DE2647934A1

DE2647934A1 - Gaslaserroehre

Info

Publication number: DE2647934A1
Application number: DE19762647934
Authority: DE
Inventors: Taizo Oikado; Fumio Seki; Keiichi Shintaku
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1975-10-23
Filing date: 1976-10-22
Publication date: 1977-05-05
Also published as: NL183480B; JPS5713153B2; NL183480C; JPS5251890A; US4064466A; DE2647934B2; NL7611532A; DE2647934C3

Description

DR.-ING. HERBERT PÄTZOLD 2 6 A 7 9 3 4

PATENTANWALT

Mühlthalerstraße 102
8 MÜNCHEN 71

-KSTKf --.-8- TELEFON 080/757725

Nippon Electric Company, Ltd., Tokyo/ JAPAN

Gaslaserröhre

Die Erfindung betrifft eine linear polarisierte Innenspiegel-Gas laserröhre mit gasdichten Gehäuseteilen an den Rohrenden zur Aufnahme eines Resonators und wenigstens einem Polarisator in der Gestalt einer flachen optischen Platte, die in dem Gehäuseteil unter einem bestimmten Winkel von einer Halterungsvorrichtung festgehalten ist.

Eine Innenspiegel-Gaslaserröhre besteht hauptsächlich aus einem evakuierten Körper, einem Kapillarrohr, zwei Spiegelnjan beiden Enden des Kapillarrohres mit zueinander ausgerichteten Achsen, einer Anode und einer Kathode. Bei Anlegung einer Spannung an den beiden Elektroden wird eine Entladung in dem dünnen Kapillarrohr bewirkt, wobei ein Lasermedium in dem Kapillarrohr angeregt wird. Die erregten Teilchen erzeugen Lichtstrahlen, die in einem Resonator hin- und herreflektieren, welcher aus zwei Spiegeln besteht, wobei eine Laseroszillation entsteht.

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TELEGR AMMADBESSE/C ABLE: PATITIA MÜNCHEN TELEX OSZHHi DEUTSCHE BANK AO KONTO-TfR. 58/22 581 POSTSCHECK MÜNCHEN 145918-809

In einer solchen Gaslaserröhre treten einige Spektralkomponenten auf; obwohl es sich hier um linear polarisierte Lichtquellen handelt, ist der gesamte Laserausgang nicht linear polarisiert, weil wechselseitig benachbarte Spektren orthogfial zueinander sind. Um einen linear polarisierten Laserausgang zu erhalten, ist daher ein Polarisator erforderlich. In der Praxis ist die Lichtintensität nach dem Polarisator kaum mehr als halb so groß wie der gesamte Ausgang der Laseroszillation. Außerdem ändert sich mit der Änderung des Abstandes zwischen den Laserresonatoren die Intensität der einzelnen Spektralkomponenten entlang der nach dem Doppler-Effekt erhaltenen abgeflachten Doppler-Verstärkungskennlinie. Im Ergebnis ändert sich also der Laserausgang nach dem Polarisator_f obwohl die Summe der einzelnen Spektralkomponenten des Laserstrahles konstant ist. Als Lichtquelle eines optischen Nachrichtenübertragungs- oder Datenverarbeitungssystems ist jedoch linear polarisiertes Licht besonders erwünscht.

Ideal linear polarisierte Laseroszillation kann durch einen unter einem bestimmten Polarisationswinkel geneigten flachen optischen Körper an einem oder beiden Enden der Kapillarrohre in einem optischen Resonator erhalten werden, der aus zwei Spiegeln gebildet ist. In einer bekannten linear polarisierten Innenspiegel-Gaslaserröhre sind die beiden Enden der Kapillarrohre unter einem Polarisationswinkel poliert und Glasplatten sind an den polierten Flächen unter Verwendung von niedrigschmelzendem Glas, einem Bindemittel oder dergleichen befestigt.

Es ist auch schon ein Tragelement axial zur Kapillarrohre angeordnet worden, wobei Glasplatten unter einem bestimmten Polarisationswinkel mechanisch an dem Tragelement befestigt sind.

