DE2607004A1

DE2607004A1 - Laser

Info

Publication number: DE2607004A1
Application number: DE2607004A
Authority: DE
Inventors: Ronald V Alves; Verne R Costich
Original assignee: COHERENT RADIATION
Current assignee: Coherent Inc
Priority date: 1975-02-24
Filing date: 1976-02-20
Publication date: 1976-09-02
Also published as: FR2301940A1; US3993965A; DE2607004C3; GB1544832A; FR2301940B3; JPS51109791A; DE2607004B2

Description

PATENTANWÄLTE

DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

D-8 München 60 · Orthstraße 12 · Telefon 832024/5

Telex 5212744 · Telegramme Interpatent

2 0. Feb

C8 P9 D

Coherent Radiation, Palo Alto, CaI., USA

Laser

Priorität: 24. Februar 1975 - USA - Serial No. 552,371

Zusammenfassung

Ein Entladungsrohr für einen Gaslaser ist mit Fenstern aus kristallinem Quarz abgeschlossen, die in der Gegenwart von energiereicher oder ultravioletter Strahlung und sichtbarem Licht nicht fluoreszieren.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Laser und insbesondere Fenster für Laser mit verbesserten Transmissionsei genschaften.

Ein typischer Gaslaser, beispielsweise ein Ionen- oder Krypton-Laser weist ein Entladungsrohr oder -gefäß auf, das das gasförmige Lasermedium einschließt. Durch das Lasermedium wird eine Entladung aufgebaut, um das Lasermedium auf höhere Energiezustände anzuregen, die für die Laserwirkung benötigt werden. Ein optischer Resonator ist mit dem Entladungsrohr ausgefluchtet, so daß von dem angeregten Lasermedium emittiertes Licht

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zwischen den Spiegeln des optischen Resonators schwingt und beim Durchtritt durch das eigentliche Lasermedium verstärkt wird.

Die Enden des Entladungsrohres werden üblicherweise mit hochlichtdurchlässigen Fenstern abgeschlossen. Das Entladungsrohr ist so angeordnet, daß zwischen den Resonatorspiegeln schwingendes Licht durch diese Fenster hindurchtritt. Um den Transmissionswirkungsgrad zu maximieren, liegen diese Fenster häufig unter dem Brewster'schen Winkel zum optischen Weg. Da Laser zu relativ niedrigem Wirkungsgrad neigen, arbeiten sie oft gerade oberhalb des Betriebsschwellwertes. Es ist deshalb sehr wichtig, daß die optischen Verluste im Resonator minimal gehalten werden.

Als Resultat dieser Forderung werden die Brewster'schen Fenster, die das Entladungsrohr abschließen, sowie andere optische Elemente, die in den Weg des optischen Resonators eingesetzt werden, durchweg aus geschmolzener Siliziumerde hergestellt, einer Form von glasartiger Siliziunierde. Geschmolzene Siliziumerde wird für optische Anwendungen hoher Qualität verwendet, weil es (1) sehr niedrige optische Verluste hat, (2) einen niedrigen thermischen Dehnungskoeffizienten hat, und (3) zu hoher Oberflächengüte poliert werden kann.

Geschmolzene Siliziumerde für qualitativ hochwertige optische Anwendungen wird typischerweise synthetisch durch Hydrolyse aus der Dampfphase hergestellt. Sauerstoff wird durch eine flüchtige Siliziumverbindung geschickt, beispielsweise Siliziumtetrachlorid, und die resultierende Mischung wird zusammen mit Erdgas in einen Brenner eingespeist. Statt Erdgas wird oft Wasserstoff verwendet. Die Hydrolyse findet in der resultierenden Flamme statt, so daß geschmolzene Siliziumerde entsteht.

