DE3006977A1

DE3006977A1 - Anode fuer einen laser, insbesondere ringlaser

Info

Publication number: DE3006977A1
Application number: DE19803006977
Authority: DE
Inventors: Bo Hans Gunnar Ljung
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1979-03-26
Filing date: 1980-02-25
Publication date: 1980-10-09
Also published as: FR2452806A1; SE448196B; NO800860L; JPS6310914B2; NO153234C; GB2046508B; IL59244A; US4257015A; SE8002235L; GB2046508A; JPS55128891A; CA1134014A; NO153234B; FR2452806B1

Description

PATENTANWÄLTE
DIPL. ING. WOLF D. OEDEKOVEN DIPL. CHEM. DR. O. BERNGRUBER

J 25. Februar I98O

2/Ha

THE SINGER COMPANY, Stamford, Connecticut, USA

Anode für einen Laser, insbesondere Ringlaser

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anode für einen Laser, insbesondere Ringlaser, der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattung.

Bei Ringlasern pflanzt sich der Laserstrahl entlang einer geschlossenen Bahn fort, welche dreieckig, viereckig, fünfeckig usw. sein kann. Ringlaser werden dazu benutzt, Drehungen um die Achse der Bahn festzustellen, entlang welcher sich der Laserstrahl fortpflanzt (US-PS 3 375 650 und 3 467 4-72).

Ringlaser weisen gewöhnlich ein blockartiges Gehäuse aus glaskeramischem Material auf, in welchem ein optischer Hohlraum ausgebildet ist. Letzterer ist mit einem bestimmten Lasergas gefüllt. Weiterhin sind entlang des gasgefüllten, optischen Hohlraumes Reflektoren vorgesehen, um den Laserstrahl entlang der jeweiligen, geschlossenen Bahn im Hohlraum zu reflektieren. In der Regel wird eine dreieckige Bahn gewählt, da dafür die geringstmögliche Anzahl von Reflektoren nur erforderlich ist, welche an den Ecken des im Dreieck verlaufenden, gasgefüllten, optischen Hohlraums des Gehäuses angeordnet werden, welches entsprechend als dreieckiger Block ausgebildet ist.

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Im gasgefüllten, optischen Hohlraum wird mittels Anoden und Kathoden, welche mit dem Hohlraum in Verbindung stehen, eine Glimmentladung hervorgebracht. Bei den bekannten Einglasern kommunizieren die Anoden und Kathoden mit dem gasgefüllten, optischen Hohlraum über Kapillaren, welche zu denjenigen Stellen führen, an denen die Anoden und Kathoden angeordnet sind. Wegen der sehr großen Dielektrizitätskonstanten des keramischen Materials des Gehäuses, in welchem der gasgefüllte, optische Hohlraum ausgebildet ist, ergeben sich Streukapazitäten zwischen den Anoden und der Glimmentladung in den Kapillaren. Darüber hinaus resultieren Streukapazitäten zwischen den Anoden und den umgebenden Bereichen und Abschnitten des Einglasers sowie Armaturen. Diese Streukapazitäten werden als die Hauptursache für Glimmentladungsstrominstabilitäten angesehen. Bei den bekannten Einglasern wird mit verhältnismäßig hohen Strömen gearbeitet und muß ferner der Gasdruck im gasgefüllten, optischen Hohlraum niedrig gehalten werden, was insbesondere eine beträchtliche Kathodenzerstäubung zur Folge hat. Auch ist zu berücksichtigen, daß Temperaturvariationen oder -gradienten in der Ebene des dreieckigen Gehäuses Gasströme fließen lassen, was zu falschen Meßergebnissen führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anode für einen Laser, insbesondere Einglaser, zu schaffen, welche es erlaubt, die Stromstabilität in der Glimmentladungsbahn zu verbessern, EnergieVerluste auf ein Mindestmaß zu reduzieren und somit den Energiebedarf zu vermindern, Kathodenzerstäubung entgegen zu wirken und die Laser- bzw. Einglaserstabilität zu erhöhen.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst-. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anode sind in den

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restlichen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die erfindungsgemäße Anode weist vorzugsweise eine im wesentlichen reißnagelähnliche Gestalt auf, wobei allerdings statt der Eeißnagelspitze ein im wesentlichen kugelförmiges oder halbkugelförmiges Entladungsende vorgesehen ist. Der dem Entladungsende abgewandte Kopf liegt außen am Einglaser-Gehäuse an und dichtet den gasgefüllten, optischen Hohlraum nach außen ab und vermittelt einen elektrischen Anschluß. Der Schaft der Anode erstreckt sich von außerhalb des Einglaser-Gehäuses bzw. vom besagten Abdichtungsteil weg nach, innen, so daß das Entladungsende sich im wesentlichen in der Nähe des Laserstrahls befindet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Anode aus einer Titanlegierung.

