festgestellt, daß die Kupferschichten 13 und 14 mit der Isolierschicht 12 eine große Kapazität herstellen, mit der unter gleichzeitiger Vermeidung von Impedanzunstetigkeiten zwischen den Platten eine hohe Leistung bei geringen Verlusten erreicht werden kann.

Solche erfindungsgemäßen Lasergeneratoren können also Emissionen mit sehr hoher Nominalleistung erzeugen. , .

Patentansprüche :

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Claims

PATENTANS PRÜCHE

ι 1 - Lasergenerator mit :

- einem aktiven Gasmilieu,

- einer elektrischen Erregungsleitung , die eine zwischen einer ersten und einer zweiten Metallplatte liegende Isolierplatte umfaßt, wobei ein Rand dieser Platten die Form einer Parabel aufweist, deren Achse mit einem die erste Metallplatte in zwei Teile trennenden Spalt einen Winkel OC ungleich Null einschließt, wobei alle Brennpunkte sowie alle Scheitelpunkte dieser Parabeln jeweils auf gemeinsamen senkrecht zur Plattenebene verlaufenden Geraden liegen und wobei die Metallplatten untereinander parallel verlaufen und mit mindestens einer Spannungsquelle verbunden sind,

- Mitteln zur Einschließung eines aktiven Gasmilieus in diesem Spalt, die aus einer länglichen Isolierplatte bestehen, die den Spalt schließt und an den beiden Teilen der ersten Metallplatte befestigt ist,

- und Mitteln zur Erzeugung einer Stromwelle in der

Erregungsleitung, zu denen ein Schaltkreis zur Auslösxmg einer praktisch punktförmigen Entladung zwischen diesen Metallplatten in Höhe der Brennpunkte der Parabeln gehört, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ei.ner der beiden Teile (7, 8) der ersten Metallplatte (2) aus einer Folie gebildet wird, die aus einer Isolierschicht (12) besteht und zwischen zwei Elektronen leitenden Schichten (13, 14) gelegt wird, wobei diese Folie so gefaltet ist, daß

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sie bei einem Schnitt parallel zum Spalt (6) und senkrecht zur Ebene der Platten (1, 2, 3) praktisch aus einer fortlaufenden Reihe von U besteht, die untereinander mit den oberen Enden ihrer senkrechten Schenkel in Verbindung stehen.

2 - Lasergenerator gemäß Anspruch 1, dadurch g e k en η ζ e i c h η e t, daß der Teil (8) der ersten Metallplatte (2), der auf der vom Auslöseschaltkreis (5) abgewandten Seite des Spalts (6) liegt, aus einer Folie gebildet wird, die eine zwischen zwei Elektronen leitenden Schichten (13, 14) liegende Isolierschicht (12) aufweist, wobei diese Folie so gefaltet ist, daß sie bei einem Schnitt parallel zum Spalt (6) und senkrecht zur Ebene der Platten (1, 2, 3) praktisch aus einer fortlaufenden Reihe von miteinander an ihren oberen Enden ihrer senkrechten Schenkel miteinander verbundenen U besteht.

3 - Lasergenerator gemäß Anspruch 1, dadurch g e k e "η η zeichnet, daß die beiden Teile (7, 8) der ersten Metallplatte (2) jeweils aus einer Folie gebildet werden, die eine zwischen zwei Elektronen leitenden Schichten (13, 14)liegende Isolierschicht (12) aufweist, wobei diese Folie so gefaltet ist, daß sie bei einem parallel zum Spalt (6) und senkrecht zur Ebene der Platten (1, 2, -.3) durchgeführten Schnitt praktisch aus einer fortlaufenden Reihe von untereinander an ihren oberen Enden ihrer senkrechten Schenkel verbundenen U besteht.

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4 - Lasergenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an einem der Enden der Folie eine der leitenden Schichten (13) eine Länge aufweist, die größer ist als die der anderen leitenden Schicht (14) und bis an den Spalt (6) heranreicht, wobei das Ende (17) der Isolierschicht (12) auf das Ende der anderen leitenden Schicht (14) zurückgebogen ist.