Geschmolzene Siliziumerde ist von geschmolzenem Quarz zu unterscheiden, einer anderen Form von glasartiger Siliziumerde, der geringere optische Qualität hat und im allgemeinen in Anwendungsfällen wie Lasern nicht verwendet wird. Geschmolzener Quarz ist das Material, das durch direktes Schmelzen von natürlichen Quarzkristall en gebildet wird. Weitere Informationen

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hinsichtlich der Eigenschaften von geschmolzener Siliziumerde sowie anderer glasartiger Siliziumerden, beispielsweise geschmolzenem Quarz, können entnommen werden der "Encyclopedia of Chemical Technology", Band 18, 2. Ausgabe, John Wiley & Sons, Inc., 1969, Seiten 73 bis Io5.

Ein verwirrendes Problem, das den Laserwirkungsgrad herabsetzt, ist die Erscheinung einer rosa oder rötlichen Fluoreszenzlichtemission, die von den Brewster'sehen Fenstern ausgeht, die das Laserentladungsrohr abschließen. Diese häufig beobachtete Erscheinung wird in dem Abschnitt des Brewster¹sehen Fensters beobachtet, durch den der Laserstrahl passiert, der zwischen den Resonatorspiegeln schwingt. Die Fluoreszenz geht vom Inneren des Fensters aus und ist von den gelegentlichen Oberflächen-Fluoreszenzeffekten zu unterscheiden, die sich aus dem Niederschlag von verschiedenen Materialien auf der Oberfläche des Fensters ergeben. Die Gründe für diese Fluoreszenz sind nicht ganz verständlich, es wird jedoch angenommen,daß es sich um das Resultat des Bombardements durch energiereiche sichtbare und ultraviolette Photonen handelt, die in dem Entladungsrohrplasma erzeugt werden.

Die Stärke der Fluoreszenz variiert zwischen verschiedenen Fenstern. Es ist auch beobachtet worden, daß die Stärke der Fluoreszenz gewöhnlich mit der Benutzung des Lasers steigt. Das Vorhandensein der roten Fluoreszenz ist außerordentlich ungünstig für das Betriebsverhalten des Lasers. Im Effekt handelt es sich bei der Energie, die zur Erzeugung des Fluoreszenzeffektes verbraucht wird, um Energie aus dem oszillierenden Laserstrahl. Unter Berücksichtigung des allgemein niedrigen Wirkungsgrades von Lasern bedeutet das, daß die Gesamt-Ausgangsenergie durch den Fluoreszenzeffekt drastisch reduziert wird, oder die Laserwirkung kann vollständig aufhören.

Das Problem tritt verschärft bei Wellenlängen oder Linien auf, die von Haus aus eine geringe natürliche Stärke haben. Das kann am besten anhand eines Beispiels erläutert werden. Der Argon-Ionen-Laser arbeitet am häufigsten

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bei 4880 AE (blau) und 5145 ΛΕ (grün). Ein Argon-Ionen-Laser hat jedoch auch ultraviolette Linien bei 3638 AE und 3511 AE. In ähnlicher Weise ist zwar die energiereichste Wellenlänge von Krypton 6471 AE (rot), es hat jedoch auch ultraviolette Linien bei 3507 AE und 3564 AE. Als allgemeine Näherung haben die sichtbaren Linien dieser beiden Laser eine um eine Größenordnung höhere Stärke als die ultravioletten Linien. Wenn also ein Argon- oder Krypton-Ionen-Laser im Ultravioletten arbeitet oder arbeiten soll, erfolgt eine proportional stärkere Beeinträchtigung des Ausgangs durch die Fluoreszenz der Fenster.

Es tritt noch ein weiterer nachteiliger Effekt auf. Es wurde beobachtet, daß der Laserstrahl manchmal versucht, einen Weg mit geringerem Verlust "um die Fluoreszenz herum" zu suchen. Dadurch wird eine Vibration oder Tanzbewegung des Laserstrahls verursacht, die den Effekt haben kann, daß der Betriebsmodus des Lasers geändert wird oder, in einigen extremen Situationen wird der Strahl selbst vollständig aufgebrochen.

