DE3009611A1

DE3009611A1 - Verfahren zur herstellung von wellenleiterlasern

Info

Publication number: DE3009611A1
Application number: DE19803009611
Authority: DE
Inventors: Gunther Dipl.-Phys. Dr. 8012 Ottobrunn Sepp; Dieter Dipl.-Phys. Dr. 8013 Haar Siemsen
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-03-13
Filing date: 1980-03-13
Publication date: 1981-09-17
Also published as: GB2071904B; FR2478387A1; DE3009611C2; GB2071904A; FR2478387B1

Description

MESSERSCHMITT-BÖLKOW-BLOHM - 4 - Ottobrunn,29.Febr.80,

GESELLSCHAFT BT Ol Kre/Ke

MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG 8646

MÜNCHEN

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Wellenleiterlasern .

Die Wellenleiterlaser nach dem Stand der Technik werden vorzugsweise aus einzelnen Bauteilen zusammengesetzt oder aus einem Vollkörper herausgearbeitet.Der Aufwand an Material ,Werkzeugen und Fertigungszeit,aber auch die Probleme der Justierung usw.sind hier sehr erheblich.Vor allem die zusätzliche Bearbeitung zur Herstellung der axialen Laserkapillare erfordert wegen der langen,sehr dünnen Bohrung und des zumeist extrem harten Materials sehr aufwendige Werkzeuge.Bei der Herstellung der eingangs genannten Laser nach dem ebenfalls sehr aufwendigen sogenannten Pulver-Sinterverfahren tritt zusätzlich nach das Problem der unzureichenden Maßhaltigkeit auf.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde,die vorgenannten Nachteile zu beseitigen und die Herstellung von Wellenleiterlasern wesentlich zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird in überraschend guter Weise durch die im Hauptanspruch niedergelegten Maßnahmen gelöst,wobei weitere vorteilhafte Ausgestaltungen aus den Unteransprüchen hervorgehen.In der Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert und in den Figuren der Zeichnung dargestellt.Es zeigen :

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Fig.l einen Längsschnitt entlang der Linie A-A gemäß Fig.2 durch einen Laserkörper,

Fig.2 eine Frontansicht eines Laserkörpers

Fig.3 einen Querschnitt entlang der Linie B-B gemäß Fig.l durch den Laserkörper zusammen mit der Anordnung eines Resonator-Distanzstabaußenskelettes in schematischer Darstellung ,

Fig.4 eine Frontansicht des Laserkörpers mit Abdeckplatte,

Fig.5 eine Frontansicht des Laserkörpers mit Hilfsstegen,

Fig.6 eine Resonatorgruppe zusammen mit dem mit einer Abdeckplatte und einem Metallbalg versehenen Laserkörper .

Die Figuren 1 und 2 zeigen den Laserkörper 10 eines Wellenleiterlasers ,der nach dem Strangpreßverfahren in einem Stück gefertigt ist.Bei diesem Verfahren wird in an sich bekannter Weise eine plastische,Wasser und andere flüchtige Stoffe enthaltende Vormasse in eine Kammer gepreßt, welche auf einer Seite mit einer Öffnungen enthaltenden Wand abgeschlossen ist.In manche der Öffnungen können Dorne hineinragen,welche z.B. durch lange dünne Stäbe von der gegenüberliegenden Wand aus gehaltert werden.Es entsteht ein plastischer Strang ,von dem die Laserröhren entsprechend der jeweils gewünschten Länge des zu erstellenden Lasers

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abgeschnitten werden.Diese Abschnitte 10 werden vorzugsweise luftgetrocknet,wobei insbesondere zu Anfang durch geeignete Maßnahmen auf Formbeständigkeit geachtet wird.Der meistens vertikal austretende Strang kann z. B. in eine den Strang genau umschließende Röhre gebracht werden,welche die Trocknung nicht behindert und z. B. durch vorheriges Wässern das nicht ganz vermeidbare Schrumpfen der Abschnitte mitmacht.Hierbei kann das Strangpressen auch horizontal erfolgen,wobei die Formbeständigkeit durch langsames Rotieren um eine horizontale Achse noch verbessert werden kann.Diese Maßnahmen sind nun teilweise oder ganz durch eine erfindungsgemäße Maßnahme ersetzbar,nämlich dadurch, daß beim Strangpressen äußere 17 oder innere Hilfsstege 17a mit Sollbruchstellen 17b mitgepreßt werden .Die Abschnitte 10 werden schließlich in einem Brennofen weiter verfestigt, so daß ein -vorzugsweise aus extrem harter und vakuumdichter AI0O3-Keramik bestehender - Laserkörper 10 entsteht, aus welchem im gegebenen Fall die Hilfsstege wieder herausgebrochen werden.Bezüglich der Maßhaltigkeit von derartigen Wellenleiterlasern kommt es zustatten,daß die äußeren Abmessungen und die Form der Ballastvolumina keinen hohen Toleranzanforderungen genügen müssen.Für die Laserkapillare 11 allerdings muß ein hohes Maß an Geradheit,Oberflächenglattheit und kreisförmigem Querschnitt gefordert werden,um einen optimalen Laserbetrieb zu ermöglichen.

