DE2550476A1 - Gaslaser - Google Patents

Description

ing. H. NEGENDATiE <·ΐ073) · i^pvwng. II. HATJCK i>ipj>pjiys. W. SCHMITZ INcE-GRAALFS · dipl-ikg. W. WEH]YERT · dipl-?hy& W. CARSTJäNS

HAMBUKG-MÜNCHEN

ZUSTßLI.UNGSANSCHKIFT: 2OOO HAMnUIIG 36 · NEUER AVALL 41 PLKASE KKPLY TO: TELEFON (040)307428 UND 364115

IKIK(IH. NKQKDAPATBNt HAMBUIIG

8000 MÜNCHEN 2 · MOZARTSTH. 23

Owens-Illinois. Inc. <_noM*_oonKOa

' TELKFOX (089) 5 38 05 86

P.O. BOX 1033 TKLEGR. NKGKDAPATEJiT MÜNCHEN

Toledo. Ohio ^3666/USA Hamburg, 10. November 1975

Gaslaser

einen
Die Erfindung betrifft/Gaslasei", insbesondere spezielle geo-

von

metrische Gestaltungen / Gaslasern (insbesondere von Laser-Umhüllungen), die nicht kostspielig in der Herstellung und in der Zusammensetzung sind. Die Erfindung betrifft ebenfalls Verfahren zur Herstellung, zum Zusammenbau, zur Fabrikation und die Arbeitsweise solcher Laserverrichtungen, einschließlich Lasersystemen, die solche Vorrichtungen enthalten.

Gaslaser sind in der Technik allgemein bekannt. Es wird auf die US-Patentschriften 3 628 175 und 3 14° 290 und auf D.C. Sinclair und ¥. E. Bell, Gas Laser Technology, Holt, Rinehart and Wilson, c. 1969 verwiesen.

Ein Gaslaser umfaßt kennzeichnenderweise einen länglichen Hohlkörper, der ein geeignetes Gas und zwei Laserspiegel enthält, die an den gegenüberliegenden Enden des Körpers

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liegen. Die Energie zum Pumpen wird auf angemessene Weise ins Gas eingeführt, und bewirkt darin eine Inversion der Besetzung. Das Vorhandensein dieser Inversion zwischen den Laserspiegeln mit ausreichender Reflektionskraft bewirkt eine Laserschwingung, die sich im Gas entwickelt. Andererseits, wo der Laser als Verstärker verwendet wird, kann der gasgefüllte Körper einfach durch Scheiben begrenzt sein, die für die zu verstärkende Wellenlänge durchlässig sind.

Viele verschiedene Energiequellen zum Pumpen haben sich zur Anregung des Laservorgangs bei Gaslasern als geeignet erwiesen und sind dem Fachmann gut bekannt.

Ein wichtiges Verfahren, Energie zum Pumpen zu schaffen, ist die Anregung einer Wechselstrom- oder Gleichstrom-Gasentladung im Lasergas. Ein anderes Verfahren ist die Bestrahlung des Lasergas-Volumens mit einer elektromagnetischen Strahlung einer geeigneten Wellenlänge, wie zum Beispiel Hochfrequenzwellen, sichtbares Licht oder Gammastrahlung. Ein noch anderes Verfahren ist die Einleitung einer geeigneten chemischen Reaktion im Lasergas. Weitere Verfahren zum Pumpen sind dem Fachmann bekannt. Die meisten Ausführungsarten, die in dieser Offenbarung dargelegt werden, beziehen sich insbesondere auf eine Gaslaserausführung, bei der eine elektrische Gleichstromentladung im Lasergas aufrechterhalten wird. Die in der gesamten Beschreibung beschriebenen Ausgestaltungen der Bestandteile und Herstellungsverfahren können jedoch mit einer Vielzahl von Verfahren zum Pumpen geeignet verwendet werden, wobei

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solche alternativen Verfahren unter den Erfindungsgedanken fallen sollen.

Eine Vielzahl von Gasen kann im Gas las er-Auf bau verwendet werden. Erfolgreich arbeitende Gaslaser sind zum Beispiel mit den gasförmigen Arten zumindest der folgenden Stoffe getrennt oder in einer Kombinationsmischung hergestellt worden: Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Sauerstoff, Quecksilber, Cadmium, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasser, Natrium, Kalium, Zäsium, Kupfer, Gold, Kalzium, Strontium, Thallium, Kohlenstoff, Silizium, Zinn, Blei, Stickstoff, Schwefel, Tellur, Fluor, Chlor, Jod, Mangan, Zink, Bor, Indium, Germanium, Phosphor, Arsen, Antimon, ¥ismuth, Selen, CN, HBr, DBr, HCl, DCl, HF, DF, HD, D₂, H₃, NO, CS₃, HCN, DCN, D₃O, H₂S, N₂O, OCS, SO₂, CH F, CH OH, HgC:CHCl, und NH ..

Eine bevorzugte Gasmischung für bestimmte Anwendungsbereiche ist Helium-Neon mit einer typischen Zusammensetzung von ungefähr 75 bis 95$ Heliumatomen und 25 bis 5$ Neonatomen. Eine besonders bevorzugte Zusammensetzung beträgt 87»5$ Heliumatome und 12,5?έ Neonatome bei einem Druck von ungefähr 3 Torr.

Die Laserspiegel begrenzen die Enden des optisch aktiven Gasvolumens. Laserspiegel erfordern im allgemeinen eine sehr genaue Flächenbeschaffenheit, kennzeichnenderweise fehlerfrei innerhalb ungefähr 0,1 der Wellenlänge des sichtbaren Lichts; Mehrfache dielektrische Überzüge werden kennzeichnenderweise auf den Spiegelflächen vorgesehen, um eine sehr starke Reflektionskraft zu schaffen, im allgemeinen 98,5 bis 99,9$ für

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Helium-Neonlaser, während ein kleiner Bruchteil der eigenen Strahlung mit geringem Verlust abgegeben werden kann. Die Technologie der Laserspiegel-Herstellung ist weitverbreitet bekannt und solche Spiegel sind im Handel bei vielen Herstellern erhältlich. Bei der Durchführung dieser Erfindung können jegliche geeignete Laserspiegel verwendet werden, wobei solche Parameter wie Reflektionsstärke und Krümmungsradius durch die Art des Lasergases und durch die Erfordernisse der besonderen Anwendung bestimmt werden.