5 - Lasergenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am anderen Ende der Folie das Ende (19, 20) der Isolierschicht (12) über die Enden der Elektronen leitenden Schichten (13, 14) hinausreicht.

6 - Lasergenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektronen leitenden Schichten (13)' mit den die senkrechten Schenkel der U verbindenden Bereichen an eine leitende Platte (16) heranreicht, während die andere Elektronen leitende Schicht (14) durch den die Basis der U bildenden Bereich mindestens teilweise mit der zweiten Platte (3) der Erregungsleitung in Verbindung gebracht wird.

7 - Lasergenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sich zwischen den Falten der Folie ergebenden Zwischenräume mit einer Dichtmasse (15) ausgefüllt werden.

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8 - Lasergenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der durch den Spalt (6) und die längliche Isolierplatte (9) begrenzte Raum an seinen Enden durch zwei für einen vom Gas ausgesandten Strahl durchsichtige Isolierfenster verschlossen wird.

9 - Lasergenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel ©£ so bemessen ist, daß cos oL gleich dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Stromwelle ' entlang der Achse (4) der Parabeln zur Ausbreitungsge-. schwindigkeit des ausgesandten Strahls des Gases in der Richtung (22) des Spalts (6) ist.

10 - Lasergenerator qenäP. ei "en r'er Ansprüche 1 bis 9, dädurehgekenn 'zeichnet, daß die erste Metallplatte (2) einen Wellenreflektor (10) aufweist, der aus einer kreisbogenförmigen öffnung gebildet wird, für die der Brennpunkt (F) praktisch den Mittelpunkt bildet, wobei sich der Scheitelpunkt (S) der Parabel und der Scheitelpunkt des Kreisbogens auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Brennpunkts (F) befinden,

11 - Lasergenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (7) der ersten Metallplatte (2), der in bezug auf den Spalt (6) auf der Seite des Auslöseschaltkreises

(5) liegt, und die den Spalt (6) erreichende Elektronen leitende Schicht (13) beide dasselbe Potential (-V) aufweisen, während die zweite Metallplatte (3) und die

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andere Elektronen leitende Schicht (14) beide auf ein Potential von praktisch Null gebracht sind."

12 - Lasergenerator gemäß einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (7) der ersten Metallplatte (2), der in Bezug auf den Spalt (6) auf der Seite des Auslöseschaltkreises

(5) liegt, auf ein Potential (-V/2) gebracht ist, das praktisch gleich der Hälfte des Potentials (-V) der den Spalt (6) erreichenden Elektronen leitende Schicht (13) ist, während die zweite Metallplatte (3) und die andere Elektronen leitende Schicht (14) beide auf ein Potential von praktisch Null gebracht sind.

13 - Lasergenerator gemäß einem der Ansprüche 1, 3 und 4 bis IO, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (7, 8) der ersten Metallplatte (2) und die die Spalte (6) erreichenden Elektronen leitenden Schichten (13) alle auf dasselbe Potential (-V) gebracht sind, während die zweite Metallplatte (3) und die übrigen Elektronen leitenden Schichten (14) alle auf ein Potential von praktisch Null gebracht sind.

14 - Lasergenerator gemäß einem der Ansprüche 1, 3 und 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (8) der ersten Metallplatte (2), der in bezug auf den Spalt (6) dem Auslöseschaltkreis (5) gegenüberliegt, und die dazugehörige Elektronen leitende Schicht (13), die den Spalt (6) erreicht, auf ein Potential gebracht sind, dessen Wert praktisch das Doppelte des Wertes des Potentials

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ausmacht, auf das der andere Teil (7) der ersten Metallplatte (2) und die dazugehörige Elektronen leitende Schicht (13), die den Spalt (6) erreicht, gebracht sind, während die zweite Metallplatte (3) und die übrigen Elektronen leitenden Schichten (14) auf ein Potential von praktisch Null gebracht sind.

χ χ

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