Bei den erstgenannten bekannten Konstruktionen dienten die Brewster-Penster als "Vakuumdichtungen, wozu die Enden der Kapillarrohre mit großer Präzision poliert sein müßten. Hierzu waren besondere fachliche Erfahrungen erforderlich, was einen erheblichen Aufwand darstellt. Bei der letztgenannten bekannten Konstruktion

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verkomplizieren die Tragelemente die gesamte Konstruktion. Danach waren die bekannten Konstruktionen für eine einfache und kostensparende Herstellung von Gaslaserröhren wenig geeignet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Gaslaserröhre der eingings genannten Art anzugeben, die mit relativ geringem Aufwand und zu niedrigen Kosten industriell herstellbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Materialien für das Gehäuseteil einerseits und die von dem Gehäuseteil aufgenommenen Innenteile einschließlich der flachen Platte und ihrer Halterungsvorrichtung andererseits sowie die axialen Längenausdehnungen solcher Teile derart gewählt sind, daß die thermische Längenausdehnung des Gehäuseteiles in der Rohrachse größer ist als die Summe der axialen thermischen Längenausdehnungen der Innenteile, wobei auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf die optische Platte und die Halterungsvorrichtung eine die Platte in einer festen Lage im Gehäuseteil haltende Druckkraft einwirkt.

Damit liegt der Erfindung vor allem der Gedanke zugrunde, unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zur Lösung der gestellten Aufgabe nutzbar zu machen.

Der erfindungsgemäße Gedanke, die thermische Längenausdehnung des äußeren Tragelementes größer zu wählen als die Summe der Längenausdehnungen der inneren Teile ermöglichte es, mit fallender Temperatur Druckkräfte auf die optische flache Platte ausgeübt zu bekommen, denen zufolge die optische flache Platte in ihrer vorgesehenen Position sicher festgehalten wird.

Bei der erfindungsgemäßen Gaslaserröhre konnte daher die Befestigung der optischen flachen Platten wesentlich vereinfacht werden, wodurch die Gaslaserröhre wesentlich einfacher hergestellt werden konnte als vergleichbare bekannte Röhren.

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Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausführungen nach der Erfindung können den Unteransprüchen und/oder der nachfolgenden Beschreibung entnommen werden. In den zugehörigen Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung nur schematisch dargestellt.
Hierin zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine linear polarisierte Innenspiegel-Gaslaserröhre nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Teiles A in Fig. 1,

Fig. 3a einen Längsschnitt durch ein ähnlich ausgebildetes Teil A nach Fig. 1,

Fig. 3b einen Querschnitt entlang den Linien B-B¹ in Fig.3a,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein weiter abgewandeltes Teil A nach Fig. 1 und

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein noch weiter abgewandeltes Teil A nach Fig. 1.

Die schematisch dargestellte erfindungsgemäße Gaslaserröhre nach Fig. 1 umfaßt folgende Teile: Einen zylindrischen Flanschkörper 1 aus Metall, der dank seiner besonderen Ausgestaltung verbiegbar ist. Ein Gehäuseteil in der Gestalt einer Diehtungshülse oder Mantelrohr 2₃ das an dem metallischen Flanschkörper durch Löten oder dergleichen Verfahren befestigt ist und als äußerer Halterungskörper zur Halterung von Brewster-Fenstern dient, niedrig schmelzendes Glas 3 zum hermetisch dichten Einschmelzen von Spiegeln 4 in die Dichtungshülsen 2₃ zweite und erste innere hohlzylindrische Halterungskörper 5 und 7 aus Metall oder Glas, deren eine Enden unter einem Polarisationswinkel abgeschrägt sind, um dadurch die optische flache Platte unter einem entsprechenden Polarisationswinkel sieher geneigt halten zu können.

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einen Glaskörper oder Glaskolben 8 zur Aufrechterhaltung eines Vakuums, eine Kathode 9, ein Kapillarrohr 10, einen Katho denanschluß 11 und eine Anode 12.

Beziehungen zwischen den Größen einzelner Teile und den zugehörigen thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Dichtungs hülse 2, der Spiegel 4, der zylindrischen Halterungskörper 5 und 7 und der optischen flachen Platte 6 entlang der Achse der Laserröhre sind erfindungsgemäß wesentlich. Mehr im einzelnen sind die Abmessungen und die Materialien durch die folgende Bedingung bestimmt:

wobei 1 die Länge der Dichtungshülse 2 bei normaler Temperatur undöC ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient ist; 1^, 12» 1·? und I^ sind Längen bei normaler Temperatur und Oi^₃ <Xp, <£, und (X₁, sind in der gleichen Reihenfolge Ausdehnungskoeffizienten des Spiegels 4, des ersten inneren Halterungsteiles I₃ der Glasplatte 6 und des zweiten inneren Halterungskörpers 5.