Die Laserspiegel müssen im allgemeinen in Hinsicht aufeinander und in Hinsicht auf die Achse der Laserausbohrung genau ausgerichtet sein. Kennzeichnenderweise muß eine Senkrechte zu der Spiegelfläche an der Laserausbohrung-Achse innerhalb eines Bruchteils der Bogenminute dieser Achse ausgerichtet sein. Verfahren zur Anbringung und Ausrichtung der Spiegel auf diese Toleranz sind in der Technik gut bekannt. Obwohl in dieser Anmeldung besondere Anbringungs-- und Ausrichtungsverfahren für Spiegel beschrieben werden, die ungewöhnlich gut an die Art des Laseraufbaus angepaßt sind, ist es im allgemeinen möglich, jegliches Anbringungs- und Ausrichtungsverfahren, das bei bekannten rohrförmigen Glaslasern verwendet worden ist, an die vorliegende Art der Laser anzupassen.

Die Enden des mit Lasergas gefüllten Volumens können direkt durch Laserspiegel (sogenannte "innere Spiegellaser") oder durch vakuumverschlossene optische Scheiben begrenzt werden, die im allgemeinen im Brewster-Winkel angebracht sind, wobei

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die Spiegel außen an den Scheiben liegen ("äußere Spiegellaser") Ebenfalls ist es möglich, einen Laser zu konstruieren, bei dem ein Ende durch einen Spiegel und das andere durch eine Scheibe begrenzt ist.

Obwohl die meisten in dieser Offenbarung angeführten Beispiele die Bedingungen von nur einer dieser drei Formen festlegen, darf man jedoch annehmen, daß fast in jedem Fall jegliche der drei Formen eine mögliche und potentiell brauchbare Variante darstellt.

Ein wichtiges Gestaltungselement einer Gaslaserröhre ist das Verfahren und die Stoffe, die verwendet werden, um die Spiegel oder Brewster-Scheiben, die die Enden des optisch aktiven Entladungsvolumen begrenzen, an dem Glas oder am Metallaufbau der Röhre anzubringen oder abzudichten.- Dieses wird kennzeichnenderweise mittels Epoxid-Harzen vorgenommen. Die notwendigen Erfordernisse für diesen Verschluß sind:

1. Er sollte für Verunreinigungsstoffe, wie zum Beispiel ■Wasserdampf aus der äußeren Umgebung, undurchlässig sein;

2. Er sollte bei der Herstellungsumgebung, zum Beispiel bei hoher Temperatur, geeignet sein;

3· Er sollte kein bedeutsames Ausmaß an Verunreinigungsstoffen emittieren;

4. Er sollte einen Verschluß ausreichender mechanischer Haltbarkeit darstellen.

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Ein im allgemeinen verwendetes Material, um Laserspiegel anzubringen, ist Epoxid-Harz, das als dünner Wulst um die Kante des abzudichtenden Teils herum aufgetragen wird. Andere Abdichtungsverfahren und Stoffe sind dem Fachmann bekannt. Obwohl bestimmte dieser Verfahren besonders bei der Art der erfindungsgemäßen Laser geeignet sind, können die meisten bekannten Abdichtungsverfahren für Spiegel an diese Laser angepaßt werden.

Die zur Herstellung der Laservorrichtung verwendeten Verfahren sollten zur Beseitigung sämtlicher bedeutender Unreinheiten angemessen sein. Kennzeichnenderweise umfassen diese Verfahren eine Evakuierung, möglichst bei erhöhter Temperatur, sowie den Arbeitsvorgang des mehrfachen Spülens mit einem Reinigungsgas mit wiederholtem Auffüllen des Gases.

Wo Gleichstrom-Gasentladungs-Laser konstruiert werden sollen, wird eine Kathode und eine Anode benötigt.

Kennzeichnenderweise sind kalte Kathoden aus Aluminium, Magnesium, Zirkon oder deren Legierungen aufgebaut. Die Kathode muß so präpariert sein, daß sie eine Zerstäubung verhindert. Die Herstellung einer dünnen Oxidschicht, die gegen eine Zerstäubung widerstandsfähig ist, über die Elektrode kann dadurch erreicht werden, daß eine Entladung in Sauerstoff zwischen der Kathode und einer Hilfsanode vorgenommen wird, die zum Beispiel im Abschnitt 7-3 in Gas Laser Technology von D.C. Sinclair

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und W.E. Bell (Holt, Rinehart, and Winston, Inc., 1969) beschrieben wird. Ebenfalls können verschiedene andere Arten kalter Kathoden verwendet werden, wie zum Beispiel MuItikarbonat-Kathoden, die bei Neonzeichen verwendet werden. In einer Ausführungsart davon werden Glühkathoden bei den erfindungsgemäß aufgebauten Gaslasern verwendet. Die Verwendung von Glühkathoden bei Gaslasern ist, wie die der kalten Kathoden, in der Technik bekannt.

Kalte Kathodenausgestaltungen sind kennzeichnenderweise hohl. Die hohle Ausgestaltung wird verwendet, weil sie dazu neigt, die Nachteile der Zerstäubung und der entstehenden Gasreinigung zu verringern, und da sie einen kompakten Aufbau liefert·

Die Anode kann aus jeglichem geeigneten leitenden Material sein, das den Reinigungsverfahren, die normalerweise in der Hochvakuumtechnik verwendet werden, standhält.

