DE3212705A1

DE3212705A1 - TEA-CO (DOWN ARROW) 2 (DOWN ARROW) LASER

Info

Publication number: DE3212705A1
Application number: DE19823212705
Authority: DE
Inventors: Walter Reginald 33408 North Palm Beach Fla. Kaminski
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1981-04-23
Filing date: 1982-04-05
Publication date: 1982-12-09
Also published as: NL8201497A; FR2504744B1; GB2098791B; FR2504744A1; IL65584A0; GB2098791A; JPS57181180A; JPH0624269B2; DE3212705C2; CH658754A5

Description

PATENTANWÄLTE":* ' ^:..^: .:".. MENGES &"PRAHL 3212705PATENTANWÄLTE ": * ' ^: .. ^: .:" .. MENGES &"PRAHL 3212705

gfilassene Vertrntm vor dom Rjiopaisohon Pnlenliimt PiofRSSioiiiil representatives hnfore Ihr» luiopoan Piitrnl OHicnAuthorized contract in front of dom Rjiopaisohon Pnlenliimt PiofRSSioiiiil representatives hnfore your »luiopoan Piitrnl OHicn

Erhnrritstrasse ü\ Π 8000 München 5Erhnrritstrasse ü \ Π 8000 Munich 5

Patenl.mw.ilt" Mpikipk Ä Prahl ErhnrrJislr 1?. D 8000 München 5 Dipl.-Inq Rolf MengpsPatenl.mw.ilt "Mpikipk Ä Prahl ErhnrrJislr 1?. D 8000 Munich 5 Dipl.-Inq Rolf Mengps

Dipt -Ctiorri Dr Horst Prahl Dipt -Ctiorri Dr Horst Prahl

Telelon (089) 26 3847 Telex 529581 BIPATd Telegramm BIPAT MünchenTelelon (089) 26 3847 Telex 529581 BIPATd Telegram BIPAT Munich

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Unser Zfich(>n/Oin ref U 779Our Zfich (> n / Oin ref U 779

naluin/Dalo 05.04.1982naluin / Dalo 04/05/1982

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

TEA-CO«-LaserTEA-CO «laser

Die Erfindung betrifft einen einfachen, robusten, zugeschmolzenen TEA-CO^-Laser, bei dem eine Koronaentladungsvorionisationstechnik angewandt wird (TEA = Transverse Excitation Atmospheric, d. h. die Plasmaentladung erfolgt quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und bei Atmosphärendruck).The invention relates to a simple, robust, fused TEA-CO ^ laser using a corona discharge pre-ionization technique is applied (TEA = Transverse Excitation Atmospheric, i.e. the plasma discharge takes place transverse to the direction of propagation of the laser beam and at atmospheric pressure).

Die US-PS 4 207 540 und der Aufsatz "Construction and Performance Characteristics of a Rapid Discharge TEA CO_? Laser" von Ernst und Boer, erschienen in Optics Communication, Band 27, Nr. 1, Oktober 1978, S. 105, beschreiben einen mit strömendem Gas arbeitenden CO^-Laser, bei welchem eine Koronaentladungsvorionisationstechnik angewandt wird. Bei dieser Entladungstechnik wird ein starkes elektrisches Feld benutzt, um eine Koronaentladung in-US Pat. No. 4,207,540 and the article "Construction and Performance Characteristics of a Rapid Discharge TEA CO _? Laser" by Ernst and Boer, published in Optics Communication, Vol. 27, No. 1, October 1978, p. 105, describe one CO ^ laser operating with flowing gas, in which a corona discharge pre-ionization technique is used. This discharge technique uses a strong electric field to induce a corona discharge.

