DE2623202A1

DE2623202A1 - Mehrfachgaslaser

Info

Publication number: DE2623202A1
Application number: DE19762623202
Authority: DE
Inventors: Dudley Augustus Chance; Jean-Claude Andre Chastang; Robert Otis Lussow
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-06-12
Filing date: 1976-05-24
Publication date: 1976-12-30
Also published as: JPS51151098A; FR2314601A1; GB1503445A; FR2314601B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrfachgaslaser mit Laserröhren, Elektroden und einem oder mehreren Puffergefäßen nach Patent C... Patentanmeldung P 25 50 677,8),

Im Hauptpatent wird ein aus miteinander versiegelten Glasplatten oder vorgefertigten Rohren bestehender Laser beschrieben, der neben dem eigentlichen Laserrohr noch mit diesem verbundene Puffergefäße aufweist. Bekanntlich wird die Lebensdauer und der Wirkungsgrad eines Gaslasers durch Veränderungen des Gasdruckes und der Gaszusammensetzung unter Umständen sehr stark herabgesetzt. Diese Veränderungen des Gasdruckes und der Gaszusammensetzung können beispielsweise durch die Bindung von kleinen Gasmengen durch die während der Entladung stattfindende Kathodenzerstäubung oder durch Gasausbrüche aus den Gefäßwänden oder den Versiegelungssubstanzen bedingt sein. Die oben genannten Störungen können beispielsweise durch mit dem eigentlichen Entladungsraum verbundene möglichst großvolumige Puffergefäße weitgehend herabgesetzt werden, durch die die im Entladungsgefäß entstehenden Verunreinigungen auf ein sehr viel größeres Gasvolumen verteilt werden.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, die im Hauptpatent angegebenen Laser bei vollständiger Erhaltung ihrer durch die Einfachheit ihrer Herstellung und der Robustheit ihres Aufbaus ge-

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gebenen Vorteile durch Vergrößerung der Puffergefäße noch weiter zu verbessern. Darüberhinaus soll die Erfindung es möglich machen, besonders großflächige Kathoden zu verwenden. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst.

Die gemäß der Erfindung vorgesehenen, sehr große Begrenzungsflächen aufweisenden Puffergefäße haben den weiteren Vorteil, daß der Wirkungsgrad der Laser durch zusätzliche großflächige Kathoden erhöht werden kann. Aufgrund dieser großflächigen Kathoden ist es möglich, den Laser mit relativ kleinen Stromdichten an den Kathodenflächen zu betreiben, wodurch die Lebensdauer und der Wirkungsgrad erhöht wird. Bei vielen bisher bekannt gewordenen Lasern mit Puffergefäßen sind diese Gefäße außerhalb des eigentlichen Laserkörpers angebracht_f so daß der Umfang der Gesamtanordnung vergrößert und die Empfindlichkeit gegen mechanische Beschädigungen erhöht wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stande der Technik besteht darin, daß man innerhalb einer einzigen Anordnung eine größere Anzahl von Lasern unterbringen kann, ohne den Umfang der Gesamtanordnung wesentlich zu vergrößern. Auf diese Weise ist es möglich, mehrere Laserrohre in einer einzigen Glasplatte und die dazu gehörigen Puffergefäße in einer weiteren Glasplatte unterzubringen. Die Anzahl der zur Herstellung einer mehrere Laser enthaltenen Anordnung erforderlichen Verfahrensschritte ist nicht wesentlich größer als die zur Herstellung eines einzelnen Lasers erforderliche Anzahl, Gemäß der Erfindung ist es auch möglich, in einer einzigen Anordnung eine Vielzahl von einzelnen Lasern unter- j

zubringen und deren Ausgänge durch geeignete optische Mittel zusammenzufassen. Einzelne Laser einer derartigen, mehrere Laser umfassenden Anordnung können auch als Reservelaser beim Ausfall von in Betrieb befindlichen Lasern herangezogen werden.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert .

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Es zeigen:

Fig. 1 die auseinandergezogene Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht der in Fig, 1 dargestellten Vorrichtung entlang des Plasmarohres,

