DE2605909A1

DE2605909A1 - Laserrohr-spiegelaufbau

Info

Publication number: DE2605909A1
Application number: DE19762605909
Authority: DE
Inventors: Randolph W Hamerdinger; Robert C Mcquillan
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1975-02-24
Filing date: 1976-02-13
Publication date: 1976-09-02
Also published as: GB1539912A; US4233568A; JPS51109790A; MX143583A; BE838503A; FR2301937A1; CH611082A5; FR2301937B1; CA1041206A; NL7601898A

Description

Xerox Corporation Rochester N.Y./USA Laserrohr-Spiegelaufbau

Die Erfindung betrifft ein Laserrohr mit internem Spiegel, mit einem in einer gestreckten Ummantelung enthaltenen aktiven Medium und einer Einrichtung zum Befestigen eines Spiegels an jedem Ende der Ummantelung, sowie ein Verfahren zur Bildung eines Spiegelaufbaus mit hartem Dxchtungsabschluß und zum Befestigen des gebildeten Aufbaüs an wenigstens einem Ende eines internen Laserrohres mit einer gestreckten Ummantelung und einem Metall-Flanschelement, das mit wenigstens einem Ende derselben verbunden ist.

Bei der Herstellung bekannter Gaslaserrohre erfolgt die hermetische Abdichtung zwischen jedem Ende des Rohres und einem zugeordneten optischen Element, wie beispielsweise ein Fenster, entweder mittels thermischer Bindung oder mittels einer Epoxyd-Klebetechnik.

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Im Falle thermischer Bindung wird die Abdichtung hergestellt, indem das Element und das Rohr in Berührung miteinander gehalten werden und die Temperatur im Kontaktbereich bis auf den Schmelzpunkt erhöht wird, beispielsweise mittels HF-Induktion oder Erhitzung im Ofen. Die zur Herstellung derartiger thermischer Bindungen erforderlichen Temperaturen liegen in der Größenordnung von wenigstens einigen Hundert Grad Celsius und führen zu dem Nebeneffekt einer Beeinträchtigung der Laser-Oberflächengüte des Elements, die ihrerseits die Lichtausgangsleistung während des Laserbetriebs beeinträchtigt. Diese Schwierigkeit kann durch Verwendung der Epoxyd-Klebetechnik vermieden werden, durch die Verwendung von Epoxyd ergeben sich jedoch ebenfalls Schwierigkeiten. Beispielsweise neigen die Bestandteile des Epoxyds dazu, in die Gasfüllung des Rohres hineinzugelangen, wodurch eine Verunreinigung des Gases und eine starke Verkürzung der Lebensdauer des Rohres bewirkt werden. Ferner verschlechtert sich während der Benutzung des Rohres die Betriebsstabxlität bezüglich Laserschwelle, Verstärkung und Ausgangsleistung nach und nach aufgrund der Verunreinigung. Ein weiterer Nachteil der Epoxyd-Technik liegt darin, daß sie ein richtiges Ausheizen zur Entfernung von Verunreinigungen während des Aufbaus des Rohres unmöglich macht. Im allgemeinen soll das Ausheizen derart erfolgen, daß das Rohr auf eine Temperatur von etwa 400° C erhitzt wird, während es an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist, um Wasserdampf und andere Verunreinigungen zu entfernen, die sich bei der Herstellung des Rohres in diesem angesammelt haben. Epoxyd besitzt jedoch die Eigenschaft, daß es bei Erhitzung oberhalb von etwa 75⁰C brüchig wird und brechen oder reißen kann. Die Erhitzung des Epoxyds auf Temperaturen oberhalb dieser Größe führt ferner dazu, den erwähnten Verunreinigungsvorgang zu beschleunigen, der sich aus dem Hineingelangen der Bestandteile des Epoxyds in das Lasergas ergibt. Ferner kann sich der Zustand des Epoxyds bis zu einem Punkt verschlechtern, wo dieses keine lecksichere Abdichtung mehr ergeben kann. Bei anderen Fenster-

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gruppen werden optisch flache Kontaktflächen verwendet, d.h. das Fensterelement wird nach optischen Kriterien flachgeschliffen, das Rohr mit dem es verbunden werden soll, wird ebenfalls nach optischen Kriterien flachgeschliffen und die beiden Oberflächen werden aneinander angepreßt, um eine gasdichte Verbindung dazwischen zu bilden. Bei anderen Fenstern wurde das Quarz- oder Glasfensterelement auf einen rohrförmigen Quarz- oder Glasfortsatz der Umhüllung angeschmolzen. Bei einer weiteren bekannten Ausfuhrungsform wurde das Fensterelement mit der rohrförmigen Umhüllung mittels Glaslot verbunden. Die vorstehend erwähnten Techniken weisen einen oder mehrere Nachteile auf. Beispielsweise verträgt das optische Fenster, bei dem ein optischer Sitz zwischen aneinander anstoßenden Oberflächen zur Bildung der Abdichtung verwendet wird, keine starken Temperaturänderungen, und derartige optisch flache Berührungsoberflächen sind im allgemeinen teuer und schwierig herzustellen. Die bekannten Fenster, die an der Umhüllung angeschmolzen wurden, sind in der Herstellung recht teuer und erfordern, daß ein Teil des Fenstermaterials durch Erhitzung während des Verbindungsvorganges erweicht wird. Dieses Erhitzen des Fensters führt zu Belastungen, die die Oberfläche des Fensters verändern können und die Wellenfront und/oder die Polarisationsebene des Laserstrahls ändern können, wodurch die Ausgangsleistung aus dem Laser stark abgeschwächt wird. Fenster, die mittels Glaslot mit der Umhüllung verbunden sind, sind leichter herzustellen als angeschmolzene Fenster, unterliegen jedoch Belastungen, die die Fensteroberfläche verändern können und Störungen in der Wellenfront oder der Polarisationsebene des durch das Fenster laufenden Laserstrahls erzeugen können.

