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Laserrohr mit einer zur Entladung koaxialen Elektrode
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Auf dem Gebiet der Laserherstellung bestehen allgemeine Bestrebungen,
einen minimalen Raumbedarf der Laserrohre zu erreichen. In der Vergangenheit haben
die eine führende Rolle spielenden Firmen (Spectra Physics, Scherent Radiation,
Hughes etc.) Laser mit innerem Spiegel und koaxialer Ausführung entwlckelt.
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Die Herstellung derartiger Laser bedarf einer Gußerst komplizierten
vakuumtechnischen Instrumentierung, deren Realisierung erst bei einer hohen Stückzahl
wirtschaftlich ist.
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Als Erfolg sind die derzeit hergestellten Laserrohre teuer, wobei
die billige, mit einer hohen Stückzahl verbundene Herstellung der Laserrohre (z.B.
für einen Massenbedarf befriediaende Laser-Bildmagnetophonen) nur eine potentielle
Möglichkeit darstellt.
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Bei diesen Laserrohren besteht das Problem einerseits in der Realisierung
der Katodenbehandlungstechnologie, andererseits in der Gestaltung der Elektrode
und Anordnung derselben in dem Laserrohr. Die zweckmäßige Gestaltung und Anordnung
der Katode begünstigt eine lange Lebensdauer (5-10.000 Stunden) des Laserrohrs.
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Die Weiterleitung von Informationen mit verschiedenen odulationsbreiten
stellt eines der wichtigsten zukünftigen Anwendungsgebiete dar. In manchen Fällen
ist es unerläßlich, die Laserrohre in Impulsbetriebsweise zu betreiben.
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Durch die Impulsbetriebsweise kann die Laservorrichtung auch auf solchen
Spezialgebieten verwendet werden, auf denen die Minimalisierung der Leistungsaufnahme
(Richtungsaussteckung und Aufrechterhaltung der Richtung in Gruben und auf Geländen,
bei der Steuerung von Maschinen) eine ausdrückliche Forderung darstellt.
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Aus den weitverbreiteten billigsten Lasern werden meistens Helium-Neonlaser
zur Richtungsaussteckung verwendet. Auch bei einer minimalen Ausgangsleistung (1
- 2 mW) beträgt die Leistungsaufnahme solcher Laser 40 - 60 W, was bei der Anwendung
im Gelände oder bei Spezialverwendungen eine bedeutende Leistungsaufnahme darstellt.
Die Wahrnahme des von dem Laser abgegebenen Signals kann auch mit dem Auge vor sich
gehen, aber nach dem derzeitigen Stand der Technik wird die Datenverarbeitung mit
Instrumenten als eine primäre Forderung betrachtet. Es ist bekannt, daß bei Tageslicht
die einer Laserintensität von etwa 1 mW/cm2 entsprechende Änderung der Flächenbeleuchtung
bei einer Hintergrundbeleuchtung von mehreren hunderten oder tausenden Lux nicht
einmal mit dem empfindlichsten Instrument erfaßt werden kann. Die einzige Möglichkeit
zur Erfassung besteht in der Modulation des die Information tragenden Signals.
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Bei dem erwähnten Untergrundgeräusch ist ein auf MHz-Frequenz moduliertes
Signal oder ein Signal. mit einem Nanosekunden-Anlauf zur Erfassung geeignet. Bei
einer bekannten Leistungsaufnahme ist die Hochfrequenzmodulation der Helium-Neonlaser
gelöst. Bei zahlreichen Anwendungsgebieten ist je ein Steuerimpuls pro Sekunde genügend
(Richtungsbestimmung, Steuerung eines Straßenbandgeräts usw.). In solchen Fällen
wäre der millionste Teil der Leistungsaufnahme der Laservorrichtung zur Durchführung
der Aufgabe genügend; demnach beträgt bei den Helium-Neonlasern die Leistungsaufnahme
das Vieltausendfache des Ninimalbedarfs.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserrohr zu schaffen,
welches frei von den erwähnten Nachteilen ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Laserrohr mit i mA Betriebsstrom, mit
einer zur Entladung koaxialen Elektrode mit 2 einem Innendurchmesser von D mm und
einer 350i mm überschreitenden Fläche, wobei in der Elektrode ein zylindersymmetrisches,
die Entladung begrenzendes Element vorgesehen ist, und mit einem, den Gasraum abschließenden,
eine ebene oder kugelförmige Fläche aufweisenden, lichtdurchlässigen oder reflektierenden
Element erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verhältnis D/d des Innendurchmessers
D der Elektrode und des Innendurchmessers d des die Entladung begrenzenden Elements
2 i beträgt, und daß der Sichtwinkel des Innendurchmessers des in Richtung des den
Gasraum abschließenden Elements liegenden Endes der Elektrode vom Mittelpunkt des
in Richtung des Spiegels liegenden Endes des die Gasentladung begrenzenden Elements
her betrachtet kleiner ist als a = arc tg D2/110 i.
