DE2943358A1 - Laseranordnung - Google Patents

Description

WS192P-2030

LASERANORDNUNG

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung mit einer rohrförmigen, ein offenes Quarzrohr umfassenden Entladungsanordnung und rohrförmigen, mit den Enden des Quarzrohres verschmolzenen Elektroden, sowie mit in die Elektroden eingeschmolzenen Laserfenstern. 5

Metalle wie Blei und die meisten Halogenmetalle wie Kupferbromid, können für sichtbare Laser bei Temperaturen unter 1100 C, d.h. der Grenztemperatur für Quarz, verwendet werden. Diese Möglichkeiten sind besonders attraktiv für Lasersysteme, da für die rohrförmige Entladungsanordnung Quarzfenster, Quarz-Molybdän-Verschmelzungen und verhältnismäßig einfache, auf die Herstellung von geradlinigen Gläsern gerichtete Fabrikationsverfahren Verwendung finden können. Diese Quarztechnologie ermöglicht eine lange Lebenszeit für den Laser in einer abgedichteten heißen Konfiguration. Für Metallaser oder Halogenmetallaserwird zusätzlich eine niedere Induktivität gefordert, um einen raschen Stromanstieg für die Gasentladung sicherzustellen. Außerdem ist eine

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Unterbringung in einem Gefäß wünschenswert, das die Verlustleistung aufgrund der Gasentladung verwendet, um die Rohrtemperatur auf dem gewünschten Betriebstemperaturbereich zu halten-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laseranordnung zu schaffen, bei der der Wärmeverlust minimalisiert und eine geringe Induktivität erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die rohrförmige Entladungsanordnung in einem rohrförmigen Metallgehäuse angeordnet ist, daß eine der Elektroden elektrische isoliert an Montageteilen gehaltert und an eine Hochspannungsquelle zur Erregung der Entladung innerhalb des Quarzrohres angeschlossen ist, daß das Metallgehäuse an Masse angeschlossen ist, daß eine elektrisch gepumpte Entladung in Längsrichtung im Lasermedium in Abhängigkeit von der Erregung aufgebaut wird, wobei das auf Masse liegende P/Tetallgehäuse als Ableitungsstrecke wirkt und die Leitungsinduktivität verringert, und daß das Metallgehäuse neben der Funktion der auf Masse liegenden, die Rauschstrahlung verringernden Abschirmung als Hitzeschirm wirksam ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Ein nach den Merkmalen der Erfindung aufgebauter Laser hat einen koaxialen Aufbau, bei dem die in Längsrichtung verlaufende rohrförmige Entladungsanordnung als zentraler Leiter ausgebildet ist und die Ableitung nach Masse durch das zylindrische Metallgehäuse geschieht, das die Entladungsanordnung umgibt. Durch diesen Aufbau wird die Leitungsinduktivität bei einer gegebenen Entladung in

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Längsrichtung auf ein Minimum verringert und durch das metallische Außengehäuse neben einer guten Masseableitung zur Verringerung des Strahlungsrauschens auch eine gute Wärmeabschirmung gewährleistet, womit die Verlustleistung zur Aufrechterhai tung der Betriebstemperatur beiträgt und die Oxidation des Molybdäns verringert wird. Als Gasentladungsanordnung findet ein Quarzrohr Verwendung, welches in einem völlig abgedichteten Aufbau untergebracht ist und damit eine lange Lebensdauer gewährleistet, da sich innerhalb des abgedichteten Bereiches ein chemisches Gleichgewicht einstellt. Durch die koaxiale Anordnung der elektrisch leitenden Teile wird nicht nur die Leitungsinduktivität stark verringert, sondern auch die Anstiegszeit für den Strom verkürzt, d.h. eine Maximierung des Stromanstiegs für eine gegebene, longitudinale Entladung gewährleistet. Damit läßt sich die Inversionseffizienz des Lasers vergrößern. Die Laseranordnung ist in der Lage bei Temperaturn bis zu 1100 C betrieben zu werden, wie dies für die meisten Metall- bzw. Halogenmetallasermedien erforderlich ist, wobei jedoch die Außenwandungen des Metallgehäuses eine Betriebstemperatur annehmen, die in der Größenordnung von etwa 100 C und darunter liegt. Die Laseranordnung bewirkt, daß sich die eigentliche Entladungsanordnung durch die Verlustwärme selbst erhitzt und damit der Laser die Betriebstemperaturen aus der eigenen Verlustleistung aufbauen kann, so daß eine zusätzliche Beheizung von außen in der Regel unterbleiben kann oder aber nur eine geringe zusätzliche Heizung nötig ist.