Es besteht also ein Bedürfnis für einen Laserspiegelaufbau, bei dem der Spiegel dichtend mit einem Metallrahmenelement verbunden ist und der die relativ hohen Ausheiztemperaturen verträgt, die zur Evakuierung von Verunreinigungen aus dem hergestellten Laserrohr

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angewendet werden, wobei die Abdichtung gleichzeitig während des normalen Laserbetriebs das Hindurchtreten von Gas durch diese hindurch so gering wie möglich hält. Dadurch könnte das Erfordernis eines speziell ausgelegten optischen Laserelements vermieden werden, wie dies in der US-Patentschrift 3 555 450 beschrieben ist und welches Schleifen und Polieren des optischen Elements nach seinem Zusammenbau mit der Rahmenstruktur und nach dem Ausheizen bei hoher Temperatur ermöglicht. Ferner soll der Laserspiegelaufbau ein im wesentlichen vakuumdichtes Laserrohr ergeben, unempfindlich gegenüber thermischen Zyklen innerhalb von vorbestimmten Temperaturbereichen sein, durch Feuchtigkeit nicht beeinflußt werden und soll Laserrohre mit relativ langer Lagerzeit und Betriebslebensdauer ermöglichen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Bildung eines harten Dichtungsabschlusses zwischen einem Laserreflexionselement und einem Metall-Flanschelement anzugeben. Insbesondere soll ein Verfahren zur Verbindung eines optischen Laserspiegel-Auf baus mit dem Ende eines Laserrohres angegeben werden, durch welches der optische Spiegel durch einen harten Dichtungsabschluß innerhalb der mit einer Öffnung versehenen Ausnehmung eines Metall-Flanschelements verbunden wird, wobei das Metall-Flanschelement seinerseits mit einem dazu passenden Flansch verbunden wird, der an den Laserrohrenden gebildet ist. Dadurch soll ein Laserende-Spiegelaufbau geschaffen werden, der mit den Laserrohrenden verbunden wird, wobei dieser Aufbau ein Glassubstrat mit einer reflektierenden Schicht darauf aufweist, welches mit einem Metall-Flanschelement durch einen harten Dichtungsabschluß verbunden ist, wobei der Aufbau mit einem dazu passenden Flanschelement an den Rohrenden verbunden ist und der Dichtungsabschluß die Temperaturen aushält, die zur Entfernung von Verunreinigungen aus dem Laserrohraufbau angewendet werden. Die Spiegelschicht soll

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so gewählt sein, daß sie Frittungstemperaturen bei minimalen mechanischen oder optischen Veränderungen widersteht, das Glassubstrat soll seine mechanischen Abmessungen während und nach dem thermischen Zyklus bei Frittungstemperaturen beibehalten, und das Glassubstrat, das Abdichtmittel und das Metall-Flanschelement sollen so gewählt sein, daß sie in engen Grenzen zueinander passende Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, um die Leckbildung während des Laserrohrbetriebs möglichst gering zu halten. Aufgrund des Laserende-Spiegelaufbaus soll ein praktisch vakuumdichtes Laserrohr hergestellt werden können, während der Laserende-Spiegelaufbau unempfindlich ist gegenüber thermischen Zyklen innerhalb vorbestimmter Temperaturbereiche und nicht durch Feuchtigkeit beeinfluß wird, was zu einer relativ langen Lagerzeit und zu relativ langer Betriebslebensdauer führt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Laserrohr mit internem Spiegel der eingangs beschriebenen Art gelöst, das gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Befestigungseinrichtung ein mit einer Ausnehmung versehenes und eine darin gebildete Öffnung aufweisendes Metallelement umfaßt, ein Spiegel ein Glassubstrat mit einer auf einer Oberfläche desselben gebildeten Reflexionsschicht umfaßt, ein Verbindungsmittel zum Verbinden des Glassubstrats mit dem mit der Ausnehmung versehenen Metallelement dergestalt, daß die Rflexionsschicht zu der öffnung·ausgerichtet ist und der Ummantelung zugewendet ist, vorgesehen ist und das Glassubstrat, das Verbindungsmittel und das mit einer Ausnehmung versehene Metallelement im wesentlichen gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bildung eines Spiegelaufbaus mit hartem Dichtungsabschluß und zum Befestigen des gebildeten Aufbaus an wenigstens einem Ende eines internen Laserrohres ist gekennzeichnet durch Bildung eines mit einer Ausnehmung versehenen Metallelements, das eine dahin gebildete Öffnung aufweist,

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Zubereitung einer Breimasse, die ein Glaslot und einen Träger enthält, Einführen der Breimasse in den mit einer Ausnehmung versehenen Teil des Metallelements, Bildung eines Spiegelaufbaus durch Anordnung eines Spiegelelements in dem mit einer Ausnehmung versehenen Teil des Metallelements, wobei das Spiegelelement ein Glassubstrat mit einer auf einer Oberfläche desselben gebildeten &£lexionsschicht aufweist, und in dem mit einer Ausnehmung versehenen Metallelement so angeordnet ist, daß die Reflexionsschicht der öffnung zugewendet ist und angrenzend an diese angeordnet ist, Erhitzen des Spiegelaufbaus auf die Zerschmelzungstemperatur des Glaslotes zur Bildung eines Glas-Dichtungsabschlusses zwischen dem Spiegelelement und dem mit einer Ausnehmung versehenen Metallelement, Abkühlen des Spiegelaufbaus mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, wodurch das Spiegelelement durch einen harten Dichtungsabschluß mit dem mit einer Ausnehmung versehenen Metallelement verbunden wird, und Befestigung des Spiegelaufbaus an dem Metall-Flanschelement, das mit dem Ende der Ummantelung verbunden ist.

