DE2442291A1

DE2442291A1 - Gasstrom-laseroszillator

Info

Publication number: DE2442291A1
Application number: DE2442291A
Authority: DE
Inventors: Bernard Lavarini
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1973-09-06
Filing date: 1974-09-04
Publication date: 1975-03-13
Also published as: GB1471425A; FR2243538B1; IT1027558B; US3889209A; NL7411892A; NL180061B; JPS5057193A; BE818731A; CA1015052A; FR2243538A1; NL180061C; DE2442291C2; JPS5724671B2

Description

^PBy O <h Sep.

F 8856
Qlpl-lng. Jürgen WEINMIL-LER L kk 229 I

PATENTASSESSOR

SOSPi GmbH

8OOOMünchen 80

Zeppelinstr. 63

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

GASSTROM-LASEROSZILLATOR

Die Erfindung betrifft einen Gasstrom-Lasergenerator, bei dem ein Gas oder ein Gasgemisch in einem optischen Resonanzraum fließt und durch eine elektrische Entladung angeregt wird.

Ein solcher Laser wird beispielsweise in der Zeitschrift Applied Physics Letters, Band, 15, Nr. 3 vom 1. August 1969 unter dem Titel "CW OPERATION OF HIGH PRESSURE FLOWING CO LASERS" von T.S. DEUTSCH, S.A. HORRIGAN und R.I. RUDKO beschrieben. Die bei diesem Beispiel verwendete Gasmischung besteht aus Stickstoff, Kohlendioxyd und Helium. Durch die elektrische Entladung wird eine

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Erhöhung der Temperatur des Gasgemisches bewirkt, die das einwandfreie Arbeiten des Lasers stört. Daher sind Kühlmittel vorgesehen. Diese bestehen einmal darin,daß die Wandungen der Entladungsröhre von Wasser umströmt werden, und andererseits darin, daß kontinuierlich frisches Gasgemisch hinzu- und ebenfalls kontinuierlich durch die elektrische Entladung aufgeheiztes Gasgemisch abgeführt wird. Diese Maßnahmen erlauben jedoch nicht beliebig hohe Leistungen zu erzielen. Wenn man nämlich die Strahlungsleistung des Lasers erhöhen will, muß man den Druck des Gasgemischs und die elektrische Entladungsleistung vergrößern. Wenn der Querschnitt der Entladungsröhre nicht sehr gering ist, wird die elektrische Entladung, die bei geringen Leistungen noch homogen war, instabil und führt zu einer großen Anzahl von fadenförmigen Lichtbogen, die extrem hohe Temperaturen mit sich bringen. Dann wird der Betrieb des Lasergenerators unmöglich.

Ziel der Erfindung ist es, einen Lasergenerator zu schaffen, in dem in einem großen, unter einem hohen Druck stehenden Gasvolumen eine stabile und homogene elektrische Entladung hoher Leistung aufrechterhalten werden kann, so daß eine besonders hohe Lichtleistung erreicht wird.

Gegenstand der Erfindung ist ein Gasstrom-Laseroszillator mit
- einem länglichen Gehäuse für ein Gas,

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- einer ersten und einer zweiten Elektrode, die im Gehäuse angebracht und an eine elektrische Stromquelle angeschlossen sind,

- einem ersten und einem zweiten Spiegel, die in der Nähe der ersten bzw. der zweiten Stirnwand des Gehäuses angebracht sind, so daß sie einen optischen Resonanzraum bilden, wobei der erste Spiegel im Innern des Gehäuses angeordnet und mit einem Loch versehen ist und das Gehäuse an seiner dem ersten Spiegel benachbarten ersten Stirnwand mit einem durchsichtigen Fenster versehen ist, durch das der aus dem optischen Resonanzraum stammende Lichtstrahl das Gehäuse verlassen kann,

- und mit Mitteln, durch die das Gas in das Gehäuse hinein- und aus dem Gehäuse herausgeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel mit seinen Rändern dicht an den Wandungen des Gehäuses anliegt, so daß im Innern des Gehäuses eine Einführungskammer gebildet wird, zu der auch das Fenster gehört, und daß zu den Gas-Einführungsmitteln eine Quelle für das Gas gehört, die mit der Einführungskammer in Verbindung steht, so daß das Gas durch das in dem ersten Spiegel befindliche Loch in den optischen Raum eintritt und dort eine Wirbelströmung hervorruft.

