DE3036112C2

DE3036112C2 - Metalldampflaser mit kataphoretischem Dampftransport

Info

Publication number: DE3036112C2
Application number: DE3036112A
Authority: DE
Inventors: Friedrich 4630 Bochum Pfeil; Hanns-Peter Prof. Dr. 4320 Hattingen Popp; Eberhard Schmidt
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1980-09-25
Filing date: 1980-09-25
Publication date: 1984-02-09
Also published as: GB2085647A; DE3036112A1; FR2490887A1; GB2085647B; US4425651A; FR2490887B1

Description

a) daß das Entladungsrohr (1) aus hochtemperaturbeständigem Quarzglas, hochkieselsäurehältigem Glas oder Glaskeramik besteht und das Hüllrohr (2) aus einem Material mit etwa gleichem thermischem Ausdehnungskoeffizienten wie das Entladungsrohr besteht,

b) daß das Hüllrohr (2) mehrere von außen gekühlte Einschnürungen (4a) aufweist, die Kondensationsräume (4) voneinander trennen,

c) daß der Dampferzeuger als elektrisch beheizter Schmelzofen (10) am Hüllrohr (2) ausgebildet ist, und

d) daß die Kathode (5) als Oxid-Kathode ausgebildet ist.

2. Metalldampflaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (2) mehrere Blenden (4b) aufweist.

3. Metalldampflaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (2) aus Borosilikatglas besteht.

4. Metalldampflaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metall aus der Gruppe Cadmium, Blei, Zinn im Dampferzeuger (8, 10) enthalten ist.

5. Metalldampflaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Selen oder Tellur im Dampferzeuger (8,10) enthalten ist.

6. Metalldampflaser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Hüllrohr (2) und Entladungsrohr (1) Kühlbleche (11) angeordnet sind.

7. Metalldampflaser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger (8, 10) für einen lageunabhängigen Betrieb ausgebildet ist.

8. Metalldampflaser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (6) zylindrisch ausgebildet und von Glasmetallübergängen begrenzt ist.

Die Erfindung betrifft einen Metalldampflaser mit kataphoretischem Dampftransport gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Metalldampflaser ist in der US-PS 38 83 818 beschrieben. Bei diesem Laser erfährt die elektrische Entladung eine Richtungsumkehr, wenn sie eine enge Bohrung in dem Entladungsrohr verläßt Das Entladungsrohr ist von einem Hüllrohr umgeben und mit einem Vorratsbehälter sowie einem Elektrodenbehälter verbunden. Sein Aufnahmevermögen ist konstruktionsbedingt gering. Ein erheblicher Nachteil ist,

ίο daß die Verdampfung hierbei nicht unabhängig von der Entladungswärme eingestellt werden kann. Zum Zwekke der Optimierung der Laserleistung ist es jedoch unbedingt erforderlich, daß Entladungsstrom und die Temperatur des Schmelzofens getrennt geregelt werden können, was hierbei nicht möglich ist Ferner muß die Regelung auch genau genug erfolgen, um den Rauschpegel klein zu halten, insbesondere, wenn der Laser ais Dauerstrichlaser geeignet sein soll. Darüber hinaus sitzt die Einschnürung des Entladungsweges an einer Stelle, an der sie nicht kühlbar ist so daß dort auch keine Kondensation möglich ist Das Hüllrohr, das um die Entladungsröhre herum angeordnet ist, kühlt nicht sondern erzeugt einen Wärmestau. Materialangaben zum Entladungsrohr fehlen.

In der Zeitschrift »Optics and Laser Technology«, April 1976, S. 68—71, wird ein Metalldampflaser beschrieben, dessen Dampferzeuger als beheizter Schmelzofen ausgebildet ist. Aus »The Review of Scientific Instruments« 43 (1972), Nr. 2, S. 290-292, ist ein He-Se-Laser mit von außen gekühltem Kondensationsraum bekannt.