Durch die Erfindung wird ein Laserrohrende-Aufbau geschaffen, der einen mit jedem Ende eines Laserrohres dichtend verbundenen Laserspiegel umfaßt, wobei der Dichtungsabschluß den relativ hohen Temperaturen widersteht, die zur Entfernung von Verunreinigungen aus dem Laserrohr während dessen Herstellung angewendet werden und wobei das Dichtungsmittel ferner den Gasdurchtritt durch dieses hindurch während der Benutzung des Laserrohres möglichst gering hält. Der Aufbau wird hergestellt, indem zunächst ein Metall-Flanschelement mit einer öffnung und mit einer Ausnehmung vorbereitet wird. Ein flüssiger Brei, der Glasmasse und einen Träger enthält, wird in das Metall-Flanschelement eingeführt und getrocknet. Das Metall-Flanschelement wird an einem ersten Teil einer Befestigungsvorrichtung angeordnet, und ein Glassubstrat, welches eine darauf aufgebrachte Reflexionsschicht aufweist, wird angrenzend an die Ausnehnung des Flanschelements angeordnet, wobei sich die Reflexions-

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schicht wenigstens längs der öffnung erstreckt. Der belastete zweite Teil der Befestigungsvorrichtung steht in Berührung mit der nicht reflektierenden Seite des Glassubstrats, um zu gewährleisten, daß die Reflexionsschicht des Glassubstrats über den getrockneten Brei mit der Oberfläche des Metallflansches in Berührung steht.

Die Befestigungsvorrichtung wird in einen Ofen eingebracht, dessen Temperatur bis auf die Frittungstemperatur der Glasmasse während einer vorbestimmten Zeitspanne erhöht wird, woraufhin der Ofen langsam abgekühlt wird. Das Glassubstrat ist nun durch einen harten Dichtungsabschluß mit dem Metall-Flanschelement verbunden, wodurch der zuvor beschriebene Aufbau gebildet wird, der mit einem dazu passenden, an dem Laserrohr gebildeten Flansch verbunden wird. Die Reflexionsschicht ist so gewählt, daß sie den Frittungstemperaturen bei minimalen mechanischen oder optischen Veränderungen widersteht, und das Glassubstrat ist so gewählt, daß es seine mechanischen Abmessungen während des und nach dem thermischen Zyklus bei Frittungstemperaturen beibehält. Das Glassubstrat, das Dichtungsmittelgemisch und das Metall-Flanschelement sind so gewählt, daß sie eng zueinander passende Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, so daß Leckbildung in dem Dichtungsabschluß während des Laserrohrbetriebs ausgeschlossen wird.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Teilseitenansicht eines Laserrohres zur Darstellung • der Verbindung desselben mit einem optischen Reflexionselement-Aufbau nach der Erfindung;

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Fig. 2 eine Querschnittsansicht des optischen Reflexionselement-Aufbaus von Figur 1;

Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Darstellung der Herstellung des optischen ReflexionseJsnent-Aufbaus von Figur 1;

Fig. 4 in vereinfachter Form die Schritte zur Herstellung des A-F erfindungsgemäßen optischen Reflexionselement-Aufbaus.

Ein Laserrohr 8, dessen Rohrende-Aufbau 15 in Übereinstimmung mit dem Erfindungsgedanken ausgebildet ist, ist in Figur 1 dargestellt und kann einen kontinuierlichen Gaslaseroszillator umfassen, beispielsweise einen Helium-Neon-Gaslaser oder einen Metalldampf-Gaslaser, wie beispielsweise ein Helium-Cadmium-Metalldampflaser. Der gestreckte, rohrförmige und gasdichte Mantel 10, der eine zentrale Bohrung 12 aufweist, wird zuerst auf einen sehr niedrigen Druck von beispielsweise 10~ Torr evakuiert und dann mit der Lasergasfüllung, beispielsweise ein Helium-Neongas, auf einen geeigneten Druck unterhalb der Atmosphäre angefüllt. Der Mantel 10 ist in geeigneter Weise aus Glas, Quarz, Keramik oder Metall hergestellt und umfaßt ein Paar einteiliger Spiegelanordnungen an jedem Ende des Rohres (nur ein Aufbau 14 ist dargestellt, da der andere im wesentlichen identisch ist, außer der darauf gebildeten Reflexionsschicht). Ein Kathoden- und ein Anodengebilde 13 bzw. 15 ist jeweils angrenzend an ein Ende der Bohrung 12 vorgesehen, um eine elektrische Entladung in dem Gasmedium anzuregen. Die von der Entladung ausgesandte optische Strahlung verläuft in Form eines Strahls axial zu den Spiegelanordnungen, so daß ein optischer Resonator mit einer Resonanzfrequenz bei der optischen Wellenlänge der von der Gasentladung ausgesandten Strahlung festgelegt wird. Eine auf einem Substrat 16 gebildete Reflexionsschicht 18 ist nur teilweise reflektierend, so daß ein geringer Prozentsatz der auffallenden optischen Strahlung durch den Spiegel hindurch gelangt, um den Ausgangsstrahl des Lasers zu bilden. Das zwischen den axial zueinander ausgerichteten

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Spiegeln durch das Entladungsrohr hindurch hin und her reflektierte Licht erzeugt eins kohärente optische Strahlung zur Bildung eines kohärenten Strahls 17. Im Falle eines He-lium-Neon-Lasers besitzt der Ausgangslaserstrahl typischerweise eine Wellenlänge

von etwa 6328 A, während ein Helium-Cadmiumlaser eine Ausgangs-

Wellenlänge von etwa 4420 A erzeugt.

