DE2953233C2

DE2953233C2 -

Info

Publication number: DE2953233C2
Application number: DE2953233T
Authority: DE
Inventors: Kenneth Ralph Univers Rickwood
Original assignee: University of Essex
Current assignee: University of Essex
Priority date: 1978-10-20
Filing date: 1979-10-19
Publication date: 1992-02-27
Also published as: US4387463A; DE2953233T1; WO1980000898A1; JPS55501119A; NL7920148A; EP0020624A1; EP0020624B1; GB2053556A; SE8004334L; JPS6344308B2; SE422259B; GB2053556B

Description

Die Erfindung betrifft einen Gaslaser mit gepulster Entladung gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Bei einem in der US-A-40 85 386 beschriebenen Gaslaser, der als Hochdrucklaser ausgebildet ist, werden zur Triggerung Hilfselektroden aus dielektrischem Material benutzt, wobei die Hauptentladung durch Modulation nur eines kleinen Teils des Gesamtenergieeingangs nach dem Laserhohlraum gesteuert werden kann. Der Hauptentladungsspalt des Lasers ist auf eine Spannung unter der Lichtbogendurchbruchsspannung des Elektrodenaufbaus unter statischen Bedingungen, aber über die Glimmentladungsspannung der Elektrodenanordnung vorgespannt. Wenn die Triggerelektroden gepulst werden, um freie Elektroden in den Entladungsspalt zu überführen, wird die Glimmentladung zwischen den Hauptelektroden eingeleitet. Die dielektrischen Hilfselektroden sind an eine Triggerimpulsquelle angeschlossen und geerdet. Durch die Anwendung eines unabhängigen Triggerimpulses aus der Triggerquelle wird eine Koronaentladung bewirkt und die freien Elektronen der Koronaentladungen werden in den Entladebereich überführt, während die Hauptentladungselektroden die Glimmentladung einleiten.

Eine ähnliche Anordnung ist beschrieben in US-Z: J. Appl. Phys., Vol. 44, Nr. 9, September 1973, S. 4125-4136, L. J. Denes, L. A. Weaver "Laser gain characterization of near-atmospheric CO₂:N₂:He glows in a planar electrode geometry".

Hier bestehen die Hauptentladungselektroden aus poliertem sauerstofffreiem Kupfer und die Vorionisierungselektroden aus Keramikmaterial mit hoher Dielektrizitätskonstanten, die parallel zur optischen Achse des Lasers mit einem Abstand von etwa 1 cm zu jeder Seite des ebenen Bereichs der Hauptelektroden verlaufen. Die dielektrische Entladung wird eingeleitet durch zwei aus Titanoxid bestehende Zylinder, die mit abgeschrägten Rändern in der Mittelebene aneinanderstoßen.

Die DE-PS 9 05 283 beschreibt eine elektronische Glimmröhre mit drei Elektroden, deren eine als Steuerelektrode für den Einsatz der Entladung zwischen den Hauptelektroden dient, wobei der Zwischenraum zwischen der Steuerelektrode und der ihr benachbarten durch einen Isolator oder Halbleiter überbrückt ist, derart, daß bei Anlegen einer bestimmten Spannung zwischen den beiden Hauptelektroden an der Oberfläche des Halbleiters eine Gleitentladung zustande kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem gattungsgemäßen gepulsten Gaslaser die Vorionisierungsmittel derart zu verbessern, daß bei einfachem, kostengünstigem und störunanfälligem Aufbau eine wirksame Entladung gewährleistet ist.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Hierdurch wird eine hohe Hintergrundkonzentration der Elektronen erzeugt, bevor die Hauptentladung eingeleitet wird. Dadurch kann eine größere Energiemenge in die Entladung gepumpt werden, ohne daß ein Lichtbogen zwischen den Hauptentladungselektroden erzeugt wird. Das Material der Vorionisierungselektroden mit dem angegebenen mittleren Widerstand ist weder ein Dielektrikum, welches bei den erwähnten bekannten Gaslasern Anwendung findet, noch ein guter metallischer Leiter. (Derartige metallische Leiter in Gestalt von Triggerdrähten wurden auch bereits zur Vorionisierung benutzt.) Durch die Verwendung des gekennzeichneten Materials, das bezüglich seines Widerstandes zwischen den elektrischen Leitern und den Isolatoren liegt, wird der Vorionisationseffekt in überraschender Weise verbessert.

