DE2528174C3 - Laser mit Wanderwellenanregung - Google Patents

Description

6. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ^: zeichnet, daß die Durchschlagsfestigkeit des Spaltes durch Zumischen eines Hilfsgases mit sich längs des Spaltes ändernder Konzentration zum stimulierbaren Medium geändert ist.

7. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Änderung der Durchschlagsfestigkeit des Spaltes ein zusätzliches elektrisches und/oder magnetisches Feld erzeugen.

8. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium Luft ist.

9. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Spalt (18) begrenzenden Kanten (14,16) der Elektroden (10,12) und eine zur Auslösung der Gasentladung dienende Schaltfunkenstrecke (26) in einem gemeinsamen Gefäß (28) angeordnet sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Unter einer Wanderwellenanregung eines Lasers versteht man ein Laser-Pumpverfahren, bei dem ein Zustand, in dem das stimulierbare, aktive Lasermedium die Laserstrahlung verstärkt, mit dem zu verstärkenden Laserstrahlungsimpuls mitgeführt wird.

Eine Wanderwellenanregung ist vor allem zum effektiven Pumpen von Superstrahlungslasern wichtig, bei denen die Laufzeit des LasersLrahlungsunpulses durch das aktive Medium größer als die Dauer des

S emittierten Laserstrahlungsimpulses ist. Die Dauer des Laserstrahlungsimpulses nimmt in gasförmiger. Medien mit zunehmendem Druck infolge von Stoßabregung des oberen Laserniveaus ab. So ist z. B. im Falle des Stickstofflasers (Wellenlänge 3371 A) bereits bei einem Fülldruck von 1 bar die Impulsdauer mit Si 500 psec kurz gegen die Durchlaufzeit durch einen Laserkanal üblicher Länge, die ca. 50 cm beträgt (Optics Communications, Bd. 12 [1974], Nr. 4, S. 370 bis 372).

»5 Bisher hat man versucht, die Wanderwellenanregung durch eine den Entladungselektroden zugeführte, durch Laufzeiteffekte erzeugte elektrische Wanderwelle zu erzwingen, siehe z. B. Opto-electronics, Bd. 4 (1972), S. 43 bis 49. Ein bei dieser Art

*o der Wanderwellenanregung bisher noch nicht befriedigend gelöstes Problem besteht darin, daß es praktisch nicht möglich ist, den Anstieg der elektrischen Spannung zwischen den Elektroden so steil zu machen, daß die Zündverzugszeit klein genug ist, um

^a5 elektrische Ausgleichsvorgänge längs der Elektroden in tragbaren Grenzen zu halten.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, bei einem Laser, insbesondere einem Gaslaser, eine wirkungsvolle Wanderwellenanregung trotz relativ langsamer Anstiegszeit der die Anregung bzw. Entladung bewirkenden, geschalteten elektrischen Hochspannung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Bei einem Laser gemäß der Erfindung nimmt also die elektrische Durchschlagsfestigkeit des Spaltes von einem Punkt minimaler Durchschlagsfestigkeit über mindestens ein Stück des Spaltes in Längsrichtung des Spaltes steiig und monoton zu. Dies wird vorzugsweise durch eine stetige Verbreiterung des Spaltes, ausgehend von einem Punkt minimaler Spaltbreite bewirkt. Im einfachsten Falle ist der Spalt also keilförmig und durch zwei schwach divergierende, gerade Elektrodenränder begrenzt. Eine oder beide Elektrodenränder können auch voneinander weg gekrümmt sein.

Die Entladung setzt dann am Punkt geringsten Abstandes ein und breitet sich in Richtung zunehmenden Elektrodenabstandes aus. Die Ränder können scharfkantig, spitz zulaufend oder auch abgerundet sein. Die Änderung der Durchschlagsfestigkeit läßt sich jedoch auch durch andere Maßnahmen erreichen, z. B. durch einen Druckgradienten längs des Elektrodenspaltes oder durch stetige Zunahme des Krümmungsradius der sich gegenüberliegenden Elektrodenkanten, durch einen längs des Spaltes verlaufenden Gradienten der Durchschlagsfestigkeit des laseraktiven Mediums, der z. B. durch Zumischen eines Hilfsgases mit zunehmendem Anteil erreicht werden kann.