Bis zu einem Kapillardurchmesser von ca. lmm herab lassen sich diese Forderungen jedoch durch geeignete Maßnahmen wie z. B. durch die Auswahl günstiger Korngrößen und Bestandteile des Vormaterials,Polieren des die Kapillare formenden Dorns und die bereits beschriebenen Maßnahmen zur Erhaltung des Preßquerschnitts beim Lufttrocknen befriedigen.Gerade bezüglich der Herstellung dieser Kapillare bringt die vorliegende Erfindung eine außerordentliche

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Vereinfachung mit sich,da das Tiefbohren solcher dünner und ca.10 - 2o cm langer Löcher in extrem harter Keramik mit der erforderlichen Geradheit bisher kaum beherrschbar war.

Zumeist werden radiale Hilfsbohrungen 12a z.B. für die Elektrodendurchführungen 19 ,den Lasergas-Füllstutzen 2o und für die Verbesserung des Gasaustausches zwischen Laserkapillare 11 und den Ballastvolumina 12 benötigt.Diese Löcher können nach dem Brennen mit Diamantbohrern,im luftgetrockneten oder im plastischen Zustand mit einfachen Bohrern angebracht werden,je nach der erforderlichen Qualität, das eventuell erforderliche Verschließen der Löcher bzw. das Anbringen der Abdeckplatten 10a,welche die Ballastvolumina 12 abschließen,die Kapillare 11 dagegen freilassen, kann durch Verlöten der vorher metallisierten Hartkeramikteile und -stellen geschehen.Erfindungsgemäß kann das Anbringen von Keramikteilen wie z.B. der Abdeckplatten 10a oder sonstiger Hilfsteile -z.B. Halterungen - auch durch das sogenannte"Angarnieren" er folgen.Hierbei werden beide Teile in noch plastischem Zustand ininnigen Kontakt miteinander gebracht,eventuell unter zusätzlichem Anfeuchten , so daß eine vakuumdichte Verbindung entsteht,die nach dem Brennen eine hohe Festigkeit aufweist.

Die Herstellung einer zentralen Laserkapillare 11 mit einem Durchmesser von ^ 1 mm wirft Probleme auf.Es hat sich nämlich gezeigt,daß eine auf diese Fertigungsdurchmesser im Strangpreßverfahren hergestellte Kapillare bzw.Laserkörper mit eingeschlossener Kapillare Mikrorisse aufweisen können, welche zu Leistungseinbußen beim Laserbetrieb führen.Diesem Mangel begegnet die Erfindung dadurch,daß der Kapillardurchmesser beim Strangpreßverfahren nur auf einen Wert von ca. 0,5 mm gehalten wird und auf das Fertigmaß nach der Strangpressung und dem Brennen aufgebohrt wird.Die Laserkapillare

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ist also bei dem vorgeschlagenen Herstellungsverfahren bereits vorhanden , allerdings nicht im Fertigmaß ,aber durch ihr Vorhandensein bildet sie bereits die Führung für den Bohrer und sorgt so für eine einwandfreie Richtungsstabilität desselben,d.h. für eine genaue Maßhaltigkeit in Bezug auf die Axialrichtung der Bohrung.

Damit aber entfällt die bei dem bisherigen Tiefbohrverfahren entscheidende Schwierigkeit der Einhaltung der Geradheit, so daß derartige Bohrungen nunmehr allgemein hergestellt bzw. gefertigt werden können.Durch das Aufbohren der Kapillare von 0,5 mm auf beispielsweise 1 mm werden nun die durch das Strangpreßverfahren entstandenen Mikrorisse in der Bohrung entfernt und die auf das Fertigmaß erweiterte Kapillare in einen optimalen Zustand gebracht.

