DE3035142A1 - WAVE GUIDE GAS LASER - Google Patents

WAVE GUIDE GAS LASER

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DE3035142A1
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Katherine Dexter Laakman
Peter Laguna Niguel Calif. Laakman
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    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/0315Waveguide lasers

Description

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Wellenleiter-GaslaserWaveguide gas laser

Die Erfindung bezieht sich auf Laser, und zwar insbesondere auf einen Wellenleiter-Gaslaser mit HF-Anregung.The invention relates to lasers, and more particularly to a waveguide gas laser with RF excitation.

Es sei auf US-PS 4 169 251 hingewiesen, wo einer der Anmelder einen Wellenleiterlaser beschrieben hat, der mittels einer Transversalentladung mit Hochfrequenz im Bereich von ungefähr 30 MHz bis ungefähr 3 GHz erregt wird, und wobei ein Lasergas in einer langgestreckten Kammer angeordnet ist, und die Entladung im Gas mittels eines elektrischen Wechselfeldes aufgebaut wird, welches an die Kammer längs einer Richtung transversal zu deren Länge angelegt wii-d. Die überlegene Leistungsfähigkeit eines derartigen HF-transversal angeregten Wellenleiterlasers, wie auch seine verminderte Größe und Kompliziertheit, verglichen mit bekannten Lasern gemäß US-PS 3 772 611 und 3 815 047 sind in der eingangs genannten US-PS erläutert.Attention is drawn to US Pat. No. 4,169,251, where one of the applicants has described a waveguide laser, which by means of a transverse discharge with high frequency in the range of approximately 30 MHz to about 3 GHz is excited and a laser gas is placed in an elongated chamber, and the discharge in the gas is built up by means of an alternating electric field, which is applied to the chamber along one direction applied transversely to its length wii-d. The superior one Performance of such an RF transversely excited waveguide laser, as well as its reduced size and complexity, compared with known lasers according to US Pat. No. 3,772,611 and 3,815,047 are disclosed in US Pat explained.

Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen Wellenleiterlaser mit HF-Anregung, wobei sich viele der Vorteile des Wellenleiterlasers gemäß der eingangs genannten US-PS ergeben,The invention also relates to a waveguide laser with RF excitation, taking many of the advantages of the waveguide laser according to the US-PS mentioned at the beginning,

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zusätzlich aber noch Schwierigkeiten und Eins ehr anklingen überwunden werden, die bei dem Laser gemäß der eingangs genannten US-PS auftreten können. Eine derartige Verbesserung besteht in der Verwendung der longitudinalen Anregung, welche von Auswahl der Wellenleiterbohrungsgröße und der Elektrodentrennung unabhängige Parameter ergibt und auf diese Weise die Optimierung der HF-Frequenzauswahl unabhängig von der Bohrungsgröße ermöglicht.however, there are also difficulties and unity be overcome, which can occur in the laser according to the US-PS mentioned above. One such improvement consists in the use of longitudinal excitation which depends on selection of waveguide bore size and electrode separation results in independent parameters and in this way the optimization of the RF frequency selection independent of the bore size enables.

Kino weitere Verbesserung der vorliegenden Erfindung gegenüber dem eingangs erwähnten HF-angeregten Gaswellenleiterlaser besteht in neuen Mitteln zum Eliminieren eines ersten und einschränkenden Nachteils der eingangs genannten Vorrichtung, nämlich der Bildung von Nichtgleichförmigkeiten oder "heißen Flecken", die sich offenbar durch die bistabile Entladungsimpedanzcharakteristiken ergeben. Derartige heiße Flecken haben die Tendenz, die Verstärkung, den Wirkungsgrad und die Ausgangsleistung des Lasers zu vermindern. Um diesen Nachteil bei der bekannten Vorrichtung zu überwinden, sieht die vorliegende Erfindung strukturelle und schaltungsmäßige Verbesserungen vor, und zwar einschließlich der Verwendung einer serienmäßigen kapazitiven Ballastbildung, wodurch sich neue Verbesserungen hinsichtlich der Wellenleiterstruktur ergeben. Eine weitere Verbesserung wird mittels einer einzigartigen Treiberschaltung erreicht, die dazu verwendet wird, um das Auftreten der eine niedrige Impedanz besitzenden heißen Flecken festzustellen, und um die Eingangsieistung dementsprechend einzustellen, um so die andernfalls nicht gleichförmigen negativen Impedanzcharakteristiken zu minimieren. Eine weitere Verbesserung besteht in der Verwendung einer total homogenen Struktur, welche das Heißfleckproblem weiter verbessert und einen kompakteren Wellenleiterlaser ergibt, der stabiler ist hinsichtlich der Gaszusammensetzung und zuverlässiger ist als dies für den transversalen, HF-angeregten Wellenleiterlaser gemäß der eingangs genannten US-Cinema further improvement of the present invention compared to the aforementioned RF-excited gas waveguide laser consists in new means for eliminating a first and limiting disadvantage of the device mentioned above, namely the formation of non-uniformities or "hot spots", evidently due to the bistable discharge impedance characteristics result. Such hot spots tend to increase the gain, the efficiency and to decrease the output power of the laser. To overcome this disadvantage in the known device, sees the present invention introduces improvements in structure and circuitry, including use a serial capacitive ballast formation, which results in new improvements in terms of the waveguide structure. A further improvement is achieved by means of a unique driver circuit which is used to to determine the appearance of the low impedance hot spots and the input power adjusted accordingly so as to minimize the otherwise non-uniform negative impedance characteristics. Another improvement is the use of a totally homogeneous structure which eliminates the hot spot problem further improved and results in a more compact waveguide laser which is more stable in terms of gas composition and is more reliable than this for the transverse, RF-excited waveguide laser according to the US-

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PS gilt.PS applies.

Demgemäß hat die vorliegende Erfindung sämtliche Vorteile des Wellenleiterlasers gemäß der eingangs genannten US-PS, und zwar wird ein Hochfrequenz-Transversal-Anregungs-Wellenleiterlaser vorgesehen, wobei aber zusätzlich die vorliegende Erfindung noch die Schwierigkeiten und Einschränkungen des Hochfrequenz-Transversal-Anregungsverfahrens überwindet. Der Hauptvorteil der longitudinalen HF-Anregung gegenüber der transversalen HF-Anregung besteht in der sich ergebenden Impedanz bei der Auswahl der aktiven Bohrungsgröße der Laserkammer und des Elektrodentrennungsabotandes für die Anregungsmittel. Alternativ besteht der Vorteil darin, die HF-Treiberfrequenz unabhängig von der Bohrungsgröße zu optimieren.Accordingly, the present invention has all the advantages of the waveguide laser according to the US Pat. namely, a high frequency transverse excitation waveguide laser is provided, but the present one is additionally provided The invention still overcomes the difficulties and limitations of the high frequency transverse excitation method. Of the The main advantage of longitudinal RF excitation over transverse RF excitation is the resulting impedance in the selection of the active bore size of the laser chamber and the electrode separation abotand for the excitation means. Alternatively, the advantage is the RF drive frequency to optimize regardless of the bore size.

In der eingangs genannten US-PS wird gelehrt, daß effiziente Laser mit HF-Anregung eine HF-Treiberfrequenz benötigen, die hinreichend hoch liegt, so daß die Elektronen nur über einen vernachlässigbaren Abstand bezüglich der Elektrodenspalttrennung während eines Halbzyklus des elektrischen Wechselfeldes driften. Andernfalls bilden sich Raumladungszonen in der Nähe der Elektroden aus, was ein höheres elektrisches Feld am Elektrodenspalt und somit höhere Elektronentemperaturen zur Folge hat. Es ist ferner bekannt, daß auf dem Gebiet der Molekulargaslaserphjcsik die optimale Elektronentemperatur für die Maximierung des Laserkopf Wirkungsgrades die Tendenz hat, beträchtlich niedriger zu liegen als die Elektronentemperatur in selbst-aufrechterhaltenden Entladungen. Ferner führen höhere Elektronentemperaturen zu größeren COp-Dissociationsraten, was zu einer geringeren Röhrenlebensdauer führt. Bei selbst-aufrechterhaltenden Entladungen ist es daher zweckmäßig, die Elektronentemperatur zu minimieren und daher auch die zur Aufrechterhaltung der Entladung erforderliche Elektronenfeldintensität zu minimieren. Demgemäß gibt es für HF-Entladungen eine minimale HF-TreiberfrequenzIn the US-PS mentioned at the outset it is taught that efficient lasers with RF excitation require an RF drive frequency which is sufficiently high so that the electrons only over a negligible distance with respect to the electrode gap separation drift during a half cycle of the alternating electric field. Otherwise, space charge zones will form in close to the electrodes, resulting in a higher electric field at the electrode gap and thus higher electron temperatures has the consequence. It is also known that in the field of molecular gas laser physics, the optimum electron temperature for maximizing the laser head efficiency tends to be considerably lower than the electron temperature in self-sustaining discharges. Furthermore, higher electron temperatures lead to higher COp dissociation rates, which leads to a shorter tube life leads. In the case of self-sustaining discharges, it is therefore advisable to minimize the electron temperature and therefore also to minimize the electron field intensity required to maintain the discharge. Accordingly there is a minimum HF drive frequency for HF discharges

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für die Maximierung des Laserkopfwirkungsgrades für eine gegebene Elektrodenspalttrennung.for maximizing laser head efficiency for a given Electrode gap separation.

In einem "ransversal-HF-angeregten Wellenleiterlaser gemäß der eingangs genannten US-PS sind Laserbohrungsgröße und Elektrodenspalttrennung von Natur aus das gleiche. Demgemäß diktiert die Bohrungsgröße die minimale HF-Treiberfrequenz, und wenn die HF-Treiberfrequenz erhöht wird, so wird der Kopplungswirkungsgrad zwischen der, HF-Energiequelle und der Entladung vermindert, und es wird zunehmend schwierig, effiziente HF-Treiberquellen zu erhalten. Somit leidet der Gesamtlaserwirkungsgrad für die transversale HF-Entladung der eingangs genannten US-PS infolge des niedrigen Laserkopfwirkungsgrade,'3, wenn die HF-Treiberfrequenz unterhalb des erwünschten Minimums liegt. Wenn andererseits die HF-Treiberfrequenz zu hoch liegt, so leidet der Wirkungsgrad wegen der Absenkung des Kopplungswirkungsgrades zwischen der HF-Quelle und der Entladung.In a "transversal RF excited waveguide laser according to of the US-PS mentioned at the beginning, the laser bore size and electrode gap separation are inherently the same. Accordingly the bore size dictates the minimum RF drive frequency, and as the RF drive frequency is increased so will the coupling efficiency between the RF energy source and the discharge diminishes, and it becomes increasingly difficult to be efficient RF driver sources. Thus, the overall laser efficiency suffers for the transverse HF discharge of the US-PS mentioned above due to the low laser head efficiency, '3, if the RF drive frequency is below the desired one Minimum. On the other hand, if the RF drive frequency is too high, the efficiency suffers because of the lowering the coupling efficiency between the HF source and the discharge.

Die oben erwähnten oberen und unteren HF-Frequenzbegrenzungen v/erden dann besonders problematisch, wenn die Bohrungsgröße klein ist und daher eine relativ hohe HF-Treiberfrequenz im Hinblick auf den Laserkopfwirkungsgrad erforderlich ist. Unglücklicherweise hat eine solche hohe HF-Treiberfrequenz eine geringere Kopplung und einen niedrigeren Leistungsversorgungswirkungsgrad zur Folge, wodurch sich eine paradoxe Situation ergibt. Durch die longitudinale HF-Anregung der vorliegenden Erfindung und die sich daraus ergebende Unabhängigkeit zwischen Elektrodenspaltrennung und Bohrungsgröße ist es nun jedoch möglich, zum ersten Male die HF-Treiberfrequenz für hohen Kopplungs- und Leistungsversorgungs-Wirkungsgrad auszuwählen und sodann gesondert die Elektrodenspalttrennung für optimalen Laserkopfwirkungsgrad auszuwählen.The above-mentioned upper and lower RF frequency limits are particularly problematic when the bore size is small and therefore a relatively high RF drive frequency is required in view of laser head efficiency. Unfortunately such a high RF drive frequency has less coupling and lower power supply efficiency resulting in a paradoxical situation. Due to the longitudinal RF excitation of the present It is the invention and the resulting independence between electrode split separation and bore size but now possible, for the first time, the HF driver frequency for high coupling and power supply efficiency and then separately the electrode gap separation for optimal laser head efficiency.

Zusammenfassung der Erfindung. Die vorliegende ErfindungSummary of the invention. The present invention

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sieht durch die longitudinale HF-Anregung eine Wellenleiterlaservorrichtung vor, welche einen höheren Gesamtwirkungsgrad als die oben erwähnte transversale HF-Anregung ergibt. Ferner wird durch das Ausmaß der Wirkungsgradverbesserung, erhalten durch Verwendung der longitudinalen anstelle der transversalen HF-Anregung, der zusätzliche Vorteil hinsichtlich höherer HF-Treiberfrequenzen erreicht, die andernfalls für eine kleinere Bohrung aufweisende Vorrichtungen erforderlich wären, welche die transversale Anregungskonfiguration verwenden.sees a waveguide laser device through the longitudinal RF excitation which gives a higher overall efficiency than the above-mentioned transverse RF excitation. Further is determined by the degree of efficiency improvement obtained by using the longitudinal instead of the transverse RF excitation, the additional benefit in terms of higher RF driver frequencies achieved that would otherwise be for a smaller one Boring devices using the transverse excitation configuration would be required.

