DE2442291C2

DE2442291C2 - Gaslaser-Oszillator mit axialem Gasdurchfluss

Info

Publication number: DE2442291C2
Application number: DE2442291A
Authority: DE
Inventors: Bernard Paris Lavarini
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1973-09-06
Filing date: 1974-09-04
Publication date: 1984-09-27
Also published as: IT1027558B; NL180061B; FR2243538B1; NL7411892A; FR2243538A1; JPS5724671B2; CA1015052A; US3889209A; DE2442291A1; JPS5057193A; BE818731A; GB1471425A; NL180061C

Description

dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (4) mit seinen Rändern dicht an der Gehäusewand (2) anliegt, daß zwischen seiner Rückseite und dem Fenster (26) eine Einführungskammer (20) gebildet wird, in die die Gaseinführungsmittel münden, und daß der Querschnitt des Lochs (5), der Druck des Gases in der Einführungskammer und die Geometrie des Resonanzraums so gewählt sind, daß in diesem Raum eine solche Wirbelströmung entsteht, daß das Gas in der Nähe der Gehäuseachse in Richtung (22) vom Loch zum gegenüberliegenden Spiegel (6) und in der Niühe des Gehäusewand in Gegenrichtung (24) strömt

Die Erfindung betrifft einen Gaslaser-Oszillator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Oszillator ist z. B. aus der DE-OS 15 89 624 bekannt.

Wenn man 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 Laseroszillators unmöglich.

In diesem Zusammenhang ist es an sich bekannt, z. B. aus der DE-OS 20 54 096, die Gasströmung im Resonanzraum turbulent verlaufen zu lassen, indem man die Reynolds-Zahl geeignet einstellt. Dadurch und durch schräge Anordnung des Einlaß- und den Absaugstutzens für das Gas wird das Gas im Resonanzraum durchgemischt, so daß Ladungsverluste im Wandbereich weitgehend ihren Einfluß auf die Homogenität der Entladung verlieren, wenngleich die unsymmetrische Gasführung zu neuen Inhomogenitäten führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laseroszillator der eingangs genannten Art 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. Dieses Ziel wird durch den im Anspruch 1 gekennzeichneten Gaslaser-Oszillator erreicht. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

An sich ist es auch schon bekannt, z. B. aus der Zeitschrift Physical Review Letters, VoL 13, 1964, Nr. 21.

Seiten 617—619, daß die Spiegel eines Gasstromlasers mit ihren Rändern direkt am Gefäßrand anliegen können. Dies hat dort den Zweck, die Gasströmung, die allgemein quer zur Laserachse verläuft, auf den Bereich zwischen den Spiegeln zu beschränken. Mit der Vetdesserung der Entladungsbedingungen bei der elektrischen

Anregung des Gases hat diese Maßnahme jedoch schon

deshalb nichts zu tun, weil bei dem bekannten Oszillator das Gas außerhalb des Resonanzraums angeregt wird.

Mit Hilfe der Figur wird nachfolgend ein Ausfüh-

rungsbeispiel der Erfindung näher b" eschrieben.

In dieser einzigen Figur ist ein Schnitt durch einen Gas-Laseroszillator gezeigt, der eine allgemein zylinderrohrfönnige Gestalt aufweist, der Schnitt ist gemäß einer durch die Achse dieses Zylinderrohres laufende

Ebene geführt

Der 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 atr.i 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 Spiegein 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 bzw. 6. Diese Elektroden bestehen aus Kupfer und werden durch eine Spannungsquelle 12 gespeist, die eine Gleichspannung von 3OkV liefern kann.

In der Nähe der dem Spiegel 4 benachbarten ersten Stirnwand des Gehäuses 2 und hinter dem Spiegel 4,

so d. h. außerhalb des durch die Spiegel 4 und 6 gebildeten optischen Resonanzraum, ist eine öffnung vorgesehen, durch die ein Gasgemisch aus einer Gasquelle 14 zugeführt werden kann. Diese Quelle kann eine beispielsweise wie folgt zusammengesetzte Mischung unter einem

Druck von 600 Millibar liefern:

— Stickstoff	47%
— Kohlendioxid	6%
— Helium	47%

Der Spiegel 4 ist 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 Gasquelie 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.

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 2 und der Abstand zwischen den spiegeln 4 iind 6 werden so gewählt, daß im Raum zwischen den Spiegeln 4 und 6 etwa ein Druck von 200 Millibar herrscht und daß in dieses Raum eine Wirbelströmung entsteht, die 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 νοεί 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 eingeteilt sind, daß sie einen optischen Resonanzraum bilden, das Auftreten einer Laserschwingung und das Austreten eines infraroten Lichtstrahls von 10,6 μιη Wellenlänge, ein Kennzeichen für Kohlendioxid, durch das Loch 5. Der Lichtstrahl kann das Gehäuse 2 durch ein für diese Wellenlänge durchlässiges und beispielsweise aus Natriumchlorid gebildetes Fenster 26 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, 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 fliese 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 S einströmende Menge Qm, d.h. das Produkt aus dem Massendurcbsatz 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

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 ίο leicht fadenförmige Lichtbogen auf. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es möglich, auch große Stromdichten bei großen Querschnitten des Gehäuses 2 zu erreichen. Vorteilhafterweise gilt:

lOmA/cm² <j< 200mA/cm²

bei einem Querschnitt von 13 cm².

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 der elektrischen Feldstärke £"im Gehäuse 2 und der Anzahl A/der Gösmoleküle pro Kubikzentimeter zu berechnen, da dieses Verhältnis in Beziehung zur Durchschnittsgeschwindigkeit eines Elektrons, das ein Gasmolekül trifft, steht
Vorzugsweise gilt dann:

10-" V/cm² < E/N < 10-'« V/cm²

Nachfolgend werden die Werte der zuvor definierten Parameter für zwei Anwendungsbeispiele der Erfindung angegeben, die einem Abstand L zwischen den Spiegeln 4 und 6 und einem Durchmesser D des Gehäuses 2 entsprechen, die sich leicht von dem oben angegebenen Wert unterscheiden.

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Das Verhältnis K der Ausgangsfläche der öffnungen 18 zur Fläche des Querschnitts des Gehäuses 2 liegt vorteilhafterweise zwischen 5 und 50%:

5% < K < 50%

Parii.neter	Einheit	I.Beispiel	Z Beispiel
L	mm	300	300
D	mm	50	50
Qm	kgm/s²	3,5	173
K	%	10	15
P	Millibar	200	500
V	m/s	320	580
j	mA/cm²	20	60
Wm	J/g	690	1600
	Hierzu 1	Blatt Zeichnungen

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 Vdes Gases durch das Loch 5 liegt vorteilhafterweise über 100 Meter pro Sekundc:

V> 100 m/s

Claims

Patentanspruch:
Gaslaser-Oszillator mit axialem Gasdurchfluß, mit

— einem länglichen Gehäuse, das ein Austrittsfenster für den Laserstrahl in einer seiner Stirnwände aufweist,

— zwei an eine elektrische Stromquelle angeschlossenen, seitlich in das Gehäuse ragenden Elektroden,

— zwei jeweils in der Nähe einer der Stirnwände des Gehäuses angebrachten Spiegeln, die einen optischen Resonanzraum zwischen sich bilden, wobei der dem Austrittsfenster benachbarte erste Spiegel im Inneren des Gehäuses angeordnet ist und ein axiales Loch aufweist,

— und Mitteln, durch das die das Lasergas in das Gehäuse hinein und aus ihm herausgeführt wird, ι