Ausgehend von dem aus der US-Patentschrift 38 83 818 bekannten Laser liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Verbesserungen hinsichtlich der abgegebenen Leistung, der Lebensdauer und des Rauschverhaltens zu erzielen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs enthaltenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und anhand der nachfolgenden Beschreibung erläutert. In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch den Ionenlaser,

F i g. 2 einen Übergang zwischen Entladungsrohr und Hüllrohr,

Fig.3 eine abgeänderte Ausführung ähnlich der F i g. 2,
F i g. 4 ein beheizbares lageunabhängiges Vorratsgefaß,

F i g. 5 ein Gefäß ähnlich F i g. 4 in anderer Stellung,

F i g. 6 einen Querschnitt durch einen Metallkühler im Kondensationsraum,

F i g. 7 einen Längsschnitt durch eine Ausführung mit Ringanode.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend ein kleiner Helium-Selen-Justierlaser für Laborzwecke und kontinuierlichen Betrieb erläutert. In weiteren Ausführungsmöglichkeiten kann der Laser auch zeitlich gepulst betrieben werden, und anstelle des im wesentlichen im grünen emittierenden Helium-Selen-Lasers kann der im blauen und im UV-emittierende Helium-Cadmium-Laser zur Anwendung kommen.

Wie insbesondere Fig. 1 zeigt, besteht das Entladungsgefäß aus einem Rohr 1, insbesondere einer Kapillare aus hochkieselsäurehaltigem Glas, hochtemperaturfestem Quarzglas oder Glaskeramik, welches die Entladungswärme aufnimmt. Der Innendurchmesser des

Entladungsrohres liegt im Bereich von 0,7 bis 2 mm, bevorzugt im Bereich von etwa 1 mm. Die aktive Länge kann im Bereich zwischen 50 und 1000 mm liegen, bevorzugt wird jedoch der Bereich um etwa 100 mm Länge, insbesondere für den angegeberen Zweck des He-Se-Lasers, und ein solcher erzeugt mit einem Entladungsrohr von nur 1 mm Innendurchmesser noch 3 mW Leistung; bei einer Länge von lOOö mm und einem Innendurchmesser des Entladungsrohres (Kapillare) von 2 mm wird eine Gesamtleistung von über 15OmW erzielt, gegenüber 3OmW nach Silfvast und Klein, »Applied Physics Letters«, 17 (1970), Nr. 9, S. 400-403.

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 hochtemperaturbeständigem Material, wie Quarzglas und dem Hüllrohr kann durch Übergangsgläser 3 erfolgen (Fig.2 und Fig.3). Unter Übergangsgläser werden solche verstanden, die in mehreren Stücken eingesetzt werden, zwischen den zu verschmelzenden Teilen und dem Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zu verbindenen Teile allmählich aneinander angleichen (übergehen). Mit dem Hüllrohr verbunden sind auch die Elektrodenräume der Kathode 5 und der Anode 6 und ein Vorratsgefäß 8, das zugleich als Schmelzgefäß dient und von einem Ofen 10 bzw. einer elektrischen Heizwicklung 9 umgeben ist.

Zur Kondensation des kataphoretisch transportierten Dampfes, der im Entladungsrohr erzeugt wird, dienen ein oder mehrere Kondensationsräume 4 großen Durchmessers, die von außen kühlbar sind. Die Kondensationsräume, bevorzugt mehrere, liegen in Richtung zum kathodenseitigen Austrittsfenster und in Richtung zur Kathode.

Mit Vorteil sind die Kondensationsräume 4 aus Einschnürungen 4a gebildet (äußere Kühlrippen) oder auch durch Blenden 46 im Hüllrohr 2 bzw. in Abteilwänden derselben. 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 Wendel, welche von einem Kühlmittel, wie Wasser, durchflossen wird und in den Einschnürungen 4a liegt (nicht dargestellt).

Statt der Blenden oder Einschnürungen am Hüllrohr 2 kann auch innerhalb desselben ein gut wärmeleitendes Materia!, vorzugsweise ein Metallblech 11, zur besseren Kühlung und Kondensation des Metalldampfes verwendet werden. Bewährt hat sich insbesondere die am Umfang gefaltete sternförmige Querschnittsform des Bleches (F i g. 6), welches über die gesamte Länge des Entladungsrohres 1 und gewünschtenfalls darüber hinaus reicht. Die Form des Bleches muß die gewünschte Dampfstromdichte 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 herum angeordnet ist Bei der letztgenannten Ausführung ist das Schmelzen lageunabhängig (siehe F i g. 4 und 5). Die elektrische Heizwicklung 9 oder der Ofen 10 können an sich bekannter Art sein.

