DE3390286T1

DE3390286T1 - Entladungsangeregter Hochdruck-Gaslaser

Info

Publication number: DE3390286T1
Application number: DE19833390286
Authority: DE
Inventors: James Austin New South Wales Piper
Original assignee: Macquarie University, North Ryde, New South Wales; The Commonwealth of Australia care of the Secretary, Departent of Defence Support, Canberra
Priority date: 1982-10-14
Filing date: 1983-10-11
Publication date: 1985-01-24
Also published as: GB2140612A; GB8412879D0; WO1984001672A1; JPS60500432A; GB2140612B

Description

KE1L& SCHAAFHAUSEN

Ο PATENTANWÄLTE

H 80 PC 83 Frankfurt am Main

29.5.1984

"ENTLADUNGSANGEREGTER HOCHDRUCK-GASLASER"

Die Erfindung bezieht sich auf unter Bildung einer Präionisation ladungsangeregte Hochdruck-Gaslaser und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf einen Quecksilberbromid (HgBr)-Laser.

Der Betrieb von ladungsangeregten HgBr-Lasern erfordert die Anregung von gleichmäßigen, mit schneller Anstiegszeit ausgestatteten Entladungsstromimpulsen in Hochdruckmischungen von Helium (oder Neon)-Gas, Stickstoff und Quecksilberdibromid (HgBr_)-Dampf. Diesen Erfordernissen kann durch die Anwendung einer Präionisation der
Gasmischung durch Ultraviolettstrahlung und die Ausbildung einer Querentladung mit niedriger Induktanz entsprochen werden. Die Vorrichtung muß den hohen anzuwendenden Gasdrucken widerstehen und bei hohen Temperaturen (bis zu 200° C) arbeiten können, welche einen ausreichenden Dampfdruck des HgBr„ ergeben.

Vorarbeiten, die zur vorliegenden. Erfindung geführt haben, wurden mit einer üblichen Vorrichtung ausgeführt, welche auf Quarzglasröhren als Entladungsgefäß und einem unterteilten Elektrodenaufbau basierten, welcher aus dünnwandigen Röhren aus rostfreiem Stahl hergestellt war. Die UV-Präionisation wurde von einem Paar von linienförmigen Leuchttafeln bewirkt, welche koaxiale Erdrückführungen aufwiesen. Die Präionisationsfunken

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wurden durch eine zu einem schmalen Funkenspalt geschaltete Kondensatorbank mit Leistung versorgt und die Hauptentladung wurde durch einen weiteren Funkenspalt bei einer vorbestimmten passiven Verzögerung gegenüber dem Präionisationsfunken von einem Standardkondensatorbank-LC-Inverter-Kreis versorgt. Die Vorrichtung wurde erfolgreich als HgBr-Laser in dem B-X-Band um 500 nm unter Entladungsbedingungen betrieben, die ähnlich denjenigen waren, die sonst berichtet werden. Der Maximalenergie-Ausgangsimpuls wurde bei einem maximalen sicheren Betriebsdruck von 1200 Torr mit 15 % Stickstoff in einem Heliumpuffer bei einer Temperatur von 155 "C entsprechend einem HgBr₂-Dampfdruck von etwa 3 Torr erreicht.

Das bedeutendste Ergebnis dieser vorbereitenden Arbeit bezieht sich auf die beobachteten Entladestrom- und Laserausgangsimpuls-Dauern. Die Stromimpulsdauer, typischerweise 35 Nanosekunden (volle Breite bei halbem Maximum), war kurz verglichen mit Dauern, die für andere ähnliche Vorrichtungen berichtet wurden;- auch der Laserimpuls selbst war gleichermaßen kurz. Untersuchungen, bei welchen die Induktanz des Entladekreises verändert wurde, zeigten, daß auch noch kürzere Laserimpulse erreicht werden können, wenn der Entladestrom weiter verkürzt werden kann. Die geringste Stromimpulsdauer, die bei dieser Vorrichtung erhalten werden konnte, war jedoch durch die Geometrie der Anordnung begrenzt.