Diese Bedingung zeigt die Tatsache, daß die Ausdehnungslänge der Dichtungshülle 2 infolge thermischer Expansion größer ist als die Summe der thermalen Ausdehnungslängen der in der Diehtungshülle eingeschlossenen Teile. In diesem Beispiel besteht die Dichtungshülle 2 aus einer sogenannten 426-Legierung (übliche Bezeichnung in Japan) und ist 15 mm lang. Der Spiegel 4 und die optische flache Platte 6 sind optische Gläser, von 5 mm bzw. 1,7 mm Länge und die inneren Halterungsteile 5 und 7 sind aus einer sogenannten KOVAR-Legierung (KOVAR = Warenzeichen der Stupakoff Ceramic & Mfg. Co.). Die Summe der Längen der Halterungsteile beträgt im Beispielfall 8,3 mm. Dimensionen und Materialien der Einzelteile sind so gewählt, daß eine optimale Druckspannung auf die optische flache Platte 6 bei einem Schmelzpunkt des niedrig schmelzenden Glases 3 abgegeben wird.

Die optische flache Platte 6 wird in der folgenden Weise befestigt.

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Die Kapillarröhre 10, an die die Anode 12 angeschweißt ist, wird in den Kolben 8 eingeschweißt, der mit dem Kathodenanschluß 11 versehen ist, welcher mit der Kathode 9 verbunden ist. Der metallische Planschkörper 1 und die Dichtungshülse 2 werden zu einer Einheit zusammengelötet, die an bzw. gegenüber einem Ende der Kapillarrohre 10 angeordnet ist. Die Anordnung wird mit der Dichtungshülse senkrecht nach oben gehalten, in die der Reihe nach der erste hohlzylindrische Halterungsteil J₃ die optische flache Platte 6, der zweite hohlzylindrische Halterungsteil 5, der Spiegel 4 und das niedrig schmelzende Glas 3 eingebracht werden. Das niedrig schmelzende Glas 3 ist in der Form eines Ringes aus niedrig schmelzendem unter Druck befindlichem Glaspulver vorhanden.

Fig. 2 zeigt schematisch den Teil A der Gaslaserröhre in Fig. in vergrößerter Darstellung. Beim Zusammenbau wird das Teil A auf eine Temperatur von 500⁰C gebracht, um das Glas 3 zum Schmelzen zu bringen. Anschließend wird die Laserröhre auf eine Temperatur abgekühlt, bei der das Glas 3 verfestigt ist. Der reflektierende Spiegel 4 ist dabei am äußeren Ende der Dichtungshülse 2 so befestigt, daß er sich in einer Lage befindet, die durch die Summe der axialen Längen der inneren Halterungsteile 5 und 7 und der optischen flachen Platte 6 bestimmt ist. Die Längen dieser Teile hängen dabei von der Temperatur ab, bei der das niedrig schmelzende Glas 3 erstarrt.

Wenn das Teil A auf eine normale Temperatur abgekühlt ist, bei der die Gaslaserröhre benutzt wird, so wirkt auf die optische flache Platte 6 eine axiale Druckkraft ein, die sieh aus der Differenz der Wärmeexpansionskoeffizienten zwischen der Dichtungshülse 2, dem zweiten inneren Halterungsteil 7j der optischen flachen Platte 6 und dem ersten inneren Halterungsteil 5 herleitet. Diese Druckkraft bewirkt, daß die optische flache Platte zwischen BREWSTER-Enden der inneren Halterungsteile 5 und 7 sicher festgehalten wird.

Erfindungsgemäß können die inneren Halterungsteile 5 und 7 durch bekanntes Metallpressen mit geringen Kosten fertig her-

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gestellt werden. Die Halterungsteile 5 und 7 können auch aus Glas oder dergleichen Material gefertigt sein. Die optische flache Platte 6 kann gleichzeitig unter einem bestimmten Polarisationswinkel befestigt werden, wenn der Spiegel durch das niedrig schmelzende Glas in die Dichtungshülse 2 hermetisch dicht eingefaßt wird. Hierdurch ist die Herstellung der Laserröhre besonders vereinfacht.

Außerdem ist es nicht erforderlich., daß die optische flache Platte notwendigerweise eine elliptische oder runde Gestalt besitzt. Vielmehr kann sie gemäß der Erfindung auch viereckig bzw. rechteckig ausgebildet sein, wie Fig. 3a und 3b verdeutlicht. Eine rechteckige optische Platte 6· kann leicht aus einer großen Glasplatte mit einem Glasschneider geschnitten werden, wodurch sich die Herstellungskosten senken lassen. Außerdem ermöglicht die Verwendung einer rechteckigen Platte 6^f die Evakuierung von Luft aus dem Raum zwischen der Platte 6¹ und dem Spiegel 4.