Die vorliegende Erfindung schafft durch Verwendung der longitudinalen Anregung eine zusätzliche Gesamtwirkungsgradverbesserung, verglichen mit der transversalen Anregung, entweder weil die Elektrodentrennung größer ist, oder weil die Elektrodenfläche kleiner ist als dies für entsprechende Elektroden bei der· transversalen Anregungsvorrichtung gilt. Infolgedessen wird die Kapazität der sich ergebenden Wellenleiterstruktur abgesenkt, und dies ergibt ein niedriger belastetes 11Q" für die Wellenleiterstruktur. Der Ausdruck belastetes "Q" wird als das "Q" während der Entladungszündung bezeichnet. Ein niedriger belastetes "Q" ergibt einen größeren Kopplungswirkungsgrad wegen der verminderten Zirkulationsleistung und der verminderten Verlustleistung in anderen Schaltungselementen. Die Zulässigkeit einer niedrigeren HF-Treiberfrequenz für eine gegebene Bohrungsgröße vermindert weiter die Zirkulationsleistung, wobei der gleiche Laserkopfwirkungsgrad aufrechterhalten bleibt, wodurch sich ein noch höherer Gecamtwirkungsgrad ergibt.By using the longitudinal excitation, the present invention creates an additional overall efficiency improvement compared to the transverse excitation, either because the electrode separation is greater or because the electrode area is smaller than is the case for corresponding electrodes in the transverse excitation device. As a result, the capacitance of the resulting waveguide structure is lowered and this gives a lower loaded 11 Q "for the waveguide structure. The term loaded" Q "is referred to as the" Q "during discharge ignition. A lower loaded" Q "gives greater coupling efficiency Because of the reduced circulating power and the reduced power dissipation in other circuit elements. Allowing a lower RF drive frequency for a given bore size further reduces the circulating power while maintaining the same laser head efficiency, resulting in an even higher overall efficiency.

Der typische Aufbau des erwähnten Transversal-Entladungs-tfellenleiterlasers weist einen Transversal-Entladerabschnitt auf, und zwar gekoppelt mit einer 50 Ohm Übertragungsleitungsschaltung und angepaßt durch eine Resonanz-pi-Schaltung. Es wird dabei ein Transformator mit einer Shunt-Induktivität am Entladeabschnitt verwendet, um die Reaktanz abzustimmen. Der Entladeabnchnitt wird in einer Gleiuhgewichtsbetriebsart verwendet.The typical structure of the above-mentioned transverse discharge waveguide laser has a transverse discharge section, coupled to a 50 ohm transmission line circuit and matched by a resonant pi circuit. It will a transformer with a shunt inductance at the discharge section used to tune the reactance. The unloading section is used in a floating weight mode.

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Die Transformator/Shunt-Induktivität-Struktur gestattet die enge Kopplung des HF-Treibers an die Entladung und auch die unabhängige Einstellung der Impedanzanpassung hinsichtlich der Reaktanzabstimmung. Die erwähnte, sich im Gleichgewicht befindliche Struktur der Erfindung minimiert die gespeicherte Ladung, wobei die Spannung gegenüber Erde an jeder Elektrode gleich der Hälfte der gesamten Spaltspannung ist.The transformer / shunt inductor structure allows for that close coupling of the HF driver to the discharge and also the independent adjustment of the impedance matching with regard to the reactance tuning. The one mentioned, which is in equilibrium Structure of the invention minimizes the stored charge, with the voltage versus ground at each electrode is equal to half of the total gap voltage.

Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist eine Anzahl von neuen Verbesserungen vorgesehen, um die durch heiße Flecken hervorgerufenen Probleme auszuschließen oder zu vermindern, die andernfalls die Leistungsfähigkeit des Wellenleiterlasers ernsthaft verschlechtern wurden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine neue und erfinderische Abwandlung im Grundaufbau des Lasers vorgesehen. Transversal angeregte HF-La- ;;er sind typischerweise in der üblichen Sandwichkonstruktion hergestellt, die aus zwei Metallstreifen besteht, welche sandwichartig zwischen zwei Aluminiumoxidblöcken vorgesehen sind. Die zwischen den Metallstreifen und den Aluminiumoxidbl'öckenIn various embodiments of the invention, a Number of new improvements planned to eliminate or reduce the problems caused by hot spots, which would otherwise seriously degrade the performance of the waveguide laser. According to one embodiment a new and inventive modification in the basic structure of the laser is provided. Transversely excited HF load ;; they are typically made in the usual sandwich construction, which consists of two metal strips that are sandwiched are provided between two blocks of alumina. The one between the metal strips and the aluminum oxide blocks

ausgebildete Wellenleiterbohrung hat typischerweise 1 bis 3 mm Diese Konstruktion liefert größenordnungsmäßig ein halbes Watt pro Zoll Laserlänge bei einem COp Wellenleiterlaser.The waveguide bore formed is typically 1 to 3 mm. This construction delivers on the order of half a watt per inch of laser length for a COp waveguide laser.

Wenn die Laserlänge erhöht wird, so wird bei annähernd 8" Länge und ungefähr 5 bis 10 Watt/Zoll Leistungsbelastung der Punkt erreicht, wo die Laserentladung bistabil wird und die zuvor erwähnten heißen Flecken der Entladung sich entwickeln. Experimentell wurde festgestellt, daß rohe Aluminiumelektroden ein bevorzugtes Material sind, weil dieses Material gegenüber Zersprühen beständiger ist als die meisten üblichen Materialien. Ein bei der Verwendung roher Aluminiumelektroden auftretendes Problem besteht jedoch darin, daß eine Elektrodenoxidation auftritt, die von recht ernsthafter Natur ist und die Langzeitstabilität der Gaszusammensetzung beeinflußt. Das Oxidationsproblem wurde in der vorliegenden Erfindung mittels eines har- As the laser length is increased, at approximately 8 "in length and approximately 5 to 10 watts / inch of power, the Reached point where the laser discharge becomes bistable and the the aforementioned hot spots of discharge will develop. It was found experimentally that raw aluminum electrodes are a preferred material because this material is more resistant to spraying than most common materials. However, a problem that arises when using raw aluminum electrodes is that electrode oxidation occurs, which is quite serious in nature and affects the long-term stability of the gas composition. The oxidation problem was in the present invention by means of a hard

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ten Anodisierungsüberzugs auf den Aluminiumelektroden gelöst. Dieser Aluminiumoxidüberzug bildet eine Isolierschicht auf dem Metall. U--A auch das oben erwähnte Problem der heißen Flecken zu losen? und zwar insbesondere bei höherer Leistungsbelastung, werden erfindungsgemäß Mittel vorgesehen, um einen strukturellen dielektrischen Ballast für den longitudinal angeregten HF-Wellenleiterlaser vorzusehen. Diese Struktur besteht aus zwei Äluminiumoxidstreifen von 1 bis 3 mm Dicke, und zwar sandwichartig augeordnet zwischen zwei Aluminiumoxid-Flächenelementen.th anodizing coating on the aluminum electrodes. This aluminum oxide coating forms an insulating layer on the metal. U - A also addresses the problem of hot spots mentioned above to solve? especially with higher power loads, according to the invention means are provided to provide a structural provide dielectric ballast for the longitudinally excited RF waveguide laser. This structure consists of two Aluminum oxide strips 1 to 3 mm thick, sandwiched arranged between two aluminum oxide panel elements.

ρ Die dadurch gebildete Wellenleiterbohrung hat 1 bis 3 mm , und die Äluminiumoxid-Flächenelemente sind zwischen 1/2 bis 2 mm dick. Die Elektroden liegen außerhalb der Entladungs-Wellenleiter struktur. Die sich ergebende Struktur ist ein vollständig homogenes Aluminiumoxid und kann daher lötabgedichtet werden, und das Gas kann sodann allein auf die Bohrung beschränkt sein. Dies steht im Gegensatz zu dem erwähnten, transversal angeregten Laser, der vollständig in einem gasgefüllten Hohlraum angeordnet ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Elektroden vollständig von der Entladung isoliert sind und daher mit der Zeit nicht so schnell degradieren, wie dies bei bekannten Vorrichtungen der Fall ist.ρ The resulting waveguide bore is 1 to 3 mm, and the aluminum oxide surface elements are between 1/2 to 2 mm thick. The electrodes are outside the discharge waveguide structure. The resulting structure is a completely homogeneous aluminum oxide and can therefore be solder sealed, and the gas can then be confined to the borehole alone. This is in contrast to the one mentioned, transversely excited laser, which is completely arranged in a gas-filled cavity. Another advantage of the invention is in that the electrodes are completely isolated from the discharge and therefore do not degrade as quickly over time, as is the case with known devices.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde die Tendenz bekannter Vorrichtungen zur Erzeugung örtlicher heißer Flecken weiter durch die Verwendung einer neuen Treiberschaltungskonstruktion vermindert. Wenn ein angeregter Wellenleiter-Entladungslaserabschnitt ordnungsgemäß angeregt ist, so ist die Impedanzkennlinie positiv, und die Entladung erfolgt gleichförmig über die Länge der Vorrichtung hinweg. In dieser Betriebsart oder Mode wird bei heraus-abgestimmter Reaktanz die Entladungsimpedanz ohmisch erscheinen und wird auf 50 Ohm abgestimmt durch einen eng gekoppelten Ferrit-Transformator. Wenn die Entladung heiße Flecken entwickelt, so haben Messungen gezeigt, daß die Gesamtspannung und die Entladungsimpedanz ungefähr 20 bis 40% abnehmen. In einem Ausführungsbeispiel der Er-In a further embodiment of the invention, there has been a tendency in known devices to generate localized heat Spots are further reduced through the use of a new driver circuit design. When an excited waveguide discharge laser section is properly excited, the impedance curve is positive and the discharge takes place uniformly along the length of the device. In this operating mode or mode, if the reactance is tuned out, the Discharge impedance appear ohmic and is tuned to 50 ohms through a tightly coupled ferrite transformer. If the discharge develops hot spots, measurements have shown that the total voltage and the discharge impedance decrease approximately 20 to 40%. In one embodiment of the

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findung haben die Anmelder eine Treibersch.alti.ing vorgesehen, um augenblicklich die Eingangsleistung dann zu reduzieren, wenn eine Absenkung der Impedanz abgefüllt wird. Infolgedessen kann der Entladungsabschnitt nicht in einer instabilen oder "Heißfleck"-Mode arbeiten, und man erhält eine kontinuierliche ordnungsgemäße Anregung der Entladung.invention, the applicants have provided a driver circuit, to instantly reduce the input power when a lowering of the impedance is bottled. As a result, can the discharge section is not in an unstable or "hot spot" mode work and continuous proper excitation of the discharge is obtained.

In einem Ausführungsbeispiel besteht eine derartige Treiberschaltung aus einer Viertelwellenlängen-Übertragungsleitung mit einer höheren Impedanz als die 50 Ohm-Laserkopf angepaßte Impedanz. Beispielsweise kann ein Viertelwellenlängenabschnitt eines 75 Ohm Kabels als eine ordnungsgemäße Treiberschaltung ausgewählt werden, weil ein Viertelwellenlängenabschnitt die Eigenschaft besitzt, Impedanzänderungen um seinen charakteristischen Wert herum umzuwandeln. Wenn eine 75 Ohm Last an den Abschnitt angelegt wird, so ergibt sich am Kabeleingang eine Realimpedanz von 75 Ohm. Wenn eine 50 Ohm Last an einem Ende angelegt wird, so existiert am anderen Ende eine Realimpedanz von 112 1/2 Ohm. Wenn alternativ die Last auf 25 Ohm abfällt, was ilic die Heißfleckmode typisch ist, so steigt die Eingangsimpedanz auf 225 Ohm an. Wenn ein solcher Viertelwellenlängenabschnitt zwischen 50 Ohm Laserkopf und einer Quelle verwendet wird, die auf 50 0hm für maximale Leistung angepaßt ist, so würde die gelieferte Leistung nahezu augenblicklich abfallen, was zu einem Auslöschen der Heißfleckbetriebsart oder Mode führt.In one embodiment, such a driver circuit consists of a quarter wavelength transmission line having a higher impedance than the 50 ohm laser head matched impedance. For example, a quarter wavelength section of a 75 ohm cable can be selected as a proper driver circuit because a quarter wavelength section has the ability to convert impedance changes around its characteristic value. If a 75 ohm load is applied to the section, the result at the cable input is a real impedance of 75 ohms. If a 50 ohm load is applied to one end, there is a real impedance of 112 1/2 ohms at the other end. Alternatively, if the load drops to 25 ohms, which is typical of the hot spot mode, the input impedance increases to 225 ohms. If such a quarter wavelength section is used between a 50 ohm laser head and a source matched to 50 ohms for maximum power, the power delivered would drop almost instantaneously, resulting in a cancellation of the hot spot mode.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine verbesserte Laserkopfstruktur verwendet, bei der die Laserbohrung gebildet wird durch entgegengesetzt liegende Aluminiumelektroden, sandwichartig zwischen zwei Aluminiumoxidblöcken. Diese Anordnung wird durch ein elastisches Rohr in Ausrichtung und zusammengepreßtem Zustand gehalten, wobei das Rohr als ein federartiges, evakuierbares Gehäuse und als ein Wärmeableiter dient, der den Wellenleiter und die optischen Komponenten in der richtigen Ausrichtung anordnet.In a further embodiment of the invention, an improved laser head structure is used in which the laser bore is formed by opposing aluminum electrodes, sandwiched between two aluminum oxide blocks. This assembly is held in alignment and compressed by a resilient tube, the tube as a spring-like, evacuable housing and serves as a heat sink that holds the waveguide and optical components in the correct orientation.