Wie bei der für die vorläufigen Experimente benutzten Vorrichtung, die zuvor zusammengefaßt wurden, benutzen derzeitige Vorschläge für entladungsangeregte HgBr-

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Laser, welche in der Literatur beschrieben werden, allgemein Glasgefäße. Obgleich dies einen Vorteil bei der Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion bietet, hat die Verwendung von Glas für das Rohr viele Nachteile einschließlich der Schwierigkeit einer Präzisionsherstellung, und Probleme, die von unterschiedlicher Expansion und Zerbrechlichkeit herrühren, insbesondere bei hohen Druckanwendungen. Obgleich unsere jüngste Arbeit und diejenige anderer gezeigt hat, daß optimale Bedingungen für den HgBr-Laser bei Drücken in der Größenordnung von 2500 Torr liegen dürften, kann aus Sicherheitsgründen keine vorhandene Glasrohrvorrichtung unter diesen Beding ungen arbeiten. Darüber hinaus legen die geometrischen Zwangsbedingungen von Glasrohrvorrichtungen Beschränkungen auf die minimale Stromimpulsdauer, die erreicht werden kann.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Überwindung einiger der Schwierigkeiten, die bei der Verwendung von Glasrohren auftreten; die Erfindung bezieht sich auf eine Gestaltung für einen Gesamtmetall-HgBr-Laser, welche auf derjenigen von automatisch vorionisierten Edelgas-Halogen-Lasern basiert.

Die Erfindung umfaßt einen entladungsangeregten, durch Ultraviolettstrahlen vorionisierten Hochdruck-Gaslaser mit einem anzuregenden Gasvolumen und mit einem Paar von Elektroden in dem Volumen sowie Mittel zum Erhitzen des Gases und Mittel zum Anregen des Gases einschließlich eines Hauptkondensators, der über die Elektroden geschaltet ist, der gekennzeichnet ist durch ein Metallrohr mit Metallendplatten, welche das Laservolumen definieren, wobei jede Endplatte eine optische Öffnung

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aufweist, ein Paar von Elektroden innerhalb des Volumens, die sich längs und symmetrisch im Abstand auf einander gegenüberliegenden Seiten der Laserachse erstrecken und den laseraktiven Bereich definieren, eine Reihe von Sekundärkondensatoren außerhalb des Volumens, Einführungen, die ein Ende jedes Kondensators der Reihe von Kondensatoren mit einer Elektrode über Funkenspalten, die innerhalb des Volumens angeordnet sind, verbinden, Mittel zum Verbinden der anderen Seite der Reihe von Kondensatoren mit der anderen Elektrode, wobei die Zuführungen aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet sind und durch die Wand des Metallrohres hindurchführen, Schaltmittel zur Steuerung der Anregung der Kondensatoren, und außen angeordnete Spiegel, welche den optischen Hohlraum bilden.

Um die Art der Erfindung voll zu würdigen, wird die folgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen vorgenommen, in welchen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Laser nach dieser Erfindung ist,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht bei einer abgenommenen Endplatte ist,

Fig. 3 eine etwas schematisierte Längsschnittansicht eines Endes des Lasers, der in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist,

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Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie 4-4 von Fig. 3 ist ,

Fig. 5 eine vergrößerte Länqsschnittansicht einer Hochspannungsdurchführung ist, und

Fig. 6 ein Schaltkreisdiagramm ist.

Nach den Zeichnungen hat ein Rohr 1 aus rostfreiem Stahl eine Wärmeisolierung 2 darum und Heizrohre 3 und 4 darin, um ein Laservolumen zu bilden.

Die Hauptelektroden 5 und 6 erstrecken sich längs in dem Laservolumen und sind jeweils auf den Elekrodenträgergliedern 7 und 8 gehalten, wöbet das Glied 7 von dem Glied 8 an jedem Ende durch MACOR-Säulen 9 getragen wird, wobei das Glied 8 auf einer Platte 10 gestützt wird , die wiederum an einem abgeflachten Abschnitt des Rohres 1 aus rostfreiem Stahl befestigt ist.

Die Funkenstifte 14 und 15 werden auf dem Tragglied 7. getragen und arbeiten in Verbindung mit Zuleitungen 16 und 17, die in zwei Reihen, jede auf einer Seite der Elektroden 5 und 6, angeordnet s:nd, welche jeweils mit den Kondensatoren 18 und 19 in Verbindung stehen, welche Teil einer Reihe c.-c bilden, welche eine gemeinsame Verbindung 20 hat, welche zu der oder durch die leitende Plattenstütze 10 für das Glied B führt und elektrisch mit dem unteren Elektrodenträgerglied 8 in Verbindung steht.

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Der Laserausgang kann mittels eines Quarz-Brewster-Fensters 21 gebildet sein, und eine Enddurchführung 22 kann verwendet werden, welche eine flexible Glas-Metall-Abdeckung 2 3 hat.