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nerhalb der Laserbohrung einzuleiten, wobei diese Entladung ultraviolottos Licht erzeugt, welches das GaK in dom HauptentLadungygebiet dos Lasers vorionisiert .. Fig. 2 dos Aufsatzes und Fig. 3 der genannten Patentschrift zeigen die Einzelheiten des Aufbaus dieses Lasers. Die genannte Patentschrift beschreibt ein kombiniertes System, das eine besondere Entladungsschaltung und eine besondere elektrische Verbindung mit dem Elektrodenvorionisationssystem aufweist. Sowohl gemäß der genannten Patentschrift als auch gemäß dem Aufsatz strömt Gas ständig durch den aktiven Raum hindurch, wodurch eine Umgebung erzeugt wird, die sich von der eines zugeschmolzenen Lasers unterscheidet.initiate within the laser bore, this discharge generating ultraviolotto light, which the GaK in dom Main discharge area dos lasers pre-ionized .. Fig. 2 dos Show article and Fig. 3 of said patent the details of the construction of this laser. The cited patent describes a combined system that has a has a special discharge circuit and a special electrical connection with the electrode pre-ionization system. Both according to the cited patent and according to the article, gas flows continuously through the active one Space through it, creating an environment different from that of a fused laser.

Die Erfindung schafft einen verbesserten Koronaentladungsvorionisations-TliA-CO^-LaKor, der züge schmolzen arbeitet, eine lange Lagerfähigkeit hat und bei dem der mechanische Aufbau des Laserhohlraums gegenüber dem Stand der Technik so abgeändert ist, daß sich eine verbesserte lange Arbeitsfähigkeit im zugeschmolzenen Zustand ergibt und die Abhängigkeit der bekannten Vorrichtung von einer besonderen elektrischen Schaltung reduziert ist.The invention provides an improved corona discharge preionization TliA-CO ^ -LaKor, the trains melt works, has a long shelf life and the mechanical Structure of the laser cavity is modified from the prior art so that an improved long working capacity results in the fused state and the dependence of the known device on a particular electrical Circuit is reduced.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigtAn embodiment of the invention is described in more detail below with reference to the drawings. It shows

Fig. 1 eine Einzelheit des aus dem obenFig. 1 shows a detail of the above

erwähnten Aufsatz bekannten Lasers,mentioned article known laser,

Fig. 2 eine Wiedergabe der Fig. 3 derFig. 2 is a reproduction of Fig. 3 of

oben erwähnten US-Patentschrift,US patent mentioned above,

Fig. 3 einen Querschnitt eines Lasers3 shows a cross section of a laser

nach der Erfindung undaccording to the invention and

Fig. 4 eine auseinandergezogene DarstellungFig. 4 is an exploded view

des.Lasers nach der Erfindung.des.Lasers according to the invention.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittansicht eines Laserhohlraums nach der Erfindung, wobei ein Raum 320 der Laserentladungshohlraum ist, welcher durch Wände 306 und 3 04 an den Seiten und durch Deckel 332 und 334 oben bzw. unten begrenzt wird. Die optische Achse des Lasers ist zur Zeichenebene rechtwinkelig, und Querachsen 350 und 351 gehen durch die Deckel 332, 334 bzw. die Wände 304, 306 hindurch. Die Wände und die Deckel bestehen beispielshalber aus einem dielektrischen Material, wie beispielsweise MACOR, einer maschinell bearbeitbaren Glaskeramik, die von der Fa. Corning Glass Works hergestellt wird, und Verbindungsstellen 309 und 311 zwischen den Wänden und den Deckeln sind durch eine Glasfrittenverbindungs- oder eine gleichwertige Dichtungstechnik hermetisch verschlossen. Innerhalb der so gebildeten Hülle sind Elektroden 301 und 302 die Katode bzw. Anode der Laseranregungsentladung. Diese Elektroden sind durch die Deckel 334 und 332 hindurch an Verbindungsteile 307 bzw. 308 angeschlossen, die so geformt sind, daß sie eine geringe Induktivität haben und das Herstellen einer dichten Verbindung zwischen dem leitenden metallischen Teil und dem Deckel erleichtern. Die Verbindungsstelle zwischen den Verbindungsteilen und den Deckeln wird durch Epoxidharz oder durch eine Glasfrittenverbindung verschlossen. Die Elektroden 301 und 302 haben eine Kontur gemäß der von Chang angegebenen Prozedur (vgl. die US-PS 4 207 540, Z. 54-56), bei der die Parameter K = 0,02 , v= arc cos (-K) sind und der Spalt zwischen den Elektroden 301 und 302 beispielshalber 1 cm beträgt.3 shows a cross-sectional view of a laser cavity according to the invention, wherein a space 320 is the laser discharge cavity, which by walls 306 and 304 to the Pages and is limited by covers 332 and 334 above and below, respectively. The optical axis of the laser is to the plane of the drawing at right angles, and transverse axes 350 and 351 pass through covers 332, 334 and walls 304, 306, respectively. the Walls and the cover consist, for example, of a dielectric material such as MACOR, a machinable glass-ceramic manufactured by Corning Glass Works and joints 309 and 311 are between the walls and the lids hermetically sealed by a glass frit connection or an equivalent sealing technology. Inside the so The shell formed are electrodes 301 and 302, the cathode and anode of the laser excitation discharge, respectively. These electrodes are connected through lids 334 and 332 to connectors 307 and 308, respectively, which are shaped so that they have a low inductance and the creation of a tight connection between the conductive metallic part and the lid make it easier. The joint between the connecting parts and the lids is made by epoxy resin or closed by a glass frit connection. The electrodes 301 and 302 have a contour corresponding to that of FIG Chang specified procedure (see US-PS 4,207,540, lines 54-56), in which the parameters K = 0.02, v = arc cos (-K) and the gap between electrodes 301 and 302 is 1 cm, for example.

