DE3036112A1 - Ionenlaser mit einem gasentladungsgefaess - Google Patents

Description

Hanau, den 17. Sept. I98O ZPL-Zw/Ft

ORIGINAL HANAU Heraeus GmbH, Hanau (Main)

Patent- und Gebrauclismusterhilfsanmeldimg·

"Ionenlaser mit einem Gasentladungsgefäß"

Die Erfindung betrifft einen Ionenlaser mit einem Gasentladungsgefäß, insbesondere Helium(Metall)-Ionenlaser mit kataplaoretischem Dampf transport.

In der Zeitschrift Applied Physics Letters, Hand 8 (19-66) Nr. 12, Seiten 318 - 319 wurde von Silfvast, Fowles und Hopkins ein gepulster Metallionenlaser beschrieben, der mit den Metallen Cadmium, Zink, Gex'iuanium, Zinn, Blei und Indium als aktive Lasersubstanz in Dampfform mit gepulster elektrischer Entladung arbeitet.

Ferner beschreibt Silfvast in Applied Physics Letters, Band I5 (1969) Nr. 1, Seiten 23 - 25 einen kontinuierlich arbeitenden Ionenlaser mit kataphoretischem Dampftransport der Elemente Cadmium, Zinn und Zink. Zur Anregung wird eine Kontinuierliche Gasentladung mit einigen mbar Druck in Helium verwendet.

Attraktiv erschien der von Silfvast und Klein in Applied Physics Letters, Band 17 (i97O).Nr. 9, Seiten 400 - 403 veröffentlichte kontinuierlich arbeitende.kataphoretische Xononlaaer mit der Substanz Selen, die bis 24 Laserlinien im sichtbaren JtereiclL des Spektrums emittiert. Dazu wurde ein Entladungsgefäß verwendet, welches eine Entladungs-Kapillare von 4 mm Innendurchmesser aus Pyrex-Glas und eine Länge von 1 m verwendet. Für die stärkste Selen-Ionenlaserlinie bei 522 nm wurde eine Verstärkung von 5»4 ^ pro Meter gemessen.

Nach diesen ersten wissenschaftlichen Veröffentlichungen wurde versucht, die kataphoretischen Metall-Ionenlaser zu technisch brauchbaren Produkten weiter zu entwickeln. Bisher konnten jedoch besonders für Helium-Selen-Laser keine indtistriell hergeatellten Las ei- angeboten werden, die. eine ausreichende !Betriebssicherheit und Lebensdauer aufwiesen.

Vor allem zwei Probleme erschwerten die Entwicklung der Metall-Ionenlaser im Maßstab einer industriellen Produktion tatsächlich:

1 . Der dux-ch die Kataphorese erzeugte Dampfstrahl wird am katliodenseitigen Ende der Entladungs-Kapillare nicht vollständig kondensiert und schlägt sich auf dem Austrittsfenster, wie z. B. Brewster-Fenster, nieder. Die inneren Verluste erhöhen sich dadurch stark und die Laserleistung geht dadurch sehr stark zurück. Der Dampfstrahl kaxm auch zur Kathode gelangen, wo er die thermisch« !Omission' (z. B. dtix'ch Selen) stark herabsetzt und die häufig vcrwendoten Oxidkathoden zerstört.

2. Das zweite Problem betrifft einen starken Verlust dev Gaskomponente des Gasdarnpf-Geraisches. Da aus atomistischen Gründen zur Anregung des Laser-Dampfes Helium als Gas bevorzugt angewendet wird,. Helium aber sehr leicht durch heiße Entladungs-Kapillaren diffundiert, ergibt sich ein starker Helium-Druckverlust und damit eine rasche Abnahme der Laserleistung.

Bisher wurden zur Steigerung der Laserleistung, vor allem die Vergrößerung des aktiven Volumens, hier insbesondere durch Verlängerung des Entladungsrohres, vorgeschlagen. Ein andei-or Uicorotisoh denkbarer Weg avüi-o die Krhölmufv clor Entladungsstronidichte des aktiven Mediums; die hierzu erforderlichen Stromstärken sind jedoch nicht gut beherrschbnr, darüber hinaus sind die eingangs geschilderten Probleme aufgetreten.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Xonenlaser mit Gasentladungsgefäß zu schaffen mit erhöhter Laser-Ausgangsleistung, insbesondere hoher Intensität parallel austretender monochromatischer Strahlung, der auch bei einer relativ kurzen aktiven Länge (relativ kleines Volumen)einen ausreichenden Verstärkungsfaktor, das heißt eine entscheidende Leistungsverbesserimg, erbringt. Darüber liiiwus soll der Laser oiiic hohe "Be l.rleta.s.sirJierlioil; und ejiio .hm;;i' Lobonsdmior mii'wc i »en und dio oinfy.uifiH (",-eHolillderten I':ro1> I eine, d.i c tier iiulu:.! ι·ϊι·Ι-len Produktion soldier Lnser im Woge standen, Ιϋκοη.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die in Kennzeichen des Hauptanspruchs enthaltenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unterruasprüchen zu entnehmen.