Ein wesentlicher Vorteil, der durch die Erfindung erzielt wird, besteht darin, daß sich ohne Verwendung extrem niederinduktiver Schalter (wie z. B. dielektri-

6j scher Funkenstrecken, die eine höhere Repetitionsrate ausschließen) eine Wanderwellenanregung längs eines Laserkanals üblicher Baulänge realisieren läßt. Durch eine Wanderwellenanregung in Gasen, die un-

ter höheren Drücken (p > 1 bar) stehen, können ultrakurze Laserstrahlungsimpulse hohei Leistung erzeugt werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei einem Laser, der eine Schaltfunkenstrecke zur Anlegung einer Hochspannung an die beiden Elektroden enthält, die Schaltfunkenstrecke mit den Elektroden in dasselbe bzw. ein kommunizierendes Druckgefäß eingebaut, so coß zwischen den Elektroden des Lasers und zwischen den Elektroden der Schaltfunkenstrecke stets im wesentlichen der gleiche Druck herrscht. Durch diese Maßnahme wird der Laserkanal bei Änderungen des Druckes jeweils reit gleichem EIp (E = elektrische Feldstärke, ρ = Fülldruck) betrieben, da die Durchschlagsspannung der Schaltfunkenstrecke linear mit dem Druck ansteigt. Der Laser kann somit ohne Veränderungen an der Schaltfunkenstrecke bei verschiedenen Fülldrücken betrieben werden, wodurch sich die Dauer des emittierten Laserstrahlungsimpulses einstellen läßt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Lasers gemäß einen ι Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 2 eine Draufsicht in einer Schnittebeni. A-B der Fig. 1.

Der in Fig. 1 schematisch im Querschnitt dargestellte Laser enthält zwei Elektroden 10, 12 in Form langgestreckter Aluminiumgußplatten, die etwa 5 mm dick, 30 mm breit und 500 mm lang sein können und jeweils eine keilförmig zulaufende Kante 14 bzw. 16 bilden. Die Kanten 14, 16 liegen sich in nahem Abstand gegenüber und begrenzen zwischen sich einen Entladungs- oder Laserkanal 18. Unterhalb und oberhalb der in einer Ebene liegenden Elektroden 10 und 12 sind je eine dünne isolierende Folie 19 bzw. 20 angeordnet. Die Folien können z. B. aus Polyester bestehen und z. B. etwa 200 μΐη dick sein. An die Folien 19 und 20 schließen sich Gegenelektroden 21 bzw. 22 an, die sich über die ganze Breite und Länge beider Elektroden 10 und 12 erstrecken und mit jeder Elektrode 10 und 12 einen Kondensator bilden. Die Gegenelektroden 21, 22 können z. B. aus 5 mm dikken Aluminiumplatten bestehen und sind mit Masse verbunden. Die Elektroden 10 und 12 sind jeweils über einen Ladewiderstand 23, 24, dessen Widerstandswert in der Größenordnung von 10⁸ Ohm liegen kann, mit einer nicht näher dargestellten Quelle für eine Hochspannung + U_L verbunden, die z. B. +8 bis + 10 kV betragen kann.

Die Elektrode 12 ist außerdem über eine Schaltfunkenstrecke 26 mit Masse verbunden. Die Schaltfunkenstrecke 26 kann in bekannter Weise steuerbar sein oder hat eine Durchschlagsspannung, die kleiner ist als LJ_L.

Die beschriebene Elektrodenanordnung und die Schaltfunkenstrecke 26 sind in einem Gefäß 28 angeordnet, das ein stimulierbares Medium, insbesondere ein Gas, wie Stickstoff, enthält. Das Gefäß 28 kann entfallen, wenn als stimulierbares Medium der Stickstoff von Luft unter Atmosphärendruck verwendet wird. Das Gefäß 28 kann druckfest ausgebildet und mit einer nicht dargestellten Druckgasquelle verbunden sein. Die Druckgasquelle kann hinsichtlich des Betriebsdruckes einstellbar sein.

Bei dem beschriebenen Liaser nimmt die Durchschlagsfestigkeit des Lasergases zwischen den Kanten 14 und 16 der Elektroden 10 und 12 vor dem in Fig. 2 unteren Ende dieser Elektroden bis zum oberen Ende stetig und monoton zu. Dies wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß der Abstand zwischen den geraden Elektrodenkanten 14 und 16 längs des Laserkanales 18 von einem Ende d~r Kanten zum anderen hin stetig zunimmt. Bei der

ίο dargestellten Ausführungsform kann der Elektrodenabstand am unteren Ende 30 ca. 0,8 mm und am oberen Ende 32 ca. 1,0 mm betragen.