Der Aufbau 14 schließt das gezeigte Rohrende ab und umfaßt ein mit einer Öffnung und einer Ausnehmung versehenes schalenförmiges Metall-Flanschelement 20, wobei das Substrat 16 und die Reflexionsschicht 18 auf dieser dichtend mit dem Metall-Flanschelement verbunden ist, und zwar in einer Weise, wie im folgenden anhand der Figuren 3 und 4 beschrieben wird. Der Aufbau wird danach mit einem dazu passenden Flanschelement 22 verbunden, das am Ende des Mantels 10 gebildet ist, und zwar durch Schweißen, Löten oder eine andere klassische Technik. Das Laserrohr 8, dessen beide Enden jeweils mit dem beschriebenen Aufbau verbunden sind, wird dann den Ausheizvorgängen unterzogen, um Verunreinigungen des Rohres zu entfernen.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt des Aufbaus 14, der ein scheibenförmiges Metall-Flanschelement 20 mit einer Reihe von internen, konzentrischen und abstufungsähnlichen Teilen 24 und 26 mit abnehmendem Durchmesser aufweist. Am unteren Teil des Elements 20 (entsprechend der Abstufung 26) ist eine Öffnung 2 8 mit einem Durchmesser von etwa 10 mm vorgesehen, wobei der Druchmesser vorzugsweise so groß ist, daß bei Verbindung des Flansches 20 mit dem Flansch 22 dieser Durchmesser wenigstens an den Durchmesser der Bohrung 12 eng angepaßt ist. Der optisch reflektierende Überzug ist so gewählt, daß er die auffallende Strahlung teilweise reflektiert und durch das Substrat 16 durchläßt, um den Ausgangsstrahl zu bilden. Der teilweise reflektierende Überzug 18 legt eine End-

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wandung des in Figur 1 gezeigten optischen Resonators fest. Ein ähnlicher Aufbau (nicht dargestellt) ist an dem gegenüberliegenden Ende des Mantels 10 angeordnet, außer daß sein reflektierender Überzug in diesem Fall vollständig reflektierend ist, um die andere Endwandung des optischen Resonators festzulegen. Der Oberflächenbereich des reflektierenden Überzugs 18 kann praktisch mit dem Bereich der öffnung 28 zusammenfallen oder sich über die vollständige Oberfläche 29 des Substrats hinweg erstrecken. Das Substrat 16, ein weiches Glas, ist über einen entglasten Glaslot-Di chtungs ab Schluß 30 mit dem Metall-Flanschelement 20 verbunden.

Die Glasmasse ist so gewählt, daß sie an die Wärmeausdehnung des Glassubstrats und des Metall-Flanschelements 20 angepaßt ist, um die Möglichkeit einer Dichtungsfehlstelle während des Laserrohrbetriebs so gering wie möglich zu halten. Der beschriebene Dichtungsabschluß verlängert die Lebensdauer des Laserrohres dadurch, daß dieses bei relativ hohen Temperaturen behandelt werden kann, um Verunreinigungen zu entfernen, sowie durch Reduzierung des Gasdurchtrittes durch den DichtungsabSchluß hindurch.

Wie bereits erwähnt wurde, sollen die Glasmasse bzw. das Glaslot, das Metall-Flanschelement 20 und das Substrat 16 eng zueinander passende Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, zusätzlich zu dem Erfordernis, daß das Substrat 16 während des und nach dem thermischen Zyklus bei den Frxttungstemperaturen seine mechanischen Abmessungen beibehalten soll (wird nachstehend anhand der Figuren 3 und 4 erläutert) . Typische Kombinationen von Materialien, die die vorstehend erwähnten Kriterien erfüllen, sind in Tabelle 1 nachstehend aufgeführt:

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Substrat 16 Metall-Flansch-(Glas) element 20 Glasmasse Wärmeausdeh- Frittungs-(Glaslot) nungskoeffi- temperatur zient

Corning 00 80 Carpenter Metall #49 Corning X10 ⁷cm/cm/°C 440⁰C 85-92 Pryoceram

Schott K5 "

Schott K5

4750 Legierung

Schott K5

Driver-Harris 152

Schott K5 Platin

Schott K5

SyIvania No. 4

Corning
0080

Carpenter Metall #49 Kimble Glaslot #SG-68

90

Corning
0080

Kimble Glaslot #CV-101

94

425

Corning
0080

Kimble Glaslot #CV-135

87

425

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Corning 0080 ist eine Glas-Codezahl, die von den Corning Glass Works, Corning, New York verwendet wird, um einen Natron-Kalk-Glastyp (als Kronglas bzw. "Crown" Water White Glass bekannt) zu bezeichnen, und Schott K5 ist der von der Schott Optical Glass Company,Duryea, Pennsylvania verwendete Code zur Bezeichnung von Kronglas bzw. "Crown"Water White Glass.

