DE3225327A1 - Stoffdampfimpulslaser und verfahren zur speisung desselben - Google Patents

Stoffdampfimpulslaser und verfahren zur speisung desselben

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DE3225327A1 DE19823225327 DE3225327A DE3225327A1 DE 3225327 A1 DE3225327 A1 DE 3225327A1 DE 19823225327 DE19823225327 DE 19823225327 DE 3225327 A DE3225327 A DE 3225327A DE 3225327 A1 DE3225327 A1 DE 3225327A1
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    • H01S3/22Gases
    • H01S3/227Metal vapour

Description

  • BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf Gaslaser, Insbesondere auf Stoffdampflaser, und ein Verfahren zur Speisung derselben.
  • Solche Laser können auf solchen Gebieten benutzt werden, wo Stoffdampflaser mit erhöhter mittlerer Leistung, mit großem Durchmesser des Gasentladungskanals, erhöhtem Wirkungsgrad, mit Strahlungsimpulsfolgefrequenzen von Bruchteilen eines Hertzes erforderlicn sind, insbesondere in der Medizin, Holographie, Sondung der Atmosphäre usw.
  • Es ist ein Stoffdampfimpulslaser bekannt, dessen Speisung auf dem Prinzip der "Selbstaufheizung" des Arbeitsteils der Gasentladungsröhre durch Dissipation der in die Entladung eingeführten Energie beruht (s. Zeitschrift "Kwantowaja Elektronika", 19?5, Band 2, S. 159). Dieser Laser enthält eine Gasentladungsröhre aus vakuumdichtem Material mit Elektroden, die in ein@m zylindrischen, mit dieser nicht vakuummäßig verbundenen Wärmeisolator untergebracht ist, und eine Impulsspeiseschaltung, zinn Beispiel eine Schaltung mit einer "Zuspitzungskapazität", bestehend aus zwei Kondensatoren, der eine von welchen paparallel zu den Laserelektroden und der andere in Reihe mit diesen geschaltet ist, sowie eine Induktivität, die elektrisch die Elektroden untereinander verbindet.
  • Die direkte Abhangigkeit der Temperatur des Arbeitsteils der Gasentladungsröhre von der in die Entladung zur Anregung des aktiven Mediums des Lasers je Zeiteinheit eingebrachten Energie führt dazu, daß der Laser nur in einem durch das Temperaturintervall bedingten schmalen Strahlungsimpulsfolgefrequenzbereich, in dem die Stranlun möglich ist, arbeiten kann. Außerdem macht diese Abhängigkeit die Optimierung des Anregungsimpulses zur Sicherung einer mimalen Energisabstrahlung unmöglich und vermindert somit den Wirkungsgrad des Lasers. Die Leistung, die ein Thyratron (bzw. ein anderer Schalter, z.3. ein Thy ristor) schalten kann, Ist begrenzt, des ist die Betriebsbereitschaftszeit des Lasers grob und beträgt gewöhnlich # 30 min.
  • Bekannt ist auch eine Laserbauart (5. Zeit schrift "Pribori i technika experimenta" 1974, Nr. l, S, 160), bei der die aus vakuumdichter Keramik gefertigte Gasentladungsröhre mit Elektroden in einem zylindrischen Ofen koaxial zu diesem untergebracht ist, wobei die Gasent ladungsröhre und der Ofeninnenraum durch einen Luftzwischenraum geteilt ist. Die Speisung des Lasers erfolgt gleichzeitig beim Erreichen der Arbeitstemperatur aus zwei Speise quellen. Die eine Speisequelle ist über den regelbaren Heiztransformator des Ofens angeschlossen, während die andere Speisequelle eine Impulsspeisequelle darstellt und an die Röhrenelektroden über eine Schaltung mit einer Zuspitzungskapazität, die zwei Kondensatoren, der eine von welchen parallel zu den Elektroden der Gasentladungsröhre und der andere in Reihe mit diesen geschaltet ist, sowie eine Induktivität, die die Elektroden untereinander verbindet, enthält, angeschlossen ist.