Bei der erfindungsgemäßen Anode sind die erwähnten Streukapazitäten ausgeschaltet oder zumindest vermindert und ist somit die Stromstabilität in der Glimmentladungsbahn verbessert. Auch kann mit niedrigeren Strömen gearbeitet werden, ohne daß die Glimmentladung bei geringeren Anodenströmen erlischt, was die Wärmeentwicklung im Einglaser und den Stromverbrauch beträchtlich reduziert. Der Gasdruck im gasgefüllten, optischen Hohlraum kann _} ohne eine Plasmaoszillationsbedingung hervorzurufen, erhöht werden, was die Kathodenzerstäubung wesentlich reduziert. Schließlich bewirkt die Erhöhung des Gasdruckes eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen, was im Verein mit dem verminderten Energieverbrauch und der somit reduzierten Wärmeverteilung die Stabilität des Einglasers erhöht.

Nachstehend sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anode anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen, jeweils schematisch:

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Pig. 1 einen Einglaser mit bekannten Anoden;

I¹Xg. 2 einen Einglaser mit erfindungsgemäßen Anoden;

Hg. 3 die Ausführungsform gemäß Fig. 2 der erfindungsgemäßen Anode in größerem Maßstab; und

Fig. 4 bis 6 jeweils die Fig. 3 entsprechende Ansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anode.

Der Einglaser gemäß Fig. 1 weist ein als dreieckiger Block aus einem Material mit ultraniedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildetes Gehäuse 10 auf. Bei dem Material kann es sich beispielsweise um den unter dem Handelsnamen "Cervit" oder dem unter dem Handelsnamen "Zerodur" bekannten Werkstoff der Firma Owens Illinois Corporation bzw.

Schott Company handeln. Beispielsweise weist der Werkstoff "Zerodur" einen Wärmeausdehnungskoeffizienten OC = -8 χ 10~⁸/⁰ C auf.

An jeder Ecke des dreieckigen Gehäuses 10 ist ein Eeflektor 12 bzw. 14 bzw. 16 vorgesehen, um den Laserstrahl entlang einer dreieckigen Bahn in einem im Gehäuse 10 ausgebildeten, optischen Hohlraum zu reflektieren, welcher drei Kapillaren 18, 20 und 22 aufweist. Der Eeflektor 16 ist mit einem piezoelektrischen Stellglied versehen, um den Eeflektor 16 verstellen und die Laserstrahl-Bahn länge verändern zu können.

Der optische Hohlraum mit den Kapillaren 18, 20 und 22 ist mit einem Lasergas gefüllt. Dieses wird in den optischen Hohlraum mit Hilfe einer Anode 24 eingeführt, welche mit der Kapil-

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laren 20,kommuniziert und bei der Herstellung durch Kaltschweißen bei 26 verschlossen wird. Eine ähnliche Anode 28, allerdings ohne Einfüllöffnung, kommuniziert mit der Kapillaren 22, während eine Kathode 30 mit der Kapillaren 18 in Verbindung steht, um den elektrischen Kreis für die Erzeugung einer Glimmentladung zu vervollständigen.

Wenn zwischen der Kathode 30 und den beiden Anoden 24 und 28 die zum Hervorbringen der Glimmentladung erforderliche Spannung angelegt wird, dann ergeben sich aufgrund der sehr großen Dielektrizitätskonstanten £ des keramischen Materials bzw. Glasmaterials, welche beispielsweise zwischen 9 und 10 liegt, die durch die gestrichelt dargestellten Kondensatoren 32 und 3^ veranschaulichten Streukapazitäten. Die filimmentladung erfolgt in den Kapillaren 18, 20 und 22, jedoch auch in den Kapillaren 36, 38 und 40, welche sich jeweils zwischen der Anode 24 bzw. 28 und der Kapillaren 20 bzw. 22 bzw. zwischen der Kathode 30 und der Kapillaren 18 erstrecken. Die Glimmentladung in den Kapillaren 36, 38 und 40 zu den Anoden 24 und 28 und zur Kathode 30 trägt zur Ver-Stärkung im Laser nichts bei und bedeutet einen schädlichen Energieverlust. Darüber hinaus liegt der Gasdruck im gasgefüllten, optischen Hohlraum des Einglasers nur in der Größen ordnung von zwei Torr. Bei einem derart niedrigen Gasdruck neigt die Kathode 30 zur Zerstäubung, was die Gasfüllung beeinträchtigt und die Lebensdauer des Einglasers vermindert.