Carpenter Metal #49 ist der Code, der von der Carpenter Steel Company, Reading, Pennsylvania verwendet wird, um eine Metalllegierung zu bezeichnen, die 49% Nickel und 51% Eisen enthält; 4750-Legierung (4750 alloy) ist der Code, der von der Alleghany-Ludlum Steel Company, Brackenridge, Pennsylvania verwendet wird, um eine Metallegierung mit 47% Nickel und 53% Eisen zu bezeichnen.

Driver-Harris 152 ist die von der Driver-Harris Company, Harrison, New Jersey verwendete Handelsbezeichnung zur Beschreibung einer Metallegierung mit 42% Nickel, 6% Chrom und 52% Eisen; Sylvania Nr. 4 ist die von der Sylvania Metals and Chemical Company, Towanda, Pennsylvania verwendete Handelsbezeichnung zur Beschreibung einer Metallegierung mit 42% Nickel, 6% Chrom und 52% Eisen.

Pyroceram (ein eingetragenes Warenzeichen der Corning Glass Works) Nr. 89 bezeichnet eine Glasverbindung aus feinem Pulver. Die in Tabelle 1 aufgeführten Kimble-Glaslote sind Gläser, die von der Owens-Illinois Corporation, Toledo, Ohio hergestellt werden.

Wenn die in Tabelle 1 aufgeführten Glaslote (Glasmassen) durch ein Trägerelement mit niedriger Viskosität in Suspension gehalten werden, so ermöglichen sie das Auftragen der sich daraus ergebenden Breimasse auf einen Abdichtungsbereich durch Eintauchen, Druckfluß oder durch Bürsten. Wenn die Breimasse (Dichtungsabschluß) entsprechend den vorbestimmten Temperaturwerten erhitzt wird, so erfolgt eine Umwandlung in der Breimasse, bei der das Glasmaterial eine

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zum Teil kristallartige Struktur entwickelt, wodurch ein fester und harter Glas-Dichtungsabschluß entsteht.

In dem US-Reissue Patent 25 791 sind die Eigenschaften des bei dem Abdichtungsverfahren verwendeten Glaslotes im einzelnen beschrieben, ebenso wie die Bildung der Breimasse und die Verfahrensschritte zur Bildung des entglasten Dichtungsabschlusses. Die dem genannten Patent zu entnehmende Lehre wird in die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme darauf einbezogen.

Die Reflexionsschicht (überzug 18) muß den Frittungstemperaturen widerstehen, die zur Bildung des Dichtungsabschlusses zwischen dem Metall-Flanschelement 20 und dem Substrat erforderlich sind. Typische Reflexionsüberzugsmaterialien umfassen Titandioxyd, Zeriumoxyd, Zirkondioxyd, Siliziumdioxyd, Magnesiumfluorid, Calciumfluorid, Indiumoxyd, Zinnoxyd, Lithiumfluorid, Natriumfluorid, Kryolith und Thoriumdioxyd. Die Reflexionsschicht 18 kann abwechselnde Schichten aus den vorstehend aufgeführten Materialien umfassen, wobei die Schichten sowohl bezüglich des stöchiometrischen Gleichgewichtes als auch bezüglich einer genauen Dicke abgestimmt werden. Beispielsweise können 19 abwechselnde Schichten aus Titandioxyd und Siliziumdioxyd als He-Ne Gaslaser-Reflektoren verwendet werden.

In Figur 3 sind die Schritte der Herstellung des Laserspiegel-Auf baus 14 dargestellt. Ein Metallrohling (Schritt A), beispielsweise Carpenter Metal No. 49 wird zu einem mit einer öffnung versehenen Metall-Flanschelement 20 unter Anwendung klassischer Techniken ausgebildet (Schritt B).

Der gebildete Metallflansch wird in der folgenden Weise (Schritt C) vorbereitet: Der Flansch wird zunächst entfettet, um jegliches öl und andere Fettstoffe davon zu entfernen. Der Dic-htungsbereich

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wird mit einem Aluminiumoxyd-Gries der Siebgröße 100 sandgestrahlt, um eine gute Benetzungsoberfläche für die Breimasse zu schaffen. Der Flansch wird dann gewaschen und getrocknet und anschließend oxydiert und in feuchtem Wasserstoff bei etwa 1000° während etwa 30 Minuten ausgeglüht.

Eine ausgewählte Glasmasse wird dann mit einem Träger oder Bindemittel vermischt, wie beispielsweise Amylacetat, das etwa 1% Nitrozellulose-Bindemittel enthält, um eine dicke Breimasse zu bilden. Im Schritt (D) wird der Brei in den Metallflansch hinein gegossen ( ein entfernbares Verschlußelement 33 wird auf der öffnung aufgebracht, um das Hindurchfließen des Breis zu verhindern) und während etwa 15 Stunden getrocknet (Schritt E), um ein gehärtetes Pulver zu bilden. Das Amylacetat wird während des Trocknungsvorganges praktisch verflüchtigt. Der Überschuß des gehärteten Pulvers kann mittels herkömmlicher Techniken beseitigt werden. Das Verschlußelement wird von der öffnung entfernt, und das ausgewählte Substrat mit der Reflexionsschicht und der Flansch werden in einer zweiteiligen Befestigungsvorrichtung angeordnet und in einen Ofen eingebracht (Schritt F). Die Befestigungsvorrichtung wird so angeordnet, daß das Substrat und der Flansch mit der engen Toleranz gegeneinander gehalten werden, wobei der obere Teil der Befestigunpvorrichtung schwer genug ist, um die Reflexionsschicht und den Flansch über das ausgehärtete Pulver gegeneinander zu halten, wodurch der Dichtungsabschluß gebildet wird.

