DE2627778A1 - Impulsgaslaser - Google Patents

Description

Impulsgaslaser

Die Erfindung "betrifft einen Impulsgaslaser, der kurzzeitige annähernd rotationssymmetrische Laserimpulse mit hoher Leistung pro Flächeneinheit erzeugt.

In einer Reihe von Anwendungen, z.B. bei der Mikromaterialbearbeitung, zur Diagnostik von Mikro objekt en und zur Untersuchung von biologischen Vorgängen, werden vorwiegend leistungsstarke Laserimpulse kleiner Strahldivergenz, die sich leicht fokussieren lassen, benötigt. G-Ieichzeitig muß die Lebensdauer des Lasers ausreichend hoch sein, um Wartung und Kosten des Laserbetriebes ökonomisch günstig zu gestalten. Zusätzlich wird eine gute Eeproduzierbarkeit der Einzelimpulse gefordert, oft auch, daß die Impulsfolge bei Dauerbetrieb etwa 100 Hz betragen soll. Folgende Anordnungen von Impulsgaslaser, die Laserimpulse mit nahezu rotationssymmetrischer Intensitätsverteilung erzeugen, sind bekannt:

1. Impulsgaslaser, bei denen die Anregung durch Entladung eines Kondensators in longitudinaler Richtung im Laserrohr über 2 Elektroden realisiert wird.

2. Impulsgaslaser, in denen das gasförmige Medium durch intensive Elektronenstrahlimpulse in longitudinaler Richtung angeregt wird. Durch ein gepulstes starkes Magnetfeld wird der Elektronenstrahl im Laserrohr stabilisiert.

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3. Impulsgaslaser, bei denen das Medium über mehrere in äiuidistanter Folge in das Rohrinnere führende voneinander isolierte Elektroden, von denen jeweils benachbarte an anderen Polen des elektrischen Impulsgenerators liegen, angeregt wird, wobei der Entladungsstrom parallel zur Rohrachse fließt. Der Aufwand, insbesondere die benötigte Spannung ist hier relativ niedrig.

Bei der Anordnung nach Punkt 1 ist die für einen effektiven Betrieb benötigte Spannung z.B. im Falle des Stickstofflasers sehr hoch und liegt bei etwa 100 kV. Bei niedrigerer Spannung betriebene Anordnungen erreichen keine Sättigung des Laser-Übergangs und erzeugen wenig Laserleistung. Die Laseranordnungen nach den Punkten 1 und 3, enthalten wandstabilisierte Entladungen im Laserrohr. Nach längerem Betrieb entsteht bei diesen wandstabilisierten Entladungen durch Zerstäuben und Verdampfen von Elektrodenmaterial ein leitfähiger Belag auf der Rohrwand, der die Effektivität der Laseranregung herabsetzt und die Lebensdauer eines Laserrohres z.B. bei einer Anordnung nach Punkt 3 auf 10° Impulse begrenzt.

Der Laser nach Punkt 2 erfordert einen vergleichsweise hohen Aufwand und ist als Stickstofflaser für technische Anwendungen weniger geeignet.

Zweck der Erfindung ist es, die den bisher bekannten Ausführungen von Impulsgaslasern, die kurzzeitig nahezu rotationssymmetrische Laserimpulse mit hoher Leistung pro Flächeneinheit erzeugen, anhaftenden Mangel weitgehend abzustellen und ein Gerät zu entwickeln, das die Vorteile der bekannten Anordnungen beinhaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Impulsgaslaser zu entwickeln, der kurzzeitige annähernd rotationssymmetrische Laserimpulse mit hoher Leistung pro Flächeneinheit erzeugt und eine erhöhte Lebensdauer gegenüber den bekannten Anordnungen bei gleichzeitig hoher Impulsfolgefrequenz aufweist.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer in bekannter T/eise aus einem Entladungsgefäß mit mehreren voneinander isoliert in äquidistanter Folge in das Innere des Entladungsgefäß es führenden stiftf ö'rmigen Elektroden, einer impulsformenden Einheit, einer Speiohereinheit und einer Funkenstrecke aufgebauten Laseranordnung das Entladungsgefäß so ausgestaltet ist, daß die stiftf ö'rmigen Elektroden so weit in das Entladungsgefäß hineinragen, daß der Abstand der sich gegenüberliegenden Gefäßwände größer ist als das 2fache des Abstandes der Elektrodenspitzen von der diesen gegenüberliegenden Gefäßwand und der Abstand der Elektroden voneinander entsprechend der Plasmageometrie das 3 bis 1Ofache des Abstandes der Elektrodenspitzen von der diesen gegenüberliegenden Gefäßwand beträgt, daß die Elektrodenspitzen auf einer Geraden und die Elektroden vorzugsweise in einer Ebene liegen. Die Elektroden sind erfindungsgemäß auoh im Inneren des Entladungsgefäßes mit Ausnahme ihrer Spitzen gegeneinander elektrisch isoliert durch einen besonderen isolierenden Mantel um die Einzelelektrode. Als Lasergase werden Stickstoff oder Wasserstoff mit oder ohne Edelgaszusätze verwendet.