Es sind verschiedene Versuche gemacht worden, dieses Problem der internen Fluoreszenz zu lösen. Ein üblicher Lösungsweg besteht einfach darin, Fenster aus geschmolzener Siliziumerde zu verwenden, die empirisch die schwächste Fluoreszenz haben, und sie nach ausgiebigem Gebrauch zu ersetzen, da der Gebrauch normalerweise ein Anwachsen der Fluoreszenz mit sich bringt. Ein anderer Lösungsweg bestand darin, die Stärke der Fenster zu reduzieren, wodurch die Gesamtintensität der Fluoreszenz herabgesetzt wird. Die erstere Lösung hat den Nachteil, daß es notwendig ist, sehr viel Zeit und Arbeit dafür aufzuwenden, den Laser neu aufzubauen, und die letztere Lösung bringt das Problem mit sich, daß dünne Fenster leicht durch mechanische Spannungen verzerrt werden, durch die optische Inhomogenitäten in den optischen Weg eingeführt v/erden. Alle diese Lösungsmöglichkeiten gehen v/eiterhin davon aus, daß Glas hoher Qualität verwendet werden muß. Da diese Forderungen am besten durch geschmolzene Siliziumerde erfüllt werden, war dieses das Material der Wahl.

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Zusammenfassung der Erfindung

Durch die Erfindung soll deshalb ein verbesserter Laser mit besserem Betriebswirkungsgrad verfügbar gemacht werden.

Weiter sollen durch die Erfindung Fenster für ein Laser-Entladungsrohr verfügbar gemacht werden, die keiner Fluoreszenz in der Gegenwart von intensiven optischen und ultravioletten Strahlen ausgesetzt sind.

Weiter soll durch die Erfindung ein verbessertes ßrewster'sches Fenster für einen Laser verfügbar gemacht werden.

Ferner sollen durch die Erfindung verbesserte Fenster verfügbar gemacht werden, die in den optischen Resonator eines Lasers eingesetzt werden.

Erfindungsgemäß wird kristalliner Quarz für die optischen Fenster im optischen Resonator eines Lasers verwendet. Es wurde festgestellt, daß kristalliner Quarz mit geringen Verunreinigungen, insbesondere synthetisch gewachsener kristalliner Quarz, abweichend von geschmolzener Siliziunierde, die unerwünschte rosa oder rote innere Fluoreszenz, die soeben erläutert worden ist, nicht zeigt. Brewster'sche Fenster, die aus kristallinem Quarz hergestellt sind, sind besonders erwünscht für Gaslaser, die im Ultravioletten arbeiten. In den sichtbaren Wellenlängen ergibt sich ebenfalls ein verbessertes Betriebsverhalten.

Kristalliner Quarz unterscheidet sich von glasartiger oder geschmolzener Siliziumerde darin, daß die Siliziumerdemoleküle in Kristallgittern angeordnet sind. Während natürlicher Kristallquarz reichlich vorhanden ist, wird kristalliner Quarz mit höherer optischer Qualität synthetisch gewachsen, beispielsweise durch Kristallisierung aus Alkalilösungen, die in Stahldruckgefäßen bei Temperaturen zwischen 200 ⁰C und 500 ⁰C und Drucken bis zu 1750 Bar (25.000 psi) enthalten sind.

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Kristalliner Quarz, gleichgültig ob synthetisch oder natürlich, wird im allgemeinen nicht als wünschbares Material betrachtet, wenn optische Eigenschaften hoher Qualität erforderlich sind, wie in einem Laser. Kristalliner Quarz hat größere Verunreinigungen, ist weniger durchlässig, hat höhere Streuung und kann nicht so gut poliert werden wie geschmolzene Siliziumerde hoher Qualität.

