DE2623199A1 - Kurzentladungslaser - Google Patents

Description

Fo 9989 D

^ΡΒγ 2 4 Μ-ί »

Dipl.-lng. Jürgen WEINMILLER

PATENTASSESSOR 2623193

SΟ-TT-O GmbH

80OO München 8O
Zeppelinstr. 63

COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE S.A. 54, rue La Boetie, 75382 PARIS CEDEX 08 Prankreich

KURZENTLADUNGSLASER

Die Erfindung betrifft einen Laser, bei dem eine kurze Entladung zwischen zwei länglichen Elektroden stattfindet,

In einem derartigen Laser wird die Lichtabstrahlrichtung im allgemeinen hauptsächlich nicht durch einen optischen Resonanzraum bestimmt, sondern durch die Form des Raums, in dem die Lichtverstärkung stattfindet. Die Hauptabstrahlungsrichtung ist dann diejenige, in der das Licht am längsten verstärkt werden kann, d.h. die Längsausrichtung des zwischen den beiden Elektroden liegenden Raums. In diesem ein geeignetes Gas enthaltenden Raum erfolgt die elektrische Entladung, die

609851/0738

durch Erregen dieses Gases die Verstärkungswirkung erzeugt. Es ist wünschenswert, eine Lichtabstrahlung mit möglichst kleiner Divergenz zu erhalten.

Ein Kurzentladungslaser, bei dem die Entladung in Form einer fortschreitenden Welle abläuft, umfaßt herkömmlicherweise eine flache elektrische Leitung, deren leitende Oberflächen parabelförmig ausgebildet sind; im Brennpunkt der Parabel ordnet man eine Funkenstrecke an, die nach einem Aufladen der Leitung die beiden leitenden Oberflächen kurzschließt und so eine in der Leitung fortschreitende elektrische Welle erzeugt; ein Laserkanal wird dadurch geschaffen, daß eine der leitenden Oberflächen durch einen geradlinigen Spalt unterbrochen wird, dessen Ränder zwei Elektroden bilden und der mit einem Gas, beispielsweise Stickstoff, gefüllt wird. Dieser Spalt bildet mit der Parabelachse einen geeigneten Winkel; die beiden Elektroden sind elektrisch über eine Spule für das Aufladen der flachen Leitung verbunden. Auf diese Weise erhält man zwischen den Elektroden eine räumlich begrenzte elektrische Entladung, die sich im Kanal mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet und eine sehr rasche Erregung des Stickstoffs bewirkt.

Mit dieser Erregung kann selektiv eine fortschreitende, die Entladung begleitende Lichtwelle verstärkt werden. Ein derartiger Laser wird in I.E.E.E. Journal of Quantum Electronics, Bd. QE-IO, Nr. 2, Februar 1974, Seiten 147 bis 153, beschrieben.

Die Elektroden,zwischen denen die elektrische fortschreitende Entladung auftritt, sind poliert und weisen die Form von parallelen ebenen Flächen mit abgerundeten Rändern auf. Eine derartige Form stellt eine einfache und klassische Lösung für die Erzeugung einer elektrischen Entladung zwischen zwei

609851/0738

Elektroden dar, wenn die Zündspannung genau bestimmt sein soll und die Elektroden nicht beschädigt werden sollen.

Das so erhaltene Laserimpulsbündel weist eine Divergenz auf, die zum Teil dadurch unterdrückt werden kann, daß in der Bahn des Laserstrahlbündels eine Linse angeordnet wird, deren Brennpunkt mit einem ersten Ende des Laserkanals zusammenfällt, d.h. mit dem Bereich, in dem die elektrische Entladung beginnt und in dem die Lichtwelle auftritt, die anschließend über die gesamte Länge des Kanals hinweg verstärkt wird. Die jedoch dann noch vorhandene Divergenz wirkt immer noch störend und kann durch auf das Strahlenbündel einwirkende optische Mittel nicht in ausreichender Weise korrigiert werden.

Ferner kennt man aus Opto Electronics, Bd. 4, Nr. 1. Februar 1972, Seiten 43 bis 49, einen Kurzentladungslaser, der mit einer fortschreitenden Welle arbeitet und dessen Elektroden in einem Schnitt durch eine zum das aktive Gas enthaltenden Kanal senkrechte Ebene die Form einer abgerundeten Spitze aufweisen. Dieser Laser liefert ein stark divergierendes Strahlenbündel mit 66 Milliradianten in einer Richtung und 26 in der anderen Richtung. Dieser Artikel bringt also offenbar keine Lösung im Hinblick auf eine Verringerung der Divergenz des Ausgangsstrahlenbündels eines Lasers.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Kurzentladungslasers, bei dem die Entladung zwischen zwei länglichen Elektroden stattfindet und mit dem ein nur sehr wenig divergierendes Strahlenbündel erreicht werden kann.

