DE3504403A1

DE3504403A1 - Wellenleiter-laser

Info

Publication number: DE3504403A1
Application number: DE19853504403
Authority: DE
Inventors: Iain Edward Fife Schottland/Scotland Ross
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: LASER ECOSSE Ltd DUNDEE SCOTLAND GB
Priority date: 1984-02-18
Filing date: 1985-02-08
Publication date: 1985-08-22
Anticipated expiration: 2005-02-09
Also published as: GB2154788B; IT1182202B; IT8547689A1; FR2559966B1; US4703489A; JPS60193388A; GB8404310D0; GB2154788A; IT8547689A0; CH667947A5; FR2559966A1; JPH0716035B2; DE3504403C2

Description

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Unser Zeichen: A 14 879 Lh/fi

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Bridge House, Park Road
^r- Gatley, Cheadle, Cheshire, England

Wellenleiter-Laser

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A 14 879

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Wellenleiter-Laser und insbesondere einen quererregten Wellenleiter-Laser.

Wellenleiter-Laser sind bekannt, bei denen die Laserwirkung in einem Hohlraum erfolgt, dessen Abmessungen klein und auf die Charakteristiken der erzeugten Strahlung bezogen sind. Häufig hat der Hohlraum einen rechteckigen Querschnitt. _Die Laserwirkung wird erzeugt durch eine elektrische Entladung in dem den Wellenleiter ausfüllenden Gas. Es ist üblich, daß die Entladung der Länge des Wellenleiters zwischen Elektroden an seinen gegenüberliegenden Enden folgt. Es wurde auch eine Quererregung des Gases angewendet durch Anordnen der Elektroden an gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums. Dies bringt die Elektroden wesentlich enger zusammen und macht es leichter, die Entladung einzuleiten, wobei die Quererregung es außerdem ermöglicht, höhere Gasdrücke zu verwenden, wodurch weitere Vorteile entstehen.

Das Britische Patent Nr. 1 452 156 bezieht sich auf einen quererregten Wellenleiter-Laser, in welchem der Hohlraum durch zwei gegenüberliegende Blöcke aus Metall, wie z.B. Kupfer, geformt ist, die durch zwei Blöcke aus isolierendem Material getrennt sind, wie z.B. Beryllium oder geschmolzenem Quarz. Der in diesem Patent beschriebene Laser wird erregt durch Impulse mit einer Frequenz von 100Hz, obwohl andere Quellen einen Laser ähnlicher Konstruktion beschreiben, der durch Impulse mit einer Frequenz von 4OKHz erregt wird.

Das Europäische Patent Nr. 3 280 betrifft einen quererregten Wellenleiter-Laser ähnlicher Bauart. Um die durch die Impulserregung entstehenden Probleme zu überwinden, wird eine Erregung mittels Wechselstrom benutzt. Um jedoch eine Wechselwirkung zwischen den Erregerelektroden, die zwei gegenüberliegende Wände des Wellenleiters bilden, und den Entladungselektroden zu vermeiden, ist es notwendig, eine Erregerfrequenz zu wählen, die auf die Abmessungen des Wellenleiters bezogen ist, derart, daß die obengenannte Wechselwirkung nicht auftreten kann. Dies führt zu starken Beschränkungen

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der Erregerfrequenz, die in manchen Fällen unerwünscht sind. Auch kann durch das Vorhandensein von Metall elektroden innerhalb des Hohlraums eine chemische Verschmutzung des aktiven Gas-Mediums eintreten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen quererregten Wellenleiter-Laser einfacher Bauart zu schaffen, der die obengenannten Nachteile vermeidet.

Nach der Erfindung ist hierzu ein quererregter Wellenleiter-Laser vorgesehen, der einen ersten Block aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist, auf dessen einer Seite drei parallele, 1 anngestreckte Nuten ausgebildet sind, eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material, das wenigstens eine Fläche von jeder der beiden äußeren Nuten bedeckt, um eine Elektrode zu bilden, einem elektrischen Leiter, der mit jeder der leitenden Schichten verbunden ist, ferner mit einem zweiten Block aus einem elektrisch isolierenden Material, der an dem ersten Block befestigt ist, um wenigstens die mittlere Nut zu schließen bzw. abzudecken, welche, wenn sie in dieser Weise geschlossen worden ist, Abmessungen hat, die es ihr ermöglichen, einen Laserhohlraum zu bilden, der eine Wellenleiter-Laserwirkung unterstützt bzw. ermöglicht.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 in Schrägansicht und auseinandergezogener Darstellung den ersten und zweiten Block des Lasers nach der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der ersten Ausführungsform des Lasers.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt des Lasers nach Fig. 2.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm.

