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Gasentladungsrohr für Gaslaser
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Die Erfindung betrifft Gaslaser und insbesondere Gasentladungsrohre
von Lasern auf der Basis von Dämpfen chemischer Elemente.
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Derartige Gasentladungsrohre können bei solchen Gaslasern mit erhöhter
mittlerer Leistung und einer großen Apertur des Gasentladungskanals eingesetzt werden,
die beispielsweise in der Laserortung, in Nachrichtensystemen, bei der Echolotung
der Atmosphäre, in der Holographie, der Medizin uä anwendbar sind.
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Es ist bereits ein Gasentladungsrohr für Gaslaser auf der Basis von
Dämpfen chemischer Elemente bekannt (Pribory i tekhnika experimenta (Geräte und
Experimentaltechnik) 1 (1974) 160 - 161), das aus einem Keramikrohr
aus
Berylliumoxid, einem Einsatzrohr, innerhalb dessen an den Enden Zylinderelektroden
aus Tantal angeordnet sind, und Kovarübergängen aufgebaut ist, an die Glasstutzen
mit Austrittsöffnungen vakuumdicht angeschmolzen sind. Das Lasermaterial wird in
Verdampfungswannen an der Innenwand des Einsatzrohrs untergebracht.
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Es ist ferner ein Gasentladungsrohr für Metalldampf-Laser bekannt,
das ein vakuumdichtes Gehäuse, einen Mantel eines Gasentladungskanals im Gehäuse,
im Gehäuse eingebaute Elektroden und Öffnungen an seinen Stirnseiten aufweist. Das
wirksame Metall wird bei der bekannten Konstruktion an den Wänden des Gasentladungskanals
(Kvantovaya elektronika (Quantenelektronik) 1 (1975) 159 - 162) stückweise angebracht.
Die Erwärmung des aktiven Volumens auf die Verdampfungstemperatur des Metalls wird
durch Energiedissipation einer Entladung erreicht.
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Zur Vergrößerung der mittleren Leistunq und des Wirkungsgrads von
Lasern auf der Basis von Dämpfen chemischer Elemente ist es jedoch notwendig, das
aktive Volumen des Gasentladungsrohrs durch Vergrößerung des Durchmessers des Entladungskanals
zu vergrößern und den Energieaufwand pro Einheit des aktiven Volumens des Lasers
zu steigern. Bei Metalldampf-Lasern und mit herkömmlicher Ausbildung des Gasentladungsrohrs
führt die Vergrößerung des Durchmessers des Entladunqskanals und der Entladungsleistung
im Arbeitsraum zu einem starken Anstieg eines diametralen Temperaturgefälles, was
seinerseits bewirkt, daß sich das an den Wänden des Gasentladungskanals vorqesehene
Lasermaterial in einem Bereich mit
einer gegenüber der Gas temperatur
in der Mitte des Gasentladungsrohrs niedrigeren Temperatur befindet. Bei einer optimalen
Temperatur des Lasermaterials erweist sich daher das Gas in der Mitte des Gasentladungsrohrs
als überhitzt, was die Energieentnahme des Lasers herabsetzt. Das hohe Temperaturgefälle
über den Rohrquerschnitt führt außerdem zu einer ungleichmäßigen transversalen Verteilung
der Elektronendichte sowie zu einer ungleichmäßigen Besetzung der unteren Laser
niveaus, bevor ein Impuls eintrifft und anderen Nachteilen (Kvantovaya elektronika
(Quantenelektronik) 4, Nr. 7 (1977), 1572 - 1575, Sammelband von Beiträgen Meßgeräte
für die Untersuchung von Parametern erdnaher Atmosphärenschichten", Tomsk, 1977,
59 - 78 und 94 - 97).
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Als Folge davon sind starke radiale Inhomogenitäten in der Strahlungsleistung
des Lasers über den Bündelquerschnitt und eine wenig effektive Ausnutzung des aktiven
Volumens des Lasers festzustellen.
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Der Erfindung liest die Aufgabe zugrunde, ein Gasentladungsrohr für
Laser auf der Basis von Dämpfen chemischer Elemente anzugeben, das es gestattet,
das Lasermaterial in einem beliebigen Bereich des Gasentladungskanals, auch im Bereich
mit der höchsten Gastemperatur, unterzubringen, und so eine Erhöhunq der mittleren
Leistung und des Wirkunqsgrades solcher Laser ermöqlicht.