In der Technik ist es allgemein üblich, besonders bei der Herstellung von Helium-Neonlasern, die Laserkathode aus einem Aluminiumrohrstück herzustellen. Bei der Verwendung solcher Kathode treten Folgekosten in der Laserherstellung auf. Allgemein erhältliche Aluminiumröhren werden dabei zuerst durch ein Extrudierverfahren hergestellt, das die Oberflächenschicht mit Stoffen, wie zum Beispiel Schmieröl, verschmutzt hinterläßt. Es sind Verfahrensschritte erforderlich, um die unreine Fläche zu entfernen. Ein Beispiel einer geeigneten Verfahrensweise zur Beseitigung der Oberflächenschicht ist die

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Herstellung einer neuen Fläche unter Verwendung von Wasser als Schmiermittel, anstelle von Schneidöl; es wird auf den Artikel von U. Hochuli et al. "Cold Cathodes for He-Ne Gas Lasers", IEEE J. Quantum Electronics QE-3« 6i2-6i4 (November I967) hin» gewiesen.

Ein zweiter Kostenaufwand bei der Verwendung einer Aluminiumröhrenkathode liegt darin, daß ziemlich schwerfällige Mittel vorgesehen werden müssen, um die Kathode mechanisch abzustützen und elektrisch mit der Atmosphäre außerhalb der Laserumhüllung zu verbinden. So umfassen zum Beispiel in der US-PS 3 739 297 die elektrische Verbindung und das mechanische Abstutzungsmittel einen Zapfen, der durch einen Glasabschnitt mit Quetschklemmen, geschweißten Drähten, und anderen Verbindungsmitteln, die die elektrischen Verbindungen zwischen dem Zapfen und der Kathode schaffen, verschweißt werden muß.

Die Umhüllung eines Gaslasers ist normalerweise aus Glas, wie zum Beispiel Borsilikat, aufgebaut. Viele andere Glasarten können jedoch verwendet werden, solange der themische Ausdehnungskoeffizient für die normalen Herstellungsverfahren geeignet ist, und solange das Glasmaterial selbst keine unwünschenswerten Mengen an Unreinheiten zur Gasentladung beiträgt. Andere Materialien, wie zum Beispiel Metalle, Kunst-, stoffe, Keramik, Glaskeramik usw. können verwendet werden. Kunststoffe und andere Materialien, die einen hohen Dampfdruck besitzen, sind im allgemeinen nur bei Lasern mit fließendem Gas verwendet worden, die dazu neigen, weniger empfindlich

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bei Unreinheiten zu sein, als andere zugeschmolzene Laser,. da die beständige Gasauffüllung in einem Laser mit fließendem Gas das Niveau der Unreinheit verringert.

Durchgehend wird in dieser Offenbarung häufig Bezug genommen auf die Verwendung von Glas als Grundstoff. Es ist wichtig zu verstehen, daß die Verfahren und die beschriebenen Vorrichtungsausgestaltungen in fast jedem Fall zur Verwendung mit bearbeiteten oder gepreßten keramischen Stoffen, geformtem Kunststoff oder jeglichem anderen Isoliermaterial bei geeigneten Veränderungen in der Wahl der Abdichtungsmittel, thermischen Verarbeitung und ähnlichem, anpassungsfähig sind. Die Form notwendiger Abwandlung ist für den Fachmann hieraus ersichtlich.

Ein übliches Verfahren zur Konstruktion einer Laserumhüllung ist das der Flammenbearbeitung der rohrförmigen Glasbestandteile. Ein Beispiel eines solchen Lasers ist der "Einzelröhrengaslaser", der in der US-PS 3 739 297 beschrieben wird. Rohrglas besitzt den Vorteil, daß es ein relativ billiges Material . ist, das bequem in eine Vielzahl von Ausgestaltungen verarbeitet werden kann, und ein geeignetes Material zur Bildung von gasundurchlässigen Verschlüssen ist. Ein Nachteil der Rohrglas- anordnungen liegt darin, daß solche Vorrichtungen teurer als erwartet sind, wenn sie in großen Mengen hergestellt werden.

Viele der Formen der Rohr.glaslaser, die üblicherweise durch manuelle Flammenbearbeitung hergestellt werden, würden viel zu

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teuer oder unmöglich mit den üblichen Hochleistungsglasbearbeitungsvorrichtungen herzustellen sein. Ein Beispiel solch einer Form ist die übliche ^llSeitenarm^1l-Laserkonstruktion, bei der Kathode und Anode in den Erweiterungsröhren oder Glaskolben, die an der Seite der Laserkapillare angesetzt sind, liegen. Eine Seitenarm-Laserkonstruktion dieser üblichen Art wird in der Fig. 1-1 von Gas Laser Technology, s.o. aufgezeigt.

Sogar die koaxialen Formen, die viel leichter auf der Hochleistungsvorrichtung zusammengesetzt werden (und die ebenfalls den Vorteil für die Benutzer besitzen, daß sie kompakt im Aufbau sind),neigen dazu, ziemlich teuer zu sein, da es notwendig ist, einige vakuumdichte Verschlüsse mit relativ geringer Beanspruchung herzustellen, und es erforderlich ist, die drei-, vier- oder mehrrohrförmigen Bestandteile mit ausgezeichneter koaxialer Ausrichtung zusammenzusetzen. Ebenfalls muß die Laserkapillarröhre ein hohes Geradlinigkeitsausmaß während der Erwärmungs- und Abkühlungsverfahren, die in der Herstellung inbegriffen sind, beibehalten.

Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Laserkonstruktion werden die Laserausbohrung und die damit verbundenen Kanäle in einen geschmolzenen Quarzblock oder anderes Isoliermaterial gebohrt und die getrennt hergestellten Elektrodenumhüllungen werden mit den Verbindungskanälen verbunden. Solch Laser wird bei H.G. van Bueren et al. "A small and stable continuous gas laser", Physics Letters 2, 34O-34i (1. November 1962) aufgezeigt. Die Unkosten, Löcher in Glasmaterialien zu bohren,

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können unwirtschaftlich sein, besonders wenn die Tiefe jedes Loches entsprechend zu seinem Durchmesser lang sein muß. Ebenso ist eine Massenproduktion undurchführbar.