In der Wand 304 des Laserhohlraums ist durch maschinelle Bearbeitung eine Vertiefung 314 bis zu einer derartigenIn the wall 304 of the laser cavity is machined a recess 314 to one

Tiefe hergestellt, daß die verbleibende Wanddicke zwischen der Elektrode 302 und der Vertiefung ein kritischer Wert ist, beispielshalber 2 mm, wobei dieser Wert von dem für die Wand 304 gewählten Material abhängen wird- In diesen Hohlraum ist eine Elektrode 310 eingesetzt, die mit der Katode 301 durch einen Pfad niedriger Induktivität (in der Zeichnung nicht dargestellt) elektrisch verbunden ist. Die Elektrode 310 ist innerhalb des Hohlraums 314 so angeordnet, daß sich das obere Ende der Elektrode 310 in der Nähe des Knickes in der Oberfläche der Elektrode 302 zwischen der der Katode zugewandten gekrümmten Oberfläche 321 und der an dem Rand der Wand 3 04 anliegenden ebenen Oberfläche 322 befindet. Das Knickgebiet 312, wo diese beiden Oberflächen einander treffen, ist nicht scharf, sondern mit einem Radius von wenigstens 0,08 mm (0.003 inch) abgerundet. Die Elektrode 310 ist parallel zu der Querachse 350 angeordnet, so daß sich der obere Rand der Elektrode 310 im wesentlichen in derselben Höhe wie das Knickgebiet 312 der Elektrode 302 befindet, und die kürzeste Strecke zwischen der Elektrode 310 und der Elektrode 302 geht durch wenigstens einen Teil des Hohlraumgebietes 320 und nicht gänzlich durch die Wand 304 hindurch. Das Ergebnis dieses Abstandes ist, daß die kürzeste Strecke und somit das stärkste Feld sich nicht innerhalb der Wand 304 befindet, was den Durchschlag des die Wand 304 bildenden Materials fördern würde, sondern befindet sich vielmehr teilweise innerhalb des das Gebiet 320 füllenden CO₂-Mediums. Das starke elektrische Feld, das in der Ecke gebildet wird, wo die Oberfläche 321 auf die Wand 304 trifft, zieht Elektronen aus dem Material der Wand 304 heraus und erzeugt eine Koronaentladung, die sich über die Oberfläche der Wand 304 abwärts zur Elektrode 301 bewegt und dabei eine ultraviolette Strahlung erzeugt. Die so erzeugte ultraviolette Strahlung bewegt sich durch das Gebiet 320, wobei sie das GasDepth established that the remaining wall thickness between the electrode 302 and the recess is a critical value, for example 2 mm, this value will depend on the material chosen for the wall 304. An electrode 310 is inserted into this cavity, which is connected to the cathode 301 is electrically connected by a low inductance path (not shown in the drawing). The electrode 310 is arranged within the cavity 314 so that the upper end of the electrode 310 near the kink in the surface of the electrode 302 between the curved surface 321 facing the cathode and the flat surface abutting the edge of the wall 304 322 is located. The kink area 312 where these two surfaces meet is not sharp, but is rounded with a radius of at least 0.08 mm (0.003 inch). The electrode 310 is arranged parallel to the transverse axis 350 so that the upper edge of the electrode 310 is substantially at the same level as the kink region 312 of the electrode 302, and the shortest distance between the electrode 310 and the electrode 302 passes through at least one Part of cavity area 320 and not all of wall 304. The result of this distance is that the shortest distance and thus the strongest field is not located within the wall 304, which would promote the penetration of the material forming the wall 304, but rather is partly located within the CO ₂ medium filling the area 320 . The strong electric field formed in the corner where surface 321 meets wall 304 pulls electrons out of the material of wall 304 and creates a corona discharge that travels down the surface of wall 304 to electrode 301 and ultraviolet radiation is generated in the process. The ultraviolet radiation so generated moves through the area 320, carrying the gas