Wie die Fig,2 bis 5 zeigen,hat dieser vorzugsweise aus A1„CL· hergestellte Laserkörper Io nun eine gewisse Dreiecksform ,bei der die axialen Durchführungen 12 zueinander in einem Winkel von 12o stehen,wobei zwischen jeweils zwei der Gasballastvolumina bildenden Durchführungen 12 Einbuchtungen 16 gebildet werden.So vermittelt eine Frontansicht des vorgeschlagenen Laserkörpers Io den Eindruck eines dreizackigen Sternes.In diese Einbuchtungen 16 werden nun jeweils ein Resonatordistanzstanb -15 angeordnet ,welche vorzugsweise aus einem Material mit kleinem Wäremausdehnungskoeffizienten wie beispielsweise Quarz,Cerodur o.ähnliches bestehen,und die gemäß Fig.6 in den Resonatorendgruppen zentriert und in geeigneter Weise gegen Verdrehen gesichert sind.Diese Resonatorgruppen 18 sind bezüglich ihrer Aufgabe -Halterung der Resonatorspiegel - allgemein bekannt.

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Für den vorliegenden zusätzlichen Zweck,nämlich den nach dem Strangpreßverfahren hergestellten Laserkörper 10 mit Abdeckplatten 10a und Metallbälgen 14 an seinen beiden Enden vakuumdicht abzudecken und gleichzeitig auch das sogenannte Resonatorstabaußenskelett 15 aufzunehmen und zu zentrieren ,sind diese Bauendgruppen speziell ausgestaltet worden.Zwischen der Abdeckplatte 10a und der Zwischenplatte 14b ist der Metallbalg 14 angeordnet.Die Zwischenplatte 14b ist mit Zentrierungen 14c für die Distanzstäbe 15 versehen, die dadurch in ihrer Lage einwandfrei zentriert und gehalten werden.Über ein dünnes Rohrstück 14 f ist eine Spiegelträgerplatte 14d mit der Zwischenplatte 14b verbunden,die einstellbar über drei Schrauben 14g den Spiegel 16 in senkrechter Lage zur Kapillare 11 trägt.Die Verbindungsbohrung zwischen Spiegel 16 und Kapillare 11 ist mit 14e bezeichnet.

Die Metallbälge 14 haben also die Funktion einer elastischen ,vakuumdichten Verbindung zwischen stranggepreßtem Laserkörper Io mit Abdeckplatten 10a einerseits und Resonatordistanzstabbauskelett 15 mit Resonatrrendgruppen 18 andererseits.Dadurch wird der Laserresonator von der Wärmeausdehnung des Laserkörpers 10 entkoppelt und damit ein frequenzstabiler Laserbetrieb ermöglicht.Durch die elastische Aufhängung des Laserkörpers 10 kann eine seitliche Verschiebung zwischen Resonatorachse und Laserkörperachse auftreten,die durch geeignete Maßnahmen wie z.B. das Anbringen von Führungsdornen 14a verhindert wird.

Durch diese vorgeschlagene Ausführungsform ist es nun nicht erforderlich,daß die Distanzstäbe 15 in einer Vakuumdurchführung angeordnet werden müssen,sondern ganz im Außenraum liegen ,so daß sie auf Außentemperatur bleiben,wodurch die Frequenzstabilität des Lasers weiter verbessert wird.

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Die Form und Anordnung der für die Gasentladung in der Kapillare 11 benötigten Elektroden ist dem Prinzip nach bekannt.So können z.B. je eine Elektrode in je einer der Bohrungen 12a an gegenüberliegenden Enden des Laserkörpers nach außen hin vakuumdicht angebracht werden.Die nicht benutzten außenliegenden Teile der Bohrungen 12a müssen dann nach einer der vorbeschriebenen Methoden verschlossen sein,während die innenliegenden Teile der Bohrungen 12a weiterhin offen bleiben ,um den Gasaustausch zwischen Kapillaren 11 und Ballastvolumina 12 zu verbessern.

Auch eine Aufteilung der Entladung auf zwei Hälften kann von Vorteil sein,wobei dann die mittleren der Radialbohrungen 12a verwendet werden.Insbesondere in diesem Falle kann es von Vorteil sein ,die Kathode großflächig zylindrisch auszubilden.Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit geteilter Entladung sieht vor,,die Kathode 19c platzsparend in einem der Ballastvolumina 12 unterzubringen und die Gaszuführung 2o als Zuleitung zu verwenden. Durch geeignete Maßnahmen wie z. B. Isolierrörchen 19a oder Isolierscheibchen 19b muß in allen Fällen verhindert werden,daß die Gasentladung im Ballastvolumen 12 anstatt in der Kapillare brennt .

