DE2640668A1 - Verfahren zum betrieb eines gaslasers und gaslaser zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines gaslasers und gaslaser zur durchfuehrung des verfahrens

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Description

2640688 -3-
PATENTANWÄLTE DIi. ING. HHKST SOMMIiRFELD
I)R. DIKTKR V. BKZOI-D DIPI,. ING. PKTKR SCHÜTZ DIPL. IXG. AVOLFGANG UKDSLKR MAKIA-THEHESIA-STHASSK 2Z
roSTFACII H(H)O(IS D-SOOO MUIiNClIEN 80
TELEFON OBD M? 00 OO 4Τ081Θ
TELEX 522(138 TEI.KCSIIAMM SOMBEZ
3. September 1976 9906-76 Dr.v.B/E
Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung
der Wissenschaften e.V. 34OO Gottingen, Bunsenstraße 10
Verfahren zum Betrieb eines Gaslasers und Gaslaser zur Durchführung des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gaslasers, insbesondere eines Jodlasers, bei welchem in einer Anregungszone in einem Lasergas, das einen stimulierbaren Bestandteil enthält, durch Absorption optischer Strahlung eine Besetzungsinversion erzeugt wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Gaslaser zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Manche Gaslaser, insbesondere der Jodlaser, können in der Praxis bisher nur gepulst betrieben werden. Die Pulsfrequenz ist verhältnismäßig gering und der Wirkungsgrad, der im wesentlichen vom Wirkungsgrad der Anregungsblitzlampen abhängt, ist gering, er beträgt beispielsweise lam Jodlaser zurzeit maximal 1%. Für viele Anwendungen sind jedoch die Pulsfrequenz und der Wirkungsgrad von ausschlaggebender Bedeutung. Z.B. werden für die Kernfusion Lasersysteme gefordert, die mit Repetitionsraten von 10 bis lOO Hz und einem Wirkungsgrad von mehr als 5% arbeiten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Gaslasers und einen Gaslaser zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben, mit denen hohe Wirkungsgrade im Dauerstrich und im Pulsbetrieb bei hohen Pulswiederholungsfrequenzen erreicht werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art erreicht, das gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Anregungszone vom Lasergas durchströmt und kontinuierlich oder gepulst mit der optischen Strahlung bestrahlt wird.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Lasergases ist so hoch, daß der stimulierbare Bestandteil des Lasergases beim Impulsbetrieb zwischen zwei Pulsen erneuert und beim Dauerstrichbetrieb des Lasers genügend rasch ersetzt wird, um die für die dauernde Emission der Laserstrahlung erforderliche Dichte an stimulierbarem Bestandteil aufrecht zu erhalten.
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Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung und Gaslaser zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Jodlaser.
Durch die Erfindung kann eine erhebliche Erhöhung des Wirkungsgrades aus folgenden Gründen erreicht werden: Die derzeit verfügbaren Blitzlampen arbeiten mit einem Wirkungsgrad von 5 bis 8%, ihre Lebensdauer ist auf ca 1000 bis 10 000 Blitzimpulse und damit auch Laserstrahlungsimpulse begrenzt. Andererseits stehen für den Dauerbetrieb ausgelegte Gas- und Dampfentladungslampen im Handel zur Verfügung, die nicht nur im Anregungswellenlängengebiet von Gaslasern, insbesondere Jodlasern, eine hohe spektrale Ausbeute (ca 35%) aufweisen, sondern auch eine Lebensdauer von mehreren tausend .Stunden haben, was beim Impulsbetrieb des Läse:
spricht.
O Q
des Lasers etwa 10 bis 10 Laserstrahlungsimpulsen ent-
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in der die Figuren 1 und 2 jeweils in schematischer Darstellung einen Gaslaser gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen.
Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten
Gaslaser handelt es sich um einen Jodlaser, der als Lasergas eine bekannte Mischung aus Argon und CJP-J oder irgend ein anderes bekanntes Jodlasergas enthalten kann. Das Lasergas strömt durch einen Strömungskanal 10, der bei einem ungefalteten Strahlengang einen quadratischen und bei einem gefalteten Strahlengang einen rechteckigen Querschnitt hat, dessen Breite in Strömungsrichtung ein ganzzahliges Mehrfaches
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des Laserstrahldurchmessers d beträgt. Die Deckflächen 6 und 8 des Strömungskanals bestehen aus UV-durchlässigen Quarzplatten, die auf ihrer Außenseite mit UV-Lampen 12 bedeckt sind, denen jeweils ein Reflektor 14 zugeordnet ist. Die von den Lampen-Reflektor-Anordnungen ausgehenden UV-Strahlung bestrahlt die zwischen den beiden Quarzplatten gelegene Anregungzone, wobei Strömungsrichtung 4 und Laserstrahlrichtung senkrecht zueinander verlaufen. (Die letztere auch senkrecht zur Zeichenebene in Fig. la). Die Größe und Lage der Anregungzone hängen von der Anordnung und Leistung der UV-Lampen ab, bei denen es sich beispielsweise um Quecksilber-Niederdruck- oder Xenon-Lampen handeln kann.