Die meisten Anwendungsbereiche für Laser bringen die Verwendung einer relativ kleinen Anzahl von Lasern mit sich. Kürzlich in der Technik gemachte Fortschritte ergeben jedoch einen Bedarf an einer relativ großen Anzahl von Lasern. Ein Beispiel eines solchen Anwendungsbereiches ist der Vi de ο-Longplay-Recorder, oder VLP, der wahrscheinlich einen schwachen Helium-Neonlaser erfordert, der an einen großen Teil aller verkauften Fernsehgeräte angebracht ist. Ein anderer solcher Anwendungsbereich

einem
ist der mit/Laser ausgerüstete Preisschildabtaster, der ein automatisches Ablesen durch einen abtastenden Laserstrahl vorsieht, um die Preisschilder auf Supermarkt-Waren zu identifizieren. · .

Bei diesen tatsächlich bevorstehenden Anwendungsbereichen '

kommt der Entwicklung preiswerter Laser in

großen Mengen, einschließlich der Herstellungsverfahren, eine große Bedeutung zu.

Erfindungsgemäß wird ein neuartiger Gaslaser und ein Herstellungsverfahren zur Massenproduktion geschaffen, das viele der Kosten vermeidet, die mit der Röhrenglaslaser-Technologie, den Röhrenmetallkathoden und den betreffenden Verfahren mit niedriger Produktion verbunden waren.

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Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Gaslaservorrichtung, die eine Umhüllung, eine Kathode , ein Gaslaservolumen und eine Anode umfaßt, wobei die Umhüllung mindestens durch zwei gegenüberliegende, miteinander verbundene TeiJe begrenzt ist, die Kathode, das Gaslaservolumen und die Anode innerhalb verschiedener Hohlräume mindestens des einen Teils derart angeordnet sind, daß die Kathode, das Gaslaservolumen und die Anode gemeinsam innerhalb der Umhüllung in einer integrierenden verbindenden Einheit eingeschlossen sind.

Bei der weiteren Erklärung dieser Erfindung wird es gelegentlich nützlich sein, den Gaslaser nicht in Form der festen physikalischen Bestandteile, aus denen er besteht, zu beschreiben, sondern vielmehr in Form der Raumvolumina, die durch das Gas, das Vakuum oder die eingesetzten Gegenstände, die durch die Flächen der Körperbestandteile der Laserumhüllung begrenzt sind, belegt werden. Im allgemeinen ergeben sich einige verbundene Volumenbestandteile im Gaslaser, von denen jedes eine oder mehrere genau bestimmte Funktionen besitzt. Zum Beispiel kann man sich eine übliche Wechselstrom-Glimmentladung-Laserumhüllung, wie zum Beispiel die in Fig. 1-1 in Gas Laser Technology beschriebene, aus fünf Volumenteilen vorstellen; einem Kathodenvolumen, dessen Funktion es ist, die Kathodenelektrode und die Teile der Glimmentladung zu enthalten, die an der Kathode liegen (zum Beispiel das negative Glimmen und den Faradayschen Dunkelraum), ein Kathoden-Verbindungsvolumen, dessen Funktion es ist, die Entladung vom Kathodenvolumen zur Laserbohrung zu führen,

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eine Laserbohrung (in diesem Fall durch die innere Fläche eines Kapillarrohrstückes begrenzt), dessen Funktion es ist, die positive Säule zu enthalten, der der Laservorgang abläuft, ein Anoden-Verbindungsvolumen und ein Anodenvolumen, das die Anodenelektrode und die Entladungsabschnitte, die daran anliegen, enthalten (zum Beispiel den Anodenfall, falls vorhanden)

Andere Gaslaser-Typen können abweichende Volumenbestandteile besitzen, aber in den meisten Fällen trifft es zu, daß einige erkennbar verschiedene Volumen zum Laseraufbau zugehören, wobei jedes dieser Volumen besondere Betriebsfunktionen besitzt. Erfindungsgemäß werden Herstellungsverfahren vorgesehen, die eine wirtschaftliche Herstellung einer Vielzahl von Volumenbestandteilen eines Gaslasers dadurch möglich machen, daß einige oder sämtliche Abgrenzungen dieser Vielzahl von Volumen in einem einzigen Materialstück hergestellt werden.

Unter Volumenbestandteilen werden nicht notwendigerweise Räume verstanden, deren Abgrenzungen durch feste Wände begrenzt sind. Zum Beispiel ist in der in Fig. 1-1 gezeigten Vorrichtung von Gas Laser Technology, s.o. das Kathodenvolumen an der Stelle offen, wo das Kathoden-Verbindungsrohr an den Kathodenröhrenkolben anschließt. Nichtsdestoweniger ist es dem Fachmann deutlich, daß der durch den Kathodenröhrenkolben eingeschlossene Raum (und durch eine gedachte Ebene quer durch das Ende dieses Kolbens, wo das Verbindungsrohr eintritt, geschlossen) ein erkennbar abgetrennter Bereich der Laservorrichtung ist, die genau bestimmte Funktionen

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besitzt. Dabei ist nicht immer eine vollständige Übereinstimmung hinsichtlich der begrifflichen Aufteilung einer angegebenen Laservorrichtung in die Volumenbestandteile wichtig. Zum Beispiel kann es in einigen Fällen geeignet sein, das Kathodenvolumen und das Kathoden-Verbindungsvolumen als einzige Einheit zu betrachten. Nichtsdestoweniger kann der Fachmann verstehen, daß die meisten Gaslaser einige erkennbar verschiedene Volumenteile besitzen.