  • Hier hängen die Erhitzung des Arbeitsteils der Gas entladungsröhre und die Anregung des aktiven Mediums voneinander nicht ab, was eine Optimierung des Änregungs impulses zwecks Sicherung einer maximalen Energieausstrahlung und somit eine Vergrosserung des Wirkungsgrades der in die Entladung eingebrachten Energie ermöglicht. Ausser dem gestatten es diese Bauart des lasers und das Verfahren zur Speisung desselben bei einer Impulsfolge von Bruchteilen eines Hertzes bis zu Hunderten von Kilohertz zu arbeiten.
  • Jedoch ist diese Bauart des Lasers ungenugend zuverlässig infolge eines möglichen elektnschen Uberschlags der Elektroden zum Heizelement, der zu einer Undichtheit der Gasentladungsröhre und einem Ausfall derselben führt.
  • Das Vorhandensein eines weiteren zusätzlichen Bauelementes - des Ofens - erschwert den Betrieb und erhöht den Preis des Lasers Das Vorhandensein eines Luft spaltes und einer Wand in Innenteil des Ofens führt zur Verminderung des Energieanteils für die Aufheizung des Arbeitsteils der Gasentladungsröhre, was zu einer Senkung des Wirkungsgrades der gesamten Laseranordnung fütirt.
  • Bekannt ist auch eine Laserkonstr@ktion (s. PR-PS Nr. 1.535.445, 1968, Int Cl. HO 1 S), die aus einer Metallgasentladungsrohre besteht, welche die Funktion einer der Elektroden erfüllt, wobei als zweite Elektrode ein in Achsrichtung der Röhre gespannter Metallfaden dient.
  • Das Heizelement ist bei dieser Konstruktion als Wendel aus Metalldraht mit Elektroisolierüberzug, der seine Eigenschaften bei hohen Temperaturen (über 1000°C) erhält, ausgeführt, wobei der Draht direkt auf die Metallwände der Gasentladungsröhre aufgewickelt ist und sich unter einer Wärmeisolierschicht befindet. Die Speisung des Lasers erfolgt wie im vorherigen Fall aus zwei Çuellen, die eine von welchen über einen regelbaren Heiztransformator an das Heizelement und die zweite Impulsspeisequelle - an die Elektroden über eine Speiseschaltung z.D mit einer Zuspitzungskapazität angeschlossen ist.
  • Diese konstruktive Lösung des Lasers und die Art seiner Speisung gestatten es, die Energieverluste bei der Auf heizung des Arbeitsteils der Gasentladungsröhre zu beseitigen, da das Heizelement direkt auf der Gasentladungsröhre angeordnet ist, bieten die Möglichkeit, ohne einen Ofen auszukommen, und gestatten es, schnell die Betriebsbereitschaft zu erreichen, Die Unabhängigkeit der Arb eitstemperatureinhaltung von den Parametern der Impulsanregung des aktiven Mediums gestattet es, optimale Parameter der Impulsanregung zur Sicherung von für diese Konstruktion optimalen Energieausstrahlung und Wirkungsgrad zu wählen und ermoglicht den Einsatz des Lasers in einem weiten lnderungsbereich der Strahlungsimpulsfolgefrequenz.
  • Jedoch gestattet infolge der koaxialen Anordnung der Elektroden diese Laserkonstruktion nicht, das Anregungsvolumen voll zu nutzen, was zur Senkung der mittleren Leiund. stung der Laserstrahlung fibrt,veine homogene Anregung ueber den gesamten Arbeitsvolumen zu erhalten, da eine starke Inhomogenität des elektrischen Feldes im Cuerschnitt vorliegt, was die Energieausstrahlung und den Wirkungsgrad des Lasers herabsetzt.