Eine weitere Eigenschaft von kristallinem Quarz, die in geschmolzener Siliziumerde nicht vorhanden ist, ist, daß dieser doppeltbrechend ist. Doppelbrechung ist das Aufspalten einer Wellenfront, wenn eine Wellenstörung sich in einem anisotropen Material fortpflanzt. In solchen Materialien sind für jede Fortpflanzungsrichtung für linear polarisierte elektromagnetische Schwingungen zwei Haupt-Wanderungsrichtungen vorhanden, für die Geschwindigkeit unterschiedlich ist. Diese Polarisationsrichtungen liegen unter rechten Winkeln. Wenn die Polarisationsebene eines Lichtstrahls nicht mit einer der beiden Haupt-Fortpflanzungsrichtungen übereinstimmt, wird das Licht in parallel zueinander liegende Komponenten aufgespalten. Allgemein ist Doppelbrechung keine erwünschte Eigenschaft bei optischen Anwendungen hoher Qualität.

Tatsächlich ist die häufigste optische Verwendung von kristallinem Quarz die Ausnutzung seiner Doppelbrechungseigenschaften (vgl. beispielsweise US-Patentschrift 3 868 592). Bei Anwendung wie in einem Brewster'sehen Fenster für ein Laserentladungsrohr ist die Eigenschaft der Doppelbrechung jedoch unerwünscht, da es sich um eine unerwünschte Polarisierung und eine sog. "optische Aktivität" handelt.

Trotz dieser Nachteile des kristallinen Quarzes, und trotz der Tatsache, daß kristalliner Quarz ein solch unwahrscheinliches Material für eine Anwendung wie in einem Brewster¹sehen Fenster 1st, macht der Vorteil, der durch die Beseitigung der rosa Fluoreszenzemission erhalten wird, diese Nachteile als optisches Material mehr als wett.

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Bei tatsächlichen Lasern, in denen die Erfindung verwendet wird, war der kristalline Quarz synthetisch gewachsen, und es war bekannt, daß er geringe Konzentrationen an Natrium-, Lithium- und Wasserstoffverunreinigungen hatte. Der Grund, warum dieses Material die unerwünschte rosa Fluoreszenz nicht zeigt, ist nicht voll verständlich. Es ist möglich, daß es sich um das Vorhandensein dieser Verunreinigungen-oder unbekannter Fehler in der Kristallstruktur handelt, die dafür verantwortlich sind. Unter "Fehlstellen" sind entweder Verunreinigungen im Quarz oder "Leerstellen" zu verstehen, wobei eine Leerstelle das Fehlen eines Silizium- oder Sauerstoff-Atoms in der Kristallstruktur ist. Es kann auch das Resultat der Kristallstruktur selbst oder etwas, was von Natur aus zum Wachstumsprozeß des synthetischen Kristalls gehört, sein, was verantwortlich ist.

Eine andere mögliche Theorie besteht darin, daß Fehlstellen verursachende Linienabsorption in kristallinem Material geringer ist als in geschmolzenem Material. Darunter ist zu verstehen, daß die Lichtenergieabsorptionsbänder in kristallinem Quarz enger und besser definiert sind als in geschmolzener Siliziumerde. So lange diese Absorptionsbänder außerhalb der Laserwellenlängen liegen, findet keine Fluoreszenzaktivität statt. Dementsprechend ist das wünschbarste kristalline Quarzmaterial eines, das (1) eine geringe Konzentration und Anzahl von Fehlstellen hat, und (2) Fehlstellen, deren Hauptabsorptionsbänder außerhalb des Laserbereichs liegen. Diese Kriterien sind am leichtesten mit synthetisch gewachsenem kristallinen Quarz zu erfüllen, wo in großem Ausmaß die Art und Konzentration von Verunreinigungen kontrolliert werden kann.