Obwohl die meisten der hier angeführten Ausführungsarten wie positive Säulenglimmentladung, Helium-Neonlaser, die kennzeichnenderweise Kathodenvolumen haben, Laserbohrungsvolumen, Anodenvolumen, und ein oder mehr Verbindungsvolumen besitzen, soll eine Vielzahl anderer Laser unter den Erfindungsgedanken fallen, wie zum Beispiel Laser, die andere dem Fachmann bekannte Volumenbestandteile erfordern. Metalldampflaser können zum Beispiel Metallspeicher- und Kondensations-Volumen umfassen. Laser, die ungewöhnlicherweise einer Gasreinigung unterliegen, können Gasreservoir-Volumen umfassen. Laser, die bedeutenden kataphoretisehen Effekten unterliegen,, können Umkehrweg-Volumen umfassen (analog zu den, die im US-PS 3 628 176 erklärt werden). Gasbindungenthaltende Volumen können in einer Vielzahl von verschiedenen Gaslasern enthalten sein, um während eines Dauerbetriebs die Widerstandsfähigkeit gegen Verunreinigung zu erhöhen, oder um die Reinheitserfordernisse, die mit der in der Laserherstellung verwendeten Gasauffüll-Station verbunden sind, zu verringern. Volumen von fließenden Kühlmitteln können in Lasern vorge-

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sehen werden, die die Beseitigung von überschüssiger Wärme erfordern.

Volumen können für den Einsatz optischer Elemente, wie zum Beispiel Prismen, Brewster-Scheiben, Intensitäts- oder Phasenmodulatoren, Gitter, Blenden, Linsen, Detektoren, Meßvorrichtungen, Strahlenteiler oder andere Spiegel, zusätzlich zu den normalerweise zwei Spiegeln, die beim Betrieb eines Lasers benötigt werden, vorgesehen werden.

Wenn auf die Umhüllung eines Läsers Bezug genommen wird, ist damit die gasundurchlässige Wand gemeint, die den Rand der Volumenbestandteile des Lasers eingrenzt. Erfindungsgemäß besteht die Umhüllung aus mindestens zwei gegenüberliegenden elektrisch isolierenden Bestandteilen, die abgedichtet, ver-

um

schmolzen oder anders zusammen verbunden sind,/einen gasdichten Aufbau zu bilden. In einigen Ausführungsarten jedoch soll die Umhüllung nicht die Spiegel oder Scheiben umfassen, die die Enden der Laserbohrung begrenzen, wobei diese Endbegrenzurigen mit der Umhüllung verbunden sein müssen, um einen wirklich gasdichten Aufbau zu vervollständigen. Ebenso sollen die elektrischen Einführungen, die den elektrischen Strom von innen nach außen aus der Umhüllung leiten, im allgemeinen keinen Teil der Umhüllung darstellen, sondern getrennte Bestandteile sein, die durch die Umhüllung in gasdichter Weise durchgeführt sind.

In dieser Erfindung werden einige grundlegende Aufbau-Ausführungs-

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arten beschrieben, von denen jede besonders für· die Herstellung großer Mengen geeignet ist. In einer Ausführtmgsart sind ein

j t- ,ν ι -ι. j. jj. · ι ^ τ eingeschnitten „. oder mehrere Volumenbestandtexle des Lasers J , gepreßt, geformt, spanabhebend bearbeitet, geschliffen_r oder andersartig durch eine einzige Fläche eines Substrates begrenzt. Diese Volumen werden dann dadurch geschlossen, daß ein zweites, ebenes Substrat mit dem )f Substrat abgedichtet wird.

In einer weiteren Ausführungsart sind alle oder eine Vielzahl der Volumenbestandteile des Lasers durch die Verbindung von Vertiefungen in den zusammenpassenden Flächen der zwei Teilsubstrate begrenzt, wobei keine der zusammenpassenden Flächen völlig eben ist. Bei dieser Ausgestaltung kann es sein, daß keines der beiden Substrate irgendeine ebene Fläche besitzt.

Eine andere Ausführungsart kann als "Mehrfachplattenlaser" beschrieben werden. Die Ober- und Grundflächen aller oder einer Vielzahl der Volumenbestandtexle dieses Lasers sind durch im wesentlich ebene Flächen der Ober- und Grundplatten begrenzt. Die Seitenflächen dieser Volumen sind durch eine oder eine Vielzahl von Platten von im wesentlichen gleicher Dicke begrenzt, die zwischen den Ober- und Grundplatten abgedichtet sind.

Es sind viele offensichtliche Verbesserungen bei diesen drei Ausführungsarten möglich,und mehr als eine von ihnen kann in einer einzigen Vorrichtung eingesetzt werden. Einige der möglichen Abwandlungen werden in dieser Offenbarung vorge-

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schlagen und. andere sind dem Fachmann dadurch ersichtlich.

Es wird auf* die Figuren 1 bis 4 Bezug genommen, die einige der erfindungsgemäß besten Ausführungsarten zeigen.

Fig. 1 zeigt eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines zweiteiligen Lasers, der erfindungsgemäß hergestellt worden ist.

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht der Fig. 1.

Fig. 3 ist eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines dreiteiligen Lasers, der erfindungsgemäß hergestellt worden ist.

Fig. k ist eine perspektivische Ansicht der Ausführung des Kathodenaufbaus.

In Fig. 1 wird ein Substrat 1 und eine Deckplatte 2 gezeigt« Die Deckplatte 2 enthält ein Gas-Bearbeitungsrohr 3· Das Substrat 1 enthält ein Kathodenvolumen k_t einen Verbindungskanal 5» eine Laserbohrung oder Rinne 6 und einen Anodenkanal 7.

Obwohl das Gas-Bearbeitungsrohr 3, in Verbindung mit dem Kathodenvolumen k stehend, gezeigt wird, ist es für den Fachmann verständlich, daß dieses Gas-Zuführungsrohr bequem überall in der Vorrichtung angebracht werden kann, um das Gas in das Kathodenvolumen, den Verbindungskanal und die Laserbohrung einzuführen.