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Zur Erfindung gehören ausdrücklich auch alle Kombinationen und Unfce rkoriibinationon dor bennapruchten, beschriebenen tarid dargestellten Merkmale, sowohl in Kombination untereimmder als auch mit an sich bekannten Merkmalen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und anhand der nachfolgenden Beschreibung erläutert.

Die Vorteile der Erfindung sind vielfältig:

Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, auch bei einem kurzen Laser (mit kurzer aktiver Länge) mit hoher Mediumsstromdichte zu arbeiten. Dies wix-d einmal dadurch ex'-möglicht, daß die er.findungsgemäße Konstruktion sowohl die Kondensation des kataplioretiseh transportierten Dampfes in der Kapillare vermeidet und statt dessen die Kondensation dox-thin lenkt, wo sie gewünscht ist. Darüber hinaus ist das Entladungsrohr in einem relativ kalten Hüllrohr enthalten, das sehr geringe Helium-Leckverluste aufweist. Auch bei einer Lebensdauer von über 3OOO Stunden waren diese nicht nennenswert. Der Verstärkungsgrad des Lasers, der mit der Erfindung z. B. mit einem Entladungsrohr (kapillare) von nur 1 mm Innendux-chmesser erreicht wurde, lag bei 113 i°M gegenüber 5,4 $/m bei SiIfvast. Diese erhebliche Leistungssteigerung oder Erhöhung des Verstärkungsfaktors macht es ,IV(MVi(Ii' iiiüfv'l i.rh, mil; <Uⁱr KrI":!ndiin,'¹; dir» aktives -Länge dor GnsciiLl.iduiifV orheblich /,u kiirzmi und dadurch dom Laser neue Anwendungsbereiche zuzuführen. Trotzdem ist die Mediumsoder Dampf stromdichte, die bei dex· Erfindung etwa im Bereicli zwischen 0,1 und 1,0 mg/Std. liegt, gut beherrschbar. Von Vorteil sind auch bei der bevorzugten Ausführung der Erfindung, einem Ilelium-Selen-Ioiienlaser, die 5-24 Laserlinien, die gleichzeitig optisch verstärkt werden.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den lonenlaser,

Pig. 2 einen Übergang zwischen Entladungsrohr und Hüllrohr-,

Fig. 3 eine abgeänderte Ausführung ähnlich Fig. 2,

Fig. h ein beheizbares lageunabhängiges Vorratsgefäß,

Fig. 5 ein Gefäß ähnlich Fig. h in anderer Stellung,

Fig. 6 einen Querschnitt durch einen Metallkühler im Kondensationsraum,

Fig. 7 ein Längsschnitt durch eine Ausführung mit Ringanode, Flg. 8 ein Längsschnitt durch eine Ausführung mit Kaltkathode, Fig. 9 eine Gesamtansicht des Gerätes mit Gehäuse.

Die Erfindung sei nachstehend anhand eines kleinen Helium-Selen-Justierlasers für Laborzwecke und kontinuierlichen Betrieb erläutert, ohne hierauf beschränkt zu sein. Insbesondere kann der Laser auch zeitlich gepulst betrieben werden und an Stelle des im wesentlichen im grünen emittierenden Helium-Selen-Lasers, der im blauen und im UV-emittierende Helium-Cadmium-Laser zur Anwedung kommen.

Wie insbesondere Fig. 1 zeigt, besteht das Entladungsgefäß aus einem Rohr, in.sboaondcrfs olnor horhtoiiiporaturrosteii Kapil 1 aπ» aus Jioohkioselsäurehaltigem Glas, Quiii-z-glas odor Glaskeramik, welches die Entladungswärme aufnimmt. Der Innendurchmesser" des Entladungsrohres liegt im Bereich von 0,7 bis 2 nun, bevorzugt im Bereich von etwa 1 mm. Die aktive Länge kann im Bex-eich

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zwischen 50 und 1000 nun liegen, bevorzugt wird jedoch der Bereich um etwa 100 mm Länge, insbesondere für den angegebenen Zweck des HeSe-Lasers und ein solcher erzeugt mit einem Entladungsrohr von nur 1 mm Innendurchmesser noch 3 mW Leistung; bei einer Länge von 1000 mm und einem Innendurchmesser des Entladungsrohres (Kapillare) von 2 mm wird eine Gesamtleistung von über 150 mW erzielt, gegenüber 30 mW im Stand der Technik.