Mit Hilfe der beiliegenden einzigen Figur wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.

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In dieser einzigen Figur ist ein Schnitt durch einen Gasstrom-Laseroszillator gezeigt, der eine allgemein zylinderrohrförmige Gestalt aufweist? der Schnitt ist gemäß einer durch die Achse dieses Zylinderrohres laufende Ebene geführt.

Der erfindungsgemäße Oszillator umfaßt ein Gehäuse 2, das aus Pyrexglas oder einem anderen temperaturfesten elektrischen Isolierstoff gebildet ist und eine allgemein rohrförmige Gestalt mit einem kreisförmigen Querschnitt aufweist. In der Nähe des ersten und des zweiten Endes des Gehäuses 2 sind ein erster Spiegel 4 bzw. ein zweiter Spiegel 6 angeordnet, die aus rostfreiem Stahl oder Kupfer hergestellt sind und zwischen sich einen optischen Resonanzraum bekannter Art einschließen. Beim Spiegel 4 handelt es sich um einen ebenen Spiegel, der in seiner Mitte mit einem Loch 5 versehen ist, dessen Durchmesser etwa 5 mm beträgt. Der Spiegel 6 ist konkav. Der Abstand zwischen diesen Spiegeln beträgt etwa 280 mm. Ihr Durchmesser ist fast so groß wie der des Gehäuses 2, der etwa 40 mm beträgt.

Um zwischen diesen beiden Spiegeln eine Gaswirbelströmung zu ermöglichen, erschien es vorteilhaft, das Verhältnis des Abstands zwischen den Spiegeln 4 und 6 zum Durchmesser des Gehäuses 2 zwischen fünf und acht zu wählen.

Im Innern des Gehäuses 2 liegen um den durch die Spiegel 4 und 6 gebildeten optischen Resonanzraum herum zwei ringförmige Elektroden 8 und 10 in der Nähe der Spiegel 4

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bzw. 6. Diese Elektroden bestehen aus Kupfer und werden durch eine Quelle 12 gespeist, die eine Gleichspannung von 30 kV liefern kann.

In der Nähe der dem Spiegel 4 benachbarten ersten Stirnwand des Gehäuses 2 und hinter dem Spiegel 4, d.h. außerhalb des durch die Spiegel 4 und 6 gebildeten optischen Resonanzraums, ist eine Öffnung vorgesehen, durch die ein Gasgemisch aus einer Quelle 14 zugeführt werden kann. Diese Quelle kann eine beispielsweise wie folgt zusammengesetzte Mischung unter einem Druck von 600 Millibar liefern :

- Stickstoff 47%

- Kohlendioxyd 6%

- Helium 47%

Der Spiegel 4 ist erfindungsgemäß mit seinen Rändern dicht mit der Innenwand des Gehäuses 2 mit Hilfe eines elastischen Dichtrings 16 verbunden, so daß am ersten Ende des Gehäuses 2 eine Kammer 20 gebildet wird, die hier

"Einführungskammer" genannt wird und die einerseits mit der Gasquelle 14 und andererseits mit dem optischen Resonanzraum des Gehäuses 2 über das Loch 5 in Verbindung steht. Das aus der Quelle 14 stammende Gas kann den zwischen den Spiegeln 4 und 6 liegenden Raum nur auf dem Weg durch das Loch 5 erreichen. In der Nähe der Elektrode 10 münden in das Gehäuse 2 sechs Austrittsöffnungen 18, die mit einem Bereich niedrigen Drucks (hier nicht dargestellt) in Verbindung stehen. Jede dieser Öffnungen hat einen Querschnitt von etwa 60 mm2.