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Obwohl es nicht in Fig. 1 gezeigt wird, ist es für den Fachmann verständlich, daß eine Kathode in den Bereich 4 des Kathodenvolumens eingeführt wird. Ebenso wird eine Anode bequem eingesetzt und vakuumdicht im Anodenkanal 7 abgedichtet.

In Fig. 2 wird ein Querschnitt der gesamten zusammengesetzten Vorrichtung der Fig. 1 gezeigt.

In Fig. 3 wird eine Änderung der Ausführungsart der Fig. 1 erklärt. Es wird eine obere Abdeckplatte 32, eine Mittelplatte 31 und eine Grund-Abdeckplatte 31a gezeigt. Die obere Abdeckplatte 32 enthält ein Gas-Zufülirungsrohr 33· Die Mittelplatte 31 kann aus einem oder mehr Abschnitten hergestellt werden. Sie umfaßt ein Kathodenvolumen 3^·» einen Verbindungskanal 35» eine Laserbohrung "}6 und einen Anodenkanal 37·

Die Kathoden und Anoden sind in keiner der Figuren 1, 2 und 3 abgebildet. Es ist dem Fachmann jedoch durchaus verständlich, daß Kathoden und Anoden verschiedener geometrischer Formen bequem in diese Vorrichtungen eingesetzt werden können. Eine Kathode würde zum Beispiel in das Kathodenvolumen ^h in Fig. 3 eingesetzt werden, und eine Anode würde in den Anodenkanal 37 3·¹¹ Fig. 3 eingesetzt werden. In der Praxis kann die Kathode typischerweise in Form der Wände des Kathodenvolumens ^k sein.

In Fig. 4 wird ein Kathodenkörper 41 gezeigt, der im allgemeinen mit der Wandform des Kathodenvolumens 4 in Fig. 4 übereinstimmt. Die Kathode 4i enthält einen Metallspaten 42, der als Kontakt-

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streifen zur Verbindung mit einer äußeren elektrischen Kraftquelle dient. Ebenfalls wird ein Eingangsloch 43 gezeigt, das in einen Verbindungskanal, wie in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigt wurde, mündet.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen geometrischen Anordnung liegt darin, daß die Innenflächen der Volumenbestandteile des Lasers alle offenliegen, was die Reinigung während der Herstellung erleichtert, wobei eine Vielzahl von Reinigungsverfahren verwendet werden, wie zum Beispiel Plasmareinigung.

Ein anderer Vorteil der offenliegenden Innenflächen, die dieser Erfindung eigen sind, liegt darin, daß ein Überziehen durch eine Vielzahl von Vex'fahren erleichtert wird, wie zum Beispiel Vakuumaufdampf ung, Aufsprühen, chemische Dampfablagerung, lonenplattierung und Ablagerung aus einer Lösung.

Eine nützliche Anwendung der Überzüge ist die Herstellung von Laserkathoden, dadurch daß ein haftender Überzug leitenden Materials auf den Wänden des Kathodenvolumens der Laservorrichtung angebracht wird. Eine Anodenelektrode kann in gleicher Weise hergestellt werden.

Die erfindungsgemäßen Laserumhüllungen können natürlich so aufgebaut sein, daß sie übliche Elektroden, wie zum Beispiel eine Me tall zapf enanode oder Hohlrohrkathode, aufnehmen. Eine Kathode dieses allgemeinen Typs wird in Fig. h gezeigt. Ein wichtiges Merkmal dieser Erfindung ist es jedoch,' daß die

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beschriebenen Laserumhüllungen leicht aufgebaut werden können, um überzogene Elektroden aufzunehmen. Um die Kathoden- und Anodenelektroden hexzustellen, kann eine Valcuumaufdämpfvorrichtung verwendet werden, um die oberen und unteren Lasersubstrate mittels einer Maske mit einigen Hundert Angström von Chrom (um als Adhäsions-Laser zu wirken), nachfolgend durch annähernd 10.000 Angström von Aluminium, zu überziehen. Die Maske begrenzt die Ablagerung auf Bereiche, die nach dem Verschließen der Vorrichtung die Kathoden- und Anodenvolumen ergeben.

Ebenfalls sei angemerkt, daß "Dickfilm¹¹-Überzüge leicht auf die Flächen der erfindungsgemäß hergestellten Laserkomponenten angebracht werden können. Kennzeichnenderweise sind diese Überzüge aus leitendem oder isolierendem Material, die in Form einer Aufschlämmung durch solche Verfahren wie Rasterüberzugsverfahren, Absetzung oder Aufspritzen angebracht und danach in der Hitze verarbeitet werden, um die Lösungsmittel zu beseitigen und das Material zu verfestigen. Überzüge mit dickex" Schicht sind bei Gaslasern vorher eingesetzt worden. Siehe,zum Beispiel K.G. Hernguist, "Low-radiation-noise He-Ne laser", RCA Review, September 1969, Seiten 429ff, bei dem eine poröse Aluminiumoxid-Füllung, die mit Kalium gesättigt ist, verwendet wurde, um eine leitende Kathodenfläche zu bilden.

Das hervorragende Merkmal eines Überzuges mit dicker Schicht, wie er bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird,

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liegt darin, daß die Offenheit und Zugänglichkeit dieses Aufbaus die Anbringung der Überzüge besonders einfach und wirtschaftlich macht.

Ein Vorteil der offenen, leicht überziehbaren Strukturen, die in dieser Erfindung erläutert werden, liegt darin, daß passivierende Überzüge leicht auf alle Innenflächen aufgetragen werden können. Es ist zum Beispiel möglich, einige Tausend Angström von Aluminiumoxid oder Siliziumoxid auf alle Innenflächen der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung vor der Anbringung der Metallschicht aufzudampfen, um eine Diffusion der Unreinheiten zu verhindern, die für die Laserwirkung aus den Glassubstraten heraus nachteilig ist.