Das Rohr 1 aus rostfreiem Stahl hat Endplatten 24, wie dargestellt, und das Brewster-Fenster 21 ist über eine Öffnung in einer Endplatte 24 wie die Durchführung 22, wenn diese benutzt wird, abgestützt. Die Durchführung 22 könnte weggelassen und die Verbindung zu den Zuführungen hergestellt werden.

Die Zuführungen können, wie in Fig. 5 dargestellt, aufgebaut und Steatit-Isolator-Hülsen 25 mit Wolfram-Zuleitungsgliedern 16 und 17 sein, welche nahe den Funkenstiften 14 und 15 enden. Diese Zuleitungsglieder 16 und 17 sind durch eine Kappe 27 abgeschlossen, welche einen "VITON" (Warenzeichen)-O-Ring 28 einschließt, während ein 0-Fing 29 die Kappe gegenüber dem Steatit-Isolator 25 abdichtet.

Es ist festzustellen, daß andere Hochspannungsschaltkreise verwendet werden können und außerdem andere Präionisationsanordnungen, beispielsweise rückseitenbeleuchtete Gitterkathoden-Anordnungen.

Vorkehrungen für ein externes Quecksilberbromid--Reservoir können getroffen werden, ebenso für innere Gaszirkulation. Somit umfaßt die Erfindung einen entladungsangeregten , ultraviolettpräioniserten Hochdruckgaslaser mit einem Volumen, welches das anzuregende Gas enthält sowie ein Paar von Elektroden in dem Volumen und Mittel zum Erhitzen des Gases sowie

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Mittel zum Anregen des Gases einschließt und eine optische Öffnung an jedem Ende des Volumens hat, die gekennzeichnet ist durch ein Metallrohr mit Metallenden zur Definierung des Laservo." umens, ein Paar von Elektroden, die längs verlaufen und bezüglich der Laserachse einander gegenüberliegend angeordnet sind und den laseraktiven Bereich definieren, zwei gerade Anordnungen von Funkenspalten lkngs angeordnet auf gegenüberliegenden Seiten der Laserachse benachbart des Raumes zwischen den beiden Elektroden, einen Hauptkondensator, der über die Elektroden geschaltet ist, eine Anordnung von Sekundärkondensatoren, die zur Anregung der Funkenspalten angeordnet sind, um eine Präionisation des aktiven Volumens des Gases zwischen den Elektroden zu bewirken, Mittel zum Anregen der Kondensatoren, um den Hauptkondensator zwischen den Elektroden zu entleden, wenn die Präionisation bewirkt worden ist, und außen angeordnete Spiegel, die den optischen Hohlraum bilden.

Die Betriebsweise der Vorrichtung ist folgende:

Wenn der Funkenspalt S, der durch einen Thyratron-Schalter ersetzt werden kann, gelriggert wird, überträgt sich die in dem Kondensator C gespeicherte Ladung auf die örtliche Kondensitorbank C₁-C über eine Reihe von Funken, die zwischen den Spitzen einander gegenüberstehender Sätze vcn Stiften 14 und 15 und den Zuleitungen 16 und 17 angeregt werden. Während der Zeit, die für das Laden von c. -c benötigt wird, führen die Funken zu einer ültraviolettbestrahlung des Lasergases zwischen den Hauptelektroden 5 und 6, welche ein Anheben der Präionisation des

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aktiven Volumen;; herbeiführt. Wenn die Spannung über den Hauptelektroden 5 und 6, welche beispielsweise Chang-Profilstangen sein können, den Durchbruch des Spalts erreicht, beginnt die Hauptentladung, welche auf örtlicher Basis über die aufrechterhaltenden Funken Energie liefert. Die Verzögerung zwischen der Präionisation und der Hauptentladjng wird durch die Induktanz des Ubertragungsteiles festgelegt , der die Kondensatoren C und c-c enthält, und ist typischerweise 200 ns.

Diese Schaltkreistype ist erfolgreich für Edelgas-Halogenid-Laser eingesetzt worden, nicht jedoch für HgBr-Laser. Sie hat den besonderen Vorteil, daß sie sehr schnelle Entladeimpulse (""^-10 ns FWHM = volle Breite bei halbem Maximum) zuläßt und bei einer Gesamtmet allvorrichtung zur Aasführung gebracht werden kann, welche sich für einen Betrieb bei hohem Druck und hoher Temperatur eignet.