Durch die in der Anregungszone absorbierte UV-Strahlung wird angeregtes Jod J* erzeugt, das unter stimulierter Emission von Laserstrahlung in den Grundzustand J übergeht.
Die UV-Lampen sind mit einer in der Abbildung nicht dargestellten üblichen Energieversoiging verbunden und arbeiten im Dauer- oder Pulsbetrieb, wobei im Pulsbetrieb die UV-Leistungsabgabe auf ein Mehrfaches ( bis zu 4 derzeit) des Dauerstrichwertes gesteigert werden kann. Dadurch wird eiiB erhöhte Infrarotenergiedichte (gespeicherte Jodlichtenergie pro Volumeneinheit) erzielt, die zu kleineren Systemabmessungen führt. Die UV-Energieabgabe ist im Zeitmittel in beiden Fällen gleich (Zur Vermeidung von Überlastung im Pulsbetrieb) .
Das in Fig. 1 dargestellte System kann als Verstärker oder Oszillator betrieben werden. Im ersten Fall kann das vom Laserstrahl nicht genutzte Volumen 16 und 18 für Vorverstärker verwendet werden. Im letzteren Fall wird der Reso-
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nator durch zwei Spiegel begrenzt, von denen mindestens einer zur Auskopplung der Laserstrahlung teildurchlässig verspiegelt ist. Außerdem werden ein Güteschalter oder eine andere wirkungsgleicher Anordnung vorgesehen, die die stimulierte Emission zu steuern gestattet.
Der Strömungskanal 10 kann einen Teil eines Gasströmungskreislaufes bilden, der außer dem Strömungskanal 10 eine Umwälzpumpe 20 und vorzugsweise auch eine Gasreinigungsund Regeneriervorrichtung 22 für das Lasergas enthält, die an einen Vorratsbehälter 24 für den stimulierbaren Bestandteil, also z.B. die verwendete organische Jodverbindung, verbunden ist. '
Höhe d und Breite w des Strömungskanals ist
durch die Flächenbelastbarkeit (Energie pro Flächeneinheit) des Austrittsfensters und die gewünschte Energie des Laserstrahlungsimpulses vorgegeben. Die in Laserstrahlrichtung gerechnete Länge 1 wird durch die Infrarotenergiedichte (gespeicherte Jodlichtenergie pro Volumeneinheit) und die Flächenbelastbarkeit bestimmt.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann der Strömungskanal 10 einen rechteckigen oder kreisrunden Querschnitt haben. Anders als in der in Fig. 1 angegebenen Methode sind hier Strömungsrichtung 4 und Richtung der Laserstrahlung 2 parallel zueinander und Rohrachse zusammen. Ein- und Austrittsfenster 6 und 8 des Kanals sind als Brewsterfenster ausgebildet. An dieser Stelle liegen auch die Ein- bzw. Auslaßöffnungen 16 und 18 für die Gasströmung. Wegen des großen Brewsterwinkels kann die Umlenkung der Strömung in Rohrachsenrichtung ohne die
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Erzeugung großer Turbulenzen erfolgen, die sich nachteilig auf die Strahlqualität auswirken würden. Der Strömungskanal besteht aus einem UV-Licht durchlässigen Quarzrohr 30, das von UV-Lampen 12 umgeben ist, die sich in Achsenrichtung erstrecken. Jede UV-Lampe ist mit einem Reflektor 14 versehen. Das System kann als Verstärker oder Oszillator betrieben werden. Im letzten Fall wird - wie schon beim Querströmungsprinzip - der Resonanzhohlraum durch zwei Spiegel begrenzt, von denen mindestens einer zur Auskopplung der Laserstrahlung teildurchlässig verspiegelt ist. Im optischen Hohlraum befindet sich ferner ein Güteschalter 30, mit dem die Emission der Laserstrahlung 20' in bekannter Weise gesteuert werden kann. Der laseraktive Bestandteil des Lasergases des Gaslasers gemäß Fig. 2 kann wieder aus einer bekannten organischen Jodverbindung bestehen. Der Strömungskanal kann wie bei dem Laser gemäß Fig. 1 in einem Strömungskreislauf liegen.