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Ziele der Erfindung. Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, eine verbesserte HF-angeregte Wellenleiterlaservorrichtung vorzusehen, die gewisse Nachteile von IiF-angeregten Wellenleiterlasern vermindert oder vollständig überwindet, wobei sich aber noch immer die zahlreichen Vorteile dieser anderen Wellenleiterlaservorrichtungen ergeben, die diese gegenüber konventionell angeregten Wellenleiterlasern haben. Ferner bezweckt die Erfindung einen Wellenleiterlaser vorzusehen mit einer HF-Longitudinalanregung, um die Auswahl der Wellenleiterbohrungsgröße unabhängig von der Auswahl der HF-Frequenz des Anregungssignals zu gestatten, auf welche Weise die Auswahl der Parameter für eine effizientere Laservorrichtung gestattet ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Wellenleiterlaser vorzusehen, der die Hochfrequenzanregung verwendet und bei dem die Ballastbildung ein Mittel vorsieht, um Heißfleckprobleme im wesentlichen zu reduzieren oder zu eliminieren, welch letzteres sich durch eine instabile Entladung ergeben■, und zwar hervorgerufen durch Betrieb in bistabilen Impedanzzonen. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin9 eine neue Struktur für eine HF-angeiugte Wellenleiterlaservorrichtung anzugeben, wobei diese Struktur eine verlängerte Lebensdauer besitzt, eine verminderte Größe aufweist und einen zuverlässigeren und effizienteren Betrieb gestattet, und zwar verglichen mit bekannten, HF-angeregten Wellenleiterlasern. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Treiberschaltung vorzusehen, für die Anpassung einer HF-Quelle mit einem Laserkopf, um so automatisch die Eingangs-HF-Leistung zu reduzieren, wenn das Auftreten einer niedrigen Impedanz infolge Heißfleckbetriebs festgestellt wird, der ansonsten bei konstanten höheren Leistungsniveaus auftreten würde«Objectives of the invention. A main object of the invention is to provide an improved RF-excited waveguide laser device that reduces certain disadvantages IIF-excited waveguide lasers or completely overcomes, wherein, however, still the numerous advantages of this other waveguide laser devices, these have the advantage over conventional excited waveguide lasers. Another object of the invention is to provide a waveguide laser with RF longitudinal excitation to allow the selection of the waveguide bore size independently of the selection of the RF frequency of the excitation signal, thus permitting the selection of parameters for a more efficient laser device. Another object of the invention is to provide a waveguide laser which uses the high-frequency excitation, and wherein providing the ballast formation means for hot spot problems to reduce or substantially eliminate, the latter result from an unstable discharge ■, namely caused by operation in bistable impedance zones. Another object of the invention is to provide a novel structure for a RF angeiugte waveguide laser device 9, wherein said structure has an extended life span, has a reduced size and a more reliable and efficient operation permits, as compared with known RF excited waveguide lasers. Another object of the invention is to provide a driver circuit for matching an RF source with a laser head so as to automatically reduce the input RF power when a low impedance is detected due to hot spot operation that is otherwise constant higher performance levels would occur "

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein neues Gehäuse für eine Welxenleiteranordnung vorzusehen, welches die mit niedrigen Kosten erfolgende Massenherstellung der Wellenleiterlaser strukturen ermöglicht, und wobei ferner die Aus-Another object of the invention is to provide a new housing for a waveguide assembly which enables the low cost, low cost mass production of waveguide lasers structures enabled, and furthermore, the training

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richtung und die Kompression der Wellenleiteranordnung durch ein elastisches Rohr erreicht wird, welches dazu dient, als ein federartiges evakuierbares Gehäuse zu dienen, und ferner als Wärmeableiter, auf welche Weise der Wellenleiter und die optischen Elemente in der ordnungsgemäßen Ausrichtung angeordnet wi rden.direction and the compression of the waveguide arrangement is achieved by an elastic tube, which serves as a spring-like evacuable housing to serve, and also as a heat sink, in which way the waveguide and the optical elements wi rden arranged in the correct orientation.

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V/eitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich insbesondere sus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausiihruagsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt;Further objects and advantages of the invention are particularly evident from the claims and from the description of exemplary embodiments based on the drawing; shows in the drawing;

Fig.1 einen teilweise schematischen Querschnitt1 shows a partially schematic cross section

eines Transversal-Entladungs-Wellenleiter-Gaslasers gemäß dem Stand der Technik;a prior art transverse discharge waveguide gas laser;

Fig. 2 eine isometrische Darstellung eines AusFig. 2 is an isometric view of an out

führungsbeispiels der Longitudinal-Entladungs-Anregungsanordnung für Wellenleitergaslaser; management example of the longitudinal discharge excitation arrangement for waveguide gas lasers;

Fig. 3 eine querschnittsmäßige Draufsicht auf dieFig. 3 is a cross-sectional plan view of the

Elektrodenkonfiguration des Wellenleiter-Gaslasers, und zwar längs Linie 3-3 in Fig. 2;Electrode configuration of the waveguide gas laser along line 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 eine Vorderansicht eines homogenen AusfühFig. 4 is a front view of a homogeneous embodiment

rungsbeispiels der erfindungsgemäßen longitudinalen Entladungs-Konfiguration;Approximate example of the longitudinal discharge configuration according to the invention;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der bistabilenFigure 5 is a graph of the bistable

Impedanz-Kennlinie, die gewisse Probleme sowohl bei Transversal- als auch bei Longitudinal-Anregungswellenleitergaslasern hervorruft, die aber durch die vorliegende Erfindung überwunden oder wesentlich reduziert werden;Impedance characteristic that has certain problems with both transversal and Caused longitudinal excitation waveguide gas lasers, but by the present Invention to be overcome or substantially reduced;

Fig. 6 eine Querschnittsendansicht eines Trans-Fig. 6 is a cross-sectional end view of a trans-

versal-Entladungs-Wellenleitergaslasers, bei dem die kapazitive Ballastbildung der Erfindung verwendet wird, um das erwähnte bistabile Impedanzproblem zu überwinden;versal discharge waveguide gas laser, in which the capacitive ballast formation of the Invention is used to overcome the mentioned bistable impedance problem;

1300U/13001300U / 1300

Fig. 7 eine scheinatische Darstellung der äquiva7 shows a schematic representation of the equiva

lenten Schaltung (Ersatzschaltung) der Fig. 6;lenten circuit (equivalent circuit) of FIG. 6;

Fig. 8 eine Querschnittsendansicht des ebenfallsFigure 8 is a cross-sectional end view of the also

kapazitiven Ballast verwendenden Longitudinal-Entladungsanregungs-Wellenleitergaslasers; longitudinal discharge excitation waveguide gas laser using capacitive ballast;

Fig. 9 eine zusätzliche Darstellung des longitudi-9 shows an additional representation of the longitudinal

nalen Wellenleitergaslasers mit kapazitiver Bailastbildung, -wobei aber die Seite des Wellenleiters dargestellt ist, um dessen Struktur besser zu veranschaulichen;nalen waveguide gas laser with capacitive bailasting, but the side of the Waveguide is shown to better illustrate its structure;

Fig. 10 eine schematische Darstellung der ErsatzFig. 10 is a schematic representation of the replacement

schaltung des mit kapazitivem Ballast arbeitenden Longitudinal-Anregungs-Gaswellenleiterlasers der Fig. 8 und 9;Circuit of the longitudinal excitation gas waveguide laser working with capacitive ballast Figures 8 and 9;

Fig. 11 eine schematische Schaltungszeichnung zur11 is a schematic circuit drawing for

Erläuterung, einer neuen Treiberschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Explanation of a new driver circuit according to an embodiment of the invention;

Fig. 12 eine graphische Darstellung einer Leistungs-Fig. 12 is a graphical representation of a performance

anregungs/Zeit-Kennlinie, verwendet in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zur weiteren Verminderung der Wahrscheinlichkeit schädlicher Effekte der in Fig. 5 gezeigten bistabilen Impedanzkennlinie;excitation / time characteristic curve, used in one embodiment of the invention for further reducing the likelihood of deleterious effects of those shown in FIG bistable impedance characteristic;

Fig. 13 eine dreidimensionale Ansicht eines bevor13 is a three-dimensional view of a before

zugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Longitudinal-Anregungs-Wellenlei-additional embodiment of the longitudinal excitation waveguide according to the invention

1300U/13001300U / 1300

tergaslasers;tergaslasers;

Fig. 14 und 15 Beispiele von zwei alternativen Ausfuhrungsbeispielen von Laserkopfkonfigurationen zur Verkörperung des Wellenleiters der Fig. 13;14 and 15 examples of two alternative exemplary embodiments of laser head configurations embodying the waveguide of FIG. 13;

Fig. 16 eine elektrische Schaltung, welche die ArtFig. 16 shows an electrical circuit showing the type

und Weise darstellt, wie der Wellenleiter der Fig. 13 mit einer geeigneten Treiberschaltung und einer HF-Spannungsquelle für die Laseranregung verbunden ist;and illustrates manner in which the waveguide of FIG. 13 is used with a suitable driver circuit and connected to an RF voltage source for laser excitation;

Fig. 17,18 und 19 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Laserkopfkonfiguration, welches ein elastisches Metallrohr verwendet, das derart ausgelegt ist, daß es den Wellenleiterlaser in zusammengedrückter ausgerichteter Beziehung zu seinem Behälter hält=17, 18 and 19 show a further exemplary embodiment of the laser head configuration, which uses a resilient metal tube designed to accommodate the waveguide laser holds in compressed aligned relation to its container =

130QU/138Ö130QU / 138Ö

Die Erfindung sei nunmehr im einzelnen beschrieben.The invention will now be described in detail.

Aus der folgenden detaillierten Offenbarung der Erfindung einschließlich verschiedener Ausführungsbeispiele derselben ergeben sich Verbesserungen von Wellenleitergaslasern, einschließlich einer im folgenden als Longitudinalanregung bezeichneten HF-Energieanregung. Eine Anzahl zusätzlicher Verbesserungen, die sowohl bei transversalen als auch longitudinalen Anregungs-Wellenleitergaslasern verwendet werden können, werden ebenfalls beschrieben. Diese zusätzlichen Verbesserungen sollen die Leistungsfähigkeit noch weiter erhöhen und eine bistabile Impedanzcharakteristik überwinden, die beiden Formen der Anregungs-Wellenleitergaslaser eigen ist, was im folgenden noch im einzelnen beschrieben werden wird.From the following detailed disclosure of the invention inclusive various embodiments thereof result in improvements in waveguide gas lasers, including an HF energy excitation referred to below as longitudinal excitation. A number of additional improvements those in both transverse and longitudinal excitation waveguide gas lasers are also described. These additional enhancements are intended to support the Increase performance even further and a bistable impedance characteristic overcome the two forms of excitation waveguide gas lasers is peculiar, which will be described in detail below.

Zum vollständigen Verständnis der Verbesserungen der Wellenleitergaslasertechnologie sei kurz auf das bereits eingangs genannte US-Patent 4 169 251 eingegangen. Fig..1 stellt die Grundkonfiguration eines Transversalentladungs-Wellenleitergaslasers gemäß diesem genannten US-Patent da, wobei der Wellenleiterlaser 10 ein Paar von entgegengesetzt liegenden langgestreckten, elektrisch leitenden Elektrodengliedern 12"und 14 aufweist, die zwischen einem Paar von entgegengesetzt liegenden langgestreckten dielektrischen Gliedern 16 und 18 in der Weise angeordnet sind, daß eine langgestreckte Kammer 20 definiert wird, in der eine Laseranregungsentladung erzeugt werden muß. Die Kammer 20 kann aus Gründen der Darstellung eine Länge von ungefähr 20 cm besitzen und ferner einen quadratischen Querschnitt aufweisen, wobei die Seiten 2 mm lang sind. Die Elektrodenglieder 12 und 14 bestehen aus Metall, wie beispielsweise Aluminium, während die dielektrischen Glieder 16 und 18 aus einem Material, wie beispielsweise Berylliumoxid, Aluminiumoxid oder Glas bestehen können. Die Wellenleiterstruktur kann auf einem aus einem Material mit hoher thermische Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt im Block 22, ruhen, um so während des Be-To fully understand the improvements in waveguide gas laser technology the aforementioned US Pat. No. 4,169,251 is briefly discussed. Fig..1 represents the basic configuration of a transverse discharge waveguide gas laser according to this cited U.S. patent, wherein the waveguide laser 10 a pair of opposing elongated, having electrically conductive electrode members 12 "and 14, the disposed between a pair of opposing elongated dielectric members 16 and 18 in the manner are that an elongated chamber 20 is defined in which a laser excitation discharge must be created. Chamber 20 can have a length of approximately 20 cm for reasons of illustration and also have a square cross-section, the sides are 2 mm long. The electrode members 12 and 14 are made of metal such as aluminum while the dielectric members 16 and 18 are made of a material such as beryllium oxide, aluminum oxide or glass can. The waveguide structure can be made of a material with high thermal conductivity, such as Copper, manufactured in block 22, rest so as to

1300U/130Q1300U / 130Q

triebs Wärme von der Wellenleiteranordnung abzuführen. Die Entladungskammer 20 ist mit einem gewünschten Lasergas, wie beispielsweise einer Standard COp Lasergasmischung gefüllt.drive to dissipate heat from the waveguide assembly. The discharge chamber 20 is filled with a desired laser gas, such as a standard COp laser gas mixture.