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform des Lasers.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt der zweiten Ausführungsform.

Fig. 7 zeigt im Querschnitt eine dritte Ausführungsform des Lasers und

Fig. 8 und 9 zeigen weitere Ausführungsformen des Lasers.

Wie Fig. 1 zeigt, ist der quererregte Wellenleiter-Laser um zwei Blöcke eines geeigneten Isoliermaterial aufgebaut, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Berylliumoxid (BeO). Der erste Block 1 hat vorzugsweise rechteckigen Querschnitt, wie dargestellt, und seine Länge ist bestimmt durch die Charakteristiken des Lasers selbst. In einer ebenen Oberfläche 2 sind z.B. drei Nuten 3, 4 und 5 ausgebildet. Die mittlere Nut 3 ist der effektive Wellenleiter, in welchem die Laserwirkung auftritt, und ihr Querschnitt und ihre Abmessungen sind wiederum durch die Charakteristiken des Lasers bestimmt. Nur als Beispiel wird ein Schlitz mit quadratischem Querschnitt und einer Seitenlänge von 2mm genannt, der z.B. für einen Laser von 10,6 Mikron benutzt werden kann. An jeder Seite der mittleren Nut 3 ist eine weitere Nut 4 bzw. 5 ausgebildet, die parallel zur Nut 3 und nahe bei ihr verlaufen. Die Nuten 4 und 5 haben zweckmäßigerweise, aber nicht notwendigerweise, dieselbe Tiefe wie die mittlere Nut 3, sie können jedoch schmaler sein und sie können jede geeignete Querschnittsform haben.

Der zweite Block 6 ist eine Abdeckung, die über die Fläche 2 des Blockes gebracht wird, in welcher die Nuten 3, 4 und 5 ausgebildet sind. Die Fläche 2 und eine Oberfläche der Abdeckung haben dasselbe Profil, vorzugsweise eben, so daß die Abdeckung 6 an dem Block 1 befestigt werden kann, derart, daß sie die drei Nuten im Block 1 abdeckt bzw. schließt.

Fig. 2 ist ein Querschnitt des Blockes 2 und des mit ihm verbundenen Deckels 6. Die Nuten 4 und 5 sind mit dünnen metallischen Schichten 7 versehen, die auf wenigstens der Fläche der Nuten ausgebildet sind, die der mittleren Nut 3 am nächsten liegen. Die metallischen Schichten können aus Kupfer sein, das durch elektrodenlosen Niederschlag gebildet wird, wobei in diesem Fall sie zweckmäßigerweise die Seiten urd den Grund der Nuten be-

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decken, und ausgebildet werden, ehe der Deckel 6 an Ort und Stelle gebracht wird. Eine elektrische Verbindung wird zu jeder der leitenden Schichten 7 hergestellt, zweckmäßigerweise mittels eines Stiftes 8, der durch eine Bohrung im Block 1 eingeschoben und mit den metallischen Schichten 7 verbunden wird. Die elektrischen Anschlüsse können jedoch auch in anderer Weise herbeigeführt werden.