Fign, 3 und 4 weitere Ausführungsformen der Erfindung,

Das in Fig, 1 dargestellte Ausführungsbeispiel besteht aus einer etwa 5 mm dicken Glasplatte 2, die einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 80-95 χ 1O~ /⁰C aufweist. In dieser Glasplatte sind sich über deren ganze Länge erstrekkende kanalförmige Ausnehmungen 4 periodisch angeordnet. Es ist selbstverständlich auch möglich_f daß andere Substanzen mit anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zur Verwirklichung der Erfindung verwendet werden können. Die Anzahl der kanalförmigen Ausnehmungen 4 kann beliebig groß gewählt werden_f solange noch genug Platz für die Anbringung einer entsprechenden Zahl genügend großer Puffergefäße zur Verfügung steht. Die kanalförmigen Ausnehmungen 4 werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit He-Ne Gas gefüllt, mit geeigneten Spiegeln versehen und mittels über geeignete Elektroden angelegte Spannungen zum Senden gebracht. Über der Glasplatte 2 wird eine zweite Glasplatte 6 angeordnet, die im wesentlichen die gleichen Abmessungen und die gleichen Eigenschaften wie die Platte 2 hat. Auf der Platte 6 werden als Kathoden dienende, dünne aber großflächige ιMetallschichten 8 angeordnet, die beispielsweise aus Aluminium, j Gold oder Silber bestehen können. Diese Schichten weisen schmällere Streifen 10 auf, über die die Kathoden mit dem negativen Pol ;einer Spannungsquelle P (Fig. 2) verbunden bzw. geerdet werden. Auf der Platte 6 sind weiterhin Anoden 12 vorgesehen, die mit einer Öffnung 14 mittels einer Glasmetalldurchführung 16 verbunden sind.

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Eine weitere Glasplatte 18, die die gleiche Breite wie die Glasplatten 2 und 6 hat aber etwas kürzer ist, weist Ausnehmungen 20 mit im Vergleich zu den kanalförmigen Ausnehmungen 4 sehr großen Rauminhalt auf. Diese Ausnehmungen bilden, wenn alle Glasplatten miteinander versiegelt sind, die Puffergefäße für das He-IIe Gas. Schließlich ist eine Glasplatte 22 vorgesehen, die gleich der Glasplatte E mit dünnen, als Kathoden dienenden Metallschichten 24 versehen ist. Die Verbindung dieser Kathoden mit den erforderlichen Potentialen erfolgt über Metallstreifen 26. Zweckmäßigerweise wird die Platte"18 etwas kürzer als die Platte 22 ausgebildet, so daß die auf den Platten 22 und 6 befindlichen Metallschichten elektrisch kontaktiert werden können.

Die Platten 6, 18 und 22 weisen öffnungen 28, 28' und 18" auf, die, bei miteinander versiegelten Platten aufeinander ausgerichtet, übereinanderliegen. Bevor die einzelnen Platten miteinander verbunden werden, v/erden in die Platte 2 Stege 32 und 34 und in die Platte 6 entsprechende Stege 32' und 34' eingearbeitet, die entsprechend den Stegen 32 und 34 geschnitten oder angefast sind. Mit diesen Stegen werden Fenster 36 durch Epoxydharz oder durch Siegelglas verbunden. Diese als Brewster-Fenster bezeichneten Vorrichtungen sind unter dem gleichen Winkel wie die Stege 32 und 34 ausgerichtet, so daß ein in der kanalförmigen Ausnehmung 4 entstehender Laserstrahl keine Reflexionsverluste beim Durchtritt durch diese Fenster erleidet.

Die Platten 2, 6, 18 und 22 werden mit Hilfe eines handelsüblichen Siegelmaterials für Glas, beispielsweise mit Hilfe des Glassiegels SG-67 der Owens-Illinois oder C-7570 der Corning Glass Company verbunden. Die Versiegelung oder Verschweißung erfolgt bei einer Temperatur von 460 bis ^85 ⁰C während einer j Dauer von etwa 10 bis 20 Minuten. Es hat sich gezeigt, daß eine j Versiegelung oder Verschweißung der Platten miteinander im oberen j Teil des angegebenen Temperaturbereichs besonders vorteilhaft ist J Während der gegenseitigen Verschweißung der Glasplatten können j

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auch gleichzeitig die Brewsterfenster 36 mit ihren Stegen 32, 34, 32' und 34' verbunden werden. Während der endgültigen Verschweißung werden alle Restgase entfernt und das He-Ne Gas unter dem erforderlichen Druck durch die öffnungen 28, 28' und 28'' eingefüllt. Anschließend werden die öffnungen 28'' durch eine Glasdichtung 38 abgedichtet, wie beispielsweise aus Fig. 2 ersichtlich. Auf diese Weise ist jeder kanalförmigen Ausnehmung 4 ein Puffergefäß 20 für He-Ne Gas zugeordnet.

Zur Vervollständigung des Lasers werden Spiegel 40 mit Halterungen 42 mittels Epoxydharz oder eines anderen geeigneten Bindemittels befestigt, wobei der Mittelbereich jedes Spiegels 40 freibleibt. Die einzelnen Halterungen weisen 4 Einstellschrauben 44 auff von denen an der linken Seite der Fig, 1 nur zwei dargestellt sind, mit denen die endgültige Einstellung bei der Inbetriebnahme des Lasers vorgenommen wird.