Bei der beschriebenen Lageranordnung ergibt sich ein Betrieb, bei dem keine irreversiblen Verluste des Lasermaterials durch Kondensation an kalten Flächen auftreten, die bei herkömmlichen Lasern insbesondere im Bereich der Fenster und der Austritts-

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Öffnungen unvermeidlich sind, da in dieser Bereichen die Temperaturen unter der Betriebstemperatur des Lasers liegen.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Laser gemäß

der Erfindung,
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Fig. 2 einen Detailschnitt durch eine Fensterelektro

denanordnung des Lasers gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Laser 10 mit einer rohrförmigen Entladungsan-Ordnung 2 0 dargestellt, welche konzentrisch innerhalb eines rohrförmigen Metallgehäuses 50 angeordnet ist. Die rohrförmige Entladungsanordnung 20 besteht aus einem Quarzrohr 22, sowie Fensterelektrodenanordnungen 30 und 40, die jeweils auf das Ende des Quarzrohres mit Hilfe von Quarz-Molybdänschmelzringen 32 und aufgeschmolzen sind. Derartige Schmelzringe 32 und 42 stehen kommerziell zur Verfügung.

Die Fensterelektrodenanordnungen 30 und 40, die in Fig. 2 im Detail dargestellt sind, bestehen aus offenen Molybdänbechern 34 und 44, durch die sich Rohrelemente 3 5 und 45 aus Molybdän erstrecken und die mit Molybdänelektroden 36 und 46 versehen sind. Diese Elektroden 36 und 46 haben die Form von Ringscheiben, die auf der inneren Oberfläche der Rohrelemente 35 und 45 senkrecht stehend im Entladungsbereich befestigt sind. Diese Rohrelemente 35und 45 sind ebenfalls koaxial zur optischen Achse des Lasers 10

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ausgerichtet, wobei diese optische Achse des Lasers mit der Längsachse des Quarzrohres 22 und des Metallgehäuses 50 zusammenfällt. Fenstereleketrodenanordnungen 30 und 40 können aus einzelnen Molybdänelementen zusammengeschweißt oder auch einstückig hergestellt sein. Mit den Rohrelementen 35 und 45 sind über entsprechende Schmelzringen 3 9 und49 aus Quarz-Molybdän sog. Brewster-Fenster 38 und 48 verbunden, die ganz aus Quarz hergestellt und in das offene Ende eines rohrförmigen Quarzadapters 37 bzw. 47 eingeschmolzen sind.

Die rohrförmigeEntladungsanordnung 20 ist an einem Flansch 60 aus Molybdän mit Hilfe eines rohrförmigen Teiles 62 befestigt, der seinerseits mit dem offenen Molybdänbecher 34 verschweißt ist und sich durch den Flansch 60 erstreckt, mit dem er ebenfalls verschweißt ist. Ein total reflektierender Spiegel 64 ist an einer Molybdänplatte 66 befestigt, die ihrerseits in den rohrförmigen Teil 62 eingeschweißt ist. Dieser Spiegel arbeitet mit einem teildurchlässigen und einem teilreflektierenden Spiegel 52 zusammen, der in eine Öffnung 54 am anderen Ende des Metallgehäuses 50 eingeschmolzen ist und gleichzeitig die optische Austrittsöffnung des Lasers 1 0 bildet.

Die rohrförmig^ Entladungsanordnung 20, die am Flansch 60 befestigt ist, kann in das Metallgehäuse 50 eingesetzt und aus diesem mit Unterstützung von Metallfederkontakten 72 und 74 eingesetzt und herausgenommen werden, welche an dem offenen Molybdänbecher 44 angebracht sind und die Kontaktverbindung zur inneren Oberfläche des Metallgehäuses 50 herstellen. Diese Metallfederkontakte 72 und 74 erleichtern nicht nur die gleitende Verschiebung der Entladungsanordnung innerhalb des Metallgehäuses 50j son-

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dern stellen auch die optische Ausrichtung der Entladungsanordnung 20auf den teildurchlässigen Spiegel 52 sicher. Ein elektrischer Isolator 6 3 ist zwischen dem Flansch60 und dem rohrförmigen Teil 62 eingeschmolzen und isoliert die Fenstereleketrodenanordnung 30 gegen das Metallgehäuse 50, wogegen über die Metallfederkontakte 72 und 74 eine elektrische Kontaktverbindung zwischen der Fensterelektrode 40 und dem Metallgehäuse 50 gegeben ist. Auf diese Weise kann die Erregung der elektrischen Gasentladung im Laser 10 in geeigneterWeise ausgelöst werden, indem der rohrförmige Teil 62, welcher mit der Fensterelektrodenanordnung 30 verschweißt ist, an eine Hochspannungserregung HV angeschlossen und die Fensterelektrodenanordnung 40 über das Metallgehäuse 50 und den mit ihm verbundenen Flansch 60 an Masse angeschlossen wird. Mit Ausnahme des Flansches 60 der Metallfederkontakte 72 und 74 sind die Brewster-Fenster 38 und 48, sowie der reflektierende Spiegel und die gesamte rohrförmige Entladungsanordnung 20 aus Quarz und Molybdän aufgebaut, wobei es sich um Materialien handelt, die in der Lage sind,den Temperaturen und den chemischen Beanspruchungen eines Metalls, z.B. Blei, oder eines Halogenmetall-

Lasermaterials standzuhalten. Wenn man annimmt, daß das

L s er material innerhalb des Quarzrohres 22 aus Bleidampf besteht und als geeignetes Puffergas Neon Verwendung findet, kommen die Bleidämpfe innerhalb des Quarzrohres 22 sowohl mit dem Quarz als auch mit dem Molybdän in Berührung. Derartige Metall-Halogen-Lasersystem sind durch die US-PS 3 934 211, 3 936 722 und 4 048 587 bekannt.