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Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
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Das erfindungsgemäße Gasentladunqsrohr weist ein hermetisch
abqedichtetes
Gehäuse mit Austrittsöffnungen an den Stirnseiten und in diesem einqebaute Elektroden
sowie einen im Gehäuse gelegenen Mantel eines Gasentladungskanals mit einem Lasermaterial
auf und ist gekennzeichnet durch einen innerhalb des Mantels des Gasentladungskanals
und koaxial dazu vorgesehenen Halter für das Lasermaterial.
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Der Halter kann in Form eines Stabes oder eines Rohrs mit öffnungen
an seinen Wänden ausgebildet sein.
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Zur Sicherung einer gleichzeitiqen Dampferzeugung und Funktion in
einem Gasentladungsrohr mit mehreren aktiven Medien, zB Metalldämpfen mit unterschiedlicher
Arbeitstemperatur, ist es günstig, wenn der Halter in Form eines Satzes koaxial
angeordneter Rohre ausgebildet ist.
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Unabhängig von der jeweiligen speziellen Ausführungsform besteht
der Halter erfindungsgemäß vorzugsweise aus Berylliumkeramik.
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Das erfindungsgemäße Gasentladungsrohr gestattet die Herstellung
von Gaslasern auf der Basis von Dämpfen chemischer Elemente mit einer hohen mittleren
Leistung der Laserstrahlung.
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Die erfindungsgemäße Weiterbildung des Gasentladungsrohrs mit einem
Halter in Form eines Satzes von koaxialen Rohren gestattet es, einen Mehrfarbenlaser
auf der Basis von Dämpfen chemischer Elemente zu realisieren.
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Hierbei wird durch einen Diffusionsstrom von Dämpfen eines wirksamen
Metalls aus einem Bereich mit der Höchsttemperatur (in der Nähe eines Verdampfers)
in einen Bereich mit einer niedrigeren Temperatur sowie durch Einbringung von Zusatz
flächen in das Innere des Gasentladungskanals (Halter, Verdampfer) eine gleichmäßigere
Dichteverteilung der nicht angeregten Atome des wirksamen Metalls erzeugt, wodurch
eine viel gleichmäßigere Verteilung der Strahlungsleistung über den Querschnitt
erzielt und das gesamte aktive Volumen des Lasers bei größeren Kanalaperturen am
effektivsten ausgenutzt werden kann.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
und der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen: Fig. 1: ein erfindungsgemäßes
Gasentladungsrohr mit einem stabförmigen Halter im Längsschnitt; Fig. 2: einen Schnitt
durch das Gasentladungsrohr von Fig. 1 längs der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3:
ein Gasentladungsrohr mit einem Halter in Form eines Rohres im Längsschnitt; Fig.
4: einen Schnitt durch das Gasentladungsrohr von Fig. 3 längs der Linie IV-IV in
Fig. 3; Fig. 5: ein Gasentladungsrohr mit einem Halter in Form eines Satzes von
koaxialen Rohren im Längsschnitt und
Fig. 6: einen Schnitt durch
das Gasentladungsrohr von Fig. 5 längs der Linie VI-VI in Fig. 5.
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Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Gasentladungsrohr weist ein
hermetisch abgedichtetes Gehäuse 1 mit in diesem vorgesehenen Elektroden 2 und Austrittsöffnungen
3 an den Stirnseiten zur Auskopplung der Laserstrahlung auf. Im Gehäuse 1 verläuft
ein zylindrischer Gasentladungskanal 4, in dessen Achse auf an seinen Stirnseiten
angeordneten Lagerungen 5 ein Halter 6 befestigt ist. Der Halter 6 ist in Form eines
Stabes aus Berylliumkeramik ausgeführt, an dem Küvetten 7 mit dem Lasermaterial
befestigt sind.
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In der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform des Gasentladungsrohrs
ist im Unterschied zu der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 der Halter 6 in Form
eines koaxial mit dem Mantel des Gasentladungskanals 4 verlaufenden und mit Öffnungen
8 in den Wänden versehenen Rohrs ausgeführt. Die Küvetten 7 mit dem Lasermaterial
sind in diesem Fall innerhalb des röhrenförmigen Halters 6 untergebracht, wodurch
sie zuverlässiger am Halter befestigt sind als im Falle eines stabförmigen Halters.