Es ist darauf hinzuweisen, daß es sich hier nur um Theorien handelt und nicht unbedingt umeine tatsächliche Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden: es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Gaslaser, bei dem die Erfindung verwendet wird und

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Fig. 2 eine Ansicht eines der Brewster¹sehen Fenster des Lasers

in Fig. 1 entsprechend der Linie 2-2 in Fig. 1

In Fig. 1 ist schematisch ein Laser 10 dargestellt. Zur Erläuterung der Erfindung ist ein Gas-Ionen-Laser dargestellt. Er weist also ein Hochstrom-Gasentladungsrohr 12 mit einer Anode 14, einer Kathode 16 und einer Bohrungsstruktur 18 auf, die zentral angeordnet sind und in der dargestellten Weise einen Bogenentladungsweg 20 definieren. Die Bogenentladung wird dadurch aufgebaut, daß eine Spannung von einer Stromversorgung 21 über die Anode 14 und die Kathode 16 gelegt wird. Das Entladungsrohr 12 ist dicht abgeschlossen und enthält ein Gas wie Argon oder Krypton oder ein anderes geeignetes Gas. Das Gas ist das aktive Lasermedium.

Die Anode und Kathode sind konzentrisch und erlauben einem im Entladungsrohr erzeugten optischen Strahl, durch Fenster 22 und 24, die unter dem Brewster' sehen Winkel zum Weg des intern reflektierten kohärenten Lichtstrahls angeordnet sind, hindurchzutreten, um den Lichttransmissionswirkungs-

grad hindurch zu maximieren. Die Brewster¹sehen Fenster schließen das Gasentladungsrohr ab, um eine luftdichte Dichtung zu bilden, die beispielsweise mit Epoxy in bekannter Weise hergestellt wird.

Die Bogenentladung sorgt dafür, daß die Gase innerhalb des Entladungsrohres ionisiert und auf Energieniveaus angeregt werden, und wenn diese Ionen auf niedrigere Energiezustände herabfallen, wird in bekannter Weise Strahlung emittiert. Dadurch,daß eine optische Resonatorstruktur 25 vorgesehen ist, die einen ersten Spiegel 26 aufweist, der im wesentlichen vollständig reflektiert, und ein zweiter Spiegel 28, der etwa 97 bis 98 % reflektiert, wird die resultierende Strahlung verstärkt und durch den Spiegel 28 ein Ausgang geliefert, (vgl. beispielsweise US-Patentschrift 3 783 407).

Da der Laser bei sehr hohen Temperaturen arbeitet, in der Nähe von 1000 ⁰C, ist ein Kühlsystem 30 vorgesehen, das einen Kühlmantel 32 aufweist, der das Entladungsrohr umgibt. Wasser tritt durch ein Rohr 34 in den Kühlmantel

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ein und kehrt durch Rohr 36 zum Kühlsystem zurück. Ein Elektromagnet in Form einer Zylinderspule umgibt das Entladungsrohr 12 und sorgt für ein axiales Magnetfeld. Die Funktion dieses Feldes ist es, die Ausgangsleistung dadurch zu erhöhen, daß die Entladung eingeschnürt und damit die Ionendichte erhöht wird, ohne daß die Elektronenenergie weit genug herabgesetzt wird, um die Laseranregung zu verschlechtern. Das Magnetfeld verringert auch die BiIdungszeitverzögerung beim ßogenzünden aufgrund des gleichen Mechanismus. Die Zylinderspule 38 wird von der Stromversorgung erregt.

Der gesamte Laser, einschließlich der Resonatorstruktur 25 und der Entladungsstruktur 18, ist in einen Mantel oder eine Abdeckung 40 eingeschlossen.

Jeder der Bereiche zwischen den Brewster'sehen Fenstern 22 und 24 und den Spiegeln 26 bzw. 28 des optischen Resonators 25 definiert einen Raum Verunreinigungs- oder Staubschi mie 44 umschließen die ßrev/s ter'sehen Fenster 22 und 24 und verbinden diese mit den Spiegeln 26 und 28 des optischen Resonators.