vorionisiert.pre-ionized.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in auseinandergezogenen Darstellung, bei der ein Teil 4 02 die Wände und die Enden des Körpers des Laserhohlraums bildet, welch letzterer von einer Achse 4 00 durchquert wird, die durch eine Linse 420, ein Loch 404, den Haupthohlraum, ein Loch 405 und eine Linse 422 hindurchgeht. Die Linsen 420 und 422 sind mit den Löchern 4 04 und 4 05 hermetisch verbunden, um die Linsen in einer Umgebung, in der starke Vibration vorhanden ist, aufeinander ausgerichtet zu halten. Die einander gegenüberliegenden Flächen des Körpers können durch herkömmliche maschinelle Bearbeitungstechniken parallel und glatt gemacht werden, um die Linsen aufeinander auszurichten. In die Seite 304 des Körpers 402 ist eine Vertiefung 314 eingearbeitet, die die Elektrode 310 aufnimmt. Die Elektrode 310 wird durch herkömmliche Befestigungselemente (nicht dargestellt) ausgerichtet gehalten. Die Ober- und die Unterseite des Körpers 402 sind mit Deckeln 332 bzw.334 bedeckt, die durch eine herkömmliche Gasfrittenverbindungs- oder eine andere hermetische Abdichtungstechnik mit dem Körper verbunden sind. Die Elektroden 301 und 302 sind an ihrem zugeordneten Deckel befestigt, die in dem Querschnitt in Fig. 3 nach der Linie 3-3 in Fig. 4 gezeigt sind.Fig. 4 shows an embodiment of the invention in exploded view Representation in which a part 402 forms the walls and ends of the body of the laser cavity, the latter is traversed by an axis 400 passed through a lens 420, a hole 404, the main cavity, a hole 405 and a lens 422 passes therethrough. The lenses 420 and 422 are hermetically connected to the holes 404 and 405 to form the lenses in an environment where there is strong vibration. The one another Opposite surfaces of the body can be made parallel and smooth by conventional machining techniques can be made to align the lenses with each other. A recess 314 is machined into the side 304 of the body 402, which the electrode 310 receives. The electrode 310 is secured by conventional fasteners (not shown) kept aligned. The top and bottom of the body 402 are covered with lids 332 and 334, respectively, which connected to the body by a conventional gas frit connection or other hermetic sealing technique are. The electrodes 301 and 302 are attached to their associated cover, which is shown in the cross section in Fig. 3 along the line 3-3 in FIG. 4 are shown.