Die Verwendung der Innenüberzüge auf Laserbohrungen ist in der Technik zum Beispiel in der US-PS 3 394 320 von G.K. Medicus offenbart worden. Was nicht offenbart worden ist, ist die Anbringung solcher Überzüge mittels Verfahren, wie zum Beispiel der Elektronenstrahl-Aufdampfung, die eine störungsfreie Sichtlinie von einer Quelle erfordert, oder die Anbringung eines passivierenden Überzuges auf alle oder einige Innenflächen eines Lasers, damit die Emission der schädigenden Unreinheiten von diesen Flächen verhindert wird.

Die Verwendung von solchen passivierenden Schichten macht es möglich, die Verwendting von Materialien, wie zum Beispiel Spritzguß-Kunststoffe, in Betracht zu ziehen, um Laser herzustellen, obwohl die relativ hohen Dampfdrücke solcher Materialien

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sie für die Verwendung ohne solche passivierenden Schichten ungeeignet erscheinen läßt, außer bei besonderen Lasertypen, wie zum Beispiel Fließgaslaser. Wenn eine passivierende Schicht so konstruiert wird (vielleicht in einigen Unterschichten, die zwei oder mehrere verschiedene Materialien umfassen), daß sie eine ausreichend niedrige Durchlässigkeit unter sämtlichen Bedingungen besitzen, die der Laser durchmacht, dann wird das Substratmaterial keinesfalls die Gasentladung beeinflussen und jegliches Substratmaterial kann dann verwendet werden, dessen thermische, mechanische und elektrisch-isolierende Eigenschaften sich als geeignet erweisen. Tatsächlich kann das Substratmaterial ein Leiter sein, wie zum Beispiel Invar oder Aluminium, wenn ausreichend schützende Isolierschichten an allen Stellen vorgesehen sind, um einen Ausfall der Gasentladung durch einen Kurzschluß durch das Substratmaterial zu vermeiden. Ein auf allen Flächen stark eloxiertes Aluminiumsubstrat kann deshalb geeignet sein.

Zwei besondere Vorteile der Verwendung eines organischen thermoplastischen Stoffes zur Herstellung von Laserumhüllungen sind folgende:

1. Die endgültige Ausrichtung der Laserspiegel kann dadurch erreicht werden, daß der Kunststoff erwärmt wird, bis er leicht erweicht und die gesarate Vorrichtung oder einen Teil davon verformt, um die Spiegelausrichtung zu erhalten, und daß danach das Kunststoffmaterial abkühlen kann. Ein vergleichbares Ausrichtungsverfahren ist bei Glaslaser-

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Umhüllungen verwendet worden, allerdings machen die hohen Erweichungstemperaturen von Glas diese Möglichkeit bei Glas schwierig.

2. Die zahlreichen Bestandteile einer thermoplastischen Laserumhüllung können in der Hitze bequem unter Herstellung gasdichter Verbindungen verschweißt werden, und beseitigen deswegen die Notwendigkeit eines gesonderten Dichtungsmaterials.

Ein anderes Beispiel der Verwendung von Innenüberzügen bei der erfindungsgemäßen Laserumhüllung ist die Herstellung von leitenden Einsätzen in die Laserbohrung, um die Laserleistung zu steigern« Siehe zum Beispiel Yu. G. Zakharenlco und V.E. Privalow, "Oscillations in the discharge gap of He-Ne laser and their effect on the emission parameters", Opt. Spectrosc. 35, 43^f (Oktober 1973). Zakharenko und Privalow zeigen, daß die Verwendung von Metallringen, die innerhalb einer positiven Säule eines Helium-Neonlasers liegen, die Ausgangsleistung steigern können. Der erfindungsgemäße offene Aufbau macht solche Einsätze sehr wirtschaftlich und einfach entweder dadurch, daß die Wände der Bohrung überzogen werden oder dadurch , daß getrennte Metallröhren vor der Abdichtung der Deckplatte eingesetzt werden. Falls es gewünscht wird, einen elektrischen Kontakt zu diesen Ringen zu schaffen, könnten die äußeren Verbindungen durch Verfahrensweisen hergestellt ■ werden, wie sie oben für Anoden- und Kathodenverbindungen offenbart wurden.

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Ein noch anderes mögliches Beispiel der Verwendung von Innenüfoerzügen ergibt sich bei der Herstellung von Hochstrom-Edolgasionen-Lasern. Eine übliche Schwiei'igkeit bei der Herstellung solcher Laser liegt darin, daß die Laserbohrung durch die Bogenentladung schnell erodiert wird. Siehe zum Beispiel William Bridges, "Materials and Techniques for Gas Lasers", Proc. 9th IEEE Conf. on Tube Techniques, I968, Seiten 117f. Wenn die Bohrung eines solchen Lasers offengelegt würde, wie im erfindungsgemäßen Aufbau, würde es einfach sein, einen sehr haltbaren IixBnüberzug durch ein Verfahren wie zum Beispiel das Flammenspritzen oder das Plasmaspritzen anzubringen. Die zu überziehenden Substrate könnten für solche Eigenschaften wie hohe thermische Leitfähigkeit ausgewählt werden, während der Überzug einfach aufgrund eines maximalen Widerstands gegenüber der Erosion durch den Bogen zu schaffen, ausgewählt werden könnte.

Ein anderer Vorteil der erfindungsgemäßen Art der Laserumhüllungen liegt darin, daß die Flexibilität und die Präzision bei der Laserbohrungs-Hersteilung beträchtlich verbessert werden kann. Zum Beispiel wird es bei den üblichen rohrförmigen Gaslasern, bei denen die Laserbohrung ein Abschnitt des Kapillarrohres ist, relativ teuer, Bohrungen herzustellen, die kleiner als 0,1 cm im Durchmesser sind, oder im Durchmesser genauer als 0,025 cm eingestellt sind, da Schwierigkeiten bei der genauen Steuerung des Zeichnungsverfahrens auftreten. Wenn im Gegensatz die Bohrung durch Bearbeitung der Fläche einer Glasplatte hergestellt wird, zum Beispiel mit einer Wolframkarbid- oder Diamanton-Schleifscheibe mit einer etwas geringeren Dicke als

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die gewünschte Bohrungsbreite, wird es einfach, Bohrungen herzustellen, die mindestens um das Zweifache kleiner als 0,1 cm in der größten Abmessung sind, und die Bohrungsabmessung auf - 0,0025 cm oder besser zu steuern.

