DE3225327C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasentladungsimpulslaser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Solche Gasentladungsimpulslaser können als Laser mit erhöhter mittlerer Leistung, mit großem Durchmesser des Gasentladungskanals, erhöhtem Wirkungsgrad und für Strahlungsimpulsfolgefrequenzen von Bruchteilen eines Hertz gebaut werden und finden Anwendung insbesondere in der Medizin, der Holographie, der Erkundung der Atmosphäre usw.

Aus der Zeitschrift "Kwantowaja Elektronika", 1975, Band 2, S. 159 ist ein gattungsgemäßer Gasentladungsimpulslaser bekannt, bei dem der Entladungsraum der Gasentladungsröhre durch Dissipation der bei den Entladungen eingespeisten Energie aufgeheizt wird. Dieser Laser hat eine Gasentladungsröhre aus vakuumdichtem Material mit Elektroden, deren zentraler, die Elektroden mit einschließender Abschnitt von einem nicht evakuierten Wärmeisolator umgeben ist. Die Entladungen werden gespeist von einer Impulsspeiseschaltung mit zwei Kondensatoren, deren einer parallel zu den Laserelektroden und deren anderer in Reihe mit diesen geschaltet ist, sowie mit einer Induktivität, die die Elektroden untereinander verbindet.

Die direkte Abhängigkeit der Temperatur des Entladungsraumes der Gasentladungsröhre von der für die Entladungen zur Anregung des aktiven Mediums des Lasers je Zeiteinheit eingeleiteten Energie führt dazu, daß der Betrieb nur in einem schmalen Strahlungsimpulsfolgefrequenzbereich möglich ist, bei dem sich eine Temperatur innerhalb des Temperaturintervalls einstellt, in dem eine Strahlungserzeugung stattfindet. Außerdem macht diese Abhängigkeit die Optimierung der Anregungsimpulse zur Erzielung einer maximalen Energieabstrahlung unmöglich und vermindert somit den Wirkungsgrad des Lasers. Die Leistung, die der verwendete Schalter, z. B. ein Thyratron oder ein Thyristor, schalten kann, ist begrenzt, so daß die Zeit zur Erreichung der Betriebsbereitschaft des Lasers lang ist und in der Größenordnung von 30 min liegt.

Aus der Zeitschrift "Pribori i technika experimenta", 1974, Nr. 1, S. 160 ist ein Gasentladungsimpulslaser bekannt, dessen aus vakuumdichter Keramik gefertigte Gasentladungsröhre mit Elektroden in einem zylindrischen Ofen koaxial zu diesem untergebracht ist. Zwischen der Gasentladungsröhre und der Innenfläche des Ofens bleibt ein ringkanalförmiger luftgefüllter Spalt. Zur Speisung dieses Lasers sind zwei Speisequellen erforderlich, nämlich eine mit einem regelbaren Heiz­ transformator für den Ofen und eine weitere an die Elektroden angeschlossene Impulsspeisequelle mit zwei Kondensatoren, deren einer parallel zu den Elektroden der Gasentladungsröhre und deren anderer in Reihe mit diesen geschaltet ist, sowie mit einer Induktivität, die die Elektroden untereinander verbindet. Hier hängen die Aufheizung des Entladungsraums der Gasentladungsröhre und die Anregung des aktiven Mediums nicht voneinander ab, was eine Optimierung der Anregungsimpulse zur Erzielung einer maximalen Energieausstrahlung und somit eine Erhöhung des Wirkungsgrades der in für die Entladungen verbrauchten Energie ermöglicht. Außerdem kann hier die Frequenz der Impulsfolge von Bruchteilen eines Hertz bis zu Hunderten von Kilohertz betragen. Dieser bekannte Laser ist jedoch wenig zuverlässig, denn es sind elektrische Überschläge der Elektroden zum Heizelement möglich, die zur Undichtheit der Gasentladungsröhre und einem Ausfall derselben führen können. Außerdem macht der Ofen als aufwendiges Bauelement den Betrieb schwierig und erhöht den Preis des Lasers. Der genannte Luftspalt und die Innenwand des Ofens verringern den Energieanteil der zur Aufheizung des Entladungsraums der Gasentladungsröhre wirksam ist, was den Wirkungsgrad der gesamten Laseranordnung ab­ senkt.