Die Ofentemperatur wird auf etwa 350⁰C während etwa 30 Minuten gebracht, um jegliche organische Bindemittel in dem gehärteten Pulver zu verbrennen. Die Temperatur wird dann auf die Frittungstemperatur von etwa 440 ⁰C (für die Kimble-Glaslote in Tabelle 1 niedriger) während 50 Minuten erhöht, wobei währenddessen das gehärtete Pulver, welches die Glasmasse enthält, die Berührungsflächen der Substrat-Reflexionsschicht und des Metallflansches umgibt und benetzt

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und die Bildung eines Dichtungsabschlusses und darauffolgende Entladung ermöglicht. Der Ofen wird dann langsam auf etwa 150⁰C abgekühlt, wobei das Substrat 16 durch einen harten Dichtungsabschluß mit dem Metall-Flanschelement 20 verbunden wird (Schritt H). Der Aufbau wird dann mit einem dazu passenden Flanschelement 11 (Figur 1) gasdicht verbunden (Schritt I), welches jeweils an den Enden des Mantels 10 gebildet ist. Der Mantel 10, der nun an seinen gegenüberliegenden Enden den Aufbau aufweist, wird dann ausgeheizt und bei niedrigem Druck entgast, so daß der Mantel und die zugeordneten Teile entgast werden, bevor der Mantel mit dem Lasergasmedium gefüllt wird.

Figur 4 zeigt schematisch und in vereinfachter Form die Schritte, die zur Herstellung des optischen Spiegelaufbaus angewendet werden. Ein scheibenförmiger zylindrischer Metallrohling 40 wird zu dem in Schritt (B) gezeigten schalenförmigen mit einer öffnung versehenen Element ausgebildet. Es ist zu bemerken, daß dieselben Bezugszeichen in jeder Figur verwendet wurden, um gleiche Elemente zu kennzeichnen. Nachdem der Flansch-Abdichtungsbereich vorbereitet wurde, wird der Brei 31 mittels eines Verteilers 42 in die Ausnehmung des Flansches gegossen (Schritt C), während das Verschlußelement das Hindprchfließen des Breis durch die Flanschöffnung 28 hindurch verhindert. Im Schritt (D) wird das Flanschelement 20 an einem ersten Teil 44 der Befestigungsvorrichtung 46 angeordnet, und der beschwerte zweite Teil 48 der Befestigungsvorrichtung 46 wird auf der nicht reflektierenden Oberfläche des Substrats 16 angebracht, um die reflektierende Oberfläche des Substrats 16 über das gehärtete Pulver 35 mit der Unterseite des Flanschelements 20 in Berührung zu bringen und so einen harten Dichtungsabschluß zu bilden (Schritt D). Das Verschlußelement 33 wird entfernt, und die Befestigungsvorrichtung wird in einen Ofen eingebracht, erhitzt und "wieder abgekühlt, wie zuvor beschrieben wurde. Zu diesem Zeitpunkt bildet das entglaste Glas 30 einen Dichtungsabschluß zwischen dem

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Glassubstrat 16 und dem Metall-Flanschelement 20 (Schritt E). Der so gebildete Aufbau wird aus dem Ofen und aus der Haltevorrichtung entfernt und mit einem dazu passenden Flansch 22, der an jedem Ende des Rohrmantels gebildet ist, verbunden(Schritt F). Das Metall-Flanschelement 22 kann mit dem dazu passenden Flansch unter Anwendung irgendeiner bekannten Technik verbunden werden, beispielsweise durch Schweißen oder Bindemittel.

Die mit einem harten Dichtungsabschluß versehenen und ausheizfähigen Laserreflektoren, die gemäß der vorstehenden Beschreibung aufgebaut sind, wurden getestet, um die Vakuumdichtigkeit, die Temperatur- und Feuchtigkeitsempfindlichkeit sowie Betriebs- und Lagerlebensdauer des abgedichteten Laserreflektor-Aufbaus quantitativ zu erfassen. Die Dichtigkeit jedes Aufbaus wurde mittels eines Massenspektrometer-Leckdetektors überprüft, der auf Heliumermittlung eingestellt war. Es wurde festgestellt!, daß die Vakuumdichtigkeit

—10 des Laserreflektor-Aufbaus einen Wert von weniger als 3x10 Atmosphären cm³/sek aufwies.

Gaslaserrohre mit den daran befestigten Reflektoranordnungen wurden fünfundzwanzigmal durch einen Temperaturzyklus von -45⁰C bis 100⁰C geführt. Ferner wurden die Laserrohre während hundert Stunden in einer kondensierfähigen Umgebung bei -45⁰C kalt getränkt. Die Laserlichtausgangsleistung wurde als Maß für die Leistungsfähigkeit des Laserreflektors verwendet, und es stellte sich heraus, daß die Ausgangsleistung sich nach den tiemiischen Behandlungszyklen und der Kalttränkung nicht spürbar geändert hatte, waaus sich ableiten läßt, daß die Laserreflektoren ihre optischen Eigenschaften und Leckdichtigkeit beibehalten. Es konnte gezeigt werden, daß die Betriebslebensdauer der Gaslaserrohre mit dem beschriebenen Laserreflektor-Aufbau mehr als 8000 Stunden beträgt, wobei das Rohr mehr als 200 000 Mal ohne Versagen einem Zyklus unterzogen wurde.