Wird an die Anoden 12 und die Kathoden 3 eine geeignete Gleichspannung gelegt, so treten aus den Kathoden 8 Elektroden aus, die eine Ionisierung des He-Ne Gases in den kanalförmigen Ausnehmungen 4 bewirken. Die in Richtung auf die Anode 12 beschleunigten Elektroden erregen die Heliumatome, die ihre Energie an die im Grundzustand befindlichen Neonatome weitergeben und sie dadurch erregen. Fallen die Atome des Neongases aus ihrem erregten Zustand in einen Zustand niedrigerer Energie so wird Licht mit einer bestimmten Wellenlänge emittiert. Die Seitenwände der kanalförmigen Ausnehmungen 4 begünstigen die überführung der Neonatome in ihren Grundzustand durch Veraus-'gabung der Energie des niedrigeren Erregungszustands des Neons. ]Auf diese Weise erfolgt bei einer an die Anode 12 und die Kathode , i ^:

I8 angelegten Gleichspannung das Senden, wobei das im Grundzustand [befindliche Neon durch das im angeregten Zustand befindliche ¹HeIiUm erregt wird. Sollte trotz an die Elektroden 8 und 12 ! j angelegter geeigneter Gleichspannung das Senden nicht einsetzen,

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so müssen die einzelnen Spiegel 40 solange justiert werden, bis die Verluste genügend verringert werden, um ein Senden innerhalb des Resonators zu ermöglichen.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung kann auch mit Hilfe eines Hochfrequenzfeldes betrieben werden. In diesem Falle wird die das sendende Plasma enthaltende Ausnehmung durch einen Hochfrequenzgenerator erregt, der beispielsweise aus einer die das sendende Plasma enthaltende Ausnehmung umgebenden Spule bestehen kann. Bei dieser Betriebsart werden keine innerhalb der Anordnung angeordneten Anoden und Kathoden benötigt. Wie schon gesagt, wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung die Lebensdauer der Laser ganz wesentlich verändert, da das durch die Zerstäubung einer Kathode 3 in einer kanalförmigen Ausnehmung 4 verunreinigte Gas durch das im zugeordneten Puffergefäß 20 befindliche He-Ne Gas verdünnt wird. Diese Puffergefäße sind innerhalb des aus den miteinander verbundenen Glasplatten bestehenden Körpers untergebracht und daher gegen mechanische Einwirkungen weitgehend geschützt. Jede einzelne kanalförmige Ausnehmung 4 kann mit der ihr zugeordneten Anode, Kathode, Puffergefäß, Spiegel usw. als unabhängiger Reservelaser dienen, der bei Ausfall einer anderen Einheit in Betrieb genommen wird. Es ist auch möglich, die einzelnen kanalförmigen Ausnehmungen 4 mit verschiedenen Gasen zu füllen, so daß, wenn die einzelnen Laser nacheinander, voneinander unabhängig oder gleichzeitig in Betrieb genommen werden, verschiedene Frequenzen erzeugt werden.

Eine Abänderung des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels ist aus Fig. 3 ersichtlich. In diesem Ausführungsbeispiel sind die kanalförmigen Ausnehmungen 4 nicht parallel zueinander angeordnet sondern auf einen gemeinsamen Punkt ausgerichtet.

Wird das in allen kanalförmigen Ausnehmungen 4 befindliche j Gas gleichzeitig erregt, so kann das in den gemeinsamen Punkt konvergierende Licht mit Hilfe einer Linse 46 parallel gerich-

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tet werden, so daß mit Hilfe einer relativ kleinen Lasereinheit ein energiereicher Laserstrahl L erzeugt werden kann.

Das in Fig. 4 durch eine Schnittansicht dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung eignet sich besonders für die Massenherstellung von in einem einzigen Gehäuse angeordneten Mehrfachlasern. Ein Glaskörper 50, der auf seiner oberen Fläche eine Vielzahl von kanalförmigen Ausnehmungen 4 und an beiden Seiten unter dem Brewster-Winkel angeordnete Stege 32 und 34 aufweist, wird mit aus Graphit, Keramik oder anderen feuerfesten Materialien bestehenden Formen hergestellt. In gleicher Weise wird eine zweite Glasplatte 52 hergestellt, die außer Stegen 32' und 34' auch öffnungen 14 und 28 aufweist, in die das Lasergas eingegeben wird. Der Glaskörper 52 enthält auch eine Ausnehmung 54_r in der eine Metallkathode 8 mit einem auf der oberen Fläche der Platte liegenden Verbindungsstreifen 10 untergebracht wird. Eine dritte Glasplatte 56 wird ebenfalls in der gleichen Weise hergestellt und weist eine Ausnehmung 58 auf, in der eine Kathode 24 untergebracht ist, die eine fingerförmige Elektrode 26 aufweist. Die Öffnungen 28 und 14 werden durch Verschlüsse 60 bzw. Anoden-12 aufnehmende Siegel 16 verschlossen. Die Stege 32, 32-' _f 34 und 34' werden in der oben angegebenen Weise mit Brewster-Fenstern versehen,