Eine HF-Leistungsquelle V_ ist zwischen die Elektrodenglieder 12 und 14 geschaltet, um die entsprechende Entladungsanregung zu erzeugen, welche eine elektrische Entladung in dem Lasergas aufbaut} und zwar ausreichend zur Populationsinversion der Energieniveaus des gewünschten Laserübergangs. Ein pi-Kopplungsschaltung mit einstellbaren Kondensatoren C und Induktivität "L" arbeitet als ein Impedanzanpassungsnetzwerks um die reaktive Impedanz der die Entladungskammer definierenden Struktur auszulöschen und die Anpassung an die in typischer Weise ungefähr 50 Chm betragenden Realteil der Eingangsimpedanz vorzusehen.An RF power source V_ is connected between the electrode members 12 and 14 to generate the appropriate discharge excitation which builds up an electrical discharge in the laser gas} sufficient to population inversion of the energy levels of the desired laser transition. A pi-coupling circuit with adjustable capacitors C and inductance "L" operates as an impedance matching network s to cancel the reactive impedance of the structure defining the discharge chamber and to match the real part of the input impedance, which is typically about 50 µm.

Ein wichtiger Unterschied zwischen einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und der Vorrichtung gemäß Fig. 1 besteht darin, daß das elektrische Feld, erzeugt für Entladungszwecke an der Kammer 20, in Vertikalrichtung zwischen den Elektroden 12 und 14 verläuft und somit transversal zur Löngitudinalachse der Kammer 20. Es ist klar, daß der Elektrodentrennabstand in inherenter Weise der gleiche ist, wie die Kammer-Vertikalspalttrennung. Somit diktiert die Wellenleiterbohrungsgröße die minimale HF-Treiberfrequenz, und es ergeben sich die oben erwähnten Begrenzungen hinsichtlich des Gesamtlaserwirkungsgrades.An important difference between an embodiment of the invention and the device according to FIG. 1 is that that the electric field generated for discharge purposes at the Chamber 20, extends in the vertical direction between the electrodes 12 and 14 and thus transversely to the longitudinal axis of the Chamber 20. It is clear that the electrode separation distance is inherent Way is the same as the chamber vertical gap separation. Thus, the waveguide bore size dictates the minimum RF drive frequency, and the above-mentioned result Limitations on the overall laser efficiency.

Erfindungsgemäß haben die Anmelder Mittel entdeckt, durch welche die elektrische Feldanregung parallel zur Löngitudinalachse der Wellenleiterbohrung angelegt wird. Ein spezielles Ausführungsbeispiel, welches die Longitudinalanregung vorsieht, ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt, und ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Longitudinalstruktur der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt.According to the invention, the applicants have discovered means by which the electric field excitation is parallel to the longitudinal axis the waveguide bore is created. A special embodiment, which provides the longitudinal excitation, is shown in Figures 2 and 3, and is a preferred embodiment the longitudinal structure of the invention is shown in FIG.

130014/1300130014/1300

V/ie in Fig. 2 gezeigt, weist die erfindungsgemäße Laserkonfiguration ein Paar von Keramikblöcken 30 und 32 im wesentlichen parallel zueinander auf, und zwar getrennt voneinander durch ein Paar von dielektrischen Blöcken 34 und 36» die ihrerseits mit Abstand voneinander angeordnet sind, um eine Wellenleiterbohrung 38 zu bilden, die die Entladungszone des Wellenleiterlasers bildet.As shown in FIG. 2, the laser configuration according to the invention a pair of ceramic blocks 30 and 32 substantially parallel to one another and separated from one another through a pair of dielectric blocks 34 and 36 ', which in turn are spaced apart, around a waveguide bore 38 to form the discharge zone of the waveguide laser forms.

Die Elektroden für den Wellenleiterlaser im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind auf den entsprechenden Innenseiten der Keramikblöcke 30 und 32 vorgesehen, d.h. auf den Oberflächen, die angrenzend an die dielektrischen Blocks 34 und 36 liegen, und welche die Wellenleiterbohrung oder -kammer 38 definieren. Die Elektrodenkonfiguartion ist am besten in Fig. 3 dargestellt, wo die Innenoberfläche des Keramikblocks 32 gezeigt ist. Wie in Fig. 3 gezeigt, gibt es eine Elektrode 40 mit erster Polarität und eine Elektrode 42 mit zweiter Polarität. Die Elektroden 40 und 42 sind längs der Kante des Keramikblocks 32 angeordnet und verlaufen im wesentlichen parallel zur Wellenleiterbohrung 38. Jede Elektrode hat eine Reihe von im allgemeinen senkrechten Teilen 41 bzw. 43, die sich transversal über die Wellenleiterkammer 38 überlappend erstrecken.The electrodes for the waveguide laser in the exemplary embodiment according to FIG. 2 are on the corresponding inner sides of the ceramic blocks 30 and 32, i.e. on the surfaces adjacent to the dielectric blocks 34 and 36, and which define the waveguide bore or chamber 38. the Electrode configuration is best illustrated in Figure 3, which shows the interior surface of ceramic block 32. As As shown in Figure 3, there is a first polarity electrode 40 and a second polarity electrode 42. The electrodes 40 and 42 are arranged along the edge of the ceramic block 32 and run essentially parallel to the waveguide bore 38. Each electrode has a series of generally perpendicular portions 41 and 43, respectively, which extend transversely across the Waveguide chamber 38 extend overlapping.

Es ist ein weiteres Paar von Elektroden mit identischer Konfiguration auf der entsprechenden Innenoberfläche des oberen Keramikblocks 30 vorgesehen. Elektroden 40 und 42 sind jeweils mit einer Lötkugel 39 ausgestattet, um die im folgenden zu beschreibende elektrische Verbindung zu gestatten. Speziell ist die Elektrode 40 elektrisch mit der entsprechenden Elektrode vex'bunden, die unmittelbar darüber und parallel dazu längs der Oberseite des oberen Keramikblocks 30 liegt. In gleicher Weise ist die Elektrode 42 elektrisch mit der entsprechenden Elektrode verbunden, die unmittelbar darüber und parallel dazu ebenfalls auf dem oberen Keramikblock 30 liegt. Die Elektroden 40 und 42 und die entsprechenden Elektroden am oberen Keramik-It's another pair of electrodes with an identical configuration provided on the corresponding inner surface of the upper ceramic block 30. Electrodes 40 and 42 are respectively equipped with a solder ball 39 to allow the electrical connection to be described below. Is special the electrode 40 electrically connected to the corresponding electrode, which is directly above and parallel to it along the Top of the upper ceramic block 30 is. Likewise, electrode 42 is electrical with the corresponding electrode connected, which is immediately above and parallel to it also on the upper ceramic block 30. The electrodes 40 and 42 and the corresponding electrodes on the upper ceramic

1300U/13001300U / 1300

block 30, mit dem sie verbunden sind, sind jeweils elektrisch verbunden mit den entgegengesetzt liegenden Phasenverbindungen einer HF-Spannungsquelle, wie beispielsweise der in Fig. 1 bei V schematisch dargestellten, und zwar erfolgt die Verbindung über eine weiter unten noch zu beschreibende geeignete Treiberschaltung. Infolge der erwähnten elektrischen Verbindung und Geometrie der Elektroden gemäß der Erfindung wird ein elektrisches HF-Feld in einer Richtung parallel zur Longitudinalachse der Kammer 38 induziert, wobei deren Innenwände bezüglich der Elektroden derart positioniert sind, wie dies durch die gestrichelten Linien in Fig. 3 dargestellt ist.block 30 to which they are connected are each electrically connected to the opposite phase connections an HF voltage source, such as that shown schematically at V in FIG. 1, the connection is made via a suitable driver circuit to be described below. As a result of the electrical connection mentioned and geometry of the electrodes according to the invention becomes an electric rf field in a direction parallel to the longitudinal axis of the chamber 38, the inner walls of which are positioned with respect to the electrodes such as this is shown by the dashed lines in FIG.

Der Abstand 11A" zwischen den Mittellinien der senkrechten überlappenden Teile 41 und 43 der Elektroden 40 und 42 kann als eine Funktion der Hochfrequenz der angelegten Quelle verändert werden, und wie zuvor erwähnt, erfolgt die Veränderung unabhängig von den Abmessungen der Wellenleiterbohrung oder -kammer 38, im Gegensatz zur Konfiguration gemäß Fig. 1. Typischerweise erfolgt der Betrieb gemäß der Erfindung mit einer Abmessung "A" im Bereich von annähernd 0,2" bis 0,5"? wobei ein entsprechendes Spannungsdifferential zwischen annähernd 500 V und 1000 V auftritt. Es wird ins Auge gefaßt,die Elektroden an der Oberfläche der Keramikblöcke durch ein Metallisierungsverfahren zu befestigen, beispielsweise durch ein Aufsprühverfahren. Zur Durchführung der Erfindung ist jedoch irgendeines der Verfahren geeignet, die zum Abscheiden eines dünnen Films (Schicht) aus Metall mit hoher Leitfähigkeit auf einem Keramiksubstrat bekannt sind. Die Dimension "B", entsprechend der typischen Breite der Teile 41 und 43, beträgt ungefähr 0,02".The distance 11A "between the center lines of the perpendicular overlapping portions 41 and 43 of electrodes 40 and 42 can be varied as a function of the high frequency of the applied source, and as previously mentioned, the change is independent of the dimensions of the waveguide bore or chamber 38 , in contrast to the configuration according to FIG. 1. Typically, operation according to the invention takes place with a dimension "A" in the range of approximately 0.2 "to 0.5" - with a corresponding voltage differential between approximately 500 V and 1000 V occurring. It is contemplated that the electrodes could be attached to the surface of the ceramic blocks by a plating process, such as a sputtering process, however, any of the methods which are capable of depositing a thin film of high conductivity metal are suitable for practicing the invention a ceramic substrate, the dimension "B", corresponding to the typical width of the Te ile 41 and 43 is approximately 0.02 ".

Fig. 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Longitudinalanregungs-Wellenleitergaslasers der Erfindung. Die bevorzugte Konfiguration der Erfindung gemäß Fig. 4 besitzt eine Anzahl von zusätzlichen Vorteilen gegenüber dem Wellenleitergaslaser der Fig. 1. Experimentell wurde nachgewiesen, daß eineFig. 4 shows a preferred embodiment of the longitudinally exciting waveguide gas laser the invention. The preferred configuration of the invention of FIG. 4 has one Number of additional advantages over the waveguide gas laser of FIG. 1. It has been experimentally demonstrated that one

130014/1300130014/1300

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

hohe oder reine Aluminiumelektrode eine bevorzugte Auswahl für das Elektrodenmaterial darstellt, da Aluminium gegenüber den Effekten der Laserentladung beständiger zu sein scheint. Wenn jedoch die Laserlänge vergrößert wird, so wird bei ungefähr 8" ein Punkt erreicht, wo die Leistungsbelastung in der Nähe von 5 bis 10 Watt/Zoll liegt, und wobei die Laserentladung eine bistabile Impedanzcharakteristik zeigt, die zu dem oben erwähnten Heißfleckproblem führt. Zudem oxidieren Aluminiumelektroden schnell, und eine nach nur wenigen Betriebsstunden auftretende ernsthafte Oxidation wird stark genug, um die Wandleitfähigkeit zu vermindern und eine Verschlechterung der Laserleistungsfähigkeit hervorzurufen. Eine starke Oxidation wird wahrscheinlich durch den in der Entladung gebildeten Säuredampf hervorgerufen. Die erfindungsgemäße neue Konfiguration gemäß Fig. 4 löst das Elektrodenoxidationsproblem, hat die Tendenz das Heißfleckproblem zu vermindern und sieht darüberhinaus außerordentlich vorteilhafte strukturelle Verbesserungen vor, die eine kompaktere und zuverlässigere Laservorrichtung ergeben.high or pure aluminum electrode is a preferred choice for the electrode material, since aluminum over Effects of laser discharge seems to be more persistent. However, if the laser length is increased, it becomes approximately 8 "reaches a point where the power load is in the vicinity of 5 to 10 watts / inch, and the laser discharge is a shows bistable impedance characteristic which leads to the above-mentioned hot spot problem. In addition, aluminum electrodes oxidize fast, and one that occurs after just a few hours of operation severe oxidation becomes strong enough to decrease the conductivity of the wall and deteriorate the wall conductivity To produce laser power. Strong oxidation is likely due to that formed in the discharge Acid vapor caused. The novel configuration according to the invention as shown in FIG. 4 solves the electrode oxidation problem the tendency to reduce the hot spot problem and, moreover, sees extremely beneficial structural improvements which result in a more compact and reliable laser device.