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Der Zyklus des Laserrohres bestand aus Umschalten des Laserrohres auf einen Zustand mit Laserwirkung in einen Zustand ohne Laserwirkung, wobei die Laserwirkung des Rohres während etwa 118 Sekunden und der Zustand ohne Laserwirkung während etwa 7 Sekunden aufrecht erhalten wurde. Die Lagerlebensdauer von Laserrohren mit dem Reflektoraufbau wurde überprüft und ergab , Lebenszeiten von etwa anderthalb Jahren bis zu dem vorliegenden Zeitpunkt ohne Versagen.

Die Erfindung würde vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Für den Fachmann ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten zur Abwandlung der beschriebenen Ausführungsform im Hinblick auf besondere Fälle oder besondere Materialien.

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Claims

Xerox Corporation Rochester N.Y./USA

Patentansprüche

/ 1.1 Laserrohr mit internem Spiegel, mit einem in einer gestreckten Ummantelung enthaltenen aktiven Medium und einer Einrichtung zum Befestigen eines Spiegels an jedem Ende der Ummantelung, dadurch, gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung ein mit einer Ausnehmung versehenes und eine darin gebildete Öffnung aufweisendes Metallelement (20) umfaßt,

ein Spiegel ein Glassubstrat (16) mit einer auf einer Oberfläche desselben gebildeten Reflexionsschicht (18) umfaßt, ein Verbindungsmittel zum Verbinden des Glassubstrats (16) mit dem mit der Ausnehmung versehenen Metallelement (20) dergestalt, daß die Reflexionsschicht (18) zu der Öffnung (28) ausgerichtet ist und der Ummantelung (10) zugewendet ist, vorgesehen ist und das Glassubstrat, das Verbindungsmittel und das mit einer Ausnehmung versehene Metallelement (20) im wesentlichen gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen„

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2. Läserrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

Reflexionsschicht (18) über der öffnung (28) liegt und der Oberflächenbereich der Reflexionsschicht (18) wenigstens gleich dem Bereich der öffnung (28) ist.
3. Laserrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metall-Flanschelement (22) mit jedem Ende der Ummantelung verbunden ist und das mit einer Ausnehmung versehene Metallelement (20) jeweils mit einem Flanschelement (22) verbunden ist, wodurch ein hermetisch abgedichtetes Laserrohr gebildet wird.
4. Laserrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Anregung einer elektrischen Entladung in dem aktiven Medium zur Erzeugung eines Strahls aus kohärentem Licht vorgesehen ist, einer der Spiegel eine Reflxionsschicht (18) aufweist, die darauf auffallendes kohärentes Licht reflektiert und somit ein.Ende eines optischen Resonators bildet und wobei der andere Spiegel eine teilreflektierende Schicht aufweist, die das andere Ende des optischen Resonators und das optische Ausgangselement für den kohärenten Lichtstrahl bildet.
5. Laserrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsmittel ein entglastes Glaslot umfaßt.
6. Laserrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die

Reflexionsschicht (18) ein Material umfaßt, das in der Lage ist, den Ausheiztemperaturen für das Rohr zu widerstehen.
7. Laserrohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschicht (18) abwechselnde Schichten aus Material umfaßt, das aus der aus Titandioxyd, Zirkondioxyd, Zeriumoxyd, Siliziumdioxyd, Magnesiumfluorid, Calciumfluorid, Indiumoxyd,

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Zinnoxyd, Lithiumfluorid, Natriumfluorid, Kryolith und Thoriumdioxyd bestehenden Gruppe gewählt ist.
8. Laserrohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die abwechselnden Schichten Titandioxyd und Siliziumdioxyd umfassen.
9. Laserrohr nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einer Ausnehmung versehene Metallelement (20) eine Metallegierung aus Nickel und Eisen umfaßt und das Glassubstrat (16) ein Weichglas enthält.
10. Laserrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einer Ausnehmung versehene Metallelement (20) scheibenförmig ist und eine Reihe von internen, konzentrischen abstufungsähnlichen Teilen mit abnehmendem Durchmesser aufweist, die öffnung (28) in dem abgestuften Teil mit kleinstem Durchmesser gebildet ist und die mit der Reflexionsschicht versehene Oberfläche des Glassubstrats (16) auf diesem gelagert ist.
11. Element zur Befestigung eines Spiegels an den Enden einer Laserrohr-Ummantelung mit internem Spiegel, die ein aktives Medium darin enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement ein mit einer Ausnehmung versehenes Metallelement (20) mit einer darin gebildeten öffnung (28) umfaßt, ein Spiegel mit einem Glassubstrat (16) und einer auf einer Oberfläche desselben gebildeten Reflexionsschicht (18) vorgesehen ist und ein Verbindungsmittel zum Verbinden des Glassubstrats (16) mit dem mit einer Ausnehmung versehenen Metallelement (20) dergestalt, daß die Reflexionsschicht (18) zu der öffnung (28) ausgerichtet ist und der Ummantelung (10) zugewendet ist, vorgesehen ist und das Glassubstrat (16), das Verbindungsmittel und das mit einer Ausnehmung versehene Metallelement (20) praktisch gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

