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Frequenzstabiler Gaslaser.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gaslaser gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Eine solche Laserausführung kann der DE-OS 22 13 489 entnommen
werden.
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Wenn die Ausgangs strahlung eines Lasers eine genau definierte Frequenz
haben soll, so muß man vor allem dafür sorgen, daß der Abstand zwischen den Resonatorspiegeln
nicht durch Temperaturschwankungen beeinflußt wird. Eine Möglichkeit, den Resonator
temperaturstabil zu halten, besteht darin, die Reflektoren an einen gemeinsamen
Träger mit einer extrem geringen thermischen Ausdehnung zu fixieren. Diese relativ
einfache Technik ist besonders attraktiv geworden, seitdem es gelungen ist, bestimmte
Glaskeramiken mit einem Ausdehnungskoeffizienten d;< 1-10-7°K-1 im Betriebstemperaturbereich
zu entwickeln.
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Werkstoffe mit solchen i-Werten können allerdings nicht ohne weiteres
auch als Vakuumhülle dienen, denn sie sind thermisch an Elektroden üblicher Beschaffenheit
nicht angepaßt und erlauben deshalb keine der gewohnten Leiterdurchführungen. Natürlich
könnte man sich mit nachgiebigen Dichtungen auf Kunstharz- oder Indiumbasis behelfen,
diese Techniken sind aber schon deshalb unbefriedigend, weil sie nur geringe Ausheiztemperaturen
unter 200ob zulassen.
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Deshalb hat man auch schon relativ früh daran gedacht, ein thermisch
auf die Elektroden abgestimmtes Hüllengefäß zu verwenden und den eigentlichen Resonator
in dem Gefäß zu lagern, und zwar so, daß es zu keinen hitzebedingten Verspannungen
kommt. Ein solcher Aufbau ist fraglos kompliziert, zumal zusätzliche Maßnahmen -
Trennscheibe Les 1 Lk/15.7.1983
im Gasballastraum, Einschnürung
der Hülle (DE-OS 22 13 489), Ummantelung der Elektroden - erforderlich sind, damit
die Gasentladung nur auf der dafür vorgesehenen Strecke zwischen den Spiegeln und
nicht etwa außerhalb des Resonatorvolumens brennt.
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UnerwunschteEntLadungentreXnricht auf, wenn man den temperaturinvarianten
Spiegelträger durch ein Skelett aus Längsstäben realisiert, zwischen diese Stäbe
ein mit einer Kapillarenbohrung versehenes Plasmarohr einschiebt und die Elektroden
durch die Rohrwandung direkt zur Bohrung führt. Probleme ergeben sich aber, wenn
das Rohr, wie in der DE-OS 3009611 vorgesehen, durch die Spiegel vakuumdicht abgeschlossen
werden soll, denn die Verbindung Rohr-Spiegel muß erhebliche Ausdehnungsunterschiede
ausgleichen können; der Laser der zitierten Offenlegungsschrift enthält eine aufwendige,
stützbedürftige Metallbalgdichtung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen frequenzstabilen Gaslaser
zu entwickeln, der relativ einfach aufgebaut ist, eine vollkommen dichte Vakuumhille
hat und nicht zu unerwünschten Gas entladungen neigt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Laser mit derriMerkinal
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Der vorgeschlagene Lasertyp, bei dem der Resonator gemäß der DE-OS
2213489 thermisch entkoppelt in einer gesonderten Vakuumhülle gelagert wird, verfügt
wegen des erfindungsgemäß vorgeschriebenen Ausdehnungsverhaltens für Spiegelträger
und Hülle über eine Strahlungsfrequenz mit minimalen Schwankungen und über eine
langzeitstabile Gasfüllung. Der Herstellungsaufwand hält sich in Grenzen, nicht
zuletzt auch deshalb, weil die Elektroden im Gasballastraum nicht eigens separiert
sind. MTenn es dort trotzdem nicht zu störenden Gasentladungen kommt, so liegt dies
daran, daß erfindungsgemäß eine Gesetzmäßigl eit ge-
nutzt wird,
die von Paschen im vorigen Jahrhundert entdeckt lsurde und beispielsweise in der
von K.Wiesemann beschriebenen einführung in die Gaselektronik", 1976, B.G.Teubner-Verlag,
im Kapitel 4.1 behandelt wird: Bei Gasen hängt die Zundspannung Vz vom Produkt aus
dem Gasdruck p und dem Elektrodenabstand d ab. Alle Zündkurven sind dadurch charakterisiert,
daß Vz mit zunehmendem pd zunächst steil abfällt, dann ein Minimum durchläuft und
schließlich wieder flach ansteigt. Das bedeutet, daß man bei vorgegebenen Spannungs-
und Druckwerten eine Gasentladung enfach dadurch verhindern kann, daß man den Elektrodenabstand
hinreichend klein hält. Das Paschengesetz wurde bisher, soweit ersichtlich, bei
Gaslasern noch nicht angewendet. Möglicherweise war man in der -irrigen - Vorstellung
verhaftet, die üblichen Lasergase bzw. -gasmischungen verlangten Vz und p-Werte,
bei denen man praktisch nicht in den linken Ast der Zündkurve gelangen kann.
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Die Elektroden lassen sich auf verschiedene Weise einander nähern.
So könnte man auf die Hülleninnemfard aufeinander zu laufende Streifen metallisieren,
die dann beim Zusammenbau der Röhre jeweils mit einer der durchgeführten Elektroden
in Kontakt kommen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Vakuumhülle ganz
aus Metall herzustellen, mit einer der Elektroden elektrisch zu verbinden und ggf.
auch noch die Gegenelektrode mit einem Metallröhrchen auf Hüllenpotential zu umgeben.