Speziell weist der Longitudinal-Wellenleitergaslaser gemäß Fig. 4 ein Paar von Aluminiumoxidflächenelementen 50 und 52 auf, zwischen denen sandwichartig zwei Aluminiumoxidstreifen 54 und 56 zur Definition der Wellenleiterkammer 55 angeordnet sind. Zudem wird eine Dünnschichtmetallisierung auf die Aluminiumoxidsubstrate aifgebracht,um die Anregungselektroden auf den Außenoberflächen 58 bzw. 60 der Flächenelemente 50 bzw. zu bilden. Es ist klar zu erkennen, daß die Oberflächen 58 und 60 von der Entladungskammer 55 des Wellenleiters isoliert sind. Die Elektroden auf den entgegengesetzt liegenden Seiten der Wellenleiterstruktur sind miteinander durch elektrische Leiter 62 und 64 verbunden, die auch den elektrischen Zugriff zu einer Treiberschaltung vorsehen. Typischerweise sind die Aluminiumoxidstreifen 50 und 52 zwischen 0,5 und 2 mm dick, und zwar gemessen längs der Dimension 11C", und die Aluminiumoxid-Specifically, the longitudinal waveguide gas laser according to FIG. 4 has a pair of aluminum oxide surface elements 50 and 52, between which two aluminum oxide strips 54 and 56 for defining the waveguide chamber 55 are arranged. In addition, a thin-film metallization is applied to the aluminum oxide substrates in order to form the excitation electrodes on the outer surfaces 58 and 60 of the surface elements 50 and 50, respectively. It can be clearly seen that the surfaces 58 and 60 are isolated from the discharge chamber 55 of the waveguide. The electrodes on opposite sides of the waveguide structure are interconnected by electrical conductors 62 and 64 which also provide electrical access to a driver circuit. Typically, the aluminum oxide strips 50 and 52 are between 0.5 and 2 mm thick, measured along dimension 11C ", and the aluminum oxide

130QU/130Q130QU / 130Q

streifen 54 und 56 sind typischerweise von 1 bis 3 nun dick, und zwar gemessen längs der Dimension "D". Die Bohrung oder Kammer 55 ist typischerweise von quadratischem Querschnitt mit 1 bis 3 mm langen Seiten.strips 54 and 56 are typically 1 to 3 now thick, measured along dimension "D". The bore or chamber 55 is typically square in cross section 1 to 3 mm long sides.

Die Struktur des Ausführungsbeispiels der Fig. 4 ist vollständig homogen insoferne, als sämtliche Interface-Oberflächen, und auch alle Oberflächen der Wände der Kammer 55, aus Aluminiumoxid bestehen, d.h. AIpO-,, was sich durch die Hartanodisierung von Aluminium ergibt. Diese Struktur kann lötabgedichtet werden, so daß nur die Kammer 55 mit Gas für den Laserbetrieb gefüllt werden muß. Dies steht im Gegensatz zu der Laserkonfiguration gemäß Fig. 1; dort besteht die Schwierigkeit der Abdichtung unähnlicher Materialien, die die entsprechenden Seiten der Kammer 20 des transversal angeregten Wellenleitergaslasers der Fig. 1 bilden, so daß es erforderlich ist, daß die ganze Struktur in einem gasgefüllten Hohlraum oder Gehäuse angeordnet wird, was die Größe der Gesamtstruktur erhöht. Demgemäß ist bei der Erfindung die Struktur kompakter, und weil die Elektroden von der Gasentladung isoliert sind, ist der erfindungsgemäße Laser zuverlässiger und dauerhafter als bekannte Vorrichtungen.The structure of the embodiment of FIG. 4 is completely homogeneous in that all interface surfaces, and also all surfaces of the walls of the chamber 55, are made of aluminum oxide, i.e. AlpO- ,, which is due to the hard anodization of aluminum results. This structure can be solder sealed so that only the chamber 55 is filled with gas for laser operation must be filled. This is in contrast to the laser configuration according to FIG. 1; there is the difficulty of sealing dissimilar materials covering the respective sides of the chamber 20 of the transversely excited waveguide gas laser 1, so that it is necessary that the entire structure is arranged in a gas-filled cavity or housing becomes, which increases the size of the forest. Accordingly In the invention, the structure is more compact, and because the electrodes are isolated from the gas discharge, it is in accordance with the invention Lasers are more reliable and durable than known devices.

Das oben erwähnte, bistabile Impedanzproblem tritt bei Gaswellenleiterlasern unabhängig davon auf, ob sie eine longitudinale oder transversale Elektrodenkonfiguration besitzen, wobei in Jedem Falle die .Leistungsfähigkeit dieses Lasers vermindert wird. Demgemäß sind die zusätzlichen, im folgenden beschriebenen Verbesserungen, die sich auf Mittel zur Eliminierung oder zur beträchtlichen Verminderung der Schwierigkeiten hinsichtlich der Arbeitsfähigkeit und des Wirkungsgrades infolge des erwähnten bistabilen Impedanzproblems beziehen, sowohl bei Wellenleitergaslasern mit transversaler als auch mit longitudinaler Elektrodenkonfiguration anwendbar. Speziell haben die Erfinder erkannt, daß durch das Vorsehen kapazitivenThe bistable impedance problem mentioned above occurs with gas waveguide lasers regardless of whether they have a longitudinal or transverse electrode configuration, where In any case, the performance of this laser is reduced. Accordingly, the additional ones are described below Improvements that focus on means of eliminating or significantly reducing the difficulty in terms of workability and efficiency due to the mentioned bistable impedance problem, both applicable to waveguide gas lasers with both transverse and longitudinal electrode configurations. Specially have the inventors recognized that by providing capacitive

1300U/13001300U / 1300

Ballasts, eine neue Treiberschaltung und eine neuartige gesteuerte Einschaltung die bistabilen Impedanzprobleme vermieden werden können, und zwar bei entweder individueller oder kombinierter Verwendung der genannten Maßnahmen.Ballasts, a new driver circuit and a new type of controlled Switching on the bistable impedance problems avoided with either individual or combined use of the measures mentioned.

Der Grund für das erwähnte Heißfleckproblem wird durch die graphische Darstellung der Fig. 5 repräsentiert, wo der begrenzte Eingangsleistungsbereich dargestellt ist, über den hinweg die HF-angeregte Entladung stabil und räumlich gleichförmig ist. Bei hinreichend niedrigen Eingangsleistungen bricht die Entladung auf. Im Falle des bekannten transversalen Entladungswellenleitergaslasers wird während instabilen Betriebs die Entladung gezündet, und zwar nur längs begrenzter Teile der Wellenleiterlänge, und die Entladungslänge und auch die Entladungsstelle erscheinen zufällig. Ein ähnlicher Effekt tritt bei longitudinalen Wellenleitergaslasern gemäß der Erfindung auf, wo sich nicht alle Entladungssegmente zur Bildung einer kontinuierlichen stabilen Laserentladung vereinigen und die verschiedenen Entladungssegmente anscheinend zufällig zünden und löschen. Bei höherer Eingangsleistung wird die gleiche Art von Nichtgleichförmigkeit sowohl bei transversalen als auch longitudinalen Vorrichtungen beobachtet.The reason for the noted hot spot problem is represented by the graph of FIG. 5, where the limited Input power range is shown, over which the RF-excited discharge is stable and spatially uniform is. If the input power is sufficiently low, the discharge breaks open. In the case of the known transverse discharge waveguide gas laser the discharge is ignited during unstable operation, and only along limited parts of the Waveguide length, and the discharge length and also the discharge site appear randomly. A similar effect occurs longitudinal waveguide gas lasers according to the invention, where not all discharge segments to form a continuous unite stable laser discharge and ignite the various discharge segments apparently randomly and Clear. At higher input power, the same kind of non-uniformity becomes both transverse and longitudinal Devices observed.

Es wird angenommen, daß die an beiden Enden des Leistungsbereichs auftretenden Instabilitäten sich aus der bistabilen Entladungsimpedanzcharakteristik ergeben. Die Effekte einer solchen bistabilen Iinpedanzcharakteristik können dadurch abgemildert werden, daß man eine höhere HF-Treiberfrequenz verwendet oder aber eine größere Bohrungsgröße oder eine Impedanzballastanordnung. Die Stabilisierung der Entladung mittels Ballastbildung wird am zweckmäßigsten erachtet, weil dies nicht die Verwendbarkeit des Wellenleiters hinsichtlich der Hochfrequenz oder der Bohrungsgröße beeinflußt. Die bevorzugte Lösung ist daher die Ballastbildung, d.h. die Hinzufügung einer Serienimpedanz, die den Effekt der Impedanzänderung in der Wellen-It is believed to be at both ends of the power range occurring instabilities result from the bistable discharge impedance characteristic result. The effects of such a bistable impedance characteristic can thereby be mitigated be that one uses a higher HF driver frequency or a larger bore size or an impedance ballast arrangement. The stabilization of the discharge by means of ballast formation is considered to be the most expedient, because this does not impair the usability of the waveguide in terms of high frequency or the size of the bore. The preferred solution is hence the formation of ballast, i.e. the addition of a series impedance, the effect of the impedance change in the wave

130014/1300130014/1300

leiterentladung als eine Funktion der Eingangsleistung minimiert. Am besten verwendet man einen Serienballastkondensator, verglichen mit beispielsweise einem Serienballastwiderstand, weil keine Leistung im Ballastelement verbraucht wird. Darüberhinaus ist ein Serienkondensator in Wellenleiterstrukturen leicht zu realisieren, was in Verbindung mit Fig. 6 bis 10 im folgenden erläutert wird.Minimized conductor discharge as a function of input power. It is best to use a series ballast capacitor, compared to, for example, a series ballast resistor, because no power is used in the ballast element. In addition, a series capacitor is in waveguide structures easy to implement, which is explained in connection with FIGS. 6 to 10 in the following.

Im Falle der transversalen Entladungskonfiguration der bekannten Art wird die kapazitive Ballastbildung, wie in Fig. 6 gezeigt, erreicht, -wo die Wellenleiterbohrung oder -kammer 70 gegenüber der Mitte des Keramikblocks 72 versetzt ist, der die zwei Elektroden 74 und 76 trennt. Im Beispiel gemäß Fig. 6 ist eine Wellenleiterbohrung mit einer Höhe "a" gegenüber beiden Elektroden durch Keramikblöcke mit einer Dielektrizitätskonstante t um einen Abstand "d" versetzt. Die Ersatzschaltung ist in Fig. 7 gezeigt, wobei man erkennt, daß die äquivalente oder Ersatzimpedanz der Entladung, repräsentiert durch die Parallelbeziehung der Entladungskapazität C2 und der Entladungsleiti'ähigkeit G2 in Serie zum Ballastkondensator C1 lieöt. Wie durch die partiellen Differentialgleichungen der Fig. 7 gezeigt, kann die Veränderung der Wellenleiterlänge "X" der entsprechenden Kapazität definiert werden als die Breite des Querschnitts der Wellenleiterstruktur 11W", multipliziert mit der Dielektrizitätskonstante £ und dividiert durch den Abstand "d". Die Änderung der Entladungskapazität C2 bezüglich der Wellenleiterlänge kann in ähnlicher Weise definiert -werden als die Breite "W", multipliziert mit aor Dielektrizitätskonstante <£ und dividiert durch die Höhe der Wellenleiterbohrung "a". Es ist somit klar, daß durch Änderung der Dimension "d" bezüglich der Dimension "a" es möglich ist, eine stabile große Kapazität in Serie mit dem Entladungskondensator einzufügen, was eine stabilisiertere Impedanzcharakteristik ergibt, die die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von heißen Flecken in der Entladung für einen Wellenleiterlaser mit TransversalanregungIn the case of the known type of transverse discharge configuration, capacitive ballasting is achieved, as shown in FIG. 6, where the waveguide bore or chamber 70 is offset from the center of the ceramic block 72 which separates the two electrodes 74 and 76. In the example according to FIG. 6, a waveguide bore with a height "a" is offset by a distance "d" from both electrodes by ceramic blocks with a dielectric constant t. The equivalent circuit is shown in Fig. 7, it being seen that the equivalent impedance of the discharge or replacement represented by the parallel relationship of the discharge capacity C2 and the Entladungsleiti'ähigkeit G2 in series with the ballast capacitor C1 lie ö t. As shown by the partial differential equations of Figure 7, the change in waveguide length "X" of the corresponding capacitance can be defined as the width of the cross-section of waveguide structure 11 W "multiplied by the dielectric constant ε and divided by the distance" d " Change in discharge capacitance C2 with respect to waveguide length can similarly be defined as the width "W" multiplied by a or dielectric constant <£ and divided by the height of the waveguide bore "a". It is thus clear that by changing the dimension "d "With respect to dimension" a ", it is possible to insert a stable large capacitance in series with the discharge capacitor, giving a more stabilized impedance characteristic, which increases the likelihood of hot spots appearing in the discharge for a waveguide laser with transverse excitation

13G0U/130G13G0U / 130G

von irgendeiner Länge vermeidet oder wesentlich reduziert.of any length avoided or substantially reduced.

Die Fig. 8 und 9 zeigen eine analoge Form der kapazitätiven Ballastbildung für den Longitudinal-Anregungswellenleitergaslaser in einem Ausführungsbeispiel, in dem mindestens ein Satz der Elektroden gegenüber der Wellenleiterkammer um eine Dicke "t" aus dielektrischem Material, -wie beispielsweise einem Keramikmaterial oder Aluminiumoxid, versetzt ist. Die überlappenden Elektrodenteile, entsprechend den Teilen 41 bzw. 43 in der Fig. 3, sind, wie in Fig. 9 gezeigt, voneinander um einen Abstand "ds" versetzt, und sie sind ihrerseits vertikal gegenüber der Kammer 82 um eine Dicke des Dielektrikums 80 versetzt.8 and 9 show an analogous form of the capacitive Ballasting for the longitudinal excitation waveguide gas laser in one embodiment in which at least one set of the electrodes opposite the waveguide chamber by a thickness "t" of dielectric material, such as a ceramic material or aluminum oxide. The overlapping electrode parts, corresponding to parts 41 and 43 in FIG of Fig. 3, as shown in Fig. 9, are offset from one another by a distance "ds" and are in turn vertically opposed the chamber 82 offset by a thickness of the dielectric 80.

Fig. 10 ist eine Äquivalentschaltung,welche die verschiedenen Kapazitäten der Wellenleiterkonfiguration der Fig. 8 und 9 darstellt, wobei angenommen ist, daß der untere dielektrische Block 84 mit elektrischer Erde beispielsweise dadurch verbunden ist, daß er auf einer Erdebene sitzt. Die Versetzung der Elektroden gegenüber der Kammerwand durch das Dielektrikum 80 über eine Dicke "t" hinweg,erhöht die Ballastkapazität C-. zwischen der Entladungskapazität C, und jeder Elektrode. Zudem gibt es eine Kapazität zwischen jeder Seite .der Entladung und der Erde über den unteren dielektrischen Block 84. Wie in Fig. 10 gezeigt, ist der Wert der Ballastkapazität C, zwischen jeder Elektrode und der Entladungsleitfähigkeit G^ annähernd gleich dem Abstand zwischen den Elektroden "ds", und zwar multipliziert mit der Dielektrizitätskonstante £- des dielektrischen Blocks 80 und geteilt durch das Vierfache der Dicke "t" des dielektrischen Blocks 80. Man erkennt nunmehr, daß die einzigartige Position der Elektroden, nämlich auf der Oberseite der Wellenleiterstruktur mit Abstand angeordnet durch ein dielektrisches Medium von der Wellenleiterkammer, doppelt vorteilhaft ist insoferne,als zusätzlich zur Isolation der Elektroden gegenüber ansonsten verschlechternden Effekten, hervorgerufen durch direkte Berührung mit der Entladung innerhalb der Wellen-Fig. 10 is an equivalent circuit showing the various 8 and 9, assuming the lower dielectric Block 84 is connected to electrical ground, for example, by sitting on a ground plane. The transfer of the Electrodes across from the chamber wall through the dielectric 80 for a thickness "t" increases the ballast capacitance C-. between the discharge capacity C i and each electrode. There is also a capacity between each side of the discharge and of the earth via the lower dielectric block 84. As shown in Fig. 10, the value of ballast capacitance, C, is between each Electrode and the discharge conductivity G ^ approximately the same the distance between the electrodes "ds", multiplied by the dielectric constant £ - of the dielectric Blocks 80 and divided by four times the thickness "t" of the dielectric block 80. It can now be seen that the unique Position of the electrodes, namely on the top of the waveguide structure spaced apart by a dielectric Medium from the waveguide chamber is doubly advantageous in that it is in addition to the insulation of the electrodes to otherwise worsening effects caused by direct contact with the discharge within the wave

130 G U/1300130 G U / 1300

25 - 3035U2 25 - 3035U2

leiterkammer, auch eine Ballastkapazität vorgesehen wird, welche die Effekte der bistabilen Impedanzcharakteristik der Entladung minimiert.conductor chamber, also a ballast capacity is provided, which the effects of the bistable impedance characteristic of the discharge minimized.

Es sei nunmehr auf die Fig. 11 und 12 Bezug genommen, um weitere Mittel zu erläutern, die zur Überwindung oder zur beträchtlichen Verminderung von schädlichen Effekten der bistabilen Impedanzcharakteristik dienen.Reference is now made to FIGS. 11 and 12 to illustrate further means which can be used to overcome or to achieve considerable Reduction of harmful effects of the bistable impedance characteristic are used.

In Fig. 11 ist die Entladungskapazität C-, mit einem Spannungsgenerator V_ über eine Koaxialleitung 90 mit einer vorbestimmten Länge "1", ausgedrückt in Wellenlängen mit einem Wellenwiderstand Z , sowie über einen Transformator "T" mit einem Wicklungsverhältnis "N" verbunden. Zudem ist eine abstimmbare Spule L parallel zur Entladungskapazität geschaltet und derart eingestellt, daß die Kapazität für die Anregungsfrequenz resonanzmäßig hervorgehoben ist.In Fig. 11, the discharge capacity is C-, with a voltage generator V_ over a coaxial line 90 with a predetermined length "1" expressed in wavelengths with a characteristic impedance Z, as well as connected via a transformer "T" with a turns ratio "N". In addition, it is a tunable Coil L connected in parallel to the discharge capacitance and adjusted in such a way that the capacitance for the excitation frequency is highlighted in terms of resonance.

Wenn es sich bei der Koaxialleitung 90 um eine Viertelwellenlängenleitung handelt, so gilt folgendes:If the coaxial line 90 is a quarter wave line the following applies:

Eingangsspannung und Strom sind gegeben durch:Input voltage and current are given by:

Vin V in

dabei ist I0 = IdN und VQ = Vd/N und Id und Vd sind der Ent ladungsstrom und die Entladungsspannung (unter Annahme von Resonanz).where I 0 = I d N and V Q = V d / N and I d and V d are the discharge current and the discharge voltage (assuming resonance).

V. und I. stehen wie folgt in Beziehung: <2' vin = V3 - VinV. and I. are related as follows: < 2 ' v in = V 3 - Vin

130O U/1300130O U / 1300

Durch Substitution von V, und I, ergibt sich: (3) -jV r Z N I + Rs νSubstituting V, and I, gives: (3) -jV r ZNI + Rs ν

Diese Gleichung ist die Gleichung einer Belastungsleitung. Die einzige Signifikanz von "j" besteht darin, daß Entladestrom und Spannung um 90° außer Phase bezüglich der Quelle sind. Die effektive Quellenimpedanz ist daher wie folgt gegeben:This equation is the equation of a load line. The only significance of "j" is that the discharge current and voltage are 90 degrees out of phase with the source. the effective source impedance is therefore given as follows:

Z 2 N2
(R3)eff = g
Z 2 N 2
(R 3 ) eff = g

Die Stabilität wird dadurch erhalten, daß man sicherstellt, daß:Stability is obtained by ensuring that:

(b) 3Vj + (R j eff >Q (weil die Netto impedanz positiv '6ld . ist) (b) 3Vj + (R j eff > Q ( because the net impedance is positive ' 6l d. )

Somit kann durch Verwendung einer charakteristischen Impedanz, die wesentlich größer ist als die Quellenimpedanz, die effektive Quellenimpedanz dramatisch erhöht werden. Dies gestattet die Bedingung der Gleichung (5) einzuhalten.Thus, by using a characteristic impedance, which is significantly greater than the source impedance, the effective source impedance can be increased dramatically. This allows the Condition of equation (5) must be observed.

Eine alternative Möglichkeit für eine Betrachtung dieses Zustands besteht darin, die Viertelwellenlängenleitung als einen Impedanzinverter anzusehen. Wenn die Entladung zu zünden beginnt, so fällt die Entladungsimpedanz ab. Am Eingang der Vierte Iwe11enlängenleitung fängt die Impedanz an anzusteigen. Im allgemeinen hat dies zur Folge, daß weniger Leistung an»die Last geliefert wird, was wiederum die Zündung (den Bogen) unterbricht. An alternative way of looking at this condition is to consider quarter wavelength conduction as one Impedance inverter to look at. When the discharge begins to ignite, the discharge impedance drops. At the entrance of the fourth When the length of the line is reached, the impedance begins to rise. in the in general, this results in less power being delivered to the load, which in turn breaks the ignition (arc).

1300U/13001300U / 1300

Wenn die Koaxialleitung 90 eine Halbwellenleitung ist, so ßilt folgendes:If the coaxial line 90 is a half-wave line, so The following applies:

Die Lastleitungsgleichung in diesem Falle ist die folgende;The load line equation in this case is the following;

1C N + VH 1 C N + V H

Die effektive Quellenimpedanz ist daher: (7) (KJ <irf = I<„ N2 The effective source impedance is therefore: (7) (KJ <irf = I <“N 2

Die Entladungsstabilität wird garantiert durch:The discharge stability is guaranteed by:

^d + R3 N2 >0 .^ d + R 3 N 2 > 0.

31Cf 31 Cf

Anders als im Fall der Viertelwellenlänge ist die effektive Quellenimpedanz gerade diejenige der Quelle und hat die Tendenz, viel kleiner zu sein. Für eine 25 Ohm Quellenimpedanz und ein 25 Ohm Kabel beträgt die effektive QuellenimpedanzUnlike the quarter wavelength case, the one is effective Source impedance just that of the source and tends to be much smaller. For a 25 ohm source impedance and a 25 ohm cable is the effective source impedance

(dividiert durch N) 225 Ohm für einen Viertelwellenabschnit" und nur 25 Ohm für einen Halbwellenabschnitt.(divided by N) 225 ohms for a quarter-wave section " and only 25 ohms for a half-wave section.

Wie in Fig. 11 gezeigt, weist die Konfiguration gemäß der Erfindung, verwendet zur Erregung von HF-Lasern,einen HF-GeneratorAs shown in Fig. 11, the configuration according to the invention, uses an HF generator to excite HF lasers

V auf, und zwar verbunden mit einem Koaxialkabel der Länge sV on, connected to a coaxial cable of length s

und dem Wellenwiderstand (charakteristische Impedanz) Zq, wobei letzteres wiederum mit der Primärseite des Transformators T in Verbindung steht. Die Sekundärseite des Transformators liegt am Entladungsabschnitt, in dem die Kapazität C-, durch eine Parallelspule L resonanzmäßig beeinflußt ist.and the characteristic impedance Zq, where the latter in turn is connected to the primary side of the transformer T. The secondary side of the transformer is at the discharge section, in which the capacitance C-, by a Parallel coil L is influenced by resonance.

Wie ebenfalls in Fig. 11 gezeigt ist, ergibt sich die Impedanz, hineinblickend in die Leitung, wie folgt:As is also shown in Fig. 11, the impedance results looking into the line as follows:

1300U/13001300U / 1300

ζ -ζζ -ζ

2I + JZ0 tan kl 2 I + JZ 0 tan kl

can «f +can «f +

dabei ist Z die Impedanz beim Hineinblicken in den Transformator und kl ist 2/T//?m, (wobei /im. die Wellenlänge ist).where Z is the impedance when looking into the transformer and kl is 2 / T //? m, (where / im. is the wavelength).

Die Spannung V. wird gegeben durch:The voltage V. is given by:

Ιΐΰ\ ν. s v_ zin = V+ cJltl + ν" Ιΐΰ \ ν. s v_ z in = V + c Jltl + ν "

in s K + Z.in s K + Z.

dabei bezeichnen V+ und V~ die vorwärts und rückwärts laufende Welle, wobei sich die Lösung für V+ wie folgt ergibt:where V + and V ~ denote the forward and backward running wave, where the solution for V + is as follows:

Z»n Z »n

-Jkl-Jkl

Die Spannung am Eingang des Transformators ist gegeben durch:The voltage at the input of the transformer is given by:

(12) Vn = V+ + V" = Vv (1 ♦ x -—2 )(12) V n = V + + V "= V v (1 ♦ x -—2)

Zur Auswertung von Z1 kann leicht gezeigt werden, daß dies wie folgt gegeben ist:To evaluate Z 1 it can easily be shown that this is given as follows:

dabei ist Q das nicht belastete Q und N ist das Windungsveihältnis. In einem typischen Beispiel mit C = AO pf,where Q is the unloaded Q and N is the turns ratio. In a typical example with C = AO pf,

130GU/1300130GU / 1300

f = 40 MHz land N = 4 sowie Qu = 100 ergibt sich folgendes:f = 40 MHz land N = 4 and Q u = 100 the following results:

_ 100 _ 100

" 16 x 2 χ π χ AO χ i0-li? x 40 χ ΙΟ6 6°°Ω "16 x 2 χ π χ AO χ i0- li? X 40 χ ΙΟ 6 6 °° Ω

Nimmt man an, daß Z^ ?/*" Zq, so ergibt sich (15) V0 = 2 V+ Assume that Z ^ ? / * "Zq, we get (15) V 0 = 2 V +

Betrachtet man die beiden speziellen Fälle der Viertelv/ellen- und Halbwellen-Leitungen, so ergibt sich für die viertelwellenlange Leitung (d.h. 1 = Jl /4) folgendes;Looking at the two special cases of Viertelv / Ellen- and half-lines is obtained for the quarter-wave long transmission line (ie 1 = Jl / 4) comprising;

116) Zn = 2116) Z n = 2

2j Z0ZZ1 2 R3 2j Z 0 ZZ 1 2 R 3

oderor

Vin " V in "

Die Spannung am Entladungsabschnitt ist daher wie folgt gegeben: The voltage at the discharge section is therefore given as follows:

U9) V. , V N2 ^OU9) V. , VN 2 ^ O

d s Rd s R 33

Für die halbwellenlange Leitung (d.h. 1 = -^/2) ergibt sich folgendes:For the half-wave length line (i.e. 1 = - ^ / 2) results the following:

(20) Z. = ζ(20) Z. = ζ

130014/1300130014/1300

(21) V+ = V3 2In ~ V„/2(21) V + = V 3 2 In ~ V "/ 2

s * ins * in

Die Spannung am Entladungsabschnitt ist daherThe voltage at the discharge section is therefore

122) Vd = 2V+ H2 = ITV8 122) V d = 2V + H 2 = ITV 8

Nimmt man eine Quellenimpedanz von 50 Ohm und eine charakteristische Impedanz (Wellenwiderstand) von 50 Ohm an, so sind die beiden Fälle ( A/k oder Jt/Z für die Leitungslänge) äquivalent. Beim Halbwellenfall ist jedoch die Spannung unabhängig (bis zur ersten Ordnung) von sowohl der Quellenimpedanz als auch der Kabelimpedanz, wohingegen im Viertelwellenfall ein Spannungsabstieg bewirkt werden kann durch Verwendung eines Kabels mit größerer Impedanz als der Quellenimpedanz. Beispielsweise ergeben eine 75 Ohm Leitung und eine 50 Ohm Quellenimpedanz einen 50% Spannungsanstieg.Assuming a source impedance of 50 ohms and a characteristic impedance (wave resistance) of 50 ohms, the two cases ( A / k or Jt / Z for the line length) are equivalent. In the half-wave case, however, the voltage is independent (up to the first order) of both the source impedance and the cable impedance, whereas in the quarter-wave case a voltage drop can be caused by using a cable with an impedance greater than the source impedance. For example, a 75 ohm line and a 50 ohm source impedance result in a 50% voltage rise.