Die konzentrische Positionierung der rohrförmigen Entladungsanordnung 20 innerhalb und in einem Abstand von den typischerweise aus Kupfer bestehenden rohrförmigen Metallgehäuse 50 ermöglicht,

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daß die Entladungsanordnung 2 0 auf einer geeigneten Betriebstemperaturfür einen Metallhalogenlaser von z.B. 1100 C gehalten werden kann, wobei die Temperatur des Metallgehäuses 50 beträchtlich niedriger und z.B. bei etwa 100 C liegt. Dieser starke Tem· peraturabfall läßt sich durch eine Evakuierung des Bereiches 56 zwischen der rohrförmigen Entladungsanordnung 20 und dem Metallgehäuse 50 und durch eine geeignete Wahl des Abstandes D der beiden Teile voneinander erreichen. Eine weitere Temperaturverringerung kann man dadurch erreichen, daß die innere Oberfläche des Metallgehäuses 50 mit einem IR-Reflektor versehen wird. Für typische Betriebsbedingungen würde ein Quarzrohr mit etwa 2, 5 cm Durchmesser einen Innendurchmesser des Metallgehäuses 50 zwischen etwa 7,5 cm und etwa 15,5 cm Durchmesser erfordern.

Die Brewster-Fenster 38 und 48 liegen in dem durch die Gasentladung erhitzten Bereich, so daß die Temperatur an den Brewster-Fenstern hoch genug ist, um eine Kondensation von Blei zu vermeiden. Für den Fall, daß die Selbsterwärmung durch die Gasentladung nicht ausreicht, um die Brewster-Fenster auf einer ausreichend hohen Temperatur zu halten, kann auch eine zusätzliche Heizung vorgesehen werden, die nicht dargestellt ist, um die Temperatur der Brewster-Fenster 38 und 48 auf einen Wert anzuheben, bei dem mit Sicherheit eine Kondensation von Blei vermieden wird. Der Abstand der Oberflächen der Brewster-Fenster 38 und 48 von den zugeordneten Rohrelementen 35 bzw. 45 sollte ausreichend groß sein, um eine elektrische Sprühentladung zwischen den Teilen und eine Trübung der Brewster-Fenster zu vermeiden. Obwohl die Gesamtlänge der rohrförmigen Entladungsanordnung 20 grundsätzlich unbegrenzt ist, hat sich in der Praxis eine Entladungslänge von etwa 50 cm bis etwa 100 cm als besonders geeignet und zweckmäßig eingeführt.

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Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE

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   ( 1. Laser mit einer rohrförmigen, ein offenes Quarzrohr umfassenden Entladungsanordnung und rohrförmigen,mit den Enden des Quarzrohres verschmolzenen Elektroden, sowie mit in die Elektroden eingeschmolzenen Laserfenstern, dadurch gekennzeichnet,

   - daß die rohrförmige Entladungsanordnung(20) in einem rohrförmigen Metallgehäuse (50) angeordnet ist,

   - daß eine der Elektroden (30, 36) elektrisch isoliert an Montageteilen (60, 63, 62) gehaltert und an eine Hochspannungsquelle zur Erregung der Entladung innerhalb des Quarzrohres angeschlossen ist,

   - daß das Metallgehäuse (50) an Masse angeschlossen ist,

   - daß eine elektrisch gepumpte Entladung in Längsrichtung im Lasermedium in Abhängigkeit von der Erregung aufgebaut wird, wobei das auf Masse liegende Metallgehäuse (50) als Ableitungsstrecke wirkt und die Le itungs induktivität verringert, und

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   - daß das Metallgehäuse neben der Funktion der auf Masse liegenden, die Rauschstrahlung verringernden Abschirmung als Hitzeschirm wirksam ist.
2. 2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   - daß die Laserfenster als Brewster-Fenster (38, 48) ausgebildet sind.
3. 3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, - daß der Raum zwischen der rohrförmigen Entladungsanordnung und dem rohrförmigen Metallgehäuse evakuiert ist.
4. 4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

   - daß als Lasermedium ein Metall oder ein Metallhalogenmedium Verwendung findet.
5. 5. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

   - daß die Elektrodenanordnungen (30, 40) mit ringförmigen Elektrodenelementen versehen sind, die koaxial zur optischen Achse und senkrecht zu dieser Achse ausgerichtet angeordnet sind.
6. 6. Laser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

   - daß zur Abstützung des einen im Metallgehäuse befindlichen Endes der Entladungsanordnung Halterungseinrichtungeri an der Elektrodenanordnung befestigt sind, welche zur inneren

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   ORIGINAL INSPECTED

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   Oberfläche des Metallgehäuses verlaufen und sowohl eine elektrische Kontaktverbindung zum Metallgehäuse als auch eine mechanische Ausrichtung der optischen Achse auf die Achse des Metallgehäuses bewirken.

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