Wie ersichtlich, ist das Entladungsrohr 1 allseitig und im wesentlichen konzentrisch von einem Hüllrohr 2 großen Durchmessers umgeben, das im Betrieb nur eine geringe Temperatur annimmt und eine ausgezeichnete Helium-Dichtigkeit aufweist, infolge des hierfür bevorzugten Borosilicatglases (Hartglas). Das dadurch ebenfalls vergrößerte Helium-Puffervolumen trägt mit zu einer Verlängerung der Lebensdauer bei.

Die Verbindung zwischen Entladungsrohr aus hochtemperaturbestandigem Material, wie Quarzglas und dem Hüllrohr kann durch Übergnngsgläser 3 erfolgen (Fig. 2 und Fig. 3). Unter iJbergangsgläser werden solche verstanden, die in mehreren Stücken eingesetzt werden, zwischen den zu verschmelzenden Teilen und den Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizieten der zu verbindenden Teile allmählich aneinander angleichen (übergehen) . Mit dem Hüllrohr verbunden sind auch die Klektrodenrttume der Kathode 5 und der Anode 6 und ein Vorratsgefäß, das zugleich als Schmelzgefäß dient und von einem 0fei5>bzw. einex- elektrischen HeizwicklungVumgeben ist.

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Zur Kondensation des kataphoretisch transportierten Dampfes der im Entladungsrohr erzeugt wird, dienen ein oder mehrere Kondensationsräume h großen Durchmessers, die von außen kühlbar sind. Die Kondensationsräume, bevorzugt mehrere, liegen in Richtung zum kathodenseitigen Austrittsfenster und in Richtung zur Kathode. Bei Verwendung einer Kaltkathode könnten sie wenigstens teilweise entfallen. (Fig. 8)

Mit Voi-teil sind die Kondensationsräume h aus Einschnürungen .ha gebildet (äußere Kühlrippen) oder auch durch Blonden 'Ui im Hüllrohr 2 bzw. in Abtoilwänden dex"—selben. Die Kühlung von außerhalb des Hüllrohres kann eine Luftkühlung oder eine Wasserkühlung sein; im ersten Falle dient hierzu ein Gebläse, das die Außenwand des Hüllrohres anbläst und ankühlt und im zweiten Fall, bevorzugt eine Ringleitung wie ¥endel, Aireiche von einem Kühlmittel wie lasser durchflossen wird und in den Einschnürungen 4a liegt, (nicht dargestellt)

Statt der Blenden oder Einschnürungen am Hüllrohr 2 kann auch innerhalb des selben ein gut wärmeleitendes Material, vorzugsweise ein Metallblech 11, zur besseren Kühlung und Kondensation des Metalldampfes verwendet werden. Bewährt hat sich insbesondere die am Uufang gefaltete sternförmige Quersclmittsform des Bleches, welches über die gesamte Länge des Entladungsrohres 1 und gewimrichtenf nllH dnx-übor Iiinnus reiiehi. Die Form des 131 edies muß die gewünschte Duinpx'sti'oiiicliohto berücksichtigen und darf sie zumindest nicht behindern.

Das zu verdampfende aktive Lasermaterial, wie Selen, Cadmium, Tellur-, Zinn, Blei, Zink, Germanium oder Indium, ist in einem Vorratsgefäß 8 enthalten, welches entweder seitlich aus dem Glasrohr 2 herausgeführt ist, oder zylindrisch um die Achse des Entladungsrohres 1 lierum angeorndet ist. Bei der letzt-

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genannten. Ausführung ist das Schmelzen lageunabhängig, (s. Fig·, k u. 5) Die elektrische Heizwicklung 9 oder der Ofen 10 können an sich bekannter Art sein.

Dadurch, daß Glasrohrstutzen von 1 eine bestimmte Entfernung in den Vorratsbehälter 8 hineinragen, jedenfalls soweit, daß diese Entfernung langer ist als der größte maximale Flüssigkeitsspiegel des Metalls oder Selen, bleibt die Schmelze im Ringraum von 8.