Aus der FR-PS 15 35 445 ist ein Laser mit einer metallischen Gasentladungsröhre bekannt, welche die Funktion einer der Elektroden erfüllt. Die zweite Elektrode ist ein in Achsrichtung gespannter Metallfaden. Zur Heizung dient ein Wendel aus Metalldraht mit Elektroisolierüberzug, der direkt auf die Metallwände der Gasentladungsröhre aufgewickelt ist und außen von einer Wärmeisolierschicht umgeben ist. Die Speisung des Lasers erfolgt auch hier aus zwei Quellen, nämlich einem regelbaren Heiztransformator für das Heizelement und einer Impulsspeisequelle für die Elektroden.

Bei dieser Ausbildung des Lasers und seiner Speisung ergeben sich nur geringe Energieverluste bei der Aufheizung des Entladungsraums der Gasentladungsröhre, da das Heizelement direkt auf der Gasentladungsröhre angeordnet ist. Da ein Ofen entfällt, ist auch schnell die Betriebsbereitschaft erreicht. Da die Arbeitstemperatur unabhängig von den Parametern der Impulsanregung des aktiven Mediums eingestellt werden kann, können optimale Parameter der Impulsanregung und damit eine optimale Energieausstrahlung und Wirkungsgrad erzielt werden. Der Betrieb ist in einem weiten Änderungsbereich der Strahlungsimpulsfolgefrequenz möglich. Jedoch ergibt sich infolge der koaxialen Anordnung der Elektroden bei dieser Laserkonstruktion eine starke Inhomogenität des elektrischen Feldes im Querschnitt, so daß das Anregungsvolumen nicht voll genutzt wird, was zur Senkung der mittleren Leistung der Laserstrahlung führt und eine homogene Anregung über das gesamte Arbeitsvolumen unmöglich macht. Die Energieausstrahlung und der Wirkungsgrad des Lasers sind deshalb beeinträchtigt. Außerdem kann es, vor allem bei hohen Speisespannungen, zum Auftreten von Bogenbildung kommen, was es schwierig macht, eine homogene Strahlung längs der Achse der Gasentladungsröhre auf einer großen Länge zu erhalten und die Möglichkeit der Erzielung großer mittlerer Leistungen begrenzt. Darüber hinaus ist es technologisch kompliziert, den notwendigen Anforderungen entsprechende Wendel herzustellen. Eine Beschädigung der Isolierschicht führt aber zu einem Durchschlag zwischen dem Wendel und der als Elektrode dienenden Metallwand der Gasentladungsröhre.

Aus der US-Zeitschrift "Review of Sci. Instr.", 38 (1967), S. 1538-1540 ist ein Gasentladungsimpulslaser bekannt, in dessen gläserner Gasentladungsröhre eine rohrförmige Katode und zu beiden Seiten derselben je eine Anode angeordnet sind. Zur Heizung dienen außerhalb des Bereichs der Katode auf die Röhre aufgebrachte Windungen. Auch hier müssen zwei Speisequellen Anwendung finden, und eine besondere Wärmeisolierung ist nicht vorgesehen.

Bei einem aus US-PS 42 95 103 bekannten Metalldampflaser finden Induktoren Anwendung, die zur impulsartigen Erzeugung von Dämpfen des aktiven Mediums im Gasentladungsraum dienen, wozu eine Entladung über den Schlitz eines geschlitzten Rings erzeugt wird. Eine thermische Erzeugung von Dämpfen mittels einer Heizung findet hier von vornherein nicht statt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist Schaffung eines Gasentladungsimpulslasers für den Betrieb mit einem dampfförmigen aktiven Medium, der bei stabiler Strahlungsenergie in einem weiten Bereich von Impulsfolgefrequenzen betrieben werden kann, die von Bruchteilen eines Hertz bis zu Hunderten von Kilohertz reichen können, wobei eine ständige Betriebsbereitschaft aufrechterhalten werden kann, so daß die Strahlung sofort nach Einschalten der Impulsspeisequelle beginnt, sowie eine hohe Impulsleistung der Laserstrahlung erzielt und ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.

Ausgehend von einem Laser der oberbegrifflich vorausgesetzten Bauart gelingt die Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale.