Im vorstehenden ersten Beispiel werden zwei innere Halterungskörper zur Befestigung der optischen flachen Platte benötigt. Die Platte läßt sich aber auch in der Weise befestigen, daß ein Ende der Platte in direktem Kontakt mit der inneren Fläche des Spiegels 4 gebracht wird, ohne das innere Halterungsteil 5 zu verwenden.

Fig. 4 zeigt eine derartige Konstruktion, in der ein hohles zylindrisches Halterungsteil 7' und eine rechteckige flache Platte 6 in einer Dichtungshülle 2 fest sind, die von einem Spiegel 4 hermetisch abgedichtet ist, wobei zur Abdichtung ein niedrig schmelzendes Glas verwendet ist. In diesem Fall liegt die flache rechteckige Platte 6' mit zwei Ecken an der Innenfläche des Spiegels 4 an, der über diese beiden Ecken der flachen Platte 6' einen Druck auf sie ausübt.

Fig. 5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführung in der eine elliptische flache Platte 6 und ein hohler zylindrischer Halterungskörper 5* in einer Dichtungshülse 2 fest sind und ein Spiegel 4 die Dichtungshülse 2 hermetisch abdichtet, wobei wiederum ein niedrig schmelzendes Glas verwendet wird.

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Über den Halterungskörper 5' wird auch hier ein Druck auf die flache Platte 6 ausgeübt, die sich ohne Zwischenschaltung eines weiteren Halterungskörpers teilweise am hinteren Ende der Dichtungshülse 2 abstützt, mit dem sie an dem Planschkörper fest ist.

Wie die vorstehenden Ausführungsbeispiele besonders verdeutlichen, erlaubt die Erfindung die Herstellung von linear polarisierten Innenspiegel-Gaslaserröhren mit relativ geringem Aufwand-und niedrigen Kosten.

Fat ent ansprüche

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Claims

Patentansprüche :

\±J Linear polarisierte Innenspiegel-Gaslaserröhre mit gasdichten Gehäuseteilen an den Rohrenden zur Aufnahme eines Resonators und wenigstens einem Polarisator in der Gestalt einer flachen optischen Platte, die in dem Gehäuseteil unter einem bestimmten Winkel von einer Halterungsvorrichtung festgehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien für das Gehäuseteil (2) einerseits und die von dem Gehäuseteil (2) aufgenommenen Innenteile (4 bis 7) einschließlich der flachen Platte (6, 6') und ihrer Halterungsvorriehtung (5 ₃ 7; 5'j 7^f) andererseits sowie die axialen Längenausdehnungen solcher Teile derart gewählt sind, daß die thermische Längenausdehnung des Gehäuseteiles (2) in der Rohrachse größer ist als die Summe der axialen thermischen Längenausdehnungen der Innenteile, wobei auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf die optische Platte (6, 6') und die Halterungsvorrichtung eine die Platte in einer festen Lage im Gehäuseteil (2) haltende Druckkraft einwirkt.
2. Gaslaserröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende der Röhre (8) ein hohler Metallflanschkörper (1) anschließt, daß ein dichtes Gehäuseteil (2) axial an den Metallflanschkörper anschließt, daß in dem Gehäuseteil (2) ein erstes hohles zylindrisches Halterungsteil (7) für die flache optische Platte (6, 6^!) eingesetzt ist., wobei ein Ende des Halterungsteiles (7) längs des von der Platte (6) eingenommenen Polarisationswinkels abgeschrägt ist^ daß sich die Platte (6) mit ihrer einen Seite an dem abgeschrägten Ende des ersten Halterungsteiles (7) abstützt^ daß in dem Gehäuseteil (2) ein zweites zylindrisches hohles Halterungsteil (5) vorhanden ist, deren eines Ende länge des Polarisationswinkels abgeschrägt ist und das sich mit dem abgeschrägten Ende an der anderen Seite der Platte abstürzt, daß das äußere Ende des Gehäuseteils (2) von einem Spiegel (4) als Teil eines