Dieses Ziel wird bei einem wie im Hauptanspruch gekennzeichneten Laser erreicht.

609851 /0738

Der erfindungsgemäße Laser ist deshalb wirksamer als die bisher bekannten Kurzentladungslaser, da bei letzteren der nicht weiter zu verringernde Anteil von Divergenz darauf zurückzuführen ist, daß ein Teil der Erregungsenergie des Gases
zur Verstärkung der sich schräg zur Laserkanalrichtung ausbreitenden Strahlungsanteile durch aufeinanderfolgende Reflexion an den flachen Stellen der sich gegenüberliegenden Elektrodenseiten verbraucht wurde.

An Hand dreier Figuren wird nachfolgend eine Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben, wobei die sich entsprechenden Bauteile in den verschiedenen Figuren dieselben
Bezugszeichen erhalten.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines erfindungsgemäßen
Lasers.

Fig. 2 zeigt den Laser aus Fig. 1 im Längsschnitt.

Fig. 3 zeigt in größerem Maßstab einen Schnitt durch den Spalt des Lasers gemäß Fig. 1 und Fig. 2.

Gemäß Fig. 1 und 2 umfaßt der erfindungsgemäße Laser ein längliches Gehäuse 2 aus Methy!polymethacrylat, das Stickstoff unter einem Druck von 30 bis 60 Millibar, beispielsweise 50 Millibar, enthält. Zwei längliche Elektroden aus rostfreiem Stahl 4 und 6 sind in diesem Gehäuse parallel zueinander angeordnet und sitzen auf Rändern eines Spalts 8 von 90 cm Länge,
der den Laserkanal bildet.

Der Spalt trennt zwei obere Kupferfolien 10 und 18
voneinander, die mit einer unteren Kupferfolie 12 und einer 75 M starken Isolierfolie 16 aus Polyester oder Polyimid eine flache elektrische Leitung 14 von Parabelform bilden. Die Folie 18
ist über eine Induktanz 20 mit der Folie lo verbunden.

609851/0738

Ein elektrischer Generator 22 lädt die Leitung auf eine Spannung von 1 bis IO kV, beispielsweise 5 kV, auf.

Eine im Brennpunkt der Parabel 14 angeordnete Funkenstrecke 24 ruft eine plötzliche Entladung in dieser Leitung hervor. Dadurch entsteht eine elektrische Welle in der Leitung. Diese Welle ist zunächst kreisförmig und wird dann durch Reflexion an den Parabelrändern 14 zu einer geradlinigen Welle, deren Front senkrecht zur Achse dieser Parabel ausgerichtet ist und sich parallel zur Parabelachse in Richtung auf den Spalt 8 hin ausbreitet. Wenn die Welle den Spalt erreicht, ruft sie zwischen den Elektroden 4 und 6 eine kurze elektrische Entladung hervor.

Aufgrund der schrägen Anordnung dieses Spalts im Vergleich zur elektrischen Welle breitet sich die Entladung von einem ersten Ende 26 bis zu seinem zweiten Ende 28 des Spalts mit Lichtgeschwindigkeit aus. Am Ende 26 taucht eine Lichtwelle auf, die sich zum Ende 28 hin ausbreitet und somit die elektrische Entladung begleitet. Wenn diese Lichtwelle eine geeignete Wellenlänge hat, beispielsweise 3371 A, wird sie über die gesamte Länge des Spalts 8 hinweg durch den Stickstoff, der durch die elektrische Entladung erregt ist, verstärkt, während eine Licht-VJBlIe derselben Wellenlänge, mit jedoch einer sehr verschiedenen Ausbrextungsrxchtung lediglich über einen kurzen Ausbreitungsweg hinweg verstärkt würde.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die verstärkte Welle am Ende 26 entsteht, muß, wenn man ein möglichst divergenzarmes Ausgangaatrahlenbündel erzielen will, eine Konvergenzlinse 30 eingesetzt werden, deren Brennpunkt mit dem Ende 26 zusammenfällt.