Eine besondere Anwendung dieses Vorteils liegt in der Herstellung von ungewöhnlich kurzen Helium-Neonlasern mit relativ hoher Leistung. Da das Verstärkungsmaß dieser Laser'bekanntlich in umgekehrter Beziehung zum Durchmesser steht, wird es möglich, wenn kleinere Durchmesser erhältlich sind, die Ausgangsleistungen üblicher Vorrichtungen zu erreichen, allerdings mit einem Laser kürzerer Länge.

Eine zweite Anwendung dieses Vorteils liegt in der genauen Überwachung des transversalen Lasing-Modus. Ih der Praxis ist es üblich, Laser auf den gewünschten Modus des Verfahrens, zum Beispiel TEMj^durch Überwachung der Größe der optisch begrenzenden Öffnung im Laserhohlraum einzuschränken. In vielen Fällen ist die Öffnung die Bohrung selbst. Die Verfügbarkeit von wirtschaftlichen Verfahren zur genauen Kontrolle des Bohrungsdurchmessers ergibt eine wirtschaftlichere genaue Kontrolle des transversalen Lasing-Modus.

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Claims (1)

1. Ansprüche :

   / 1.)Gaslaservorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Umhüllung, eine Kathode, ein Lasergas-Volumen und eine Anode umfaßt, wobei die Umhüllung mindestens zwei gegenüberliegende miteinander verbundene Substrate enthält, und die Kathode, das Lasergas-Volumen und die Anode innerhalb verschiedener Hohlräume mindestens des einen Substrates derart angeordnet sind, daß die Kathode, das Lasergas-Volumen und die Anode gemeinsam innerhalb der Umhüllung in einer integrierten Einheit eingeschlossen sind.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laservorrichtung mit einer Gasmischung, die Helium und Neon umfaßt, gefüllt ist. .

   3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laservorrichtung mit einer Gasmischung, die einen Metalldampf umfaßt, gefüllt ist.

   k. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmischung Helium und mindestens ein aus Cadmium, Selen, Tellur und Thallium ausgewähltes Element umfaßt.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode ein vorgeformter Körper ist, der aus einer Aluminiumfolie hergestellt wird.

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   6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode im wesentlichen in der Gestaltung an den Kathodenhohlraum der Umhüllung angepaßt ist.

   7· Vorrichtung nach Anspruch 51 dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode wie in Fig. k gezeigt, aufgebaut ist.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode ein Überzug auf den Innenwänden des Kathodenhohlraumes ist.

   9» Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode ein Überzug auf den Innenwänden des Anodenhohlraumes ist.

   10. Gaslaser-Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung desselben, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mindestens eine Innenwand umfaßt, die den Kathodenbereich begrenzt, die Kathode dadurch hergestellt wird, daß ein leitendes Material mindestens eine Innenwand des Kathodenbereiches überzieht, wobei jede den Kathodenbereich umgebende Wand so abgegrenzt ist, daß vor der Zusammensetzung jede Innenwand zum Überziehen mit einer Vorrichtung zugänglich ist, die eine störungsfreie Sichtlinie zwischen der Quelle des Überzugs und der zu überziehenden Fläche erfordert.

   Ή· Gaslaser-Umhüllung, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen

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   Kathodenbereich, einen Laserbolirungsbereicli und einen Anodenbereich umfaßt, wobei alle diese Bereiche durch den Raum zwischen einem einzigen Grundteil und einem einzigen

   eingeschnittenen

   / Oberteil begrenzt werden, so daß die gesamte

   Umhüllung durch den Raum zwischen diesen beiden Substraten begrenzt wird,

   12. Vorrrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundteil im wesentlichen flach ist»

   13· Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundteil eingekerbt ist.

   lh, Gaslaser-Umhüllung, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kathodenbereich, einen Laserbohrungsbereich und einen Anodenbereich umfaßt, wobei alle diese Bereiche durch eine einzige im wesentlichen ebene Deckplätte, eine oder mehrere mit Löchern versehene oder segmentierte Innenplatt en und eine einzige im wesentlichen ebene Grundplatte umfaßt.

   15· Gaslaser-Umhüllung, dadurch gekenneaeLchnet, daß sie eine Vielzahl von Volumenteilen umfaßt, wobei die Vielzahl dieser Volumenteile durch den Raum zwischen einem einzigen Grundteil und einem einzigen Oberteil eingeschlossen wird, und daß entweder einer oder beide Substrate eingekerbte Ausgestaltungen in einer oder mehreren ihrer Flächen besitzen.

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   16, Laser-Umhüllung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eino Vielzahl von Volumenteilen umfaßt, wobei jedes dieser Volumenteile dadurch entsteht, daß eine Vielzahl von Substraten verbunden wird, wobei eine oder mehrere eine eingekerbte Fläche besitzen.

   17· Kathodenvolumen für einen Gaslaser, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Volumen dadurch entsteht, daß eine Vielzahl von Substraten verbunden wird, und mindestens eines dieser Substrate eine Vertiefung in seiner Fläche besitzt, so daß die Vertiefung einen Teil der Vand bildet, die das Kathodenvolumen begrenzt,

   18« Verfahren zur Herstellung einer Gaslaser-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode des Gaslasers im Siebdruck aufgebracht -ist.

   19· Verfahren zur Herstellung einer Gaslaservorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode des Gaslasers durch Aufdampfen eines dünnen Films gebildet wird.

   20. Verfahren zur Herstellung einer Gaslaser-Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode des Gaslasers durch Aufsprühen gebildet wird.

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