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Die Anzahl und der Querschnitt dieser Öffnungen sowie der Querschnitt des Lochs 5, der Druck des Gasgemischs in der Einführungskammer 20, der Durchmesser des Gehäuses und der Abstand zwischen den Spiegeln 4 und 6 werden so gewählt, daß im Raum zwischen den Spiegeln 4 und 6 etwa ein Druck von 200 Millibar herrscht und daß in diesem Raum eine Wirbelströmung entsteht, die beispielsweise in der Nähe der Achse des Gehäuses 2 vom Spiegel 4 zum Spiegel 6, wie es durch den Pfeil 22 dargestellt wird, und»in der Nähe der Wandungen des Gehäuses 2 vom Spiegel 6 zum Spiegel 4, wie es durch die Pfeile 24 gezeigt wird, verläuft. Unter diesen Bedingungen bewirkt die Erregung des Gasgemischs durch die elektrische Entladung zwischen den beiden Elektroden 8 und 10, wenn die Spiegel 4 und 6 so eingestellt sind, daß sie einen optischen Resonanzraum bilden, das Auftreten einer Laserschwingung und das Austreten eines infraroten Lichtstrahls von 10,6 Mikron Wellenlänge, ein Kennzeichen für Kohlendioxyd, durch das Loch 5. Der Lichtstrahl kann das Gehäuse 2 durch ein für diese Wellenlänge durchlässiges und beispielsweise aus Natriumchlorid gebildetes Fenster verlassen.

Zwischen der Elektrode 8 und den Austrittsöffnungen 18 wird das Gehäuse 2 von einer Wasserkühlungshülse 28 umgeben, die mit Zuführungs- und Abführungsöffnungen 30 bzw. 32 versehen ist.

Um im Gehäuse 2 eine Wirbelströmung und eine stabile elektrische Entladung hoher Leistung zu erreichen,

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die eine hohe Leistung des Laseroszillators und eine ebenfalls hohe Ausgangsleistung ermöglicht, ist es notwendig, die Werte dieser den Oszillator kennzeichnenden Parameter sorgfältig auszuwählen. Selbstverständlich können diese Werte von den oben angegebenen abweichen; nachfolgend werden einige Angaben gemacht, durch die soweit möglich die Erzielung der oben angegebenen Resultate für verschiedene Anwendungsfälle erleichtert wird.

Es ist günstig, wenn die pro Sekunde durch das Loch 5 einströmende Menge (Jm, d.h. das Produkt aus dem Massendurchsatz des Gases und der Einströmgeschwindigkeit, zwischen eins und dreißig liegt, wenn als Einheit das Meter, die Sekunde und das Kilogramm gewählt werden:

1 kg.m/s² < Qm <30 kg.m/s²

Der Ausgangspermeabilitätskoeffizient K, d.h. das Verhältnis der Ausgangsfläche der Öffnungen 18 zur Fläche des Querschnitts des Gehäuses 2 liegt vorteilhafterweise zwischen 5 und 50% :

5% < K < 50%

Was den Gasdruck P im Gehäuse 2 betrifft, so ist es besonders günstig, wenn dieser Gasdruck über 0,1 Bar liegt.Er kann mehrere Bar erreichen, ohne daß ein Lichtbogen auftritt.

Die Einströmgeschwindigkeit V des Gases durch das Loch 5 liegt vorteilhafterweise über 100 Meter pro Sekunde :

V ^ 100 m/s

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Die Stromdichte j im Gehäuse 2, d.h. das Verhältnis zwischen der Stromstärke zur Fläche des Querschnitts des Gehäuses, muß vergrößert werden, wenn man die Generatorleistung erhöhen will. Hohe Stromdichten können bei Gehäusen mit geringem Querschnitt erreicht werden. Dann ergibt sich eine homogene elektrische Entladung. Will man jedoch die Leistung des Generators dadurch erhöhen, daß man den Querschnitt des Gehäuses vergrößert, so treten in bekannten Lasern leicht fadenförmige Lichtbogen auf. Die Erfindung ermöglicht es, auch.große Stromdichten bei großen Querschnitten des Gehäuses 2 zu erreichen. Vorteilhafterweise gilt :

2 2

10 mA/cm < j < 200 mA/cm bei einem Querschnitt

2
von 13 cm .