Bei dem experimentellen Modell basierte das Rohr 1 selbst auf einem Rohr aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von etwa 6 Inch (entsprechend etwa 13 cm). Die Endflansche und Elektrodentragglieder 7 und 8 sind ebenfalls aus rostfreiem Stahl hergestellt; die Stützsäulen 9 für die Elektrodentragglieder 7 und 8 sind vorzugsweise aus "MACOR"-bearbeitbarem Keramikmaterial oder Steatit hergestellt. Die Stiftdurchführungen 25 weisen eine Steatit-Wolfram-Anordnung, wie beschrieben, auf und sind so gestaltet, daß sie Hochspannungsoberflächenkriechströme vermeiden. Alle Metall-Metall-Verbindungen sind bogengeschweißt ; abnehmbare Vakuum-Dichtungen verwenden "VITON" oder "TEFLON" (Warenzeichen)-

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O-Ringe. Die Vorrichtung kann von Standardradiatorenstangen erhitzt werden, die in den Rohren 3 und 4, welche durch die Vorrichtung führen, angeordnet sind. Die Laserfenster 21 können einen Durchmesser von 25 mm haben und an Wiedereintritts-Quarzrohren angeordnet sein. Es ist außerdem Vorsorge für ein inneres Mischen und Strömen von Gasen in dem Rohr beim Betrieb mit hohen Wiederholungsraten getroffen.

Bei dem Testmodell haben die Entladungselektroden eine Gesamtlänge von 500 mm und einen Abstand von 22 mm, was ein aktives Volumen von etwa 100 cm ' ergibt. Die Präionisationsstifte 14 und 15 waren mit einem Spaltabstand bis zu 5 mm angeordnet . Nach dem Zusammenbau wurde das Rohr bis zu einem absoluten Druck von fünf Atmosphären auf Druck getestet.

Es ist klar, daß die angegebenen Dimensionen abhängig von erforderlichen Bedingungen variiert werden können und abhängig davon, ob das Laser substance Quecksilberbromid ist oder ein anderes Edelgas-Halogenid oder anderes entladungsangeregte Hochdruckgas verwendet wird. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Quecksilberbromid-Laser, da die Beseitigung von Glas als Hauptmaterial des Rohres einen Betrieb bei hohen Drucken und Temperaturen gestattet (letzteres durch Umgehen von Problemen unterschiedlicher Expansion), und zwar in einer Niedriginduktanz-Schnellentladungs- Betriebsweise.

Claims

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"DIE ANSPRÜCHE, WELCHE DIE ERFINDUNG DEFINIEREN, SIND FOLGENDE:

1 .) Ein entladangsangeregter, Präionisations-Hochdruck-Gaslaser mit einem Volumen, welches das anzuregende Gas enthält und ein Paar von Elektroden in dem Volumen einschließt und Mittel zum Erhitzen des Gases sowie Mittel zum Anregen des Gases einschließlich eines Hauptkondensators, welcher über die Elektroden geschaltet ist, gekennzeichnet durch ein Metallrohr mit Metallendplatten, welche das Laservolumen definieren, wobei jede der Endplatten eine optische Öffnung hat, das Paar von Elektroden sich innerhalb des Volumens längs erstreckt und symmetrisch im Abstand bezüglich der Laserachse auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind, wodurch sie den laseraktiven Bereich definieren, eine Reihe von Sekundärkondensatoren, die außerhalb des Volumens angeordnet sind, Zuleitungen, welche ein Ende jedes Kondensators der Reihe von Kondensatoren mit der einen Elektrode über Funkenspalten verbinden, die innerhalb des Volumens angeordnet sind, Mittel zum Verbinden der anderen Seite der Reihe von Kondensatoren mit der anderen Elektrode, wobei die Zuleitungen aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen und durch die Wand des Metallrohres hindurchführen, Schaltmittel zum Steuern der Anregung der Kondensatoren, und außen angeordnete Spiegel , welche den optischen Hohlraum bilden.