Zweckmäßige, für die Vorionisierungselektroden in Frage kommende Materialien ergeben sich aus Anspruch 2.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht des Gaslasers mit gepulster Entladung,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig. 1,

Fig. 3a bis 3f verschiedene Ausführungsbeispiele möglicher Lageanordnungen einer Vorionisierungselektrode relativ zu den Hauptentladungselektroden, zum Einsatz bei einem Gaslaser gemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 und 2 besteht der Laser aus einem Gehäuse 7 mit einem Gaseinlaß 8 zur Einleitung von Lasergas, z. B. einer Mischung aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium in Anteilen 10 : 10 : 80, und es ist außerdem ein Gasauslaß 9 vorgesehen. Innerhalb des Gehäuses befinden sich zwei Hauptentladungselektroden 1 und 2. Die Elektroden können aus Messing hergestellt sein, und sie sind so profiliert, daß dazwischen eine gleichmäßige Feldausbreitung erfolgt. Ein mit 98% reflektierender Hohlspiegel 3 und ein 80% reflektierender ebener Spiegel 4 sind an den Enden des Gehäuses angeordnet und definieren einen optischen Hohlraum dazwischen. Im Betrieb strömt die Gasmischung unter atmosphärischem Druck durch das Gehäuse 7, und die Entladeimpulse werden den Hauptentladungselektroden von einer herkömmlichen Entlade schaltung (nicht dargestellt) zugeführt, um eine Glimmentladung durch das Gas zwischen den Elektroden hindurch zu erzeugen. Die Entladung findet demgemäß quer zur Richtung der zwischen den Spiegeln verlaufenden Laserachse statt, und daher wird in der vorliegenden Beschreibung von einem "quer erregten" Laser gesprochen. An den gegenüberliegenden Seiten des Ent ladungsraumes zwischen den Hauptentladungselektroden sind Vorionisierungselektroden 5 und 6 angeordnet, die zwischen den Hauptentladungselektroden verlaufen und diese berühren. Die Vorionisierungselektroden bestehen aus einem Material mit einem mittleren Widerstand, d. h. sie sind weder gute Leiter noch gute Isolatoren. Wenn ein Spannungsimpuls an die Hauptentladungselektroden angelegt wird, dann führt das Vorhandensein der Vorionisierungselektroden 5 und 6 zur Erzeugung einer hohen Hintergrund konzentration von Elektronen innerhalb des Hohlraumes zwischen den Hauptentladungselektroden, und diese Vorionisation unterstützt die Einleitung einer Glimmentladung zwischen den Hauptentladungselektroden. Diese Wirkung scheint eine Folge der Formation von zahlreichen kleinen elektrischen Lichtbogen zwischen den Hauptentladungselektroden und den Vorionisierungselektroden zu sein, und die Hauptentladungselektroden erzeugen wahrscheinlich eine ultraviolette Strahlung, die ihrerseits den Vorionisationseffekt bewirkt. Demgemäß sollte der Widerstand des Materials der Vorionisierungselektroden 5 und 6 genügend niedrig sein, um zu gewährleisten, daß der den Lichtbogen bildende Strom fließen kann, wobei der Widerstand aber nicht so niedrig ist, daß die Lichtbogen sich selbst aufrechterhalten oder aufhören über die Länge jeder Berührungsfläche zwischen den Hauptentladungselektroden und den Vorionisierungselektroden verteilt aufzutreten. Das heißt, wenn das Material ein guter Leiter ist, können die Lichtbogen an nur wenigen im großen Abstand zueinander liegenden Stellen konzentriert werden und es entstehen kräftige Lichtbogen mit einer hieraus resultierenden Verschlechterung der Gleichförmigkeit des Vorionisierungseffektes. Der spezifische Widerstand sollte demgemäß wenigstens etwa 50 ω cm betragen, weil unter diesem Wert ein zu großer Anteil der Entladungsenergie durch die Vorionisierungselektroden fließt und verlorengeht. Es wird auch angenommen, daß einige Materialien, die spezifische Widerstände über etwa 750 ω cm besitzen, nachteilige, nicht lineare Wirkungen ergeben, z. B. Oberflächenkriechströme.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Laser entsprechend der zeichnerischen Darstellungen Elektroden besitzen, die etwa 155 mm×10 mm groß sind, wobei der Abstand zwischen den Elektroden etwa 5 mm beträgt. Die Länge des optischen Hohlraums beträgt etwa 220 mm und die Vorionisierungselektroden besitzen einen spezifischen Widerstand von 200 ω cm. Sie bestehen aus Silizium der p-Type und sind ungefähr 1,5 mm dick. Ein solcher Laser kann mit einer Eingangsenergiedichte von etwa 90 Joule/Liter gespeist werden und besitzt einen Wirkungsgrad von etwa 8%.

Für die Vorionisierungselektroden 5 und 6 können andere kristalline Halbleiter Anwendung finden, beispielsweise polykristallines Germanium mit 50 ω cm und p-Silizium mit 100 ω cm. Diese Materialien haben sich im Versuch als befriedigend erwiesen. Es können jedoch auch andere Materialien als kristalline Halbleiter benutzt werden, beispielsweise Kohlenstoff und Kohlenstoffverbindungen.