Der entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgeführte Laser ist von hoher Zuverlässigkeit, denn Elektrodenüberschläge zum Heizelement sind unmöglich, weil die auch als Heizelement dienende Induktivität elektrisch mit den Elektroden in der Gasentladungsröhre verbunden ist. Der Aufbau ist einfach, weil die Gasentladungsröhre in einer vakuumdichten Hülle zusammen mit dem Wärmeisolator untergebracht ist und zum Speisen des Heizelementes und Anlegen der Anregungsimpulse nur zwei Anschlüsse erforderlich sind.

Der erfindungsgemäße Laser gestattet es, in einem weiten Frequenzbereich der Laserstrahlungsimpulse 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.

Es können hohe (bis 3% bei einem Kupferdampflaser) Wirkungsgrade erzielt werden, weil die Parameter der Anregungsimpulse und die Anregungsimpulsfrequenz im Sinne einer höchstmöglichen Energieabstrahlung und eines höchstmöglichen Wirkungsgrades bei konstanter optimaler Temperatur des Entladungsraums der Gasentladungsröhre optimal eingestellt werden können.

Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Beschreibung zu der beiliegenden Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Gasentladungsimpulslaser im Längsschnitt;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform 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 ver­ anschaulichen.

Der in Fig. 1 gezeigte Gasentladungsimpulslaser hat eine von einem Wärmeisolator 2 umgebende Gasentladungsröhre 1 mit direkt auf dieser aufgewickelter Induktivität 3. Diese Anordnung ist in einer vakuumdichten Hülle 4 untergebracht. Die Elektroden 5, 6 des Lasers sind in der Gasentladungsröhre 1 untergebracht und haben gemeinsame Anschlüsse 7, 8 mit der Induktivität 3. Das aktive Medium 9 ist in der Gasentladungsröhre 1 unter­ gebracht. Der Laser hat Austrittsfenster 10, 11 zum Auslaß der Laserstrahlung und einen Kühlwassermantel 12, der die Gasentladungsröhre 1 umfaßt.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Laserausführung sind die Elektroden 13, 14 in der kalten Zone 15 der Gasentladungsröhre 1 angeordnet. Die Temperatur ist in der kalten Zone 15 niedriger als die Temperatur in dem Entladungsraum 16 der Gasentladungsröhre 1 und bleibt unter 300°C. Die elektrische Verbindung der Induktivität 3 mit den Anschlüssen 7, 8 erfolgt über Enden 17, 18 der Induktivität 3. Diese ist in dieser Ausbildung kürzer ausgeführt und ragt nicht über die Grenzen des Entladungsraums 16 der Gasentladungsröhre hinaus.

Die elektrische Schaltung des Lasers enthält eine zusätzliche Speisequelle (Heizspannungsquelle), die parallel zur Induktivität 3, welche als Heizelement dient, geschaltet ist. Parallel zur Gasentladungsröhre 1 mit Elektroden 5, 6 ist ein Kondensator 20 und in Reihe mit den Elektroden 5, 6 ein Kondensator 21 geschaltet. Parallel zu den Kondensatoren 20, 21 liegt ein Schalter 22 (vorliegend ein Thyratron).

Auf den Oszillogrammen nach Fig. 4a, b, c ist auf der Abszissenachse die Zeit t und auf der Ordinatenachse die Spannungsamplitude U abgetragen.

Der Betrieb der beschriebenen Gasentladungsimpulslaser verläuft wie folgt:

Die Gasentladungsröhre 1 füllt man mit Puffergas Ne und legt die Spannung von der Heizspannungsquelle 19 an. Die Gasentladungsröhre 1 wird auf eine Arbeitstemperatur, die dem optimalen Druck der Dämpfe des aktiven Mediums 9 entspricht, aufgeheizt.

Dann legt man an den in Reihe mit den Elektroden 5, 6 geschalteten Kondensator 21 zur Erzeugung eines Anregungsimpulses eine gleichgerichtete positive Hochspannung, die den Kondensator 21 über die Induktivität auf die Spannung U auflädt. Auf den Schalter 22 gibt man einen Steuerimpuls, der diesen leitend schaltet. Es erfolgt eine Umladung des in Reihe mit den Elektroden 5, 6 geschalteten Kondensators 21 über den leitenden Schalter 22 auf den parallel zu den Elektroden 5, 6 geschalteten Kondensator 20, der über das Gasentladungsvolumen der Gasentladungsröhre 1 entladen wird. Hierbei werden die Atome des aktiven Mediums 9 angeregt, was zur Entstehung einer Laserstrahlung führt, die durch die Fenster 10, 11 aus­ tritt.