Erfindungsgemäß sind die Brewster'sehen Fenster 22 und 24 aus synthetisch gewachsenem kristallinem Quarz mit geringen Verunreinigungskonzentrationen hergestellt. Die fenster sind in der Weise orientiert, daß der Doppelbrechungseffekt des kristallinen Quarzes eliminiert wird. Ein Beispiel dafür, wie das erreicht werden kann, ist in Fig. 2 dargestellt, eine Aufsicht auf eines der Brews ter¹sehen Fenster 22. Das Brewster'sche Fenster hat eine elliptische Oberfläche. Das Brewster'sche Fenster 22 ist während seiner Herstellung so geschnitten,daß die optische Achse des kristallinen Fensters auch die kleine Achse der Ellipse definiert.

Diese Achse wird dann so orientiert, daß sie senkrecht zur optischen Achse 48 des Lasers liegt, die in Fig. 2 durch einen Punkt angedeutet ist.

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Auf diese Weise werden Doppelbrechung und optische Aktivität, die sich durch den kristallinen Quarz ergeben könnten, eliminiert.

In einer tatsächlichen Ausführungsform hat das Brewster'sche Fenster eine kleine Achsenabmessung von 9 mm, eine große Achse in der Abmessung von 16,7 mm, und eine Dicke von 1,5 mm. Die Fenstermaterialien wurden von der Firma Sawyer Research Products , Eastlake, Ohio, USA, unter der Bezeichnung "Optical Quality Cultured Quartz" beschafft. Prozesse zum Wachsen von kristallinem Quarz sind bekannt, vgl. beispielsweise US-Patentschriften 2 537 043; 2 674 520; 2 785 058; 2 895 812 und 2 923 605.

Dieses Quarzmaterial weist drei bekannte Verunreinigungen auf, nämlich Lithium in Mengen zwischen 1/2 und 1 Teil pro Million, Natrium in Mengen von 2 bis 9 Teile pro Million, und Wasserstoff in Mengen von 5 bis 20 Teilen pro Million. Laser, in denen dieses kristalline Quarzmaterial als Fenster verwendet wurde, haben mehrere hundert Stunden ohne Anzeichen von rosa Fluoreszenz gearbeitet.

Kristalliner Quarz als nichtfluoreszierendes, durchlässiges Fenster kann in jeder Anwendung benutzt werden, wo ein solches Fenster bei einem Laser erforderlich ist, insbesondere in Lasern, die im ultravioletten oder nahezu ultravioletten Teil des Spektrums arbeiten. Während also die Erfindung anhand eines Ionenlasers beschrieben worden ist, ist sie in gleicher Weise bei anderen Lasertypen anwendbar. Beispielsweise handelt es sich bei Metall-Dampf-Lasern, wie Helium-Cadmium-Lasern, um eine Klasse von Lasern, die besonders zur Verwendung mit der Erfindung anwendbar sind.

Die Erfindung ist in Verbindung mit der Verwendung des Materials als Brewster'sches Fenster beschrieben worden, das ein Entladungsrohr in einem Gaslaser abschließt, die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Einige Gaslaser-Entladungsrohre sind beispielsweise mit Fenstern abgeschlossen,

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die senkrecht zum optischen Weg des Lasers liegen. Kristalliner Quartz ist auch in dieser Situation als Fenstermaterial anwendbar.

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Claims

Patentansprüche

)Laser mit einem Lasermedium, einem optischen Resonator, Einrichtungen zum Anregen des Lasermediums, und Fenstern innerhalb des optischen Resonators, durch die der Laserstrahl hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster aus kristallinem Quarz bestehen.
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline Quarz geringe Zahlen und Konzentrationen von Fehlstellen aufweist.
3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline Quarz synthetisch gewachsen ist.
4. Laser nach Anspruch I₁ 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline. Quarz die Verunreinigungen Lithium, Natrium und/oder Wasserstoff enthält.
5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Lithium in Mengen von etwa 1/2 bis 1 Teil pro Million vorhanden ist, Natrium in Mengen von etwa 2 bis 9 Teilen pro Million, und Wasserstoff in Mengen von etwa 5 bis 20 Teilen pro Million.
6. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline Quarz so orientiert ist, daß Doppelbrechung eliminiert wird.