Ein Metallgehäuse, das an sich bereits zm Stand der Technik gehört (DE-OS 29 43
358),bietet einen weiteren Vorteil: Die Umgebung wird von der Gasentladung, die
stets eine elektromagnetische Störquelle darstellt, abgeschirmt Die Erfindung soll
nun anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung näher erläutert werden. In den Figuren sind einander entsprechende Teile
mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt
und Fig. 2 in einem Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel.
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Die Figuren sind der Übersicht halber sehr schematisch gehalten. Für
ein Verständnis der Erfindung nicht ungedingt erforderliche Einzelteile, etwa Zuleitungen
oder Halterungselemente, sind nicht immer eingezeichnet.
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Der Gaslaser der Fig. 1 ist ein kleiner C02-Laser, der beispielsweise
zur Entfernungsmessung eingesetzt werden könnte. Er enthält im einzelnen einen aus
zwei Spiegeln 1, 2 und einem Spiegelträger 3 gebildeten Resonator und eine Vakuumhülle
4 mit Elektroden 5, 6, einer Abschlußplatte 7 und einem Fenster 8.
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Der Spiegelträger 3 ist ein rohrförmiger Hohlkörper mit einer Längsausnehmung
9 und seitlichen Öffnungen 10, 11.
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Dieser Block hat plan geschliffene Stirnflächen, an die Jeweils einer
der beiden Spiegel 1, 2 direkt angesetzt ist.
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Die Vakuumhülle 4 hat die Form eines Hohlzylinders, der den Resonator
I;oaxial umgibt. Ifie der Fig. 1 zu entnehmen, ruht der Resonator mit seinem einen
Ende in einer bodenseitigen Zylindervertiefung 12 und mit seinem anderen Ende in
einer stirnseitigen Zylinderöffnung 13. Diese Öffnung wird durch die Platte 7 abgeschlossen,
die ihrerseits eine - durch das Fenster 8 abgedeckte - Öffnung 14 aufweist. Zwischen
dem (teildurchlässigen) Spiegel 2 und der Platte 7 ist eine Feder 15 eingelegt,
die den Resonator gegen den Hüllenboden drückt; eine Feder 16 sorgt dafür, daß der
Resonator auch in radialer Richtung Anschlag findet.
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Durch die Seitenwand der Hülle 4 ragen zwei Stifte 17,18, die jeweils
bis in eine de Seitenöffnungen 10, 11 hineinreichen. Jeder Stift ist mit einem auf
der Hülleninnenwand befindlichen Metallstreifen 19, 20 verbunden.
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Der Abstand d zwischen diesen beiden Streifen liegt -in Abhängigkeit
von der Gaszusammensetzung, dem Gasdruck und der Entfernung zwischen den Stiftspitzen
- zwischen einigen Zehntelmillimetern und mehreren Millimetern.
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Die Laserröhre besteht aus folgenden Materialien: Der Spiegelträger
aus ZerodurW (Warenzeichen der Firma Schott) mit einem oCvon 0,5C10-7°K-1 zwischen
20°C und 300°C; Vakutamhülle und Fenster aus einem Hartglas, das von Schott unter
der Bezeichnung "8250" vertrieben wird und in dem erwähnten Temperaturbereich einen
Cc -Wert von 50*10-7°K-1 hat; die Elektrodenstifte aus Molybden, das thermisch an
t'8250" angepaßt ist; die Abschlußplatte aus einer Ni-Fe-Co-Legierung mit einem
oC von ebenfalls 50s10-7°K-1. Die Stifte sind in die Hüllenwandung eingeschmolzen,
und die Abschlußplatte sowie das Fenster sind in einer Glaslottechnik fixiert, so
daß die gesamte Einheit absolut.gasundurchlässig ist.
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Der in Fig. 2 dargestellte Gaslaser ist ein Ringlaser zur Bestimmung
von Winkelgeschwindigkeiten. Bei dieser Ausführung besteht der Spiegelträger aus
drei rohrförmigen Abschnitten, die zu einem gleichseitigen Dreieck zusammengesetzt
sind. In den Eckpunliten dieses Dreiecks sitzt jeweils ein Spiegel 1, 2 und 2'.
Der gesamte Resonator wird von einer rohrförmigen, aus Metall bestehenden Vakuumhülle
4' umschlossen, durch deren Wandung drei Elektroden - zwei Kathoden 17, 17' und
eine Anode 18 -geführt sind. Die Hülle ist mit den Kathoden elektrisch verbunden
und gegen die Anode über eine Keramikbuchse 21 isoliert. Alle Elektroden reichen
in Seitenöffnungen10, 10' und 11 des Spiegelträgers, und die Anode wird auf ihrem
Abschnitt zwischen Hülle und Spiegelträger von
einem Metallröhrchen
22 umgeben, das auf gleichem Potential wie die Hülle liegt und zu dem Anodenstift
den Aostand d einhält. Eine Feder 15' drückt den Spiegeltrager gegen zwei an der
Hülle befestigte Stützen 23, 24.
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Für weltere Konstruktionseinzelheiten wird auf die DE-OS 31 51 228
verwiesen.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Ausführungsbeispiele.
So könnte man beispielsweise auch auf andere Gase bzw. Gasmischungen, beispielsweise
ein HeNe-Gemisch, übergehen und/oder die Abmessungen verändern, sofern der kritische
Elektrodenabstand nicht allzu klein wird.
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6 Patentansprüche 2 Figuren