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Zweckmäßig ist das Laserrohr derart aufgebaut, daß das in
Richtung
das den Gasraum abschließenden Elements liegende Ende des die Gasentladung begrenzen
den Elements im Innern der Elektrode liegt und der Sichtwinkel des Innendurchmessers
des von dem den Gasraum abschließenden Element ferner liegenden Endes der Elektrode
vom Mittelpunkt des in Richtung des den Gasraum abschließenden Endes des die Entladung
begrenzenden Elements her betrachtet kleiner ist als 3 a.
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Anstatt einer Elektrode können auch zwei Elektroden vorgesehen sein.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Laser rohrs, Fig. 2 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laserrohrs,
und Fig. 3 eine weitere usführungsform des erfindungsgemässen Laserrohrs- mit zwei
Elektroden.
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In Fig. 1 ist eine mögliche Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Fig. 1 näher erläutert.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Laserrohr mit einer zur Entladung
koaxialen Elektrode, mit i mA Betriebs strom, das eine mit der Entladung koaxiale
Elektrode mit einem Innendurchmesser von D mm und einer 350 i mm2 überschreitenden
Fläche und ein in der Elektrode die Entladung begrenzendes, zylindersymmetrisches
Element mit einem Innendurchmesser von d mm und zuletzt den Gasraum abschließende,
lichtdurchlässige
Elemente mit einer ebenen oder kugelförmigen Oberfläche aufweist. Erfindungsgemäß
besteht zwischen dem Verhältnis D/d (D = der Innendurchmesser der Elektrode, d =
der Innendurchmesser des die Entladung begrenzenden Elements in mm) und dem Betriebsstrom
eine Korrelation, und zwar D/d >2 i (1)-Erfindungsgemäß wird neben dem Verhältnis
der Durchmesser auch der Sichtwinkel des Innendurchmessers des in Richtung des Elektrodenspiegels
liegenden Endes, aus dem Mittelpunkt der Seite des Gasentladjungselements, aus der
Richtung des Spiegels her betrachtet, beschränkt: d<arc tg 2 (2).
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11o i Aus den Daten der Fachliteratur und Versuchen ist es bekannt,
daß, wenn eine Elektrode eines Laserrohrs mit i mA Betriebsstrom, deren Fläche 350i
mm2 unterschreitet, als Katode verwendet wird, die Elektrode in verhältnismäßig
kurzer Zeit (etwa 100 Stunden) zerstäubt; diese Erscheinung legt die in der Katode
vorhandenen Verunreinigungen frei, der in dem Laserrohr herrschende Druck fällt
bedeutend ab, was zuletzt das Aufhören des Lasereffekts mit sich brinat.
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Gleicherweise findet die Katodenzerstäubung statt, wenn das Verhältnis
D/d zwischen dem Innendurchmesser D der als Katode arbeitenden Elektrode mit einer
350i mm 2 überschreitenden Fläche und dem Innendurchmesser d des die Entladung begrenzenden
Elements kleiner ist als 2 i (Fig. 11) oder der Sichtwinkel des Durchmessers des
in Richtung des Gaslasersperrelements liegenden Endes der als Katode arbeitenden
Elektrode aus dem Mittelpunkt des in Richtung des Gasraums abschließenden Elements
liegenden Endes des
die Entladung begrenzenden Elements betrachtet
größer ist 2 als-a = arc tg D2/11 0 i.
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Die Zerstäubung der als Katode arbeitenden Elektrode kann auch dadurch
hervorgerufen werden, daß das in Richtung des den Gasraum abschließenden Elements
liegende Ende des die Gasentladung begrenzenden Elements nicht im Innern der Elektrode
liegt. Die Zerstäubung kann aufgehoben werden, wenn das in Richtung des den Gasraum
abschließenden Elements liegende Ende des die Gasentladung begrenzenden Elements
im Innern der Elektrode liegt und der Sichtwinkel des Innendurchmessers des von
dem den Gasraum abschliessenden Element ferner liegenden Endes der Elektrode aus
dem Mittelpunkt des in Richtung des den Gasraum abschließenden Elements liegenden
Endes des die Entladung begrenzenden Elements kleiner ist als 3 a.