Die Anode 6 kann anders als in Fig. 1 auch als Ringanode aus· geführt sein, vergleiche Fig. 7 mit zwei Glasmetallübergän-(ϊοη; dies lint den Vorteil, daß die gesamte Anordnung rohrförmig getroffen werden kann. ¥ie ersichtlich, sind sowohl Tjcx dor Ausfüliruimj nach Fig. 7 als auch nach Fig. 1 sogenannte Brewster-Fenster 7 vorgesehen, es können jedoch auch andere Austrittsfenster angewandt werden und es können auch Spiegel bzw. Teilspiegel für den Resonator verwendet werden, auch innerhalb des Hüllrohres·

In Fig. 8 ist eine Ausführung mit Kaltkathode aus Al oder Ni dargestellt, welche koaxial um das Entladungsrohr herumgelegt ist. Dies im Unterschied zur elektrisch beheizten Kathode der Fig. 1 (Oxidkathode).

Bevorx.ut>;t(i Klelctrodenmatex'ialien sind bei einer Glühkathode C;ut emittierende Metalloxide, insbesondere aus der Grxxppe Ival'/.iuiii-, Uiii'liuii-, Strontium-, TlioxvLum-Oxid. KiIr- cllo Kathode kann, wie auch für die Anode, ein hochschmelzendes Metall,

wie Wolfram, Molybdän oder dergleichen, und damit zusammengesetzte Legierungen verwendet werden.

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Bewährt hat sich, ein Typ mit einer Quarzglaskapillare als Entladungsrohr und einem Borosilicatglas (Hartglas) a^-s Hüllrohr, beide in Wandstärken im Bereich von ca. 5 mm; der Kapillardurclimesser lag im Bereich 1 mm (bis max 2 mm innen) Der Fülldruckgehalt des Helium lag (bei 1 mm Kapillardurchmesser) im Bereich von etwa 10-30 mbar, vorzugsweise 20 mbar und die Stromstärken im Bereich von etwa 100 - 20OmA₁ Für höhere Leistungen können höhere Stromstärken selbstverständlich angewendet werden. Die Dampfstromdichte lag in der Nähe von etwa 1 mg/Std.; wenn Selen verdampft wurde, bei einer Ofentemperatur im Bereich von etwa 200 - 300° C, hier etwa 205° C.

Abwandlungen der angegebenen Ausführungen können selbstverständlich vorgenommen werden, ohne hierdurch den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Dadurch, daß der bevorzugte Helium-Selen-Laser im grünen Licht emittiert, sind schon Laserleistungen um 1 mW aticli bei Tageslicht gut sichtbar. Diese ausreichende niedrige Leistung erhöht auch den Strahlenschutz für das menschliche Auge. Dieser Laser weist mit Vorteil 6 grüne Laserlinien zwischen 497 und 530 nm auf. Er kann sowohl im Multimodo-Betrieb als auch im Singlemode-Betrieb angewendet werden.

Insbesondere die kleine und handliche Ausführung des Gerätes (Laser) einschließlich Kühlung im Gelhiusn (ΐ^Λί<ί· 9') ergibt eine ganze Reihe interessanter Anwendungsmöglichkeiteii:

Im Schulunterricht zur Demonstration der Optik, hier Dispersion.

Zu Justierzwecken ohne Schutzbrille (Leistungen etwa bis 1 mW, bevorzugt im SinglernodoJ3etriob) .

Einsatz in der Geodäsie tind Vermessungskunde,

PaMo i;lioht bei der Netzhaut-Koagulation und für die C0„-Las cr-chirurgie.

Bestrahlungsquelle in der Dermatologie.

Geschwindigkeitsmessung von Gasströmen nach dem Doppler-Verfahren (für 3 Dimensionen werden z. B. 3 verschiedene Wellenlängen angewendet).

Teilchengrößen*-Analyse, insbesondere Streulichtmessungen an Gasen und Flüssigkeiten zur Bestimmung der Streuteilchengröße.

Messung der Oberflächenrauhigkeit von Körpern.

Abmessungen, im Beispiel der Fif?» 1 ;

Kntladungsi-ohr Kapillarende bis zur Kathode Hüllrohx-Hüllrohr Mitten-Abstand Fenster zu Fenster Abstand Anode zu Kathode

Abstand Anode zu Mitte Schmelzegefäß ca.