Im Betrieb werden die Elektroden 10 und 12 über die Widerstände 23 und 24 durch die Spannung + U_L

>5 aufgeladen. Wenn die Schaltfunkenstrecke 26 zündet oder gezündet wird, entlädt sich zunächst der durch die Elektrode 12 einerseits und die Gegenelektroden 21,22 andererseits gebildete Kondensator. Die Spannung zwischen den Elektroden 10 und 12 steigt da-

ao durch verhältnismäßig rasch an. Wegen des ungleichmäßigen Abstandes zwischen den Kanten 14 und 16 der Elektroden zündet die Entladung jedoch immer an der engsten Stelle am Ende 30 und läuft dann in Richtung des Pfeiles durch den Laserkanal 18. Die

^a5 geometrische Lage des Anschlußpunktes der Schaltfunkenstrecke 26 an der Elektrode 12 ist wegen des relativ langsamen Spannungsanstiegs beim Entladen des Kondensators 12—21, 22 ohne Bedeutung. Die in Pfeilrichtung durch den Laserkanal 18 laufende Entladung bewirkt eine Wanderwellenanregung, durch die das stimulierbare Medium zur Emission von Superstrahlung veranlaßt wird. Die Laserstrahlung wird in erster Linie in Pfeilrichtung emittiert und ist in dieser Richtung wegen der Wanderwellenanregung um ein Vielfaches intensiver als in der Gegenrichtung. Gleichzeitig wird durch die keilförmige Ausbildung des Elektrodenspaltes gewährleistet, daß nur ein einziger Laserstrahlimpuls pro Entladung emittiert wird.

Die Dauer des emittierten Laserstrahlungsimpulses beträgt bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel mit Luft unter Atmosphärendruck als stimulierbares Medium etwa 300 psec, die Durchlaufzeit der Entladung durch den 500 mm langen Laserkanal 18 betrug ca. 1,7 nsec. Man sieht, daß bereits bei einem Wert 5 des Verhältnisses dieser beiden für die Wanderwellenanregung charakteristische η Zeiten eine erhebliche Leistungssteigerung bewirkt wird.

Die beschriebene Ausführungsform läßt sich z. B.

dadurch abwandeln, daß man mindestens eine der Kanten 14, 16 nicht gerade, sondern etwa gekrümmt ausbildet. Wichtig ist jedoch immer, daß die Breite des Spaltes und dadurch die Durchschlagsfestigkeit von einem Punkt minimalen Wertes längs des Laserkanals über mindestens ein Stück der Kanten zunimmt.

Die gewünschte Änderung der Durchschlagsfestigkeit längs des Laserkanals 18 kann an Stelle des zunehmenden Elektrodenabstandes oder zusätzlich zu dieser Maßnahme auch noch durch andere Maßnahmen bewirkt werden, z. B. durch einen Druckgradienten längs des Laserkanals, deir z. B. durch eine Strömung längs des Laserkanals erzeugt werden kann, durch ein zusätzliches elektrisches und/oder magneti-

sches Feld, durch Änderung der Dielektrizitätskonstante, durch Zumischung eines Fremdgases, die Änderung des Krümmungsradius der einander gegenüberliegenden Elektrodenränder längs des Kanals,

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und damit des Feldstärkegradienten (die Elektroden- selbstverständlich nicht auf den angegebe

ränder können also etwa die Form eines Teiles eines beschränkt, sie kann leicht empirisch einges

Kegelmantels haben). optimiert werden und z. B. zwischen etwa

Die Abstandsänderung der Kanten (Keilwinkel) ist 0,1% betragen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   B 1. Laser mit zwei an Ladungsspeicher ange-

   P schlossenen Elektroden, die einander gegenüber-

   j§ liegend mit ihren Kanten einen langgestreckten

   p Spalt begrenzen, mit einem im Spalt befindlichen

   ;y gasförmigen stimulierbaren Medium und mit Mit-

   !| teln, durch die an einer vorbestimmten Stelle im

   Il Spalt eine Gasentladung ausgelöst werden kann,

   |§ die sich nach Art einer Wanderwelle längs des

   ^;; Spaltes ausbreitet, dadurch gekennzeichnet,

   ψ daß Mittel vorgesehen sind, durch welche die

   |; Durchschlagsfestigkeit des Spaltes an der vorbe-

   [§ stimmten Stelle auf einen Minimalwert herabge-

   ■■ setzt und längs eines an die vorbestimmte Stelle

   angrenzenden Stückes des Spaltes mit zunehmien- ;? dem Abstand von der vorbestimmten Stelle an ergs höht wird.

   % 2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

   ' ■ zeichnet, daß der Abstand der den Spalt (18) be-

   : grenzenden Kanten (14,16) von einem Minimal-

   wert an der vorbestimmten Stelle längs mindestens eines Teiles des Spaltes stetig zunimmt.

   j 3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekeinn-

   i zeichnet, daß die Kanten geradlinig sind und daß

   ; ihr Abstand vom einen Ende (30) zum anderen

   ¹ Ende (32) des Spaltes zunimmt.

   4 4. Laser nach Anspruch 1, gekennzeichnet

   durch eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Strömung des stimulierbaren Mediums längs des Spaltes, die einen die Durchschlagsfestigkeit verändernden Druckabfall längs des Spaltes erzeugt.

   5. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekenn-' zeichnet, daß die Durchschlagsfestigkeit des Spaltes durch eine Änderung des Krümmungsradius der den Spalt begrenzenden Kanten geändert

   •λ ist.