  • Zudem ist es schwierig, eine homogene Strahlung längs der Achse der Gasentladungsröhre auf einer großen Länge infolge der Bogenbildung zu erkalten, besonders bei hohen Speiseleistungen, was die Möglichkeit der Gewinnung großer mittlerer Leistungen begrenzt. Darüber hinaus ist es technologisch kompliziert, den oben angegebenen Forderungen entsprechende Wendel herzustellen, während eine Beschädigung der Isolierschicht zu einem Durchschlag der Strecke zwiscnen dem Wendel und der Metallwand der Gasentladungaröhre, die gleichzeitig als Elektrode dient, führt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. einen Stoffdampfimpuislaser zu schaffen, bei dem bei Benutzung einer Heizspaanung und einer Impulsanregung für die Aufheizung der Röhre ein elektrischer Uberschlag der Elektroden unmöglich ist bei gleichzeitiger Tereinfaohnng der Konstruktion des Lasers und der Fertigungstechnologie desselben, sowie ein Speiseverfaaren anzugeben, das es gestattet, die Energieabstrahlung und den Wirkungsgrad des Lasers zu erhöhen.
  • Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei dem Stoffdampflaser, der eine mit einem Heizelement versehena, in einer vakuumdichten Tülle untergebrachten Gasentladungsröhre, in der Gasentladungsröhre untergebrachte Elektroden, eine an die Elektroden angeschlossene Speisescnaltung, die eine Impulsspeisequelle und eine parallel zu den Blektroden geschaltete Induktivität enthält, gemäß der Erfindung die Induktivität direkt auf der Gasentladungsröhre aufgewickelt ist und die Funktion eines Heizelementes erfüllt und parallel zu dieser eine zusätzliche Speisequelle angeschlossen ist.
  • Die gestellte Aufgabe wird aucn dadurcn gelöst, daß man bei dem Verfahren zur Speisung eines derartigen Stoffdampf impulslasers, welches darin besteht, daß man die AuRheizung der Röhre durch gleichzeitiges Anlegen der Eeizspannung an das Heizelement und der Anregungsimpulse an die Elektroden der Gasentladungsröhre durchführt, gemäß der Erfindung, die Heizspannung als Sinusspannung wählt und die Anregungsimpulse zu den Zeitpunkten, wo die Heizspannung den Nullwert erreicht, gibt, wobei folgende Bedingungen zu erfüllen sind: Uo Io # = k@f; Uo < Ul; = P - #Ef, 2 Hierin bedetiten: # - zyklische Frequenz der Sinusspannung; k - positive ganze Zahl; f - Folgefrequenz der Anregungsimpulse; Wo ~ Amplitude der Sinus spannung, Ul - Brennspannung der Bogenentladung in dem aktiven Medium des Lasers; 1o - Amplitude des das Heizelement durchfließenden Sinusstromes; P - Leistung, die für die Aufheizung der Lasergasentladungsröhre auf die Arbeitstemperatur benötigt ist; # E-Teil der Energle der Anregungsimpulse, der in Wärme dis@ipiert wird.
  • Zum Verhüten einer Bogenentladung zwischen den Elektroden in der Gasentladungsröhre, die durch die an die Induktivität zur aufheizung der Gasentladungsröhre angelegte Spannung im Halle, wenn die Spannungsamplitude größer oder gleich dem Schwellenwert für die Zündung einer Bogenentladung durch den Anregungsimpuls ist, hervorgerufen werden kann,kann man die Elektroden in der kalten Zone der Gasentladungsröhre unterbringen und diese aus einem Material mit großer Elektronenaustrittsarbeit ausführen.