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Das in Fig. 1 dargestellte, einfache Laserrohr in koaxialer Ausführung
ist sowohl für die Einzelherstellung als auch für die Massenproduktion bestens geeignet;
dabei beansprucht diese keine komplizierte technische Ausrüstung, wodurch auch bei
einer niedrigen Stückzahl die Möglichkeit zur Herstellung von billigen Laserrohren
gegeben ist. Die oben beschriebene Wahl der Elektrode bzw. der Katode sichert einen
zerstäubungsfreien Betrieb bei dem gegebenen Betriebsstrom und ermöglicht die wirtschaftliche,
billige Herstellung von alle praktischen Forderungen befriedigenden Laserrohren
mit einer Lebensdauer von 5-10.000 Stunden auch bei einer niedrigen Stückzahl.
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Das den Gasraum abschließende Element kann ein ebenes paralleles,
keilförmiges, bei der Wellenlänge des verwendeten Lasers absorptionsfreies Element
oder ein aus den erwähnten Elementen hergestellter Spiegel sein. Bei einer noch
einfacheren Lösung werden beide den Gasraum begrenzenden Elemente
aus
Spiegeln aufgebaut. In diesem Fall zeigt sich der Lasereffekt in Form eines zirkulär
polaren Lichtes, das sich im Laufe der praktischen Realisierung in eine elliptische
Form verzerrt.
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Bei der Verwendung von Lasern wird auch linear polarisiertes Licht
gefordert. In Fig. 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, die ein linear polarisiertes
Licht erzeugt.
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Fig. 3 stellt eine weitere Ausführungsform des Laserrohrs dar, in
dem zwei im Sinne der Erfindung ausgestaltete Elektroden vorgesehen sind.
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Die hier geschilderte Gestaltung wird dadurch motiviert, daß die herkömmlich
ausgestalteten Laser - Katode mit einer großen, Anode mit einer kleinen Fläche -
im Impulsbetrieb nach einigen Betriebsstunden keinen Lasereffekt zeigen Durchgeführte
Prüfungen haben gezeigt, daß bei Laserrohren mit traditioneller Anodengestaltung
als Ergebnis der im Laufe der Impulserregung beim Ausschalten auftretenden transienten
Erscheinung eine Zerstäubung stattfindet, die schon nach 10-15 tausendmaligem Einschalten
beobachtet werden kann. Diese Erscheinung ist mit der Abnahme der Ausgangs leistung
des Laserrohrs und letzten Endes mit dem Aufhören des Lasereffekts verbunden.
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Das oben geschilderte Problem kann durch Anwendung des in der Fig.
3 dargestellten, erfindungsgemäß ausgestalteten Laserrohrs mit einer symmetrischen
Elektrodenanordnung und innerem Spiegel gelöst werden. Das Laserrohr ist sQ-wohl
für Impulsbetrieb als auch für einen Betrieb in beliebiger Modulationsbreite, die
auch 100 % erreichen kann, bestens geeignet. Die letztere Betriebsweise ermöglicht
die
Verwirklichung eines Lasers mit kurzer Impulsdauer (5-15 nsec)
und niedriger Wiederholungsfrequenz (1-2 Hz). Die Leistungsaufnahme des vorher beschriebenen
Lasers kann z.B. dadurch charakterisiert werden, daß eine einfache 9 V Batterie
den Laser mehr als 24 Stunden lang im Betrieb zu halten imstande ist.
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Kurz umrissen betrifft die Erfindung eine Laserrohrkonstruktion mit
minimalem Raumbedarf; einzelne Versionen sind sogar für einen Betrieb mit beliebiger
Modulationsbreite (bis 100 %) geeignet.
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Die für die Impulsbetriebsweise geeigneten Ausführungsformen ermöglichen
eine radikale Herabsetzung der Leistungsaufnahme der Laservorrichtungen, die insbesondere
bei einer Verwendung im Gelände von äußerster Wichtigkeit ist.
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Die Konstruktion schließt die Möglichkeit der die Lebensdauer beeinträchtigenden
Zerstäubung der Elektrode aus.
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Die Herstellung der Laserrohre mit dem erfindungsgemäßen Aufbau beansprucht
weder im Hinblick auf die Glastechnik noch auf die Vakuumtechnik komplizierte Ausrüstungen
und Instrumentierung, wodurch eine billige Herstellung auch bei einer niedrigen
Stückzahl ermöglicht wird.
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