609851 /0738

Jedoch bleibt eine geringe Divergenz des Strahlenbündels bestehen, da ein Teil der Strahlung durch die Elektroden 4 und 6 reflektiert wird und dabei einen Winkel mit der Achse des Spalts 8 bildet, wodurch ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit in Richtung des Kanals sehr nahe an die der elektrischen Entladung herankommt; dieser Teil der Strahlung mit einer Wellenlänge von 3371 A wird daher ebenfalls über die gesamte Länge des Spalts hinweg verstärkt.

Durch die Form der Elektroden 4 und 6, die in Fig. im Detail gezeigt ist, können diese Reflexionen und diese Störverstärkung vermieden werden. Jede dieser Elektroden ist poliert und zeigt im Schnitt die Form einer zur anderen Elektrode hin ausgerichteten abgerundeten Spitze.

Der Krümmungsradius der abgerundeten Spitze, beispielsweise 1 mm, beträgt vorzugsweise weniger als ein Viertel der Breite des Spalts 8 zwischen diesen Spitzen (6,7 mm). Vorzugsweise bleibt dieser Radius jedoch größer als 2% dieser Breite. Jede Spitze bildet im Schnitt einen Kreisbogen, der vorzugsweise einen Winkel zwischen 120 und 170 umfaßt, so daß die Stärke der Elektroden zunimmt, wenn man sich vom Spalt 8 entfernt. Außerhalb dieser Spitzen weisen die Elektroden die allgemeine Form von Platten mit 5 mm Stärke auf und besitzen zwei parallel zur allgemeinen Richtung der Folien 10, 12 und 18 liegende Seiten. Die von den Folien abgewandte Seite 40 bleibt bis zur abgerundeten Spitze parallel zu dieser allgemeinen Richtung. Die andere Seite 42 steht mit der Folie 10 bzw. 18 bis zum Rand dieser Folie in Kontakt, der gleichzeitig eine Kante 44 bildet. Danach entfernt sich diese Seite von der gedachten Verlängerung dieser Folie bis zur abgerundeten Spitze.

609851/0738

2623193

Hierdurch wird erreicht, daß der Entladungsbereich von der Isolierfolie 16 entfernt wird. Dieser Bereich liegt zwischen den abgerundeten Spitzen und ist gestrichelt eingezeichnet .

Die Folien 10, 12, 16 und 18 sind auf einem Träger befestigt, der die gesamte Anordnung mechanisch versteift.

In diesen Träger sind unter den Stellen, an denen die Elektroden 4 und 6 sich mit den Folien 10 und 18 in Berührung befinden, parallel zu den Kanten 44 zwei Nuten eingeschnitten.

In diesen Nuten liegen Schläuche 48 und 50, mit denen alle Folien 10, 12, 16 und 18 elastisch gegen die Elektroden und 6 gedrückt werden, so daß sich zwischen den Elektroden und den Folien 10 und 18 ein guter Kontakt ergibt.

Der Sockel 46 bildet weiterhin zum Innenraum des Gehäuses 2 hin eine Vertiefung 52, so daß die Folien 16 und in einem noch weiteren Abstand vom Kanal 8 gehalten werden können. Dieser Abstand wird dadurch erreicht, daß der Boden dieser Vertiefung 52 mit einer hier nicht dargestellten Vakuumpumpe verbunden wird.

Mit dem beschriebenen Laser kann mit Hilfe einer Linse 30 ein Strahlenbündel erzielt werden, dessen Divergenz nur 0,3 Milliradianten beträgt, während bei der üblichen Elektrodenform und bei Verwendung einer entsprechenden Linse die Divergenz etwa 10 Milliradianten betragen würde. Die Lichtimpulsdauer liegt im allgemeinen zwischen 2 und 12 Nanosekunden.

Manchmal kann es nützlich sein, in der Nähe der Funkenstrecke 24 einen Reflektor anzubringen, um zu vermeiden, daß die

6098 B 1 /0738

in der Funkenstrecke entstehende kreisförmige Welle direkt den Spalt 8 erreicht. Jedoch ist dies nicht unbedingt erforderlich, da die direkte Welle fast gleichzeitig mit der vom parabelförmigen Rand der flachen Leitung reflektierten Welle am Spalt 8 eintrifft.

Je niedriger die an die Metallfolien 10 und 12 angelegte Spannung ist, desto kleiner kann der Abstand zwischen den Elektroden 4-iund 6 bei konstantem Druck im Gehäuse 2 werden. Es ist wünschenswert, diesen Abstand auf weniger als 9 mm zu drücken, womit es möglich wird, die Restdivergenz des Strahlenbündels weiter zu verringern. Der Druck liegt vorteilhafterweise zwischen 30 und 60 Millibar. In Anbetracht der Tatsache, daß die Energie der elektrischen Entladung nicht zu sehr verringert werden kann, ergibt sich daraus, daß es vorteilhaft ist, zwischen den Folien 10 und 12 einen geringen Abstand zu wählen, d.h., für die das Dielektrikum bildende Isolierfolie 16 eine Stärke von weniger als 130 Mikron vorzusehen. In der Praxis hat sich für eine Stärke von 75 Mikron eine Spannung von 5 kV mit einem Elektrodenabstand von 6,7 mm bewährt. Man kann jedoch bis auf 1 kV bei einem Elektrodenabstand von 2 mm und eine Stärke der Folie 16 von 25 Mikron heruntergehen.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist es selbstverständlich, daß andere Formen für die elektrische Leitung verwendet werden können. Auch kann die elektrische Energie in einer Gruppe von Kondensatoren gespeichert werden.

609851 /0738

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   <-■■
   1 *- Kurzentladungs laser, bei dem die Entladung zwischen zwei länglichen Elektroden erfolgt und der ein Gehäuse umfaßt, das mindestens eine lichtdurchlässige Wandung aufweist und ein Gas enthält, das lichtverstärkende Wirkung hat, wenn es durch eine elektrische Ladung erregt wird, ferner in diesem Gehäuse zwei parallel zueinander angeordnete längliche Metallelektroden, deren sich gegenüberliegende Flächen poliert sind und zwischen sich einen länglichen Spalt begrenzen, ferner elektrische Mittel, mit denen eine Entladung zwischen den einander gegenüberliegenden Seiten der Elektroden ausgelöst werden kann, so daß eine an einer ersten Stirnseite des Spalts auftretende Lichtwelle, die sich zur zweiten Stirnseite hin bewegt, entlang dem Spalt bis zu dieser zweiten Stirnseite hin verstärkt wird und dann durch die lichtdurchlässige Wandung das Gehäuse verläßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein konvergierendes optisches System (30) in der Bahn der an der zweiten Stirnseite des Spalts (8) austretenden Lichtwelle angeordnet wird, wobei der Brennpunkt dieses optischen Systems praktisch mit der ersten Stirnseite des Spalts zusammenfällt, und daß die sich gegenüberliegenden Seiten der Elektroden (4, 6) im Schnitt durch eine senkrecht zum Spalt verlaufende Ebene die Form einer zur jeweils anderen Elektrode hin gerichteten abgerundeten Spitze aufweisen, wodurch Strahlungsteile, die sich in einer schräg zum Spalt verlaufenden Richtung ausbreiten und auf eine dieser Seiten auftreffen, aus dem Kanal herausreflektiert werden und daher nicht mehr weiter verstärkt werden.

   609851 /0738

   2 - Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümraungsradxus der abgerundeten Spitze zwischen 2% und 25% der Breite des Spalts beträgt.

   3 - Laser gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Schnitt die Schenkel des Winkels mit der abgerundeten Spitze praktisch geradlinig sind, und daß der Bogen, der im Querschnitt diese Spitze bildet, einen Winkel von 120 bis 170° einschließt.

   4 - Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung entlang des Spalts (8) eine punktförmige ist, die sich von der ersten zur zweiten Stirnseite mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt, derart, daß die Lichtwelle von der Entladung entlang des Spalts begleitet wird und dadurch selektiv verstärkt wird.

   5 - Laser gemäß Anspruch 1, bei dem die elektrischen Mittel aus einer parabelförmxgen Flachleitung bestehen, die zwei durch eine Isolierfolie getrennte Metallfolien umfaßt, wobei in einer der Folien ein schräger Spalt vorgesehen ist, dessen Ränder mit den Elektroden besetzt sind, wobei Mittel vorgesehen sind, mit denen eine fortschreitende elektrische Welle in der Flachleitung ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Isolierfolie (16) geringer als 130 Mikron ist, wobei der Abstand zwischen den Elektroden (4, 6) bei einem Druck im Gehäuse (2) von 30 bis 60 Millibar kleiner als 9 mm ist.

   χ χ

   S09851/0738

   Leerseite