Die pro Gasmasseneinheit einströmende elektrische Energie Wm kann in Joule pro Gramm ausgedrückt werden :

500 j/g < Wm < 5000 J/g

Es kann günstig sein, das Verhältnis E/N zwischen dem Elektronenfeld E des Gehäuses 2 und der Anzahl N der Gasmoleküle pro Kubikzentimeter zu berechnen, da dieses Verhältnis in Beziehung zur Durchschnittsgeschwindigkeit eines Elektrons, das ein Gasmolekül trifft, steht.

Vorzugsweise gilt dann :

10 ^x' v/cm < E/N < 10 ^x* v/cnT

Nachfolgend werden die Werte der zuvor definierten Parameter für zwei Anwendungsbeispiele der Erfindung angegeben, die einem Abstand L zwischen den Spiegeln 4 und

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6 und einem Durchmesser D des Gehäuses 2 entsprechen, die sich leicht von den oben angegebenen Werten unterscheiden.

I PARAMETER	EINHEIT	1. BEISPIEL	2. BEISPIEL
L	mm	300	300
D	mm	50	50
Qm	kgm/s	3,5	17,5
K	O/ /o	10	15
P	Millibar	200	. 500
V	m/s	320	580
j	2 mA/cm	20	60
Wm	J/g	690	1600

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Claims

PATENTANS PRUCHE

1 -/ Gasstrom-Laseroszillator mit ■—S

-einem länglichen Gehäuse für ein Gas,

- einer ersten und einer zweiten Elektrode, die im Gehäuse angebracht und an eine elektrische Stromquelle angeschlossen sind,

- einem ersten und einem zweiten Spiegel, die in der Nähe der ersten bzw. der zweiten Stirnwand des Gehäuses angebracht sind, so daß sie einen optischen Resonanzraum bilden, wobei der erste Spiegel im Innern des Gehäuses angeordnet und mit einem Loch versehen ist und das Gehäuse an seiner dem ersten Spiegel benachbarten ersten Stirnwand mit einem durchsichtigen Fenster versehen ist, durch das der aus dem optischen Resonanzraum stammende Lichtstrahl das Gehäuse verlassen kann,

- und mit Mitteln, durch die das Gas in das Gehäuse hinein- und aus dem Gehäuse herausgeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (4) mit seinen Rändern dicht an den Wandungen des Gehäuses (2) anliegt, so daß im Innern des Gehäuses eine Einführungskammer (20) gebildet wird, zu der auch das Fenster (26) gehört, und daß zu den Gas-Einführungsmitteln eine Quelle (14) für das Gas gehört, die mit der Einführungskammer in Verbindung steht, so daß das Gas durch das in dem

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ersten Spiegel befindliche Loch (5) in den optischen Raum eintritt und dort eine Wirbelströmung hervorruft.

2 - Laseroszillator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) zylinderrohrförmig ausgebildet ist und das in den ersten Spiegel (4) gebohrte Loch (5) in der Achse dieses Gehäuses liegt, wobei das Verhältnis des Abstands zwischen dem ersten (4) und dem zweiten Spiegel (6) zum Durchmesser des Gehäuses zwischen fünf und acht liegt.

3 - Laseroszillator gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (8,10) um den optischen Resonanzraum herum in jeweiliger Nähe eines der Spiegel (4 bzw. 6) angeordnet sind.

4 - Laseroszillator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (4) ein ebener und der zweite Spiegel (6) ein konkaver Spiegel ist.

5 - Laseroszillator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Gas um eine Mischung aus Stickstoff, Kohlendioxyd und Helium handelt,

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