Dadurch, daß die Glasrohrstutzen von 1 eine bestimmte Entfernung in den Vorratsbehälter 8 hineinragen, jedenfalls so weit, daß diese Entfernung langer ist als der größte maximale Flüssigkeitsspiegel

ίο des Metalls oder Selen, bleibt die Schmelze im Ringraum von 8.

Die Anode 6 kann anders als in F i g. 1 auch als Ringanode ausgeführt sein (F i g. 7) mit zwei Glasmetallübergängen; dies hat den Vorteil, daß die gesamte Anordnung rohrförmig getroffen werden kann. Wie ersichiüch, sind sowohl bei der Ausführung nach F i g. 7 als auch nach F i g. 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.

Bevorzugte Elektrodenniaterialien für eine Glühkathode (Oxidkathode) 5 sind gut emittierende Metalloxide, insbesondere aus der Gruppe Kalzium-, Barium-, Strontium-, Thorium-Oxid. Für die Kathode kann, wie auch für die Anode, ein hochschmelzendes Metall, wie Wolfram, Molybdän oder dergleichen, und damit zusammengesetzte Legierungen verwendet werden.

Bewährt hat sich eine Ausführung mit einer Quarzglaskapillare als Entladungsrohr und einem Borosilicatglas (Hartglas) als Hüllrohr, beide in Wandstärken im Bereich von ca. 5 mm; der Kapillardurchmesser lag im Bereich 1 mm (bis max. 2 mm innen). Der Fülldruckgehalt des Heliums lag (bei 1 mm Kapillairdurchmesser) im Bereich von etwa 10—30mbar, vorzugsweise 20 mbar, und die Stromstärken von etwa 100—20OmA. Für höhere Leistungen können höhere Stromstärken selbstverständlich angewendet werden. Die Dampfstromdichte lag in der Nähe von etwa l mg/Std.; wenn Selen verdampft wurde, bei einer Ofentemperatur im Bereich von etwa 200—300⁰C, hier etwa 265° C.

Dadurch, daß der bevorzugte Heliurn-Selen-Laser im grünen Licht emittiert, sind schon Laserleistungen um l mW auch 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 Singlemodo- Betrieb angewendet werden.

Insbesondere die kleine und handliche Ausführung des Gerätes (Laser) einschließlich Kühlung im Gehäuse ergibt eine ganze Reihe interessanter Anwendungsmöglichkeiten:

Im Schulunterricht zur Demonstration der Optik, hier Dispersion.

Zu Justierzwecken ohne Schutzbrille (Leistungen etwa bis 1 mW, bevorzugt im Singlemodo-Betrieb).
Einsatz in der Geodäsie und Vermessungskunde.

Pilotlicht bei der Netzhaut-Koagulation und für die CO2-Laserchirurgie.

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 F i g.

ca. 12 mm 0 außen

Entladungsrohr Kapillarende bis zur Kathode Hüllrohr
Hüllrohr
Mitten-Abstand Fenster zu Fenster Abstand Anode

ca. 100 mnilang ca. 50 mm 0 innen ca. 250 mm lang

ca. 450 mm zu Kathode

Abstand Anode

zu Mitte Schmelzgefäß

Abstand Anode

zu Mitte Fenster

Abstand Kathode

zu Mitte Fenster

ca. 125 mm ca. 50 mm ca. 75 mm ca. 250 mm

In einem Ausführungsbeispiel tritt Kühlluft durch ίο Schlitze an der Oberfläche des Gehäuses ein, in dem die Laserrohre fest gehaltert sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Metalldampflaser mit kataphoretischem Dampftransport mit einem Entladungsrohr,

mit einem dieses mit Abstand derart umgebenden Hüllrohr, daß ein Ende des Entladungsrohres mit dem Hüllrohr verbunden und ein Ende des Entladungsrohres frei ist,

mit einer Anode im Bereich des freien Entladungsrohrendes und einer derart angeordneten Kathode, daß zwischen freiem Entladungsrohrende und Kathode eine Entladungsumkehr und Kondensation des Dampfes außerhalb der laseraktiven Entladungszone stattfindet,

mit einem zwischen Anode und Kathode gelegenen Dampferzeuger,

mit die Kondensation des Dampfes fördernder Einschnürung des Entladungsweges und
mit Austrittsrohren und Austrittsfenstern für die Laserstrahlung,

gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale