DE3009611C2

DE3009611C2 - Verfahren zur Herstellung von Wellenleiterlaserkörpern

Info

Publication number: DE3009611C2
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: 1990-09-13
Also published as: GB2071904A; DE3009611A1; GB2071904B; FR2478387A1; FR2478387B1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Wellenleiterlaserkörpern. ~>5

Die Wellenleiterlaserkörper 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 eo 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 genann- rr> ten Wellenleiterlascrkörpcr nach dem ebenfalls sehr aufwendigen sogenannten Pulvcr-Sintcrverfahren tritt zusätzlich noch das Problem der unzureichenden Maßhaltigkeit auf.

In der Veröffentlichung J.-Phys. D: Appl. Phys. 11 (1978) Nr. 8, Seite Ll 11—Ll 14 ist die herkömmliche Herstellung eines Wellenleiterlasers beschrieben, wobei aufwendige Bearbeitungsmethoden zur Anwendung kommen, mit denen die für Einrichtungen der genannten Art hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit erfüllt werden. Dabei ist insbesondere die Herstellung der erforderlichen Kapillaren geringen Durchmessers nur mit einem hohen Aufwand an Kosten und Bearbeitungszeit und nur für relativ dicke Kapillaren durchführbar.

In der DE-OS 22 54 563 wird ein Strangpreßverfahren zur Herstellung von vielzelligen Wabenkörpern für Wärmetauscher beschrieben. Für solche Wabenkörper werden jedoch auch nicht annähernd so hohe Aliforderungen an die Geradheit, insbesondere auch an die Oberflächengüte und die Querschnittstreue gestellt, wie sie für optische Komponenten — wie Wellenleiterlaserkörper — erzielt werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein dem Stand der Technik gegenüber vereinfachtes Verfahren zur Herstellung von Weilcnlcitcrlaserkörpern anzugeben, das ausreichende Maßhaltigkeit gewährleistet und bei dem der Aufwand an Material, Werkzeug und Fertigungszeit verringert ist.

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

Fig. 1 einen Längsschnitt entlang der Linie A-A gemäß F i g. 2 durch einen Wellenleiterlaserkörper,

F i g. 2 eine Frontansicht des o. g. Körpers,

Fig.3 einen Querschnitt entlang der Linie B-B gemäß F i g. 1 durch den Wellenleiterlaserkörper zusammen mit der Anordnung eines Resonator-Distanzstabaußenskelettes in schematischer Darstellung,

Fig.4 eine Frontansicht des o.g. Körpers mit Abdeckplatte,

Fig.5 eine Frontansicht des Wellenleiterlaserkörpers mit Hilfsstegen,

F i g. 6 eine Resonatorgruppe zusammen mit dem mit einer Abdeckplatte und einem Metallbalg versehenen Laserkörper.

Die Fig. 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 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 langain;:°s Rotieren um eine

horizontale Achse noch verbessert werden kann. Diese Maßnahmen sind nun teilweise oder ganz dadurch ersetzbar, daß beim Strangpressen äußere 17 oder innere Hilfsstege 17a mit Sollbruchstellen 176 mitgepreßt werden, wie in Fig.5 dargestellt ist. Die Abschnitte 10 werden schließlich in einem Brennofen weiter verfestigt, so daß ein — vorzugsweise aus extrem harter und vakuumdichter AliCb-Keramik bestehender — Laserkörper 10 entsteht, ius 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 entlang- der Achse 13 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. 1 mm 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 Doms und die bereits beschriebenen Maßnahmen zur Erhaltung des Preßquerschnitts beim Lufttrocknen befriedigen. Gerade bezüglich der Herstellung dieser Kapillare bringt das anhand der Figuren erläuterte Verfahren eine außerordentliche Vereinfachung mit sich, da das Tiefbohren solcher dünner und ca. 10 bis 20 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-Füllstutzer, 20 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 (F i g. 6), welche die Ballastvolumina 12 abschließen, die Kapillare 11 dagegen freilassen, kann durch Verlöten der vorher metallisierten Hartkeramikteile und -stellen geschehen. Das Anbringen von Keramikteilen wie z. B. der Abdeckplatten 10a oder sonstiger Hilfsteile — z. B. Halterungen — kann auch durch das sogenannte »Angarnieren« erfolgen. Hierbei werden beide Teile in noch plastischem Zustand in innigen 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 il 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 um die Achse 13 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 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 f ^:ne einwandfreie Richtungssla-

bilität 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 Einhaltuüg 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 m 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 F i g. 2 bis 5 zeigen, hat dieser vorzugsweise aus AI2O3 hergestellte Laserkörper 10 nun eine gewisse Dreiecksform, bei der die axialen Durchführungen 12 zueinander in einem Winkel von 120° stehen, wobei zwischen jeweils zwei der Gasballastvolumina bildenden Durchführungen 12 Einbuchtungen 1OZ? gebildet werden. So vermittelt, eine Frontansicht des vorgeschlagenen Laserkörpers 10 den Eindruck eines dreizackigen Sternes. In diese Einbuchtungen 10b werden nun jeweils ein Resonatordistanzstab 15 angeordnet, welche vorzugsweise aus einem Material mit »."!einem Wärmeausdehnungskoeffizienten wie beispielsweise Quarz, Cerodur oder ähnliches bestehen, und die gemäß F i g. 6 in den Resonatorendgroppen 18 zentriert und in geeigneter Weise gegen Verdrehen gesichert sind. Diese Resonatorendgruppen 18 sind bezüglich ihrer Aufgabe — Halterung der Resonatorspiegel — allgemein bekannt.

Für den vorliegenden zusätzlichen Zweck, nämlich den nach dem Strangpreßverfahren hergestellten Laserkörper 10 mit Abdeckplatten 10a und Metallbälgen 14 an seinen beiden Enden vakuumdicht abzudekken und gleichzeitig auch das sogenannte Resonatorstabaußenskelett 15 aufzunehmen und zu zentrieren, sind diese Bauendgruppen speziell ausgestaltet worden. Zwischen der Abdeckplatte 10a und der Zwischenplatte 146 ist der Metallbalg 14 angeordnet. Die Zwischenplatte 146 ist mit Zentrierungen 14c für die Distanzstäbe 15 versehen, die dadurch in ihrer Lage einwandfrei zentriert und gehalten werden. Über ein dünnes Rohrstück 14/ist eine Spiegelträgerplatte 14c/ mit der Zwischenplatte 146 verbunden, die einstellbar über drei Schrauben \4g den Spiegel 16 in senkrechter Lage zur Kapillare 11 trägt. Die Verbindungsbohrung zwischen Spiegel 16 und Kapillare 11 ist mit 14ebezeichnet.

Die Metallbälge 14 haben also die Funktion einer elastischen, vakuumdichten Verbindung zwischen stranggepreßtem Laserkörper 10 mit Abdeckplatten 10a einerseits und Resonatordistanzstabbauskelett 15 mit Resonatorendgruppen 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, sr> daß sie auf Außentemperatur bleiben, wodurch die Frequenzstabilität des Lasers weiter verbessert wird.

Die Form und An> rdnung der für die Gasentladung in der Kapillare Il benötigten Elektroden ist dem Prinzip nach bekannt. So können z. B. je eine Elektrode in je

einer der Bohrungen 12;; an gegenüberliegenden [luden des Laserkörpers nach außen hin vakuumdicht angebracht werden. Die nicht benutzten außenliegenden Teile der Bohrungen 12;) müssen dann nach einer der voibeschriebenen Methoden verschlossen sein, während die innenliegenden Teile der Bohrungen 12;) 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 12;j 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 20 als Zuleitung zu verwenden. Durch geeignete Maßnahmen wie z. B. Isolierröhrchen 19.) oder Isolierscheibchen 196 muß in allen Fällen verhindert werden, daß die Gasentladung im Ballastvolumen 12 anstatt in der Kapillare brennt.

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

Auch das Problem der Kühlung der Laserkapillare, die ja das Entladungsrohr bildet, hißt 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 Dreislabkonstruktion die Resonatoren bzw. deren Auflagen statisch einwandfrei bestimmt sind und weiterhin ist es möglich, den Raum zwischen den drei Resonatorstäben durch integral mit der Laserkapillare 11 verbundene Lasergasreservoire raumfüllend zu nutzen und damit die Lebensdauer des Lasers entscheidend zu verlängern. Hierzu sind die Bohrungen 12,12;) angeordnet.

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

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Wellenleiterlaserkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkörper (10) im Strangpreßverfahren aus plastischem Vormaterial in einem Stück gefertigt, anschließend getrocknet und hartgebrannt wird, wobei die Laserkapillare (11) zur Erlangung einer optimalen Geradheit, Oberflächenglattheit und Querschnittstreue durch spezielle Auswahl von Korngrößen und Bestandteilen des Vormaterials, durch Polieren des die Laserkapillare (11) formenden Doms durch Mittel zur Formhaltung während des Trocknungsvorganges gefertigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkörper (10) aus AI₂O3-Keramik gefertigt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zentral in der Laserkörperachse (13) liegende Laserkapillare (11) rohrförmig mit einem Durchmesser von ca. 0,5 bis 3 mm hergestellt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasirkörper (10) im Querschnitt die Form eines drei- oder mehrzackigen Sternes mit axialen, mit Abdeckplatten (1Oa^ abgeschlossenen Durchführungen (12) und jeweils zwischen zwei Durchführungen liegenden Einbuchtungen (10b) für die Anordnung von Resonatordistanzstäben (15) erhält.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Abdeckplatten (1Oa^ aus demselben plastischen Vorma-'°rial wie der Laserkörper (10) gefertigt und vor dem Brennen mit dem Laserkörper durch »Angarnie·- -n« vakuumdicht verbunden werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkörper (10) beim Strangpressen mit äußeren (17) oder inneren [XTa) Hilfsstegen versehen wird, die nach dem Hartbrennen an den dafür vorgesehenen Sollbruchstellen (V7b) wieder aus dem Laserkörper (10) herausgebrochen werden.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der axialen Durchführungen (12) für die Aufnahme von Elektroden (19, i9c) ausgebildet bzw. geformt ist und zur Vermeidung von Gasentladungen mit Isolierungen (19a, \9b)ausgestattet wird.

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