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12. Befestigungselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschicht (18) über der öffnung (28) liegt und der Oberflächenbereich der Reflexionsschicht (18) wenigstens gleich dem Bereich der öffnung (28) ist.
13. Befestigungselement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Metall-Flanschelement (22) mit jedem Ende der Ummantelung (10) verbunden ist und das mit einer Ausnehmung versehene Metallelement (20) jeweils mit einem Flanschelement verbunden ist, wodurch ein hermetisch abgedichtetes Laserrohr gebildet wird.
14. Befestigungselement nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Erregung einer elektrischen Entladung in dem aktiven Medium zur Erzeugung eines Strahls aus kohärentem Licht vorgesehen ist, einer der Spiegel eine Reflexionsschicht (18) aufweist, die darauf auffallendes kohärentes Licht reflektiert und somit ein Ende eines optischen Resonators bildet, und der andere Spiegel eine teilreflektierende Schicht darauf aufweist, die das andere Ende des optischen Resonators und das optische Ausgangselement für den kohärenten Lichtstrahl bildet.
15. Befestigungselement nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsmittel ein entglastes Glaslot umfaßt.
16. Befestigungselement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschicht (18) ein Material umfaßt, das in der Lage ist, den Ausheiztemperaturen für das Laserrohr zu widerstehen.
17. Befestigungselement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschicht (18) abwechselnde Schichten aus Materialien umfaßt, die aus der aus Titandioxyd, Zirkondioxyd, Zeriumoxyd, Siliziumdioxyd, Magnesiumfluorid, Calciumfluorid, Indiumoxyd, Zinnoxyd, Lithiumfluorid, Natriumfluorid, Kryolith und Thoriumdioxyd bestehenden Gruppe ausgewählt sind.

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18. Befestiguirpelernent nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die abwechselnden Schichten Titandioxyd oder Siliziumdioxyd umfassen.
19. Befestigungselement nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einer Ausnehmung versehene Metallelement (20) eine Metallegierung aus Nickel und Eisen umfaßt und das Glassubstrat (16) ein Weichglas enthält.
20. Befestigungselement nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einer Ausnehmung versehene Metallelement (20) scheibenförmig ist und eine Reihe von internen, konzentrischen abstufungsähnlichen Teilen mit abnehmendem Durchmesser aufweist, die Öffnung (28) in dem Abstufungsteil mit kleinstem Durchmesser gebildet ist und die mit der Reflexionsschicht versehene Oberfläche des Glassubstrats (16) auf diesem gelagert ist.
21. Verfahren zur Bildung eines Spiegelaufbaus mit hartem Dichtungsabschluß und zum Befestigen des gebildeten Aufbaus an wenigstens einem Ende eines internen Laserrohres mit einer gestreckten Ummantelung und einem Metall-Flanschelement, das mit wenigstens einem Ende derselben verbunden ist, gekennzeichnet durch Bildung eines mit einer Ausnehmung versehenen Metallelements, das eine darin gebildete Öffnung aufweist,

Zubereitung einer Breimasse, die ein Glaslot und einen Träger enthält,

Einführen der Breimasse in den mit einer Ausnehmung versehenen Teil des Metallelements,

Bildung eines Spiegelaufbaus durch An-ordnung eines Spiegelements in dem mit einer Ausnehmung versehenen Teil des Metallelements, wobei das Spiegelelement ein Glassubstrat mit einer auf einer Oberfläche

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desselben gebildeten Reflexionsschicht aufweist und in dem mit einer Ausnehmung versehenen Metallelement so angeordnet ist, daß die Reflexionsschicht der Öffnung zugewendet ist und angrenzend an diese angeordnet ist,

Erhitzen des Spiegelaufbaus auf die Zerschmelzungstemperatur des Glaslotes zur Bildung eines Glas-Dichtungsabschlusses zwischen dem Spiegelelement und dem mit einer Ausnehmung versehenen Metallelement,

Abkühlen des Spiegelaufbaus mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, wodurch das Spiegelelement durch einen harten Dichtungsabschluß mit dem mit einer Ausnehmung versehenen Metallelement verbunden wird, und

Befestigung des Spiegelaufbaus an dem Metall-Flanschelement, das mit dem Ende der Ummantelung verbunden ist.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß während des Erhitzens des Spiegelaufbaus eine Kraft auf die andere Oberfläche des Glassubstrats ausgeübt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, gekennzeichnet durch Trocknen der Breimasse nach deren Einführung in den mit einer Ausnehmung versehenen Teil des Metallelements.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verschlußelement in der Öffnung angeordnet wird, bevor die Breimasse in den mit der Ausnehmung versehenen Teil des Metallelements eingegeben wird, und das Verschlußelement entfernt wird, nachdem die Breimasse getrocknet ist.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschicht über der Öffnung liegt und der Oberflächenbereich der Reflexionsschicht wenigstens gleich dem Bereich der Öffnung ist.

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26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserrohr Ausheiztemperaturen ausgesetzt wird, um darin enthaltene Verunreinigungen zu entfernen.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschicht ein Material umfaßt, das in der Lage ist, den Ausheiζtemperaturen für das Rohr zu widerstehen.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschicht abwechselnde Schichten aus Materialien aufweist, die aus der aus Titandioxyd, Zirkondioxyd, Zeriumoxyd, Siliziumdioxyd, Magnesiumfluorid, Calciumfluorid, Indiumoxyd, Zinnoxyd, Lithiumfluorid, Natriumfluorid, Kryolith und Thoriumdioxyd bestehenden Gruppe gewählt sind.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die abwechselnden Schichten Titandioxyd und Siliziumdioxyd umfassen.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einer Ausnehmung versehene Metallelement eine Metallegierung aus Nickel und Eisen umfaßt und das Glassubstrat ein Weichglas enthält.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einer Ausnehmung■versehene Metallelement scheibenförmig ist und eine Reihe von internen, konzentrischen abstufungsähnlichen Teilen mit abnehmendem Durchmesser aufweist, die Öffnung in dem Abstufungsteil mit kleinstem Durchmesser gebildet ist und die mit der Reflexionsschicht versehene Oberfläche des Glassubstrats auf diesem gelagert ist.

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