Man erkennt somit, daß durch die Verwendung der neuen Treiberschaltung, bestehend aus einer Koaxialleitung oder einen anderen geeigneten Übertragungspfad, abhängig von der Betriebsfrequenz, wobei die Leitungslänge gleich einer Viertelwellenlänge und der Wellenwiderstand gleich oder größer als 1,5 R,, ist, die ,EntladungsStabilität sichergestellt wird und sich ein beträchtlicher Anstieg der Entladungsspannung, verglichen mit der Quellenspannung, ergibt.It can thus be seen that by using the new driver circuit, consisting of a coaxial line or another suitable transmission path, depending on the operating frequency, where the line length is equal to a quarter wavelength and the characteristic impedance is equal to or greater than 1.5 R ,,, the , Discharge stability is ensured and become a considerable Increase in discharge voltage compared to source voltage, results.

Fig. 12 zeigt weitere Mittel, durch welche das Problem derFig. 12 shows further means by which the problem of

1300U/13001300U / 1300

heißen Flecken, hervorgerufen durch die bistabile Impedanzcharakteristik der Laserentladung sowohl bei der transversalen als auch bei der longitudinalen Anregungskonfiguration beträchtlich vermindert oder eliminiert werden kann. Diese zusätzlichen Mittel bestehen in der gesteuerten Anlegung von Leistung an die Anregungselektroden, wie dies graphisch in Pig. 12 dargestellt ist, nämlich das nahezu augenblickliche Anlegen von hinreichend viel Leistung zur Hervorrufung eines Zusammenbruchs, und sodann ein allmählicher Leistungsanstieg über eine Zeitperiode hinweg die gleich ist oder ein Minimum von 1 msec übersteigt, und zwar solange, bis die maximale Anregungs-oder Erregungsleistung erreicht ist. Beispielsweise beträgt P, 20 ¥ und PmQV 80 ¥ für die unter Bezugnahme auf Fig. 11 erwähnten Parameter. Es wird angenommen, daß die verbesserte Stabilität sich durch die allmähliche Anlegung der Erregungsleistung ergibt, was, wie in Fig. 12 gezeigt, auf die Tendenz der Entladung zurückzuführen ist,längs ihrer stabileren Impedanzkurve der zwei, eine positive Neigung besitzenden Kurventeile der Impedanz zu arbeiten, wobei diese Kurventeile die erwähnte, bistabile Kennlinie bilden. Das Vorsehen von automatischen Mitteln zur allmählichen Anlegung der Erregungsleistung kann ohne weiteres mittels einer geeigneten kapazitiven Schaltung am HF-Spannungsgenerator realisiert werden, wobei diese Schaltung bekannt ist und hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden braucht.hot spots, caused by the bistable impedance characteristic of the laser discharge, can be considerably reduced or eliminated in both the transverse and the longitudinal excitation configuration. These additional means consist in the controlled application of power to the excitation electrodes, as graphically shown in Pig. 12 is shown, namely the almost instantaneous application of sufficient power to cause a breakdown, and then a gradual increase in power over a period of time equal to or exceeding a minimum of 1 msec, until the maximum excitation or excitation power is reached is. For example, P.20 ¥ and P mQV is 80 ¥ for the parameters mentioned with reference to FIG. It is believed that the improved stability results from the gradual application of the excitation power, which, as shown in Fig. 12, is due to the tendency of the discharge to operate along its more stable impedance curve of the two positive sloped portions of the impedance curve , these parts of the curve forming the aforementioned bistable characteristic. The provision of automatic means for the gradual application of the excitation power can easily be implemented by means of a suitable capacitive circuit on the HF voltage generator, this circuit being known and need not be described in detail here.

Fig. 13 ist eine dreidimensionale Ansicht eines bevorzugten Auslührungsbeispiels eines Longitudinal-Anregungs-Wellenleiters 100 der Erfindung, wobei die ¥ellenleiterbohrung 102 gebildet wird durch ein Paar von Aluminiumoxidseitenblöcken 104 und 106, die ihrerseits sandwichartig zwischen zwei Keramikplatten 108 und 110 angeordnet sind. Jede derartige Keramikplatte iut längs ihrer Außenoberfläche, wie in Fig. 13 für die obere Platte 108 gezeigt, durch langgestreckte Elektroden überzogen, wie dies zuvor diskutiert wurde, wobei diese derart geformt sind, daßFigure 13 is a three-dimensional view of a preferred embodiment of a longitudinal excitation waveguide 100 of the invention, wherein the waveguide bore 102 is formed by a pair of alumina side blocks 104 and 106, which in turn are sandwiched between two ceramic plates 108 and 110. Each such ceramic plate is longitudinal its outer surface, as in FIG. 13 for the top plate 108 shown covered by elongated electrodes like this previously discussed, these being shaped such that

1300 U/130Q1300 U / 130Q

ein longitudinal gerichtetes elektrisches Feld innerhalb der Wellenleiterbohrung 102 vorgesehen wird. Insbesondere ist Elektrode 112 und ihre senkrechten Teile, wie beispielsweise Teil 114, in jedem Zeitpunkt von entgegengesetzter Polarität bezüglich der entsprechenden Elektrode 116, einschließlich deren senkrechter Teile, wie beispielsweise des Teils 118.a longitudinally directed electric field within the Waveguide bore 102 is provided. In particular, electrode 112 and its perpendicular parts, such as part 114, at any point in time of opposite polarity with respect to the corresponding electrode 116, including its vertical parts, such as part 118.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fig. 13 ist die Größe "F" typischerweise 0,02", die Größe 11G" ist typischerweise 0,04" und die Größe "H" ist typischerweise 0,25". Zudem ist die Wellenleiterbohrung 102 im Querschnitt quadratisch, wobei Wände von 0,08" Länge die Kammer definieren.In the preferred embodiment of FIG. 13, the size "F" is typically 0.02 ", size 11 G" is typically 0.04 "and the variable" H "is typically 0.25". In addition, the waveguide bore 102 is square in cross-section with walls 0.08 "long defining the chamber.

Die Fig. 14 und 15 veranschaulichen zwei alternative Laserkopfkonfigurationen unter Verwendung des Wellenleiters 100 der Fig. 13. Wie in Fig. 14 gezeigt, besteht eine derartige Konfiguration aus der Anordnung des Laserwellenleiters 100 aus einem Metall-HF-Abschirmtopf 120 mit rechteckigem Querschnitt. Der Wellenleiter ist darinnen mittels eines Ständers 122 zentriert. Der Ständer 122 weist eine Kammer 124 mit rechteckigem Querschnitt auf und dient als ein Gasreservoir für die Wellenleiterstruktur. Kammern 102 des Wellenleiters 100 und 124 des Ständers 122 liegen beide auf einem geeigneten subatmosphärischen Druck für den Laserbetrieb. Das verbleibende Innenvolumen des HF-Abschirmtopfes 120 befindet sich auf Umgebungsdruck und sieht einen umschlossenen Kanal für die zwangsweise Luftkühlung des Wellenleiters 100 vor.Figures 14 and 15 illustrate two alternative laser head configurations using the waveguide 100 of Fig. 13. As shown in Fig. 14, there is such a configuration from the arrangement of the laser waveguide 100 from a metal RF shielding cup 120 with a rectangular cross-section. The waveguide is centered therein by means of a stand 122. The stand 122 has a chamber 124 with a rectangular Cross-section and serves as a gas reservoir for the waveguide structure. Chambers 102 of waveguide 100 and 124 of the Stand 122 are both at a suitable sub-atmospheric pressure for laser operation. The remaining interior volume of the HF shielding can 120 is at ambient pressure and provides an enclosed channel for forced air cooling of waveguide 100.

Bei der alternativen Laserkopfkonfiguration gemäß Fig. 15 ist eine Wellenleiterstruktur 100 innerhalb eines Metalltopfes angeordnet, der geeignet ist für die Erzeugung einer HF-Abschirmung und zur Aufrechterhaltung eines substantiellen Vakuums. Die Wellenleiterstruktur ist zwischen Keramikblöcken 132 und 134 angeordnet, welche die Entladung außerhalb der Wellenleiterbohrung 102 verhindern.In the alternative laser head configuration according to FIG. 15, a waveguide structure 100 is arranged within a metal pot, which is suitable for creating an RF shield and for maintaining a substantial vacuum. The waveguide structure is arranged between ceramic blocks 132 and 134, which discharge the discharge outside of the waveguide bore 102 prevent.

1300U/13001300U / 1300

Das verbleibende Volumen zwischen den Wänden des HF-Topfes 130 und der Wellenleiterstruktur ist ebenfalls mit einem Lasergas angefüllt, um als ein Reservoir zu dienen, wobei sich das Gas auf dem gleichen subatmosphärischen Druck wie das Lasergas innerhalb der Wellenleiterbohrung 102 befindet.The remaining volume between the walls of the RF pot 130 and the waveguide structure is also with a Laser gas is filled to serve as a reservoir, the gas being at the same sub-atmospheric pressure as that Laser gas is located within the waveguide bore 102.

Fig. 16 stellt schematisch das elektrische System Interface eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung dar, wobei die verschiedenen Mittel verwendet werden, die zur Verminderung oder Eliminierung der Heißfleckprobleme dienen. Beispielsweise verwendet der Wellenleiter 100 Elektroden, wie in Fig. 13 gezeigt, d.h. in der Form einer dünnen Filmmetallisierung, aufgebracht auf die oberen und unteren Oberflächender Keramikplatten 108 bzw. 110. Der Abstand der Elektroden gegen-Fig. 16 schematically illustrates the electrical system interface of a preferred embodiment of the invention, wherein the various means used to reduce or eliminate the hot spot problems are used. For example the waveguide 100 employs electrodes as shown in Fig. 13, i.e. in the form of thin film metallization, applied to the upper and lower surfaces of the Ceramic plates 108 or 110. The distance between the electrodes

108 und über der Kammer durch die Platten/110 liefert die erwähnte Ballastkapazität. Eine Resonanzinduktivität (Induktor) L liegt an den Elektroden, und die oberen und unteren Elektrodenpaare gleicher Polarität sind miteinander durch Leiter 140 bzw. 142 verbunden, und diese sehen auch die elektrische Verbindung zum Transformator 144 vor. Der Transformator liegt an einer geeigneten Spannungsquelle V über die neue Treiberschaltung, bestehend aus einer Viertelwellenlängenleitung 146 mit einem Wellenwiderstand gleich oder größer dem 1,5fachen der Quellenimpedanz. In Fig. 16 wird angenommen, daß die Quellenimpedanz 50 0hm beträgt, und daß die charakteristische Impedanz (Wellenwiderstand) der Leitung 146 gleich oder größer als 75 0hm ist, und zwar entsprechend der oben beschriebenen Verbesserung. Zudem ist die verzögerte Anregungslexstungskennlinie, dargestellt in Verbindung mit Fig. 12, repräsentiert in Fig. 16 durch das Vorhandensein einer geeigneten Generatorsteuervorrichtung 148, wobei deren Einzelheiten dem Fachmann bekannt sind.108 and above the chamber through the plates / 110 provides the aforementioned Ballast capacity. A resonance inductance (inductor) L is applied to the electrodes, and the upper and lower electrode pairs of the same polarity are connected to one another by conductors 140 and 142, respectively, and these also see the electrical connection to the transformer 144. The transformer is connected to a suitable voltage source V via the new driver circuit, consisting from a quarter wavelength line 146 having a characteristic impedance equal to or greater than 1.5 times the source impedance. In Fig. 16 it is assumed that the source impedance is 50 ohms and that the characteristic impedance (wave resistance) of line 146 is equal to or greater than 75 ohms, in accordance with the improvement described above. In addition, the delayed excitation intensity characteristic curve illustrated in connection with FIG. 12 is represented in FIG. 16 by the presence of a suitable generator control device 148, the details of which are known to those skilled in the art are.

