DE3326903A1 - Frequenzstabiler gaslaser - Google Patents

Frequenzstabiler gaslaser

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DE3326903A1
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DE
Germany
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electrodes
gas
hollow body
laser
resonator
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Withdrawn
Application number
DE19833326903
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English (en)
Inventor
Hinrich Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 8032 Gräfelfing Heynisch
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of DE3326903A1 publication Critical patent/DE3326903A1/de
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/0305Selection of materials for the tube or the coatings thereon

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description

  • Frequenzstabiler Gaslaser.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Laser mit derriMerkinal des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • 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.
  • 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.
  • Es zeigen Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt und Fig. 2 in einem Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel.
  • 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.
  • 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.
  • Der Spiegelträger 3 ist ein rohrförmiger Hohlkörper mit einer Längsausnehmung 9 und seitlichen Öffnungen 10, 11.
  • Dieser Block hat plan geschliffene Stirnflächen, an die Jeweils einer der beiden Spiegel 1, 2 direkt angesetzt ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Für weltere Konstruktionseinzelheiten wird auf die DE-OS 31 51 228 verwiesen.
  • 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.
  • 6 Patentansprüche 2 Figuren

Claims (6)

  1. Patentansprüche $i Frequenzstabiler Gaslaser, enthaltend 1a) einen optischen Resonator mit mindestens zwei Spiegeln und einem Spiegelträger; b) der SDiegelträger ist ein langgestreckter Hohlkörper mit einer durchgehenden Längsausnehmung und seitlichen Druckausgleichsöffnungen und besteht aus einem Material mit einem thermischen Ausdeknungskoeffizienten oGI; c) die Spiegel sitzen jeweils direkt an einer Stirnfläche des Hohlkörpers; 2a) eine vakuumdichte, gasgefüllte Hülle mit mindestens zwei Elektroden; b) der Resonator ist in der Hülle, die aus einem lsiaterial mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten d2 ungleich C1 asz besteht, thermisch entkoppelt gelagert; c) die beiden Elektroden, zwischen denen im Betrieb des Lasers eine durch die Längsausnehmung des Hohlkörpers verlaufende Gasentladung brennt, sind durch die Hüllenwandung geführt; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß 2d) im Temperaturbereich zwischen 20OC und 3000C α1<5.10-7°K-1 und α2>30.10-7°K-1 sind und e) die beiden Elektroden (5, 6) im Gasraum ("Ballastraum") außerhalb des Hohlkörpers (3) einander bis auf einen derart geringen Abstand d genähert sind, daß im Ballastraum keine Gasentladung stattfinden kann.
  2. 2. Laser nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i chn e t , daß gilt:α1<1.10-7°K-1 undoC2> 4510-70K-1.
  3. 3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennz e i c h n e t, daß jede Elektrode (5,6) einen Stift (17, 17',18) enthält, der durch die Hüllenwandung geführt ist und bis in eine der Druckausgleichsöffnungen (10, 10',11) hineinreicht.
  4. 4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß zumindest eine der Elektroden (5, 6) einen Metallstreifen (19, 20) enthält, der sich auf der Innenwand der Vakuumhülle (4) befindet und zur Gegenelektrode den Abstand d einhält.
  5. 5. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Vakuumhülle (4') aus Metall besteht, mit einer der Elektroden (5, 5') elektrisch verbunden ist und zu der anderen Elektrode ( den Abstand d einhalt.
  6. 6. Laser nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z ei ch -n e t, daß die Vakuumhülle (4') mit einem Meballröhrchen (22) elektrisch verbunden ist, das die andere Elektrode (18) im Abstand d umgibt.
DE19833326903 1983-07-26 1983-07-26 Frequenzstabiler gaslaser Withdrawn DE3326903A1 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4973161A (en) * 1987-12-10 1990-11-27 British Aerospace Public Limited Company Ring laser gyroscopes

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4973161A (en) * 1987-12-10 1990-11-27 British Aerospace Public Limited Company Ring laser gyroscopes

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