DE3346232A1

DE3346232A1 - Laser-katode

Info

Publication number: DE3346232A1
Application number: DE19833346232
Authority: DE
Inventors: Gordon Spencer 91301 Agoura Hills Calif. Norvell
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1982-12-27
Filing date: 1983-12-21
Publication date: 1984-07-05
Also published as: CA1255380A; GB2189341A; DE3607388A1; GB2132407A; GB2189341B; FR2595877A1; JPS62205676A; GB2132407B; FR2538610B1; JPS59132692A; IL70499A0; FR2538610A1; GB8334345D0; IT8349566A0; GB8609664D0; IL70499A; IT1197763B

Description

Laser-Katode
Beschreibung

Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Laser-Verstärker bzw. Laser-Oszillatoren, insbesondere eine ; verbesserte Laser-Katode.

Eine solche Laser-Katode dient dazu, die Elektronen für den Prozeß zu liefern, der für die Laserwirkung ausge- ; nutzt wird. Bei solchen Katoden handelt es sich im allgemeinen um haubenförmige Anordnungen mit einer Aluminiumoberfläche, die sich in der Nähe des Endes eines Kanals

in einem Laser-Körper befinden, der geeignete Gase enthält, ■ wie beispielsweise Helium und Neon. Beim Betrieb wird diese Laser-Katode auf einem negativen Potential gehalten und durch positiv aufgeladene Helium- und Neon-Ionen bombardiert, die sich aufgrund des vorhandenen negativen Potentials mit den Elektronen vereinigen, die der oxydierten Oberfläche der Katode zugeführt werden, wodurch ungeladene Gasmoleküle entstehen.

Eine herkömmliche Laserquelle enthält hochpolierte Spiegel, die sich an den gegenüber liegenden Enden des Laser-Körpers befinden. Wird ein solcher Laser-Oszillator als Element eines Instrumentensystems verwendet, so können nur relativ kleine Änderungen in dem Abstand zwischen den Spiegeln toleriert werden, da dieser Abstand eine extrem kritische Größe darstellt und insbesondere die sich ergebende Ausgangsfrequenz des Laserstrahls stark beeinflußt. Die Aufrechterhaltung eines genau definerten, ausgewählten Abstandes mit den erwähnten, geringen Toleranzen stellt jedoch ein schwieriges technisches Problem dar, wenn ein solcher Laser unter relativ extremen Wärmebedingungen

-Z-

betrieben werden muß. Zur Überwindung dieses Problems wird der Laser-Körper üblicher Weise aus einem Material mit extrem geringem Wärmekoeffizienten hergestellt; zu diesen Materialien gehören verschiedene glaskeramische Werkstoffe,

ie beispielsweise unter den Bezeichnungen "Zerodur" und "Cer-Vit" vertrieben werden. Andererseits muß die Katode Metall enthalten, damit sie ihre Funktion als Elektronenquelle erfüllen kann. Wie oben erwähnt wurde, wird oft Aluminium als Material für die Laser-Katode eingesetzt.

Zur Zeit werden Laser-Katoden aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen durch mehrere übliche, anerkannte Verfahren hergestellt, zu denen Stanzverfahren sowie spanabhebende Verfahren gehören. Diese Verfahren erfordern jedoch eine sehr sorgfältig und entsprechend aufwendige Reinigung und Vorbereitung der inneren Oberfläche der Katode. Darüberhinaus muß bei einigen Anwendungsfällen die Katode gegenüber dem Laserkörper abgedichtet werden. Diese Abdichtung Glas/Metall erfolgt im allgemeinen entsprechend den unterschiedlichen Zusammensetzungen der Katode und des Laser-Körpers. Als Dichtungsmittel wird üblicher Weise Indium eingesetzt. Eine solche Indiumdichtung geht aus der US-PS 4 273 282 (Norveil, et al) für "Dichtungen für Metall/Glas oder keramischer Werkstoff" ("Glass-or-Ceramic-to-Metal Seals") hervor.

Obwohl eine Katode aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung Elektronen für den Laserprozeß liefert, führt die Ausdehnung einer solchen Katode, die sie bei einer Wärmebeanspruchung ausführt, zu Problemen; diese Ausdehnung oder allgemeiner Wärmeexpansion beeinflußt und insbesondere verschlechtert zwar nicht den kurzfristigen Betrieb des Lasers, wirkt sich jedoch auf seine langfristige Integrität aus. Denn die große Differenz in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Aluminium oder einem

anderen Metall für die Katode einerseits und dem glaskeramischen Werkstoff für den Laser-Körper andererseits führt zu starken Wärmespannungen in einem solchen System. Die erwähnte Differenz in den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium und Zerodur begrenzt beispielsweise die Lebenswerwartung einer Abdichtung zwischen einer solchen Katode und dem Laser-Körper sehr stark, wenn die entsprech- : ende Laseranordnung beispielsweise im Zyklus zwischen -55°C und 125⁰C betrieben wird. Obwohl es durchaus geeignete Abdichtungsverfahren für die Verbindung Glas/Glas gibt, wie beispielsweise durch felderunterstützte Verbindungsverfahren, können diese Verfahren nicht für die Abdichtung Metall/Glas eingesetzt werden. Damit wird beispielsweise die oben erwähnte, herkömmliche Dichtung Aluminium/Glas, die üblicher Weise Indium enthält, durch die Schmelztemperatur des Indium von 156⁰C begrenzt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Laser-Katode oder allgemein eine Laseranordnung zu schaffen, bei der die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten.