Der Wert der Induktivität 3 ist derart gewählt, daß die Entladezeit des Kondensators 20 größer als die Zeit der Entladungsentwicklung in der Gasentladungsröhre ist.

Wenn die Amplitude der Heizspannung die Bogenbrennspannung in dem aktiven Medium übersteigt oder dieser gleich ist, kann der Anregungsimpuls eine Bogenentladung zwischen den Elektroden 5, 6 zünden. In diesem Fall ist die Laserausführungsvariante gemäß Fig. 2 geeignet. Deren Funktion ist dem oben beschriebenen ähnlich, jedoch erhöht die Verlagerung der Elektroden 13, 14 in die kalte Zone 15 der Gasentladungsröhre 1, wo die Temperatur der Röhre 1 tiefer als in dem mittleren Entladungsraum 16 ist, und die Ausführung der Elektroden 13, 14 aus einem Material mit höherer Austrittsarbeit die Brennspannung der Bogenentladung, so daß der Anregungsimpuls keine Bogenentladung zünden kann. Für die Elektroden 13, 14 verwendet man ein Material mit einer Austrittsarbeit von über 4 eV, zum Beispiel Tantal oder Molybdän (die Austrittsarbeit für diese Stoffe beträgt 4,3 eV).

Ist die Amplitude der an die Induktivität 3 angelegten Spannung, die der Aufheizung 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 und die Speisung gemäß Fig. 3 durchzuführen.

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 Nulldurchgängen der Heizspannung übereinstimmen, wobei folgende Bedingungen zu erfüllen sind:

Hierin bedeuten:

ω - zyklische Frequenz der Sinusspannung;
k - positive ganze Zahl;
f - Folgefrequenz der Anregungsimpulse;
U₀ - Amplitude der Sinusspannung;
U₁ - Brennspannung der Bogenentladung in dem aktiven Medium des Lasers;
I₀ - Amplitude des das Heizelement durchfließenden Sinusstromes;
P - Leistung, die für die die Aufheizung der Lasergasentladungsröhre bis auf die Arbeitstemperatur benötigt wird;
Δ E - Anteil der Energie des Anregungsimpulses, der in Wärme dissipiert wird.

Hierbei kann ein Anregungsimpuls bei jedem Heizspannungsnulldurchgang gemäß Fig. 4a oder bei jedem zweiten Heizspannungsnulldurchgang gemäß Fig. 4b oder bei jedem dritten Heizspannungsnulldurchgang gemäß Fig. 4c usw. gegeben werden, was die Möglichkeit bietet, die Folgefrequenz der Strahlungsimpulse der Laserstrahlung diskret zu ändern.

Bei dieser Speisung des Lasers ist die Entstehung einer Bogenentladung bei Eintreffen eines Anregungsimpulses dadurch ausgeschlossen, daß 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 (2)

1. Gasentladungsimpulslaser

   • - mit einem dampfförmigen aktiven Medium in einer wärmeisolierten Gasentladungsröhre, die mit einem Heizelement versehen ist,
   • - mit einer Katode an einem Stirnende und einer Anode am gegenüberliegenden Ende der Gasentladungsröhre, die an eine Speiseschaltung angeschlossen sind,
2. dadurch gekennzeichnet,

   • - daß die Speiseschaltung aus einer Impulsspeisequelle und einer parallel zu den Elektroden (5, 6; 13, 14) geschalteten Induktivität (3) besteht, wobei die Induktivität (3) unmittelbar auf der Gasentladungsröhre (1) zwischen den Elektroden (5, 6; 13, 14) unter vollständiger oder teilweiser Ausfüllung des Abstandes zwischen diesen aufgewickelt ist und die Funktion des Heizelementes erfüllt,
   • - daß parallel zu ihr eine zusätzliche Speisequelle (19) geschaltet ist, und
   • - daß die Gasentladungsröhre (1) in einer vakuumdichten Hülle (4) untergebracht ist.