Die vorbeschriebene Anordnung bildet einen Laser, abgesehen von der Verwendung eines Niederdruckgases, das in die mittlere Nut 3 eingefüllt wird, und der notwendigen optischen Elemente, die den optischen Hohlraum des Lasers bilden. Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt einer möglichen Konstruktion des fertigen Lasers. Ein Paar Spiegel 9 und 10 ist an dem zusammengebauten Block 1 und Deckel 6 befestigt, um die mittlere Nut 3 abzudichten. Ein Spiegel ist total reflektierend, während der andere etwas durchlässig ist, um einen Ausgangsstrahl aus dem Laser zu erzeugen. Vor oder nachdem die Spiegel an Ort und Stelle dicht eingebaut werden, wird das erforderliche Gas in die mittlere Nut 3 eingeführt, welche den Hohlraum für den Wellenleiter-Laser bildet. Das Gas kann ein Gemisch aus COo, Ne und He sein. Der Laser wird zweckmäßigerweise mittels einer Wechselspannung erregt, von beispielsweise 500-1000 Volt und einer Frequenz in der Größenordnung von 8OMHz, wobei die Spannung an die beiden Elektroden oder Stifte angelegt wird. In der Praxis kann ein breiter Bereich von Erregerfrequenzen benutzt werden. Fig. 4 zeigt eine mögliche Schaltung zum Erregen des Lasers. Ein Hochfrequenzgenerator 10 erzeugt eine Spannung in der erforderlichen Erregerfrequenz und er ist über ein geeignetes Netzwerk 11 an die Elektroden des Lasers 12 angeschlossen. Das dargestellte Netzwerk hat einen Reihen-Kondensator 13, der variabel sein kann und eine Querinduktivität 14. Das entstehende Quer-Feld im Gas erzeugt eine Hochfrequenzentladung, welche die Laserwirkung erzeugt. Da die Elektroden, die die Gasentladung erzeugen, gegen die Entladung in der mittleren Nut durch die Zwischenwände aus isolierendem Material isoliert sind, ist es nicht möglich, daß Entladeionen oder Elektronen auf die leitenden Schichten 7 auftreffen. Dies vermeidet die Probleme, die bei Lasern auftreten, in denen die Elektroden der Entladung ausgesetzt sind. Insbesondere wirken die beiden keramischen Wände zwischen den Elektroden 7 und der Gasentladung als Ballast-Kondensatoren, was zu einer gleichmäßigen und steilen Entladung im Gas führt.

Bei der Anordnung nach Fig. 3 können jedoch die Spiegel 9 und 10 nicht verstellt werden, da sie außerdem als Abdichtung des Userhohlraunis wirken, der das Gas in einem Druck unter dem Atmosphärendruck enthält.

Fig. 5 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform, welche denselben Aufbau aus dem Block 1 und der Abdeckung 6 verwendet. In dieser Ausführungsform ist ein Druckbehälter 20 vorgesehen, der die Laseranordnung umschließt, welche in dem Behälter stabil abgestützt ist. Die Spiegel 9 und 10 sind an dem Druckbehälter 20 montiert und sie können so montiert sein, daß eine Einstellung bzw. Verstellung möglich ist. Das Lasergas oder Gasgemisch wird in den Behälter 20 eingeführt und füllt die drei Nuten in dem Block aus. Die elektrischen Anschlüsse 8 werden durch die Wand des Druckbehälters 20 nach außen geführt und die Laserwirkung erfolgt wie zuvor. Die praktischen Ausführungen der Abstützung des Blockes innerhalb des Druckbehälters sind nicht dargestellt.

Verschiedene Modifikationen des Blockes nach den Fig. 1 und 2 sind möglich. Da nur die mittlere Nut 3 eine vierte Fläche erfordert, kann der Deckel 6 schmaler sein als der Block 1 und nur die mittlere Nut 3 abdecken, während die Nuten 4 und 5 offen bleiben. Dies ist in Fig. 6 dargestellt. Dies hängt jedoch davon ab, wie der Deckel geeignet an dem Block befestigt werden kann.

Laser aller Typen erzeugen eine beträchtliche Wärme. Beispielsweise kann ein Laser mit 10 Watt Ausgang eine Wärme von 100 Watt erzeugen und es kann notwendig sein, diese Wärme abzuführen. Fig. 7 zeigt, wie dies ausgeführt werden kann, indem äußere Schlitze 21 in dem Block 1 ausgebildet werden, welche durch den Deckel 6 abgedeckt sind. Durch die äußeren Schlitze kann ein Kühlmittel umgewälzt werden, um die unerwünschte Wärme von der Anordnung abzuführen.