Abstand Anode zu Mitte Fenster Abstand Kathode zu Mitte Fenster

ca.	12	mm 0 Außen
ca.	100	mm lang
ca.	50	mm 0 Innen
ca.	250	mm lang
ca.	450	mm
ca.	125	mm
ca,	50	mm
ca.	75	mm
ca.	•250	mm

Im Beispiel der Fig·. 9 tritt Kühlluft durch Schlitze an der Oberfläche des Gehäuses 12 ein, in dem die Laserrohre fest sind. Der Laserstrahl tritt bei 13 aus einer Ge-

i: Iiornus, Mit 14 und 15 sind die elektrischen Anschlüsse bezeichnet.

Claims (1)

1. Hanau, den 17. Sept. 198Ο ZPL-Zw/Kt

   ORIGINAL HANAU Heraeus GmbH, Hanau (Main)

   Patent- und Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

   "Ionenlaser mit einem Gasentladungsgefäß"

   Patentansprüche

   η J Ionenlaser mit einem Gasentladungsgefäß, insbesondere Helium(Metall)-Ionenlaser mit kataphoretischem Dampftransport mit hoher Intensität parallel austretender monochromatischer Strahlung, gekennzeichnet durch, ein Entladungsrohr aus hochtemperaturbeständigem, gas- bzw. dampfdichtem Material wie Quarzglas, hochkieselsäurehaltiges Glas oder Glaskeramik, verbunden mit dem Vorrats- und Dampferzeugungsbehälter sowie den Elektrodenbehältern und Austrittsrohren oder -endstücken und einem das Entladungsrohr wenigstens im Bereich seiner aktiven Länge mit Abstand umgebenden kühlbaren Hüllrohr, aus einem Material mit gleichem oder ähnlichem thermischem Ausdehnungskoeffizienten wie diis lCiitladungsi-ohr und ein oder mehrere Kondensationskiunmcrn in dom Hüllrohr so angeordnet, daß zwischen Entladungsrohrende und Kathode eine Entladungsumkehr stattfindet und Kondensation des transportierten Dampfes in Richtung des kathodenseitigen Austrittsfensters und zur Kathode hin erfolgt.

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   2. Ionenlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metall aus der Gruppe Cadmium, Blei, Zinn in dem Vonvits — bzw. Dampf erzeugungsbeiiHlter enthalten ist.

   3. Ionenlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Selen oder Tellur in dem Vorrats- bzw. Dampferzeugungsbehälter enthalten ist.

   km Ionenlaser nach einen der Ansprüche 1 - 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsröhre einen Innendurchmesser zwischen 0,7 und 2,0 mm aufweist»

   5. Ionenlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsröhre eine aktive Länge zwischen 50 und 1000 mm, vorzugsweise zwischen 80 und 120 mm, aufweist.

   6. lonenlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsrohr aus Quarzglas und das Hüllrohr aus Borosilxkatglas bestellt*

   7. lonenlaser nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr mehrere äußere oder innere Einschnürungen (Blenden).aufweist, die die Kondensationskammern voneinander trennen und von außen vorzugsweise mittels Luft kühlbar sind.

   >. loncul.'iser n;icli Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß <l<vp IiiniMKlurchiim.sser dos Uiillroiiros etwa im Hereich des 10 bis 40—(.Vichen des Innendurchmessers des lOntludungsx-oJires liegt.

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   9. Ionenlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Hüllrohr und Entladungsrohr Kühlbleche angeordnet sind.

   10, lonenlaser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, diidurch tyokeniizüichnot, daß mit clcua HüllteΓΠÜ verbunden ist ein Kathodenraum unav/fnodenrnuiii, zwischen denen ein Vorratsgefäß mit Sclmiclzofen angeordnet i»t.

   11. lonenlaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Vorratsgefäß und/oder Schmelzofen für einen lageunanhängigen Betrieb ausgebildet sind.

   12«. lonenlaser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode zylindrisch ausgebildet und von Glasmetallübergängen begrenzt ist.

   13. Ionenlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und mit einer Kaltkathode versehen ist.

   14. lonenlaser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Hüllrohr und/oder Entladungsrohr an beiden Enden in Richtung der Mittelachse des Entladungsrohres und des dazu konzentrischen Hüllrohres Endstücke mit Austrittsrohren und Austrittsfenstern, vorzugsweise Brewster-Fenstern, verbunden sind.

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   15. Ionenlaser nach einem der voiiiergehenden Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, daß im Nahbereich der Austritts· rohre, auch innerhalb des Hüllrohres, Resonatorspiegel mit und ohne EinwegverStärkung vorgesehen sind.