Es ist ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung, daß der Körper 402 in Fig. 4 nur vier Dichtungen hat, nämlich diejenigen an dem oberen und dem unteren Deckel sowie an den Linsen. Bei Bedarf kann eine Deckeldichtung eliminiert werden, indem das Formteil mittels isostatischen Warmpressens oder mittels einer gleichwertigen Technik gegossen wird, wodurch eine Verbindungsstelle nahe der beanspruchten Elektrode (Anode) beseitigt wird. Es ist ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung, daß ein einziges Material für den Körper des Lasers benutzt wird, im Gegensatz zum Stand derIt is an advantageous feature of the invention that the body 402 in Fig. 4 has only four seals, namely those on the top and bottom lids and on the lenses. If necessary, a cover seal can be eliminated, by casting the molded part by means of hot isostatic pressing or an equivalent technique, whereby a connection point near the stressed electrode (anode) is eliminated. It's another beneficial one Feature of the invention that a single material is used for the body of the laser, in contrast to the prior art

Technik, bei dem mehrere Materialien benutzt werden, die ungleiche thermische Eigenschaften haben. Es ist noch ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung, daß zwar der direkte Pfad zwischen der Elektrode 302 und der Elektrode 310 notwendigerweise kurz ist, um die erforderliche hohe Feldstärke zu erzeugen, daß jedoch der Pfad außerhalb des Hohlraums zwischen den Verbindungsteilen der Elektroden 302 und 310 oder ihren Oberflächen ziemlich lang ist, wodurch eine Hauptschwierigkeit der bekannten Vorrichtung beseitigt wird.Technique in which several materials are used that have dissimilar thermal properties. It's another one Another advantageous feature of the invention that although the direct path between the electrode 302 and the electrode 310 is necessarily short in order to generate the required high field strength, but that the path outside the The cavity between the connecting parts of the electrodes 302 and 310 or their surfaces is quite long, whereby a Major problem of the known device is eliminated.

Zum Vergleich ist eine bekannte Vorrichtung in den Fig. 1 und 2 gezeigt, bei der der Hohlraum (Fig. 1) durch Teile 18, 17, 19 und 5 gebildet wird, von denen zwei aus Messing und zwei aus Glas bestehen, was vier Verbindungsstellen zwischen ungleichen Materialien ergibt. Eine weitere Schwierigkeit besteht bei der bekannten Vorrichtung darin, daß es einen kurzen, direkten Pfad zwischen der Masseelektrode 31 und dem Messingteil 18 gibt, das mit der Anode 2 in elektrischem Kontakt ist. In Fig. 2 erstrecken sich Elektroden und 119, die in elektrischem Kontakt mit der Anode 2 bzw. der Katode 3 sind, über eine lange Strecke in minimalem Abstand, der durch ein Isoliermittel 105 aufrechterhalten wird. Gemäß den Angaben im Stand der Technik ergab diese Anordnung, aufgrund der geringen Induktivität eine sehr kurze Anstiegszeit des Marx-Generators, einem Merkmal des bekannten Systems, bei dem es sich um ein integriertes Laborinstrument handelte, das für die schnellste Anstiegszeit (etwa 15 ns) ausgelegt wurde.For comparison, a known device is shown in Figs. 1 and 2, in which the cavity (Fig. 1) by parts 18, 17, 19 and 5, two of which are made of brass and two of which are made of glass, giving four joints between results in dissimilar materials. Another problem with the known device is that it a short, direct path between the ground electrode 31 and the brass part 18 is that with the anode 2 in electrical Contact is. In Fig. 2 electrodes and 119 extend which are in electrical contact with the anode 2 and of the cathode 3 are, over a long distance, at a minimum distance which is maintained by an insulating means 105. According to the information in the prior art, this arrangement resulted in a very short rise time of the Marx generator due to the low inductance, a feature of the known system that was an integrated laboratory instrument used for the fastest rise time (about 15 ns) was designed.