Weiterhin soll ein verbessertes Verfahren zur Herstellung der entsprechenden Bauelemente vorgeschlagen werden.

Gemäß einem ersten Aspekt wird dies durch eine verbesserte Laser-Katode erreicht, die eine im allgemeinen halbkugelförmige, hohle Haube aus einem Material mit ausgewählten Wärmeeigenschaften aufweist. Die Haube enthält eine innere

Oberflächenschicht aus einem Aluminium-Material-Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine verbesserte Laseranordnung vorgeschlagen. Diese Laseranordnung weist einen Laser-Körper und eine Katode mit einer im allgemeinen halbkugelförmigen, hohlen Haube auf, die aus einem Material mit ausgewählten Wärmeeigenschaften hergestellt ist. Die Haube

der Katode enthält eine innere Oberflächenschicht aus einem Aluminiummaterial.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in einem Verfahren zur Abdichtung eines Laser-Körpers, der aus einem Material mit geringem Wärmekoeffizienten hergestellt ist, gegenüber der zugehörigen Katode. Bei diesem Verfahren wird die Haube bzw. Umhüllung der Katode aus einem Material mit niedrigem Wärmekoeffizienten, insbesondere niedrigem Wärmeausdehnungs koeffizienten, hergestellt. Anschließend wird die Katode abdichtend mit dem Laser-Körper verbunden.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende, schematische Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur einen Querschnitt durch eine Laseranordnung nach der vorliegenden Erfindung zeigt.

In der Figur ist ein Seitenschnitt durch eine Laseranordnung 10 nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese Laseranordnung 10 enthält einen Laserkörper 12, der nach einer bevorzugten Ausführungsform aus einem glaskeramischen Werkstoff hergestellt ist, wie beispielsweise Cer-Vit oder Zerodur. In dem Laser-Körper 12 befindet sich ein Laserhohlraum 14 mit hochpolierten Spiegeln 16, 18 an seinen gegenüber liegenden Enden. Eine Anode 20 und eine Katode 22 stehen mit nach oben verlaufenden Bohrungen 24 und 26 in Verbindung, die den Laser-Hohlraum 14 speisen.

Die Katode 22 hat im allgemeinen die Form einer Halbkugel und weist eine äußere Haube 28 aus Glas, Quarz oder einem glaskeramischen Werkstoff auf, die eine dünne, filmartige Schicht 30 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf ihrer Innenfläche enthält. Die Haube 28 kann durch eins der üblichen Verfahren hergestellt werden, wie sie für die Formung von Quarz und Glas eingesetzt werden; dazu gehören

insbesondere die Glasblas- und -formtechniken. Außerdem kann die Haube 28 durch spanabhebende Bearbeitung aus einem glaskeramischen Werkstoff hergestellt werden, wie beispielsweise Zerodur, Cer-Vit oder dem dotieren Glas, das unter der Bezeichnung "ULE" vertrieben wird. Zu den geeigneten Verfahren für die Beschichtung der inneren Oberfläche der Haube 28 bei der Ausbildung der Schicht 30 gehören die Aufbringung im Vacuum, die Beschichtung durch ein Zerstäubungsverfahren und die Ionenplatierung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen.

Der Erfinder hat festgestellt, daß die auf eine Dichtung 32, die die Katode mit dem Laser-Körper verbindet, ausgeübten Beanspruchungen bzw. Spannungen stark verringert und damit die Lebensdauer dieser Laseranordnung verlängert werden können, wenn eine Katoden-Haube 28 aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet wird, der sehr gut auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Laser-Körpers 12 abgestimmt, also im optimalen Fall identisch damit ist. Weiterhin konnte ermittelt werden, daß eine dünne, filmartige Schicht 30 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung keine ausreichende Masse besitzt, um merkliche Beanspruchungen bzw. Spannungen auf die Abdichtung auszuüben; solange also die Schicht 30 ausreichend dick ist, um die Katode 22 lichtundurchlässig zu machen, erfüllt die Katode ihre Funktion einwandfrei und in gleicher Weise wie eine Katode die allein aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