Beim Pulsbetrieb eines nach dem Querströmungsprinzip (Fig. 1 betriebenen Gaslasers gemäß der Erfindung wird die Strömungsgeschwindigkeit des Lasergases durch die Anregungszone so eingestellt, daß das durch die Anregung und Emission verbrauchte Lasermedium zwischen zwei Pulsen erneuert wird. Die Strömungsgeschwindigkeit ν läßt sich mit Hilfe der Eindringtiefe d der UV-Strahlung bei der Anregung des laseraktiven Mediums, z.B. Jodids, und der Desaktivierungszeit tß des angeregten laseraktiven Mediums, die im Falle eines Jodlasers durch den Prozess:
J* + RJ J + RJ (RJ = CF3J, C3F7J,
C4F9J)
verläuft, berechnen.
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Im Falle eines Jodlasers ist
1T)
KRJ
In dieser Gleichung bedeuten Kn- die Desaktivierungskonstante
KJ
und ηπτ die Dichte des stimulierbareη Bestandteils, also z.B.
KJ
der Jodverbindung, in der Anregungszone.
Bei dem Jodlaser ist die Eindringtiefe d der das Jodid anregenden UV-Strahlung gegeben durch:
-*- · η
RJ RJ
Dabei bedeutet C*. den Absorptionsquerschnitt des laseraktiven Mediums.
Wenn sich das Lasergas während der Desaktivierungs-
zeit t_. um eine Strecke gleich dem Strahlungsdurchmesser,der D J entspricnt
der Eindringtiefe d der UV-Strahlung/weiterbewegen soll, ergibt sich damit für die Strömungsgeschwindigkeit ein Richtwert von
tD °i/ RJ
was im Falle von C3F7J einen Wert von etwa 30 m/sec ergibt, der also noch im Unterschallbereich liegt und daher leicht realisiert werden kann. Für einen i-fach gefalteten Strahlen gang ist die erforderliche Geschwindigkeit i-mal so groß.
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Für ν = ä./t wird die Impulsperiode vorzugsweise annähernd gleich t gewählt.
Beim Dauerstrichbetrieb des Lasers erniedrigt sich die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend der sehr viel geringeren Verbrauchsrate des laseraktiven Bestandteils, also beispielsweise des Jodids. Sie braucht in diesem Falle nur so groß gemacht zu werden, daß in der Anregungszone eine für den Betrieb des Lasers ausreichende Konzentration an laseraktivem Medium aufrecht erhalten wird.
Bei der Längsdurchströmung ist die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit in der.Regel höher als bei der Querdurchströmung. Mit L als Länge des Strömung^skanals gilt für den Pulsbetrieb näherungsweise
V = L/tD.
Für den Dauerstrichbetrieb gilt ähnliches wie bei der Querströmung.
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Lee rs e i te

Claims (9)

  1. Patentansprüche
    G)-
    'Verfahren zum Betrieb eines Gaslasers, bei welchem in einer Anregungszone in einem Lasergas durch Absorption optischer Strahlung eine Besetzungsinversion erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungszone vom Lasergas durchströmt und kontinuierlich oder gepulst mit der optischen Strahlung bestrahlt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungszone (18) vom Lasergas im wesentlichen senkrecht oder parallel zur Richtung der aus der Anregungszone (18) emittierten Laserstrahlung (20) durchströmt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasergas in einem Kreislauf im Umlauf gehalten wird, der die Anregungszone (18),eine Umwälzpumpe (22) und eine Regeneriervorrichtung (22, 24) enthält.
  4. 4. Gaslaser zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Strömungskanal (10) für das Lasergas, eine "Vorrichtung (22) zum Erzeugen einer Strömung des Lasergases durch eine Anregungszone (18) im Strömungskanal, und durch eine Lampenanordnung (12) zur kontinuierlichen oder gepulsten Bestrahlung der Anregungszone mit Strahlung im Anregungswellenlängengebiet des Lasergases.
    809811/023 8 original inspected
  5. 5. Gaslaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (10) von einer Reihe von mit Reflektoren (14) versehenen Lampen
    (12) umgeben ist, die Strahlung senkrecht zur Strömungsrichtung (16) des Lasergases emittieren.
  6. 6. Gaslaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf entgegengesetzten Seiten des Strömungskanals (1O1) je mindestens eine Lampenanordnung (12a, 12b) angeordnet ist.
  7. 7. Gaslaser nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasergas eine laseraktive Jodverbindung enthält.
  8. 8. Gaslaser nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal in einem Gaskreislauf liegt, der eine Gasregenerierungsvorrichtung enthält.
  9. 9. Gaslaser nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungszone (18') und eine Vorrichtung (30), die die Emissions der Laserstrahlung (201) zu steuern gestattet, in einem optischen Resonator (26, 28) angeordnet sind.
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