Die Erfindung macht von demselben physikalischen Prinzip der dielektrisch hervorgerufenen Koronaentladung Gebrauch, um ein tragbares Feldinstrument zu schaffen, das so ausgelegt ist, daß es nachteilige Bedingungen von Vibration und Wärmeausdehnung toleriert und für Veränderungen in den elek-The invention makes use of the same physical principle of dielectrically induced corona discharge, to provide a portable field instrument designed to withstand adverse conditions of vibration and Thermal expansion tolerated and for changes in the elec-

trischen Parametern unempfindlich ist. Ein Laser nach der Erfindung hat eine Spannungsimpulsanstiegszeit von mehr als 30 ns und eine Impulsspannung von mehr als 18 kV bei einem Elektrodenabstand von 1 cm.tric parameters is insensitive. A laser after the Invention has a voltage pulse rise time of more than 30 ns and a pulse voltage of more than 18 kV an electrode spacing of 1 cm.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist eine der Elektrode 310 ähnliche zweite Elektrode in die Wand 306 eingesetzt, wodurch eine größere Gleichmäßigkeit der Vorionisation und ein eine größere Zuverlässigkeit ergebender redundanter Betrieb erzielt werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Endteile und die Deckel 332 und 334 zu einer einzelnen Einheit kombiniert. In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Seiten 304, 306 und die Deckel 332, 334 zu einer einzelnen Einheit kombiniert. In another embodiment of the invention, one is the Electrode 310 similar second electrode is inserted into the wall 306, creating a greater uniformity of the preionization and redundant operation resulting in greater reliability can be achieved. In another embodiment According to the invention, the end pieces and lids 332 and 334 are combined into a single unit. In yet another Embodiment of the invention, the sides 304, 306 and the lids 332, 334 are combined into a single unit.

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Claims

Patent claims:

/ i. TEA-CC> 2 laser with a CO ^ laser gain medium as well an anode and a cathode placed on opposite sides of the interior of a shell parallel to an optical Axis are arranged, characterized in that the shell is a fused shell with the optical axis and a transverse axis and first and second end portions that are perpendicular to the optical axis are arranged, a first and a second side part (304, 306) and a first and a second Has cover part (332, 334), wherein the side parts and the cover parts are arranged parallel to the optical axis and wherein all parts are formed from the same material; that the anode (302) and the cathode (301), which on opposite sides of the interior of the envelope are arranged parallel to the optical axis, arranged along the transverse axis and separated by the side parts (304, 306) that the anode (302) has a curved surface facing the cathode (301)

te surface (321) and flat wall surfaces (322), which bear against the side parts (304, 306), wherein the curved surface and the flat wall surfaces meet in a transition region (312) which has a radius of curvature of at least 0.08 has mm; that at least one additional cavity electrode (310) is provided which is connected to the cathode (301) by means of a lead of low inductance and is attached along the outer surface of one of the side parts (304, 306) and the anode (302) overlaps along the transverse axis so that the shortest straight line between the anode (302) and the auxiliary cavity electrode (310) passes through part of the laser medium and also through a layer of insulating material in the form of part of the shell wall (304); and in that the envelope comprises optical elements (420, 422) arranged along the optical axis for resonating optical radiation within the gain medium and means (310, 308) for applying a pulsed high voltage to the anode and the Cathode, the high voltage having a rise time of at least 30 ns and a peak value such that a field of at least 18 kV / cm is created between the anode and the cathode, whereby a corona discharge between the anode (302) and the auxiliary cavity electrode (310) is formed, which conditions the CO ₂ medium between the anode and the cathode.

2. Laser according to claim 1, characterized in that the end parts and the side parts (304, 306) are continuous form a single part (402).

3. Laser according to claim 1, characterized in that the end parts and the cover parts (332, 334) are continuous form a single part.

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4. Laser according to claim 1, characterized in that the side parts (304, 306) and the cover parts (332, 334) a Form a continuous single part.

5. Laser according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the fused shell is continuously between the additional cavity electrode (310) and the anode (302) and along the flat wall surfaces (322).