Die vorbeschriebenen Herstellungsmaßnahmen führen zu einer Reihe von wesentlichen Vorteilen.Abgesehen von der erheblichen Herstellungsvereinfachung durch das Strangpreßverfahren,wo also das formmäßig komplett fertige Körperelement erhalten wird,und die damit verbundene Reduzierung und Erleichterung der Lagerhaltung ,ist auch keinerlei Vakuumdurchführung mehr erforderlich.

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Auch das Problem der Kühlung der Laserkapillare,die ja das Entladungsrohr bildet, läßt durch die vorgeschlagenen Maßnahmen eine wesentliche Vereinfachung zu,denn die Kühlluft kann von außen her an den drei Einbuchtungen 16 bis in unmittelbare Nähe der Kapillare gelangen,so daß eine effektive Kühlung erreicht wird.

Als weiterer Vorteil muß angesehen werden,daß durch die vorgeschlagene Dreistabkonstruktion die Resonatoren bzw. deren Auflagen statisch einwandfrei bestimmt sind und weiterhin ist es nach einem Merkmal der Erfindung möglich,den Raum zwischen den drei Resonatorstäben durch integral mit der Laserkapillare 11 verbundenen Lasergasreservoires raumfüllend zu nutzen und damit die Lebensdauer des Lasers entscheidend zu verlängern .Hierzu sind die Bohrungen 12,12a angeordnet.

Insgesamt gesehen erlauben die vorgeschlagenen Maßnahmen eine wesentliche Vereinfachung der Herstellung von frequenzstabilen Wellenleiterlaser und auch eine optimale Nutzung des Gesamtbauvolumens.

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Claims

Patentansprüche .

Verfahren zur Herstellung von Wellenleiterlasern,dadurch gekennzeichnet ,daß der Laserkörper (10) im Strangpreßverfahren aus plastischem Vormaterial in einem Stück gefertigt und anschließend getrocknet und hartge brannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet ,daß der Laserkörper (10),bestehend aus Kapillare (11),Gasballastvolumina bzw. axialen Durchführungen (12) im Querschnitt eine dreiecks-oder mehrecksähnliche Form erhält und in den entstehenden Einbuchtungen (16) Resonatordistanzstäbe (15) angeordnet sind ,die über die Resonatorendgruppen (18) zusammen mit dem Laserkörper (lo) und den Abdeckplatten (loa) mit an sich bekannten Metallbälgen (14) verbunden und zentriert sind.

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3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 ,dadurch gekennzeichnet ,daß die Laserkapillare (11) zentral in der Laserkörperachse (13) rohrförmig mit einem Durchmesser von ca. o,5 - 3 mm angeordnet und ausgebildet ist.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 ,dadurch gekennzeichnet ,daß der Laserkörper (lo) aus Al„O-.-Keramik gefertigt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 ,dadurch gekennzeichnet ,daß der Fertigdurchmesser der Laserkapillare (11) durch Aufbohren der vorgefertigten Kapillarröhre hergestellt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 ,dadurch gekennzeichnet ,daß die Abdeckplatten(14) aus demselben plastischen Vormaterial wie der Laserkörper (lo) gefertigt und vor dem Brennen mit dem Laserkörper durch "Angarnieren" vakuumdicht verbunden werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6 ,dadurch gekennzeichnet ,daß der Laserkörper (10) beim Strangpressen mit äußeren (17) oder inneren (17a) Hilfsstegen versehen wird,die nach dem Hartbrennen an den dafür vorgesehenen Sollbruchstellen(17b) wieder aus dem Laserkörper (lo) herausgebrochen werden .
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7 ,dadurch gekennzeichnet ,daß eine oder mehrere der für eine elektrische Gasentladung längs der Laserkapillare(ll)

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benötigten Elektroden (19,19c) in einer oder mehreren axialen Durchführungen (12) untergebracht und mit der Laserkapillare (11) durch radiale Bohrungen (12a) verbunden sind,wobei zusätzliche Isolierröhrchen (19a) oder -scheibchen (19b) zur Vermeidung einer Gasentladung im Ballastvolumen (12) angeordnet sind.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8 ,dadurch gekennzeichnet ,daß Führungsdorne (14a) in den Resonatorendgruppen (18) derart angeordnet sind,daß die Längenausdehnung des Laserkörpers (lo) unbehindert bleibt, die Querbeweglichkeit des Laserkörpers (lo) gegenüber den Resonatorendgruppen (18) dagegen ausgeschaltet wird.

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