  • Der entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgeführte Laser hat hohe Zuverlässigkeit infolge der Unmöglichkeit eines Elektrodenüberschlages zum Heizelement, was dadurch erreicht wird, daß die Induktivität, die die Funktion eines Heizelementes erfüllt, elektrisch mit den Elektroden in der Gasentladungsröhre verbunden ist; einfachen Aufbau, bedingt dadurch, daß die Gasentladungsröhre in einer vakuumdionten Hülle zusammen mit dem Wärmeisolator untergebracht ist und dadurch, daß zum Speisen des Heizelementes und Anlegen der Anregungsimpulse nur zwei Anschlüsse erforderlich sind, jeder von welcnen ein gemeinsamer Anschluß für die Elektrode und das eine an diese ange- schlossene Ende der Induktivität, die als Heizelement dient, ist. -Der erfindungsgemäße Laser gestattet es, in einem weiten Folgefrequenzbereich der Laserstrahlungsimpulse, einschließlich einiger Hertz, zu arbeiten und Gasentladungsröhren von großem Durchmesser ( # 100 mm und mehr) und großer Länge zu benutzen, was die Möglichkeit bietet, große mittlere Leistungen der Laserstrahlung (einige Hunderte Watt für Metalldampflaser) zu erhalten.
  • Dieser Laser und das Verfahren zur Speisung desselben gestatten es, hohe (bis 3% bei einem Kupferdampflaser) Wirkungsgrade au erhalten, was it der Möglichkeit der Optimierung der Parameter des Anregungsimpulses und der Anregungeimpulsfolgefrsquenz zwecks Sicherung einer höchstmöglichen Energieabstrahlung und eines höchstmöglichen Wirkungsgrades bei konstant bleibender optimalen Temperatur des Arbeitsteils der Gasentladungsröhre, die durch das Heizelement aufrechterhalten wird, verbunden ist.
  • Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung konkreter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Stoffdampfimpulslaser, Längsschnitt; Fig. 2 desgleichen, wie in Bi. 1, mit Elektroden in der kalten Zone der Gasentladungsröhre; Fig 3 die elektrische Schaltung für den in Fig. 1 gezeigten Laser; Fig. 4 Oszillogramme der Heizspannung und der Anregungsimpulse, die das Speiseverfahren des Lasers veranschaul ichen.
  • Der in Fig. 1 gezeigte Stoffdampfimpulslaser enthält eine mit einem Wärmeisolator 2 versehene Gasentladungsröhre 1 mit direkt auf dieser aufgewickelten Induktivität 3, die in einer vakuumdicnten Hülle untergebracht ist. Die Laserelektroden 5, 6 sind in der Gasentladungsröhre 1 untergebracht und haben gemeingama Anschlüsse 7, 8 mit der Induktivität 3. Der Arbeitsstoff 9 ist in der Gasentladungsröhre 1 untergebracht. Der Laser hat Austrittsfenster 10, 11 zur Herausführung der Laserstrahlung und einen Kiíhlwassermantel 12, der die Röhre 1 umfaßt.
  • Bei der in Fig. 2 gezeigten Laserausführung sind die Elektroden 13, 14 in der kalten Zone 15 der Gasentladungsröhre 4 angeordnet. Die Temperatur ist in der kalten Zone 15 niedriger als die Temperatur in dem Arbeitsteil 16 der Gasentladungsröhre 1 und übersteigt nicht 300°C. Die elektrische Verbindung der Induktivität 3 mit den Anschlüssen 7, 8 erfolgt; über die Enden 17, 18 der Induktivität 3, die bei dieser Variante gekürzt ausgeführt ist und nicht über die Grenzen des Arbeitsteils 16 der Rohre hinausragt.
  • Die elektrische Schaltung des lasers, die in Fig. 3 dargelegt ist, enthält eine zusätzliche Speisequelle (Heizspannungsquelle), die parallel zur Induktivität 3, welche als Heizelement dient, geschaltet ist; eine Gasentladungsröhre 1 mit Elektroden 5, 6 einen parallel zu den Elektroden 5, 6 der Gasentladungsröhre geschalteten elektrischen Kondensator 20, einen in Reihe mit den Elektroden 5, 6 geschalteten Kondensator 21 und einen Schalter 22 ( orliegend ein Thyratron).