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Die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Ausführungsform des Gasentladungsrohrs
weist im Unterschied zu den oben erläuterten Ausführungsformen einen Halter 6 auf,
der in Form eines Satzes von auf an den Stirnseiten des Gasentladunqskanals 4 angeordneten
Laaerungen 9 befestigten-Rohren ausgebildet ist. Die Rohre 6' bestehen aus Keramik
auf der Basis von Berylliumoxid, das hohe Wärmeleitfähigkeit,
geringe
elektrische Leitfähigkeit bei Temperaturen bis zu 2000 K und Beständigkeit gegen
thermische Schockbeanspruchungen besitzt. Die Küvetten 7 mit dem Lasermaterial sind
jeweils an der Wand des entsprechenden Rohrs 6' angebracht.
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Das erfindungsgemäße Gasentladungsrohr für Laser auf der Basis von
Dämpfen chemischer Elemente arbeitet wie folgt: Das Gasentladungsrohr wird evakuiert,
mit einem Puffergas, beispielsweise mit Neon, bis zu einem erforderlichen Arbeitsdruck
gefüllt und abgelötet bzw abgeschmolzen.
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Den Elektroden 2 (Fig. 1, 2) werden Spannungsimpulse von einem (nicht
dargestellten) Hochspannungsgenerator mit einer hohen Folgefrequenz (10 bis 100
kHz) zugeführt. In den Bereichen des Gasentladungskanals 4, entlang dem stabförmigen
Halter 6 mit den Küvetten 7 und in den Spalten der im Gasentladungskanal 4 (Fig.
5, 6) koaxial angeordneten Rohre 6' entsteht eine elektrische Impulsentladung. Durch
die Energieübertragung bei der Entladung wird das Gas in allen Bereichen des Gasentladungskanals
4 (Fig. 1 bis 6) auf Temperaturen erwärmt, die zur Verdampfung der wirksamen Metalle
aus den Küvetten 7 erforderlich sind. Da die koaxial angeordneten Rohre 6' (Fig.
5, 6) als Abschirmungen wirken und die Anordnung so ist, daß die Wandstärke der
koaxialen Rohre 6' und die Spaltgröße einen bestimmten Temperaturverlauf über die
Bereiche gewährleisten, wird infolge des natürlichen Temperaturgefälles in den verschiedenen
Temperaturbereichen des Entladungskanals 4 eine optimale Atomkonzentration des entsprechenden
wirksamen Metalls realisiert. Die
Anregung des Plasmas der Atome
der wirksamen Metalle durch die Elektronen führt zur Entstehung einer Inversion
und zur Strahlungserzeugung. Die Strahlung wird durch die Austrittsöffnungen 3 des
Gasentladungsrohrs 3 ausgekoppelt.
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Die Unterbringung der Küvetten 7 mit dem Lasermaterial mit den speziellen
Haltern 6 bzw 6' (Fig. 1 bis 6) in den heißesten Bereichen des Gasentladungskanals
4 gestattet es, die erforderlichen Atomkonzentrationen des Lasermaterials bei geringeren
Temperaturen der Wände des Gasentladungskanals 4 zu realisieren, was die Zuverlässigkeit
und die Lebensdauer der Vorrichtung erhöht. Darüber hinaus sichert die Einführung
der Zusatzflächen in den Gasentladungskanal 4 eine größere Gleichmäßigkeit der Parameter
des Impulsplasmas, dh der Gastemperatur, der Atomkonzentration des wirksamen Metalls
und der Elektronenkonzentration und verringert Ungleichmäßigkeiten in den Geschwindigkeiten
von Elementarprozessen, die zur Strahlungserzeugung (Rekombination, Besetzung und
Zerstörung wirksamer Niveaus etc) führen.
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Das Erfindungskonzept erlaubt es daher, in die Gasentladungsrohre
große Pumpleistungen ohne Verschlechterung der Verteilung der Strahlungsleistung
über den Bündelquerschnitt einzukoppeln, mit großen Aperturen der Gasentladungskanäle
zu arbeiten und dementsprechend große mittlere Impuls-Strahlungsleistungen und Wirkungsgrade
der Laser zu realisieren.
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Die Zusatz flächen verringern die Diffusionszeit von aktiven Teilchen
in einem metastabilen Zustand zur Oberfläche,
wodurch die Zerstörung
der metastabilen Zustände beschleunigt wird, was die Temperatur-Generationsschwelle
herabsetzt und es gestattet, die maximal mögliche Folgefrequenz von Anregungs-und
Strahlungsimpulsen zu erhöhen, was wiederum zur Erhöhung der mittleren Strahlungsleistung
und des Wirkungsgrads der erfindungsgemäßen Gaslaser beiträgt.
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