Die vorbeschriebene einfache Laserkonstruktion kann auch in anderer Weise ausgeführt oder ergänzt werden. Es können Laser mit mehreren Bohrungen verwendet werden, um entweder zwei separate Ausgangsstrahlen zu erzeugen oder gefaltete Laser. Fig. 8 und 9 zeigen zwei solche Ausführungsformen, bestehend aus einem einzigen Block aus einem keramischen Material. In Fig. 8 hat der

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Block 1 fünf Nuten, von denen zwei, 81 und 82, zwei Wellenleiter-Laserhohlräume bilden. Die mittlere Nut 83 hat eine metallische Schicht 7 auf beiden Seiten, um eine Elektrode für jeden der laser zu bilden. Die äußeren Nuten 84 und 85 tragen je eine metallische Schicht 7 auf wenigstens einer Seite zur Bildung der zweiten Elektrode jedes Users. Abgesehen von der gemeinsamen Mittelelektrode,können die beiden Wellenleiter als separate Laser angesehen werden und sie können entweder parallel vom selben Generator oder von separaten Generatoren erregt werden. Die Abdeckung 6 ist vorgesehen und ausgeführt wie zuvor.

Fig. 9 zeigt eine andere Anordnung mit einer Mehrzahl von Bohrungen, in welcher zwei Gruppen von drei Nuten in gegenüberliegenden Flächen des Blockes 1 ausgebildet sind. Es sind vollständig getrennte Gruppen von Elektroden und separate Deckel vorgesehen. Wiederum kann jeder Laser von demselben Generator erregt werden, oder es können separate Generatoren und 92 verwendet werden, die ggf. mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten.

Der Block 1 und der Deckel 6 brauchen keinen rechteckigen Querschnitt zu haben, obwohl dies die einfachste und wirtschaftlichste Form ist. Die Nuten können bei der Herstellung des Blockes eingeformt werden oder sie können danach maschinell hergestellt werden.

- L e e r s e i t e- -

Claims

A 14 879 Patentansprüche

Quererregter Wellenleiter-Laser, gekennzeichnet durch einen ersten Block aus einem elektrisch isolierenden Material, in dessen einer 'Fläche drei parallele, langgestreckte Nuten ausgebildet sind, eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material, das wenigstens eine Fläche von jeder der beiden äußeren Nuten bedeckt, um eine Elektrode zu bilden, einem elektrischen Leiter, der mit jeder der leitenden Schichten verbunden ist, sowie einem zweiten Block aus einem elektrisch isolierenden Material, der an dem ersten Block befestigt ist, um wenigstens die mittlere Nut abzuschließen, die in geschlossenem Zustand einen Laserhohlraum bildet.
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der drei Nuten einen rechteckigen Querschnitt hat.
3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht des elektrisch leitenden Materials durch elektrodenlosen Niederschlag gebildet ist.
4. Laser nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Block aus elektrisch isolierendem Material im wesentlichen die gesamte Oberfläche des ersten Blockes, in der die Nuten ausgebildet sind, abdeckt.
5. Laser nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Block aus elektrisch isolierendem Material nur die mittlere Nut abdeckt.
6. Laser nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Block an jedem Ende einen Spiegel aufweisen, um wenigstens die mittlere Nut dicht zu verschließen.
7. Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein aktives Gas in dem Laserhohlraum enthalten ist.
8. Laser nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Blöcke in einem dichten Behälter angeordnet sind, der ein Paar Spiegel aufweist,
9. Laser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein aktives Gas in dem Behälter enthalten ist.
10. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Nuten in dem ersten Block für die Durchleitung eines Kühlmittels ausgebildet sind.
11. Laser nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Gas ein Gemisch aus Kohlendioxid, Helium und Stickstoff ist,
12. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Erregerkreis, der einen Hochfrequenzgenerator und einen Schaltkreis aufweist, der den Ausgang des Generators mit den beiden Elektroden des Lasers verbindet.

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13. Laser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch

isolierende Material zwischen jeder Elektrode und dem Laserhohlraum einen Ballast-Kondensator bildet.
14. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,, daß der erste Block mit zwei Gruppen von Nuten versehen ist, die zwei separate Wellenleiter-Laserhohlräume bilden.
15. Laser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Gruppen von Nuten eine Elektrode enthält, die für beide Laser-Hohlräume gemeinsam ist.
16. Laser nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch einen Erregerkreis mit einem einzigen Hochfrequenzgenerator, der über einen Anschlußschaltkreis an beide Gruppen von Elektroden gelegt ist.
17. Laser nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Hochfrequenzgeneratoren vorgesehen sind, von denen jeder über einen Zwischenschaltkreis an je eine der Gruppen von Elektroden gelegt ist.
18. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser durch eine Wechselspannung mit einer Frequenz in der Größenordnung von 80MHz, die an die Elektroden gelegt wird, erregt wird.