  • Äuf den Osziflogrammen nach fig. 4a, b, c ist auf der Abszissenachse die Zeit t und auf der Ordinatenachse die Spannungsamplitude U abgetragen.
  • Der Stoffdampfimpulslaser funktioniert wie folgt.
  • Die Gasentladungsröhre 1 (Fig. 1) füllt man mit Puffergas me und legt die Spannung von der Heizspannungsquelle 19 (Fig. 3) an, was die Gasentladungsröhre 1 (Fig. 1) auf die Arbeitstemperatur, die dem optimalen Druck der Dämpfe des Arbeitsstoffes 9 entspricht, aufheizt. Dann legt man an den in Reihe mit den Elektroden 5, 6 geschalteten Kondensator 2 (Fig. 3) zur Formierung eines Anregungsimpulses eine gleichgerichtete positive Hochspannung, die den Sondensator 21 ueber die Induktivität 3 (Fig. 3) auf die Spannung U auflädt. Auf den Schalter 22 gibt man einen Steuerimpuls, der den Schalter 22 öffnet. Dann erfolgt eine Umladung des in Reihe mit den Elektroden 5, 6 geschalteten Kondensators 21 über den offenen Schalter 22 auf den parallel zu den Elektroden 5, 6 geschalteten Kondensator 20, der über das Gasentladungsvolumen der Gasentladungsro"bre 1 entladen wird Hierbei werden die Atome des Arbeitsstoffes 9 angeregte was zur Entstehung einer Laserstrahlung führt, die durch die Fenster IO, II herausgeführt wird.
  • Hierbei iird der Wert der Induktivität 3 derart gewählt, dass die Entladezeit des Kondensators 20 (Fig. 3) grsser als die Zeit der Entladungsentwicklung an der Gasentladungsröhre 1 ist.
  • Im Falle einer Zündung durch den Anregungsimpuls einer Begenentladung,die zwischen den Elektroden 5, 6 beim Anlegen an die Induktivität 3 einer Heizspannung im Falle, wenn die Amplitude der letzteren die Bogenbrennspannung in dem aktiven Medium übersteigt bzw. dieser gleich ist, entstehen kann, kann man die Laserausführungsvariante gemäss Fig. 2 benutzen. In diesem Falle ist die Funktion des Lasers den oben beschriebenen ähnlich, jedoch erhöht die Verlagerung der Elektroden 13, 14 in die kalte Zone 15 der Gasentladungsröhre 1, wo die Temperatur der Rohre 1 tiefer als in dem mittleren Arbeitsteil 16 ist und die Ausführung der Elektroden 13, 14 aus einem Material mit hoherer Austrittsarbeit die Brennspannung der Bogenentladung, so dass der Anregungsimpuls keine Bogenentladung zünden kann. Pur die Elektroden 13* 14 verwendet man ein Material mit einer Austrittsarbeit von über 4 eV, Zum Beispiel Tantal oder Molybdän (die Austrittsarbeit fär diese Stoffe beträgt 4, 3 eV).
  • Ist die Amplitude der an die Induktivität 3 (Fig. 1) angelegten Spannung, die der Bueheizung des aktiven Teils der Gasentladungsröhre 1 zwischen den Elektroden 5, 6 auf die Arbeitstemperatur entspricht, so gross, dass die Verlagerung der Elektroden 13, 14 in die kalte Zone 15 und deren Ausführung aus einem Material mit maximaler Austrittsarbeit nicht zum Verschwinden der Bogenentladung führt, so ist es zweckmässig, eine Laservariante nach Fig. 1 zu benutzen, wobei seine Speisung gemäss der Erfindung erfolgt.