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Resonators gasdicht abgeschlossen ist, wobei die optische Platte (6, 6') und die Halterungsteile (5 und 7) unter einer Druckkraft stehen, so daß die Platte (6) zwischen den Halterungsteilen fest eingespannt ist, die sich einerseits am Spiegel, andererseits am inneren Ende des Gehäuseteiles abstützen.
3. Gaslaserröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Platte (6¹) aus einem dünnen rechteckigen Körper besteht, von dem der Teil optisch poliert ist, durch den der Laserstrahl durchgeht.
4. Gaslaserröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Metallflanschkörper (1) aus einem hohlen Metallkörper besteht ₃ der mit zwei Metallflanschaversehen ist, die mit Abstand koaxial zu dem plastisch verformbaren Körper angeordnet sind.
5. Gaslaserröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet ₃ daß der Spiegel (4) mit dem Gehäuseteil (2) durch ein niedrig schmelzendes Glas gasdicht verbunden ist.
6. Gaslaserröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5₃ dadurch gekennzeichnet ₃ daß das Gehäuseteil (2) aus einer "426-Legierung" und die Halterungsvorrichtung (5, 7; 5'₃ 7¹) aus einer "KOVAR-Legierung" besteht.
7· Gaslaserröhre nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche _a dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende der Röhre (8) ein hohler Metallflanschkörper (1) anschließt, daß ein dichtes Gehäuseteil (2) axial an den Metallflanschkörper (1) anschließt, daß in dem Gehäuseteil (2) ein hohles zylindrisches Halterungsteil (7') für die flache optische Platte (6, 6') eingesetzt ist, wobei ein Ende des Halterungsteiles längs des von der Platte eingenommenen Polarisationswinkels abgeschrägt ist, daß sich die Platte mit ihrer einen Seite an dem abgeschrägten Ende des Halterungsteiles abstützt, daß das äußere Ende des Gehäuseteiles (2) von einem Spiegel (4)

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als Teil eines Resonators dicht abgeschlossen ist, wobei die optische Platte mit dem Spiegel in Kontakt ist und die Platte sowie das Halterungsteil unter einer Druckkraft stehen, so daß die Platte zwischen dem Spiegel und dem Halterungsteil fest eingespannt ist, das sich am inneren Ende des Gehäuseteiles abstützt.
8. Gaslaserröhre nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche_s dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende des Rohres (8) ein hohler Metallflanschkörper (1) anschließt, daß ein dichtes Gehäuseteil (2) axial an den Metallflanschkörper (1) anschließt, daß in dem Gehäuseteil (2) ein hohles zylindrisches Halterungsteil (5^!) für die flache optische Platte (6, 6^f) eingesetzt ist, wobei ein Ende des Halterungsteiles längs des von der Platte eingenommenen Polarisationswinkels abgeschrägt ist, daß sich die Platte mit ihrer einen Seite an dem abgeschrägten Ende des Halterungsteiles abstützt ₃ daß das äußere Ende des Gehäuseteiles von einem Spiegel (4) als Teil des Resonators dicht abgeschlossen ist₅ wobei die optische Platte mit dem inneren Ende in Kontakt ist und das Halterungsteil sich am Spiegel abstützt und wobei die Platte sowie das Halterungsteil (5') unter einer Druckkraft stehen, so daß die Platte zwischen dem Halterungsteil und dem inneren Ende des Gehäuseteiles fest eingespannt ist.

9· Laserröhre nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (2) aus einem inneren zylindrischen Abschnitt^ einem koaxial anschließenden weiteren mittleren zylindrischen Abschnitt und einem koaxial anschließenden noch weiteren äußeren zylindrischen Abschnitt besteht ₃ daß der engere innere zylindrische Abschnitt koaxial an den hohlen Planschkörper (1) anschließt und zur Aufnahme wenigstens eines zylindrischen Halterungsteiles (5_Λ 7 ·₃ 5'₃. 7*) und der zur Gehäuseachse geneigten optischen Platte (6, 6¹) dient, wobei das bzw. die zylindrischen Halterungsteile in den engeren zylindrischen Abschnitt passen, an dessen innerem Ende sich das eine Ende eines Halterungsteiles (7₃ 5¹) und/oder ein Teil der optischen Platte (6) abstützen, daß der weitere mittlere zylin-

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drische Abschnitt zur Aufnahme eines zylindrischen Spiegels (4) des Resonators dient, der in den mittleren zylindrischen Abschnitt paßt, wobei sich an seiner inneren Fläche teilweise die optische Platte (6*) und/oder wenigstens teilweise das eine
Ende eines zylindrischen Halterungsteiles (5₃ 5'_s 7') abstützt_s die bzw. das axial etwas in den mittleren Abschnitt hineinragen bzw. hineinragt und daß die Umfangsfläche eines äußeren Spiegelabschnittes mit dem äußeren noch weiteren zylindrischen- Gehäuseabschnitt eine Ringnut zur Aufnahme des niedrig schmelzenden
Lötglases (3) bildet.

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