Die Dichtung 32 kann aus verschiedenen Materialien mit üblichen Verfahren hergestellt werden; dazu gehören insbesondere auch die Materialien und Verfahrehsschritte, die in Verbindung mit der Einwirkung von Wärme und/oder Druck die herkömmliche Indium-Dichtung bilden. Aufgrund der Tatsache, daß sowohl der Laserkörper 12 als auch die Haube

mm Of mm

28 der Katode 22 aus nichtmetallischen, glasartigen Materialien hergestellt werden/ läßt sich die Dichtung 32 zusätzlich aus einem durch ein FeldAinterstützten Verbindungsverfahren herstellen, wie es unter der Bezeichnung "Mallory-Verfahren" (Mallory process) bekannt ist. Bei diesem Verfahren werden die Glaskatode und der Laserkörper auf eine Temperatur von 300⁰C bis 400⁰C erwärmt, während eine Potentialspannung zwischen die Katode und den Laser-Körper angelegt wird. Bei der Erwärmung dieser Anordnung nimmt ihre elektrische Leitfähigkeit zu, so daß ein elektrischer Strom durch die Grenzfläche Katode/Laser-Körper fließen kann. Dieser Strom verursacht die Diffusion der Aluminiumatome von der Schicht 30 in das Glas. Als Ergebnis hiervon steht eine starke, permanente Verbindung, bei der es nicht zu den üblichen Versagern kommt, wie sie bei herkömmlichen Verbindungen Glas/Metall auftreten; solche Versager sind beispielsweise auf die erwähnte, relativ geringe Schmelztemperatur des Indium zurückzuführen.

Es läßt sich also erkennen, daß die vorliegende Erfindung die Herstellung von Laseranordnungen verbessert, und zwar sowohl in Bezug auf das Herstellungsverfahren als auch in Bezug auf die Laseranordnung selbst. Durch Benutzung der Lehre der vorliegenden Erfindung können Laseranordnungen mit erhöhter Lebensdauer bei Temperatur- bzw. Wärmebedingungen gefertigt werden, die sonst die Leistungsfähigkeit der Laseranordnung stark beeinflussen würden. Außerdem ermöglicht die Lehre der vorliegenden Erfindung nun die Verwendung vorteilhafter Verbindungsverfahren, die bisher nicht eingesetzt werden konnten.

Claims

GRÜNECKER. KINKELDEY, STOCKMAIR & PARTNER

PATENTANWÄLTE EUROPEAN PATEN¹ A^ORNCS

A GRUNECKER an.-·*;

DR H KINKELDEV <*·.*<,

DR W STOCKMAIR γλ ■«*. *e e (

DR K SCHUMANN. D«. »"5

P H JAKOB Wv inc

DR G BEZOLD. m cneu

W MEISTER, dpi. ing

H. HlLGERS »»ι ιχ;

DR H. MEYER-PLATH a", inc

10 LITTON SYSTEMS, INC. \ 36O North Crescent Drive Beverly Hills, California 90210 USA

8000 MÜNCHEN 22

MAXtMlLlANSTRASSE 5?

21 .12.83 P 18 465

Laser-Katode

PATENTANSPRÜCHE

Laser-Katode, gekennzeichnet durch

a) eine im allgemeinen halbkugelförmige, hohle Umhüllung (28), die aus einem Material mit ausgewählten Wärmeeigenschaften hergestellt ist,

b) wobei die Umhüllung (28) eine Schicht (30) aus Aluminium an ihrer inneren Oberfläche enthält.
2. Laser-Katode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung Glas enthält.
3. Laser-Katode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (28) Quarz enthält.
4. Laser-Katode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (28). einen ausgewählten glaskeramischen Werkstoff enthält.
5. Laser-Katode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Aluminium besteht.
6. Laser-Katode'nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine ausgewählte Aluminiumlegierung aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung einer Wärmedichtung zwischen einer Laser-Umhüllung aus einem Material mit niedrigem Wärmekoeffizienten und einer Katode, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Umhüllung der Katode aus einem Material mit niedrigem Wärmekoeffizienten hergestellt wird, und daß b) die Katode gegen die Umhüllung abgedichtet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung der Katode Glas aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung der Katode Glas aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung der Katode einen ausgewählten glaskeramischen Werkstoff aufweist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zusätzlichen Schritt eine Aluminiumpnthaltende Schicht auf der Innenseite der Katode ausgebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß , die Schicht aus Aluminium besteht.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einer Aluminiumlegierung besteht.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Katode gegenüber dem Laserkörper durch Druck abgedichtet ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch

gekennzeichnet, daß die Katode mit Unterstützung eines Feldes gegen des Laserkörper abgedichtet ist.
16. Laseranordnung

a) mit einem Laserkörper und

b) mit einer gegen den Körper abgedichteten Laserkatode, dadurch gekennzeichnet, daß

c) die Katode eine im allgemeinen halbkugelförmige, hohle Umhüllung bzw. Haube (28) aufweist, die aus einem Material mit ausgewählten Eigenschaften hergestellt ist, und daß
d) die Umhüllung bzw. Haube (28) eine Aluminiumbnthaltende Schicht an ihrer inneren Oberfläche aufweist.
17. Laseranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Haube bzw. Umhüllung (28) Glas aufweist.
18. Laseranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Haube bzw. Umhüllung (28) Quarz aufweist.

- 4 1
19. Laseranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Haube bzw. Umhüllung (28) einen ausgewählten, glaskeramischen Werkstoff aufweist.
20. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Katode (22) durch ein Feld unterstützt gegen den Laserkörper (12) abgedichtet ist.