Durch die besondere Isolierung der Elektroden werden Wandentladungen vermieden und die Entladungen gezwungen, an den Elektrodenspitzen anzusetzen, wobei die den Elektrodenspitzen gegenüberliegende Wand ein definiertes Ausbiegen der Entladungskanäle in Richtung zu dieser Gefäßwand bewirkt. Damit wird die Laserstrahlung aus den optisch in Beihe geschalteten Entladungs-, kanälen durch die Elektroden nicht behindert. Durch die elektrodenstabilisierte Entladung unter Beibehaltung einer relativ hohen Folgefrequenz im Vergleich zur longitudinalen wandstab'ilisierten Entladung im Entladungsgefäß, bei der einerseits Funken, andererseits Einschnürungen des Entladungsplasmas an der Gefäßwand auftreten, wird die Lebensdauer des Lasers beträchtlich erhöht. Außerdem erhöht sich bei dem erfindungsgemäßen Impulsgaslaser auch die Laserenergie bei gleichbleibender elektrischer Energie, da der Betriebsdruck bei gleichen elektrischen Parametern erhöht werden kann.

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Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt im einzelnen:

Pig. 1 : Impulsgaslaser "bestehend aus einem als Rohr ausgebildeten Entladungsgefäß und elektrischem Impulsgenerator.

Fig. 2: Detailzeiohnung des Laserrohres mit den besonders isolierten Stiftelektroden.

Der Impulsgaslaser nach Fig. 1 besteht aus einem Impulsgenerator und dem als Rohr ausgebildeten Entladungsgefäß 1. Der Impulsgenerator ist aufgebaut in bekannter Yfeise aus zwei Kapazitäten, der Speichereinheit 2 und der impulsformenden Einheit, die in bekannter Weise aus einem Bandleiter 4 mit parallel geschalteten Kondensatoren 3 besteht und die mit der Speichereinheit 2 über eine Sehaltfunkenstrecke 5 verbunden ist. Das Entladungsgefäß 1 besteht aus einem isolierenden Material, hier Glas, durch dessen Yfand in einer Ebene liegende Stiftelektroden 7 aus Wolfram in ä.quidistanter Folge in das Gefäßinnere führen, wobei die Stiftelektroden 7 durch Anglasung mit Ausnahme der Elektrodenspitzen von einem besonderen elektrisch isolierenden Mantel 6 umgeben sind, die Spitzen der Stiftelektroden 7 auf einer Geraden liegen und das Entladungsplasma 8 in Richtung zur gegenüberliegenden Yfend des Entladungsgefäßes 1 ausgebogen wird.

In einem mit 120 Torr Stickstoff gefüllten Entladungsrohr, dessen aktive Länge 40 cm betrug, wurde bei einer Ladespannung von 24 kV eine Impulsleistung von 700 kW erreicht auf der Wellenlänge 337 nm bei einer Impulsdauer von 2,5 ns. Die Ladekapazität von impulsformender- und Speiehereinheit des Impulsgenerators betrug jeweils 6 nF, der Elektrodenabstand der Stiftelektroden im Laserrohr 2 cm und der Abstand der Elektrodenspitzen zur gegenüberliegenden Wand 4,5 mm. Die Lebensdauer dieses Laserrohres ist wesentlich höher als 5·10 Impulse ohne Gasneufüllung.

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Claims (4)

1. Patentansprüche:

   M.Jimpulsgaslaser zur Erzeugung kurzzeitiger annähernd ^S rotationssymmetrischer laserimpulse mit hoher Leistung pro Flächeneinheit, bestehend aus einem in bekannter Weise aus einer impulsformenden Einheit, einer Sehaltfunkenstrecke (5) und einer Speichereinheit (2) aufgebauten Impulsgenerator und einem Entladungsgefäß (1) mit mehreren voneinander isoliert in äquidistanter Folge in das Innere des Entladungsgefäßes (1) führenden stiftförmigen Elektroden (7), wobei benachbarte Elektroden jeTreils mit unterschiedlichen Polen der impulsformenden Einheit verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stiftelektroden (7) so weit in das Entladungsgefäß (1) hineinragen, daß der Abstand der sich gegenüberliegenden Gefäßwände größer ist als das 2fache des Abstandes der Elektrodenspitzen von der diesen gegenüberliegenden Gefäßwand, daß der Abstand der Elektroden voneinander das 3 bis 10faohe des Abstandes der Elektrodenspitzen von der diesen gegenüberliegenden Gefäßwand beträgt, daß die Elektrodenspitzen auf einer Geraden liegen und jede Elektrode (7) auch im Inneren des Entladungsgefäßes (O mit Ausnahme der Elektrodenspitze mit einem isolierenden Mantel (6) umgeben ist.
2. 2. Impulsgaslaser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet« daß alle Stiftelektroden (7) in einer Ebene liegen.
3. 3. Impulsgaslaser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet« daß das stimulierbare Medium Stickstoff oder ein Gemisch bestehend aus Stickstoff mit Zusätzen von Edelgasen ist.
4. 4. Impulsgaslaser nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium Wasserstoff ist.

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