Der Einglaser gemäß i*ig. 2 unterscheidet sich lediglich dadurch von demjenigen nach Fig. 1, daß statt der bekannten Anoden 24 und 28 erfindungsgemäße, sehr viel kleinere Anoden 42 und 44 vorgesehen sind. Jig. 3 zeigt die Anode 42 in größerem Maßstab. Sie weist eine fieißnagelähnliche Gestalt auf und ist mit einem Kopf 48, einem Schaft 50 und einem Entladungsende 52 versehen. Der Kopf 48 dichtet die Kapillare 36

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und somit das Innere der gasgefüllten Kapillaren 20 gegenüber der umgebenden Atmosphäre ab und wirkt also als Abdichtungsteil der Anode 42. Das Entladungsende 52 ist kugelförmig ausgebildet. Obwohl die meisten gewöhnlich für Anoden verwendeten Werkstoffe, wie Columbium oder das unter dem Handelsnamen "Invar" bekannte Material, für die Herstellung der erfindungsgemäßen Anoden geeignet sind, so ist doch für die Ausführungsform gemäß Fig. 3 eine nicht magnetische Titanlegierung 6A1-4V oder ein rostfreier Stahl vom Typ 300 besonders geeignet.

Es hat sich herausgestellt, daß die Glimmentladung in den Kapillaren 18, 20 und 22 daran gehindert wird, oberhalb des Bodens 54 des kugelförmigen Entladungsendes 52 der Anode 42 stattzufinden, wenn der Durchmesser des Entladungsendes 52 so groß gemacht wird, daß er 3/4 oder einen noch größeren Bruchteil des Durchmessers der Kapillaren 36 ausmacht, in welche der Schaft 50 ragt. Beispielsweise kann die Kapillare 36 einen Durchmesser von 3*175 mm und das kugelförmige Entladungsende 52 öinen Durchmesser von 2,3622 mm aufweisen, wobei die Gesamtlänge des Schaftes 50 bei etwa 12,7 ra& liegen kann. Eine Zerstäubung des Schaftes 50 der Anode 42 wird dabei vermieden, weil die Glimmentladung den Schaft 50 nicht erreicht, welcher sich zwischen dem kugelförmigen Entladungsende 52 und den Kopf 48 der Anode 42 erstreckt.

Weiterhin hat sich herausgestellt, daß ein Schaft 50 mit einem verhältnismäßig kleinen Durchmesser in Bezug auf den Durchmesser des kugelförmigen Entladungsendes 52 die Streukapazität vermindert, und daß der Schaftdurchmesser, unabhängig davon, ob groß oder klein, bezüglich der Entladungs-Stromstabilität nicht kritisch ist. Außerdem haben Berechnungen zur Bestimmung des kleinsten Schaftdurchmessers, welcher im Hinblick auf das Vermeiden von Beschädigungen aufgrund

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von mechanischen Resonanzfrequenzen noch zulässig ist, ergeben, daß der Schaft 50 sehr kleine Durchmesser aufweisen kann. Schließlich wurde gefunden, daß die Streukapazitätsverminderung es ermöglicht, den Gasdruck im gasgefüllten, optischen Hohlraum über das "bei den bekannten Ringlasern zulässige Niveau zu erhöhen, ohne irgendwelche Plasmaoszillationen zu bewirken.

I"ig. 4 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anode, welche sich nur dadurch von derjenigen nach Fig. 3 unterscheidet, daß der Kopf 48 fehlt und stattdessen eine Saphirseneibe 56 vorgesehen ist, welche mit dem Schaft 50 vakuumverlötet ist, und zwar unter Verwendung einer eutektischen Silber/Kupfer-Legierung und eines Titanpulvers, um die Benetzung zu fördern. Die Saphirscheibe 56 dichtet die Kapillare 36 bzw. den gasgefüllten, optischen Hohlraum des Ringlasers gegenüber der umgebenden Atmosphäre ab und wirkt also als Abdichtungsteil der Anode 42. Es hat sich herausgestellt, daß Columbium und auch der unter dem Handelsnamen "Kovar" bekannte Werkstoff für den Schaft 50 lind das Entladungsende 52 bei dieser Ausführungsform besonders geeignet sind. Wegen der dielektrischen Natur der Saphirscheibe 56 ist jegliche Streukapazität zwischen dem entsprechenden Anodenende und der Glimmentladung in den Kapillaren 18, 20 und 24 im wesentlichen ausgeschlossen. Die harte, polierte Saphiroberfläche benötigt nach dem Vakuumverlöten keine neuerliche Bearbeitung bzw. kein Polieren.