  • In diesem Falle ist die Heizspannungsquelle 19 eine Sinusspannungsquelle und die Steuerimpulse gibt man auf den Schalter derart, dass die Zeitpunkte der Entladung des Kondensators 20 mit den Nullwerten der Reizspannung überein~ stimmen, wobei folgende Bedingungen zu erfüllen sind; Hierin bedeuten: Co - zyklische Frequenz der Sinusspannung; k - positive ganze Zahl; f - Folgefrequenz der Anregungsimpulse; UO- Amplitude der Sinusspannung; Ul- Brennspannung der Bogenentladung in dem aktiven Medium des Lasers; Io Amplitude des das Heizelement durchfließenden Sinusstromes; P - Leistung, die für die die Aufheizung der Lasergasentladungsröhre bis auf die Arbeitstemperatur benötigt ist; a E- Anteil der Energie des Anregungsimpulses, der in Warme dissipiert wird.
  • Hierbei kann ein Anregungsimpuls zu jedem Zeitpunkt des Heizspaxinungsnullwertes, wie gemäß Fig. 4a,oder zu jedem zweiten Zeitpunkt des Heizspannungsnullwertes Cs. Fig. 4b) oder zu jedem dritten Zeitpunkt des Heizspannungsnullwertes (s. Fig. 4c) usw. gegeben werden, was die Möglichkeit bietet, die Folgefrequenz der Strahlungsimpulsa der Laserstrahlung diskret zu ändern.
  • Bei einer derartigen Art der Laserspeisung ist die entstehung einer Bogenentladung bei Eintreffen eines Anregungsimpuls dadurch ausgeschlossen, daB die Amplitude der an die Induktivität 3 beim Eintreffen eines Anregungsimpulses angelegten Spannung gleich Null ist oder deren Größe nicht zum Brennen einer Bogenentladung ausreicht.

Claims (3)

  1. STOFFDAMPFIMPULSLASER UND VERFAHREN ZUR SPEISUNG DESSELBEN Patent ansprüche (1). Stoffd@mpfimpul@laser, enthaltend eine mit einem Heizelement versehene, in einer vakaumdichten Hülle untergebrachte wärmeisolierte Gasentladungsrohre, in der Gasentladungsröhre untergebrachte Elektroden, eine an die Elektroden angeschlossene Speiseschaltung, die eine Impulsspeisequelle und eine parallel zu den Blektroden gesonaltete Induktivität enthält, d a d u r c h g e k e nn z e i c h n e t, daß die induktivität (3) unmittelbar auf der Gasentladungsröhre (1) aufgewickelt ist und die Punktion eines Heizelementes erfüllt und parallel zu dieser eine zusätzliche Speisequelle (19) geschaltet ist.
  2. 2. Stoffdampfimpulslaser, nach Änsprucn 1, d a d u roh g e k e n n z e i c h n e t, daß die Elektroden (5, 6) in der kalten Zone (15) der Gasentladungsröhre (1) angeordnet und aus einem Material mit hoher Austrittsarbeit ausgeführt sind.
  3. 3. Verfahren zur Speisung des Stoffdampfimpulslasers nach Anspruch 1, das darin besteht, daß man die Aufheizung der Röhre durch gleichzeitiges anlegen der Heizspannung an das Heizelement und der Anregungsimpulse an die Elektroden der Gasentladungsröhre durchführt, d a d u r r c h g e k e n n z e i c h n e t, daS man die Heizspannung als Sinusspannung wählt und die Anregungsimpulse zu den Zeitpunkten, wo die Heizspannung den Nullwert erreicht, gibt. wobei folgende Bedingungen zu erfüllen sind: Io Uo # = k#f; Uo < Ul; = P-#Ef, 2 worin bed@uten: # - zyklische Frequenz der Sinusspannung; k - positive ganze Zahl; f - Folgefrequenz der Ausgangsimpulse; UO- Amplitude der Sinnsspannung; U1- Brennspannung der Bogenentladung in dem aktiven Xedium des Lasers; Io - Amplitude des das Heizelement durchfließen Sinusstromes; P - Leistung, die für die Aufheizung der Lasergasentladungsröhre auf die Arbeitstemperatur benötigt ist; #E -Anteil der Energie des Anregungsimpulses, der in Wärme dissipiert wird.
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