1300U/13001300U / 1300

3Q35H23Q35H2

Fig. 17, 18 und 19 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer· Laserkopfanordnung, die ein verbessertes Konstruktionsverfahren verwendet, welches die Erfindung für die niedrige Kosten verursachende Massenproduktion geeigneter macht. Wie bei den zuvor beschriebenen Konfigurationen wird die Laserbohrung oder Kammer durch entgegengesetzt liegende, mit Abstand angeordnete Aluminiumelektroden gebildet, die sandwichartig zwischen zwei Aluminiumoxidblöcken angeordnet sind. Die Anordnung wird durch ein im Querschnitt in Fig. 17 gezeigtes elastisches Rohr 150 in Ausrichtung und unter Druck gehalten. Das elastische Rohr dient als ein federartiges, evakuierbares Gehäuse und eine Wärmeabführung, wodurch Wellenleiter und optische Elemente in ordnungsgemäßer Ausrichtung gehalten werden. Figures 17, 18 and 19 show another embodiment of a laser head assembly employing an improved method of construction which makes the invention more suitable for low cost mass production. As In the configurations described above, the laser bore or chamber is through opposing, spaced apart arranged aluminum electrodes are formed, which are sandwiched are arranged between two aluminum oxide blocks. The arrangement is illustrated by a cross-section shown in FIG elastic tube 150 held in alignment and under pressure. The elastic tube serves as a spring-like, evacuable one Housing and a heat sink, which keeps waveguides and optical elements in proper alignment.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das elastische Rohr oder der Zylinder 150 aus einem kreisförmigen zylindrischen Rohr mit einem Außenmantel 152 und einem Paar von mit Abstand angeordneten parallelen Flanschen 158, die sich in Longitudxnalrichtung und parallel zur Achse des Zylinders 150 % erstrecken. Die Flansche 158 erstrecken sich entlang der Länge des Rohrs 150 von entgegengesetzt liegenden Stellen aus entlang dem Innenumfang des Mantels 152, und zwar durch entsprechende Kragen 154. Jeder derartige Flansch 158 weist ein Paar von parallelen, im allgemeinen senkrechten Wänden 156 auf, und zwar zur Bildung von rechteckigen Nuten, geeignet zur Aufnahme und Ausrichtung der Aluminiumoxidblöcke 132 und 134 der Wellenleiterstruktur. Typische Abmessungen eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Verwendung des elastischen Metallrohrs 150, welches nun ohne weiteres durch Extrusionsmateri.alien, wie beispielsweise 6063-T5 Aluminium und dergl., hergestellt sein kann, können durch die Fig. 17 und 18 definiert sein, und zwar in Verbindung mit der folgenden Tabelle:In the illustrated embodiment, the resilient tube or cylinder 150 consists of a circular cylindrical tube with an outer shell 152 and a pair of spaced parallel flanges 158 which extend longitudinally and parallel to the axis of the cylinder 150 % . The flanges 158 extend along the length of the tube 150 from opposing locations along the inner periphery of the shell 152 by respective collars 154. Each such flange 158 has a pair of parallel, generally perpendicular walls 156 to the Formation of rectangular grooves suitable for receiving and aligning the aluminum oxide blocks 132 and 134 of the waveguide structure. Typical dimensions of an embodiment of the invention using the resilient metal tube 150, which can now be readily made by extrusion materials such as 6063-T5 aluminum and the like, can be defined by FIGS. 17 and 18, specifically in FIG Connection with the following table:

1300U/13001300U / 1300

Bezugszeichen in den Fig.17 und 13Reference numerals in FIGS. 17 and 13

Typische
Abmessungen (Zoll)
Typical
Dimensions (inch)

KK 0.475 +.010.475 +.01 LL. 0.390 +.010.390 +.01 MM. 0.125 +.010.125 +.01 NN 0.375 +.010.375 +.01 SS. 0.025 £.005£ 0.025 .005 PP. 1.25 +.011.25 +.01 QQ 0.035 +..0050.035 + .. 005 RR. 0.125 +.010.125 +.01

Typischerweise ist der Abstand zwischen entgegengesetzt liegenden Außenoberflachen der Aluminiumoxidblöcke 132 und 134 etwas größer als der Vor-Einbauabstand L. Um daher die Wellenleiterstruktur in das elastische Rohr 150 einzusetzen, xvird eine Druckkraft auf die Ebenen 151 und 153 ausgeübt, wie dies in Fig. 18 dargestellt ist, was bewirkt, daß der Abstand L zwischen den Flanschen 158 auf einen Abstand ansteigt, der zur Aufnahme der Wellenleiterstruktur geeignet ist. Sodann hat die Entfernung der in den Ebenen 151 und 153 angelegten Kraft eine Druckkraft zwischen den Flanschen zur Folge, welche über die Wellenleiterstruktur angelegt wird, und zwar iiu Bereich von 200 bis 1000 psi (engl.Pfund/Quadratzoll). Infolgedessen erkennt man, daß die Flansche 158 eine Druckausrichtung der Aluminiumoxidblöcke 132 und 134 und der gesamten Wellenleiterstruktur durch die Federwirkung des neuen Rohrs 150 bewirken. Zusätzlich zur Erzeugung der strukturellen Starrheit für die gesamte Laserkonfif;uration liefert das Rohr 150 auch einen beträchtlich verbesserten thermischen Kontakt mit einer effizienteren Wärmeabführung.Typically, the distance between opposing outer surfaces of the alumina blocks is 132 and 134 somewhat larger than the pre-installation distance L. Therefore, in order to insert the waveguide structure into the elastic tube 150, xvird exerted a compressive force on planes 151 and 153, as shown in Fig. 18, causing the distance L increases between the flanges 158 to a distance suitable for receiving the waveguide structure. Then she has Removal of the force applied in planes 151 and 153 results in a compressive force between the flanges, which over the Waveguide structure is applied, namely iiu area of 200 to 1000 psi (pounds / square inches). As a result, realizes that the flanges 158 pressure alignment of the alumina blocks 132 and 134 and the entire waveguide structure cause by the spring action of the new tube 150. In addition to creating structural rigidity for the Overall laser configuration, the tube 150 also provides a considerable amount improved thermal contact with more efficient heat dissipation.

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3035U23035U2

Die Enden des Rohrs 150 sind, wie in Fig. 19 gezeigt, mit einem Winkel θ von vorzugsweise ungefähr- gleich 45° verjüngt. Dies hat den beträchtlichen Vorteil zur Folge, daß eine automatische Ausrichtung für Spiegelhalterungen 160 erzeugt wird, was sich für den Fachmann als ein deutlicher Vorteil erweist, wobei für die erfindungsgemäße Konfiguration derartige Spiegelendoberflächen gelegentlich zweckmäßig sind. Wenn die Spiegelhaiterung 160,ebenfalls in Fig. 19 gezeigt, verjüngt ist, so kann die Halterung 160 ohne weiteres mit dem Ende des Rohrs 150 vakuumabgedichtet werden, und zwar beispielsweise mittels eines kontinuierlichen Lötbandes 162, welches um den gesamten Umfang der Zwischenfläche zwischen Spiegelhalterung 160 und Rohr 150 herum angeordnet ist.As shown in FIG. 19, the ends of the tube 150 are tapered at an angle θ of preferably approximately 45 °. This has the significant advantage of producing an automatic alignment for mirror mounts 160 becomes, which proves to be a clear advantage for the person skilled in the art, whereby for the configuration according to the invention such Mirror end surfaces are occasionally useful. When the mirror bracket 160, also shown in FIG. 19, tapers is, the bracket 160 can easily with the end of the tube 150 are vacuum sealed, for example by means of a continuous soldering tape 162 which is around the entire circumference of the interface between mirror holder 160 and tube 150 is arranged around.

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Vorstehend wurde ein Wellenleitergaslaser offenbart, der überlegene Eigenschaften hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit aufweist. Eine erfindungsgemäße Verbesserung besteht darin, daß die longitudinale Anregung der Laserentladung innerhalb einer geeigneten Lasergas enthaltenden Wellenleiterkammer erfolgt. Die longitudinale Anregung macht die Abstandsgeometrie der Elektroden variabel, unabhängig von der Wellenleiterkammergeometrie, was einen erhöhten Leistungsfähigkeits-Wirkungsgrad ergibt. Man erkennt, daß die Erfindung eine Anzahl von signifikanten Verbesserungen vorsieht, die die Probleme der heißen Flecken wesentlich reduzieren oder eliminieren, wobei diese heißen Flecken üblicherweise in Wellenleitergaslasern sowohl in der Transversal- als auch Longitudinal-Anregungskonfiguration auftreten. Diese heißen Flecken würden bei ihrer Nichtbeseitigung die Leistungsfähigkeit des Lasers verschlechtern. Zu den erfindungsgemäßen Verbesserungen gehören beispielsweise die folgenden: Die kapazititive Belastung (Ballastbildung), erreicht durch neue bauliche Konfigurationen, einschließlich der Isolation der Elektroden gegenüber der Wellenleiterkammer durch ein geeignetes dielektrisches Abstandsmedium, wie beispielsweise Keramik oder Aluminiumoxid; eine neue Treiberschaltung mit vorgewählter Länge und mit vorgewähltem' Wellenwiderstand; die gesteuerte Anlage der Anregungsleistung über eine minimale Zeitperiode hinweg.A waveguide gas laser has been disclosed above which is superior Has properties in terms of performance, efficiency, reliability and durability. One improvement according to the invention is that the longitudinal The laser discharge is excited within a waveguide chamber containing a suitable laser gas. The longitudinal The spacing geometry of the electrodes makes the excitation variable, independent of the waveguide chamber geometry, which results in an increased efficiency. Man recognizes that the invention provides a number of significant improvements which substantially address hot spot problems reduce or eliminate these hot spots commonly in waveguide gas lasers both in the Transverse as well as longitudinal excitation configurations occur. Failure to remove these hot spots would degrade the performance of the laser. To the invention Improvements include, for example, the following: The capacitive loading (ballasting), achieved through new structural configurations, including the isolation of the electrodes from the waveguide chamber by a suitable one dielectric spacer medium such as ceramic or alumina; a new driver circuit with preselected Length and with selected 'wave impedance; the controlled application of the excitation power over a minimal period of time away.

Abwandlungen sind im Rahmen der Erfindung möglich, und zwar sowohl hinsichtlich spezieller Dimensionen, Materialien und geometrischer Konfigurationen.Modifications are possible within the scope of the invention, both with regard to special dimensions, materials and geometric configurations.

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- JO -- JO -

Eine weitere Verbesserung gemäß der Erfindung besteht in einem elastischen Metallrohr zur Unterbringung der Wellenleiterstrukturen und zur Verwendung mit Abstand angeordneter paralleler Flansche (Tragelemente), ausgebildet innerhalb eines extrudierten Metallrohrs zum druckmäßigen Eingriff mit und zur Ausrichtung der Wellenleiterstruktur. Ein derartiges rohrförmiges Gehäuse dient als ein federartiger Vakuumbehälter und als ein Wärmeableiter, wobei der Wellenleiter und die optischen Elemente in ordnungsgemäßer Ausrichtung positioniert werden.Another improvement according to the invention consists in an elastic metal tube for housing the waveguide structures and to use spaced parallel flanges (support members) formed within an extruded Metal tube for pressure engagement with and alignment of the waveguide structure. Such a tubular Housing serves as a spring-like vacuum container and as a heat sink, the waveguide and the optical Items are positioned in proper alignment.

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Claims (1)

PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS V/ellenleiterlaser struktur mit Mitteln zur Definition einer langgestreckten Kammer mit zum Führen von Laserlicht geeigneten Querschnittsdimensionen, einem in der Kammer angeordrieten Lasergas und Mitteln zum Aufbau eines elektrischen Wechselfeldes in der Kammer zum Aurbau der Laseranregungsentladung in dem Lasergas,
gekennzeichnet durch ein langgestrecktes elastisches Metallrohr, welches die die langgestreckte Kammer definierenden Mittel enthält, und zwar in Druckeingriff längs der gesamten Länge derselben.
Waveguide laser structure with means for defining an elongated chamber with cross-sectional dimensions suitable for guiding laser light, a laser gas arranged in the chamber and means for building up an alternating electric field in the chamber for building up the laser excitation discharge in the laser gas,
characterized by an elongated resilient metal tube containing the means defining the elongated chamber in pressure engagement along the entire length thereof.
2. Wellenleiterlaserstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die langgestreckte Kammer definierenden Mittel ein Paar von mit Abstand angeordneten elektrisch leitenden Blöcken aufweisen, die sandwichartig zwischen einem Paar von elektrisch nicht leitenden Blöcken angeordnet sind, und wobei das Metallrohr ferner folgendes aufweist: ein Paar von langgestreckten, mit Abstand angeordneten parallelen Planschen (158), die sich von entgegengesetzten Punkten aus längs des Innenumfangs des Rohrs erstrecken, und zwar mindestens entlang eines Teils der Länge des Rohrs und geeignet zur Aufnahme der die langgestreckte Kammer definierenden Mittel, und zwar durch Druckeingriff der elektrisch nicht leitenden Blocks.2. Waveguide laser structure according to claim 1, characterized in that that the means defining the elongate chamber is a pair of spaced apart electrically conductive ones Having blocks sandwiched between a pair of electrically non-conductive blocks, and wherein the metal tube further comprises: a pair of elongated, spaced-apart parallels Splashes (158) extending from opposite points along the inner circumference of the tube; along at least a portion of the length of the tube and adapted to receive those defining the elongate chamber Means by pressure engagement of the electrically non-conductive blocks. 3. Wellenleiterlaserstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,3. Waveguide laser structure according to claim 2, characterized in that 1300U/13001300U / 1300 daß jeder der parallel verlaufenden Flansche im wesentlichen senkrechte Wände aufweist, um eine rechteckige Nut mit einer Breite zu definieren, die im wesentlichen gleich der Breite der elektrisch nicht leitenden Blocks ist, um deren automatische Ausrichtung zu bewirken.that each of the parallel flanges has substantially perpendicular walls around a rectangular groove having a width substantially equal to the width of the electrically non-conductive blocks to to effect their automatic alignment. 4. v/ellenleiterlaserstruktur nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Metallrohr zur Aufnahme einer Druckkraft längs einer Ebene im wesentlichen parallel zu den Flanschen dient, um zeitweise den Abstand zwischen den Parallelflanschen zu erhöhen, ohne deren Parallelität zu zerstören, und ohne die rechteckigen Nuten zu verformen.4. waveguide laser structure according to claim 3> characterized in that the elastic metal tube for receiving a compressive force serves along a plane essentially parallel to the flanges to temporarily reduce the distance between the parallel flanges without destroying their parallelism and without deforming the rectangular grooves. 130.0 U/130 0130.0 U / 130 0
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