Auch die dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anode gemäß Fig. 5 bewirkt eine Streukapazitätsverminderung und erhöht die Stromstabilität. Sie unterscheidet sich lediglich dadurch von derjenigen nach Pig. 3» daß das kugelförmige Entladungsende 52 fehlt. Obwohl eine wirksame Streukapazitätsverminderung und Stromstabilitätserhöhung gewährleistet sind,

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kann es unter bestimmten Umständen geschehen, daß die Glimmentladung die Kapillare 36 hochwandert und sich entlang des Schaftes 50 verteilt. Nach einiger Zeit ist am Schaft 50 eine Zerstäubung zu beobachten, was unter bestimmten Bedingungen unerwünscht sein kann. Wird jedoch der Durchmesser des Schaftes 50 so groß gemacht, daß er 3/4- oder einem noch größeren Bruchteil des Durchmessers der Kapillaren 36 entspricht, dann beschränkt sich die Gasentladung auf die Schaftspitze. Wird letztere ferner halbkugelförmig ausgebildet, dann ist auch jegliches "Wandern" der Entladung auf der Schaftspitze vermieden, was eine niederfrequente Instabilität der Glimmentladung zur Folge hätte.

Auch die vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anode gemäß Fig. 6 erhöht die Glimmentladungsstromstabilität. Sie unterscheidet sich nur dadurch von der dritten Ausführungsform nach Fig. 5» daß der Schaft 50 kürzer ist. Eine solche kürzere Schaftlänge ist dann für einen richtigen Betrieb erforderlich, wenn als Anodenmaterial der unter dem Handelsnamen "Invar" oder der unter dem Handelsnamen "Kovar" bekannte Werkstoff verwendet ist, weil dieser Werkstoff magnetisch ist, so daß der Schaft 50 sich nicht zu nahe zum gasgefüllten, optischen Hohlraum mit den Kapillaren 18, 20 und 24 des Einglasers erstrecken darf.

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Claims

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Ansprüche

Anode für einen Laser, insbesondere Einglaser, welche zur Erzeugung der Glimmentladung im gasgefüllten, optischen Hohlraum desselben mit dem Hohlraum über einen Kanal kommuniziert, einen Anschluß zur Beaufschlagung mit einem elektrischen Potential aufweist und den Kanal an dem dem Hohlraum abgewandten Ende nach außen dicht abschließt, gekennzeichnet durch ein mit dem Anschluß versehenes Abdichtungsteil (48; 56) und einen Schaft (50) i^it Entladungsende (52), welcher mit dem Anschluß elektrisch verbunden ist und vom Abdichtungsteil (48; 56) weg in den Kanal (36) ragt, so daß das mit dem Schaft (50) verbundene Entladungsende (52) sich in der Nähe des Hohlraumes (20) befindet.
2. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß, das Abdichtungsteil (48), der Schaft (50) und das Entladungsende (52) einstückig ausgebildet sind.
3. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (50) und das Entladunge^nde (52) einstückig ausgebildet sind.
4. Anode nach Anspruch 1 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Abdichtungsteil als dielektrische Scheibe (56) ausgebildet ist, durch welche sich der Anschluß zum Schaft (50) erstreckt.

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5. Anode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichn e t, daß die Scheibe (56) aus Saphir und das Entladungsende (52) aus Columbium oder der unter dem Handelsnamen "Kovar" bekannten Nickel/Kobalt/Eisen- bzw. Nickel/Kobalt/ Mangan/Eisen-Legierung besteht.
6. Anode nach Anspruch 4 oder 5» dadurch g e k e η η ζ e ic h η e t, daß die Scheibe (56) und der Schaft (50) durch Vakuumlöten miteinander verbunden sind.
7· Anode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsende (52) im wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist.
8. Anode nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichn e t, daß der Durchmesser des kugelförmigen Entladungsendes (52) mindestens 3/4 des Durchmessers des Kanals (36) ausmacht.
9. Anode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g ekennzeichnet, daß der Schaft (50) einen Durchmesser aufweist, welcher mindestens 3/4 des Durchmessers des Kanals (36) ausmacht.
10. Anode nach Anspruch 9» dadurch g e k e η η ζ e ic hn e t, daß das Entladungsende im wesentlichen halbkugelförmig ausgebildet ist, wobei der Halbkugeldurchmesser dem Durchmesser des Schaftes (50) entspricht.

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