Es braucht auch nur eine Halbleiter-Vorionisierungselektrode benutzt zu werden, und diese kann in ihren Abmessungen kürzer sein als die Hauptentladungselektroden. Je kürzer die Abmessung, desto kürzer wird jedoch die Entladung. Es ist zweckmäßig, daß die Ränder jener Abschnitte der Hauptentladungselektroden, zwischen denen die Entladung auftritt und zwischen denen daher eine Laserwirkung wirksam wird, in der oben beschriebenen Weise profiliert werden sollten. Wenn eine Entladung über die Länge der Hauptentladungselektroden auftritt, dann sollten die Enden der Hauptentladungselektroden ebenso wie die Seiten entsprechend profiliert sein und dies kann sich jedoch im Hinblick auf die Kosten der spanabhebenden Bearbeitung der Hauptentladungselektroden niederschlagen, insbesondere soweit es die Ecken anbetrifft, wo sich die seitlichen und die stirnseitigen Profile treffen. Wenn die Vorionisierungselektroden etwas kürzer bemessen werden als die Hauptentladungselektroden, dann kann an deren Enden keine Entladung auftreten, und in diesem Fall brauchen diese Enden nicht profiliert zu werden, d. h. die Hauptentladungselektroden könnten über die gesamte Länge gleichen Querschnitt aufweisen. Hierdurch können die Herstellungskosten für den Laser gesenkt werden.

Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Hier sind ver schiedene Stellungen einer Vorionisierungselektrode M relativ zu den Hauptentladungselektroden beispielsweise dargestellt. In Fig. 3 (a) und in Fig. 3 (b) kann die Vorionisierungselektrode M in Berührung mit beiden Hauptentladungselektroden 1 und 2 stehen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 (c) liegt die Vorionisierungselektrode M im Abstand von beiden Hauptentladungselektroden, und der Abstand für einen Laser der beschriebenen Bauart könnte bis etwa 1 mm betragen, er liegt jedoch vorzugsweise bei ungefähr 0,5 mm oder weniger. Fig. 3 (d) zeigt die Vorionisierungselektrode M in Berührung mit der unteren Hauptentladungselektrode 2, wobei jedoch ein Spalt zwischen diesem und der oberen Hauptentladungselektrode 1 verbleibt. Dieser Spalt kann etwa 2 bis 3 mm betragen.

Die Vorionisierungselektrode kann kapazitiv mit einer der Hauptent ladungselektroden gekoppelt werden, indem beispielsweise ein Blatt oder eine Schicht dielektrischen Materials 10 zwischen die Vorionisierungselektrode M und die Hauptentladungselektrode 1 eingefügt wird, wie dies in Fig. 3 (e) dargestellt ist.

Wie aus Fig. 3 (f) dargestellt, liegt die Vorionisierungselektrode M in der gleichen Ebene wie die Hauptentladungselektrode 2 und es ist eine metallische Leiterverbindung 11 zwischen die Vorionisierungselektrode M und die Hauptentladungselektrode 1 gelegt. Die Hauptentladungselektrode 2 in Fig. 3 (f) kann etwa 5 mm dick sein und die Vorionisierungselektrode M ungefähr 2 mm dick. Fig. 3 (f) demonstriert eine weitere mögliche Abwandlung, die durch die Tatsache bedingt ist, daß die Vorionisierungselektrode M in diesem Fall in der gleichen Ebene wie die Hauptentladungselektrode 2 liegt, und demgemäß die Seite des Hohlraumes zwischen den Hauptentladungselektroden nicht behindert. Diese weitere mögliche Abwandlung besteht darin, den Laser so anzuordnen, daß der Laser-Gasstrom im Entladungsraum quer zur Laserachse verläuft. Dies kann eine bessere Abkühlungswirkung zur Folge haben, und es kann die Wiederholfrequenz der Entladungsimpulse vergrößert werden, die an die Hauptentladungselektroden angelegt werden.

In den Fig. 3 (a) bis 3 (e) könnten natürlich Vorionisierungselektroden jeweils eines auf jeder Seite der Hauptentladungselektroden vorgesehen werden. In Fig. 3 (f) könnten bis zu vier Vorionisierungselektroden M vorgesehen werden, und zwar jeweils eines auf jeder Seite jeder Hauptentladungselektrode.

Claims

1. Gaslaser mit gepulster Entladung

- mit einem optischen Hohlraum und einer ersten und zweiten Hauptentladungselektrode (1, 2), die zwischen sich einen elektrischen Entladungsraum definieren, durch den die optische Achse des Hohlraums hindurchtritt,
- mit einer Impulssignalquelle, um den Hauptentladungselektroden elektrische Impulssignale zuzuführen und um die Hauptentladung durch das Gas in dem Entladungsraum zu erzeugen,
- mit mindestens einer Vorionisierungselektrode (5, 6, M), die benachbart zum Entladungsraum angeordnet ist, wobei sie einen Oberflächenabschnitt aufweist, der sich benachbart zum Entladungsraum in Richtung der optischen Achse erstreckt und wobei beim Anlegen eines Entladungspotentials zwischen den Hauptentladungselektroden ein Stromfluß innerhalb der Vorionisierungselektrode (5, 6, M) auftritt, durch welche das Gas einer Photoionisierung unterworfen wird, die die Hauptentladung einleitet,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorionisierungselektrode (5, 6, M) aus einem Material besteht, das einen spezifischen Widerstand von 50 Ohm cm bis 750 Ohm cm aufweist.

2. Gaslaser mit gepulster Entladung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorionisierungselektrode aus einem kristallinen Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium oder Germanium, besteht.