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

' 1. / Mehrfachgaslaser mit Laserrohren, Elektroden und einem oder mehreren Puffergefäßen nach Patent (Patentanmeldung P 25 50 667.R), gekennzeichnet durch eine erste ebene Glasplatte (2, 50) mit einer Vielzahl von kanalförmigen Ausnehmungen (4), eine zweite ebene Glasplatte (6, 52) mit Kathoden (8) und den einzelnen Kathoden zugeordneten Anoden (12), eine dritte ebene Glasplatte (18, 56) mit relativ zu den kanalförmigen Ausnehmungen (4) großen, Puffergefäße darstellenden Ausnehmungen (20) , eine vierte_f flache Kathoden (24) aufweisende und über der dritten Glasplatte angeordnete vierte Glasplatte (22_f 56) , die als Abdeckung für die oben genannten Ausnehmungen dient, öffnungen (28, 28', 28'') in allen auf der ersten Platte angeordneten Platten zur Eingabe des Gases in die besagten kanalförmigen Ausnehmungen (4) und Puffergefäße (20) und durch ein Paar an beiden Enden der kanalförmigen Ausnehmungen angeordneter reflektierender, für jede Ausnehmung einen Resonator bildender Spiegel (40), von denen jeweils einer für die bei Anlegung einer Gleichspannung an eine Kathode und eine dieser zugeordnete Anode entstehende Strahlung teildurchlässig ist.
2. Mehrfachgaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Resonator bildenden Spiegel (40) justierbar sind.
3. Mehrfachgaslaser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden jeder kanalförmigen Ausnehmung (4) zur Aufnahme je eines unter dem Brewster-Tvinkel angeordneten Fenster-(36) abgeschrägt sind.

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4. Mehrfachgaslaser nach einem oder mehreren der Ansprüche bis 3_f dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen kanalförmigen Ausnehmungen (4) zueinander parallel verlaufen.
5. Mehrfachgaslaser nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der einzelnen kanalförmigen Ausnehmungen (4) in einen gemeinsamen Punkt konvergieren.
6. Mehrfachgaslaser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalförmigen Ausnehmungen (4) und die ihnen zugeordneten Puffergefäße (20) mit He-Ne Gas gefüllt sind.
7. Mehrfachgaslaser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen kanalförmigen Ausnehmungen (4) und die ihnen zugeordneten Puffergefäße (20) mit voneinander verschiedenen Gasen gefüllt sind,
8. Mehrfachgaslaser, insbesondere nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine in den einzelnen auf einen gemeinsamen Punkt ausgerichteten kanalförmigen Ausnehmungen (4) entstehende Strahlungen fokussierende Linse (46).
9. Mehrfachgaslaser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste gegossene Platte (50, Fig. 4) mit einer Vielzahl von kanalförmigen Ausnehmungen (4), eine zweite gegossene Platte (52) mit jeder kanalförmigen Ausnehmung (4) zugeordneten, als Puffer*

! gefäße dienenden Ausnehmungen (54), durch innerhalb der einzelnen Puffergefäße angeordnete dünne Kathoden (8), eine dritte gegossene Platte mit jeder kanalförmigen Ausnehmung (4) zugeordneten, als Puffergefäße dienenden Ausnehmungen (58) , durch £*» den Ausnehmungen dieser Platte angeordnete dünne Kathoden (24), wobei die zweite und dritte

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Platte miteinander verbunden sind, so daß die die Puffergefäße bildenden Ausnehmungen (54) der einen Platte mit den entsprechenden Ausnehmungen (58) der anderen Platte übereinstimmen, durch den Kathoden einer kanalformigen Ausnehmung zugeordnete Anode^rA(12), durch eine Gasfüllung in den einzelnen Puffergefäßen und kanalförmigen Ausnehmungen und durch Resonatoren bildende, jeder einzelnen kanalförmigen Ausnehmung zugeordnete Mittel (40), mit deren Hilfe bei Anlegung geeigneter Spannungen an die einzelnen Anoden und Kathoden in den zugeordneten kanalförmigen
Ausnehmungen elektromagnetische Schwingungen aufrechterhalten werden.

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