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2. Ein entladungsangeregter Präionisations-Hochdruck-Gaslaser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Elektrodenanordnung mit einem Paar von Elektrodenträgern , von welchen einer von de m Metallrohr und der andere in Abstandsbeziehung dazu von elektrisch isolierenden Säulen gestützt ist, wobei der im Abstand befindliche Elektrodenträger eine Reihe von Funkenstiften aufweist , welche in Richtung des anderen Elektrodenträgers vorragen, wobei die Funk«nstifte in zwei Reihen angeordnet sind, die nach außen im Abstand voneinander auf gegenüberliegenden Seiten der optischen Achse angeordnet sind, wobei die Zuleitungen jeweils ausgerichtet sind mit einem zugeordneten Funkenstift, wodurch eine Reihe von Funkenspalten gebildet ist, die sich längs des Volumens auf jeder Seite der Elektroden erstreckt, um eine Präionisation des aktiven Gasvolumens zu bewirken.
3. Ein entladungsangeregter Präionisations-Hochdruck-Gaslaser nach dem vorhergehenden Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß jede Zuleitung elektrisch isolierte Hülsen aufweist, die· ein Zuleitungsglied tragen , welches benachbart eines zugeordneten Funkenstiftes endet , um einen Funkenspalt benachbart dem Funkenentladungsspalt zwischen den beiden Elektroden zu bilden.
4. Ein entladungsangeregter Präionisations-Hochdruck-Gaslaser nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch einen Kondensator in Reihe mit der Hochspannungsversorgung und der Elektrode, welche die Funkenstifte trägt, wobei die Zuleitungen an den anderen Enden der Funkenspalten mit

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einer Seite der Sekundärkondensatoren verbunden sind, wobei die andere Seite der Kondensatoren mit der anderen Elektrode verbunden sind.
5. Entladungsangeregter Präionisations-Hochdruck-Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zuleitungsglied an seinem Ende außerhalb des Laservolumens eine Dichtanordnung mit O-Ringen hat, die zur Abdichtung des Isolators gegenüber seiner Stütze und des Zuleitungsgliedes gegenüber dem Isolator angeordnet sind.
6. Entladungsangeregter Präionisations-Hochdruck-Gaslaser nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Elektrodenanordnung mit einem Paar von Elektrodenträgern, deren einer von dem Metallrohr gestützt ist und deren anderer in Abstandsbeziehung dazu durch elektrisch isolierende Säulen, wobei der im Abstand angeordnete Elektrodenträger eine Reihe von Funkenstiften hat, die in Richtung des anderen Elektrodenträgers vorragen, wobei die Funkenstifte in zwei Reihen auswärts im Abstand voneinander auf gegenüberliegenden Seiten der optischen Achse angeordnet sind, wobei Zuleitungen jeweils mit einem zugeordneten Funkenstift ausgerichtet sind, wodurch eine Reihe von Funkenspalten gebildet ist, die sich längs des Volumens auf jeder Seite der Elektroden erstrecken, wobei jede Zuleitung elektrisch isolierende Mittel aufweist, die eine Durchführung tragen, die benachbart dem zugeordneten Funkenstift endet, um einen Funkenspalt zu bilden, weiter gekennzeichnet durch einen Hauptkondensator in Reihe mit der Hochspannungsversorgung und der Elektrode, welche die

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Funkenstifte tragen, wobei die anderen Enden der Funkenspalten mit einer Seite der zugeordneten Kondensatoren verbunden sind, deren andere Seite mit der anderen Elektrode verbunden ist.
7. Entl adungsangeregter PräioniLsations-Hochdruck-Gaslaser mit einem Volumen, welches das anzuregende Gas enthält und ein Paar von Elektroden in dem Volumen einschließt und Mittel zum Erhitzen des Gases sowie Mittel zum Anregen des Gases und mit einer optischen Öffnung an jedem Ende des Volumens auf der Laserachse, gekennzeichnet durch

a) ein Metallrohr mit Metallendcn zur Definition des Volumens,

b) ein Paar von Elektroden, die sich längs erstrecken und bezüglich der Laserachse einander gegenüberliegend angeordnet sind,

c) zwei linienförmige Reihen von Funkenspalten in Längsanordnung auf einander gegenüberliegenden Seiten der Laserachse benachbart dem Raum zwischen den zwei Elektroden ,

d) einen Hauptkondensator, der über die Elektroden geschaltet ist ,

e) Reihen von Sekundärkondensatoren, die zur Anregung der Funkenspalten angeordnet sind, um eine Präionisation des aktiven Gasvolumens zwischen den Elektroden zu bewirken, und .

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f) Mittel zum Aktivieren der Kondensatoren zur Entladung des Hauptkondensators zwischen den Elektroden, wenn eine Prä'ionisation bewirkt wurde.
8. Ein entladungsangeregter Präionisations-Hochdruck-Gaslaser aufgebaut im wesentlichen wie beschrie ben und gezeigt.