DE3504403C2

DE3504403C2 - Quer angeregter Wellenleiter-Laser

Info

Publication number: DE3504403C2
Application number: DE3504403A
Authority: DE
Inventors: Iain Edward Ross
Original assignee: LASER ECOSSE Ltd DUNDEE SCOTLAND; LASER ECOSSE Ltd
Current assignee: LASER ECOSSE Ltd DUNDEE SCOTLAND GB
Priority date: 1984-02-18
Filing date: 1985-02-08
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2005-02-09
Also published as: FR2559966B1; GB2154788A; JPH0716035B2; GB8404310D0; DE3504403A1; IT1182202B; US4703489A; CH667947A5; GB2154788B; FR2559966A1; IT8547689A1; JPS60193388A; IT8547689A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen quer angeregten Wellen leiter-Laser mit einer als Laser-Hohlraum dienenden, langge streckten Nut in einer Oberfläche eines ersten Blocks aus einem elektrisch isolierendem Material.

Wellenleiter-Laser sind bekannt, bei denen eine Laserwirkung in einem Laser-Hohlraum erfolgt, dessen Abmessungen klein und auf die Charakteristiken der erzeugten Strahlung bezogen sind. Häu fig hat der Laser-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 den Elektroden an seinen gegenüberliegenden Enden folgt. Es wurde auch eine Quer anregung des Gases eingesetzt durch Anordnen der Elektroden an gegenüberliegenden Seiten des Laser-Hohlraums. Dies bringt die Elektroden wesentlich enger zusammen und macht es leichter, die Entladung einzuleiten, wobei die Queranregung es außerdem ermög licht, höhere Gasdrücke zu verwenden, wodurch sich weitere Vor teile ergeben.

Aus PCT WO 83/02854 ist ein quer angeregter Wellenleiter-Laser entnehmbar, welcher eine langgestreckte Nut in einer Fläche eines Blocks aus dielektrischem Material hat, um einen Laser- Hohlraum zu bilden. Die Elektroden sind in Form von massiven Metallplatten oberhalb und unterhalb des dielektrischen Blocks vorgesehen. Das Vorhandensein dieser Metallelektroden innerhalb des Laser-Hohlraums kann zu chemischen Qualitätsverminderung des laseraktiven gasförmigen Mediums führen.

In US 4 241 319 ist ein nicht quer angeregter Laser angegeben, welcher eine langgestreckte Nut in einer Oberfläche eines ersten Blocks aus dielektrischem Material sowie einen zweiten Block aus dielektrischem Material hat, um die langgestreckte Nut ab zuschließen.

Die GB 1 452 156 A1 bezieht sich auf einen quer angeregter Wel lenleiter-Laser, bei welchem der Laser-Hohlraum durch zwei ge genüberliegende Blöcke aus Metall, wie z. B. Kupfer, gebildet wird, die durch zwei Blöcke aus isolierendem Material, wie z. B. Beryllium oder geschmolzenem Quarz, getrennt sind. Dieser Laser wird angeregt durch Impulse mit einer Frequenz von 100 Hz, obwohl andere Quellen einen Laser ähnlicher Konstruktion be schreiben, der durch Impulse mit einer Frequenz von 40 Hz erregt wird.

Das europäische Patent EP 003 280 B1 betrifft einen quer anger egten Wellenleiter-Laser ähnlicher Bauart. Um die durch die Im pulserregung entstehenden Probleme zu überwinden, wird eine Anregung mittels Wechselstrom eingesetzt. Um jedoch eine Wech selwirkung zwischen den Erregerelektroden, die zwei gegenüber liegende Wände des Wellenleiters bilden, und den Entladungselek troden 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 der Erregerfrequenz, die in manchen Fällen unerwünscht sind. Auch kann durch das Vorhandensein von Metallelektroden innerhalb des Laser-Hohlraums wiederum eine chemische Qualitätsverminderung des laseraktiven gasförmigen Mediums auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen quer angeregten Wellenleiter-Laser der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, bei welchem sich eine chemische Qualitätsverminderung des laserak tiven gasförmigen Mediums im Laser-Hohlraum beim Betrieb des Lasers vermeiden läßt.

Nach der Erfindung zeichnet sich hierzu ein quer angeregter Wellenleiter-Laser, welcher die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist, durch die Merkmale des Kennzeichens desselben aus.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 18 wiedergegeben.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.

Darin zeigt

Fig. 1 eine Schrägansicht eines ersten und zweiten Blocks des Lasers nach der Erfindung in auseinandergezogener Darstellung,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht der ersten bevorzugten Aus führungsform des Lasers,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht des Lasers nach Fig. 2,

Fig. 4 ein schematisches Schaltungsdiagramm,

Fig. 5 eine Längsschnittansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines Lasers,

Fig. 6 eine Querschnittsansicht der zweiten bevorzugten Aus führungsform des Lasers,

Fig. 7 eine Querschnittsansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform eines Lasers, und

Fig. 8 und 9 schematische Ansichten von weiteren bevorzugten Ausführungsformen des Lasers.

Wie Fig. 1 zeigt, ist der quererregte Wellenleiter-Laser um zwei Blöcke eines geeigneten Isoliermaterials 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 2 mm 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, vorzugs weise 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 und den Grund der Nuten be 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 eingeschoben und mit den metallischen Schichten 7 ver bunden wird. Die elektrischen Anschlüsse kennen jedoch auch in anderer Weise herbeigeführt werden.

Die vorbeschriebene Anordnung bildet einen Laser, abgesehen von der Ver wendung 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 erforder liche Gas in die mittlere Nut 3 eingeführt, welche den Hohlraum für den Wellenleiter-Laser bildet. Das Gas kann ein Gemisch aus CO₂, Ne und He sein. Der Laser wird zweckmäßigerweise mittels einer Wechselspannung er regt, von beispielsweise 500-1000 Volt und einer Frequenz in der Größen ordnung von 80 MHz, wobei die Spannung an die beiden Elektroden oder Stifte 8 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 Reihenkondensator 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 iso lierendem 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 Ent ladung ausgesetzt sind. Insbesondere wirken die beiden keramischen Wände zwischen den Elektroden 7 und der Gasentladung als Ballast-Kondensatoren, was zu einer gleichmäßigen und stabilen 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 Laserhohlraums wirken, der das das 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 Ausführungs form 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 Abstutzung 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 ver wendet 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 Block 1 fünf Nuten, von denen zwei, 81 und 82, zwei Wellenleiter-Laser hohlräume 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 Lasers. Abgesehen von der gemeinsamen Mittelelektrode, können die beiden Wellenleiter als separate Laser angesehen werden und sie können entweder parallel vom selben Generator 86 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 91 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.

Claims

1. Quer angeregter Wellenleiter-Laser mit einer als Laser- Hohlraum dienenden, langgestreckten Nut in einer Oberfläche (2) eines ersten Blocks (1) aus einem elektrisch isolieren dem Material, dadurch gekennzeichnet, daß

- bei dem ersten Block (1) aus elektrisch isolierendem Material in der genannten Oberfläche (2) drei paral lele langgestreckte Nuten (3, 4, 5) ausgebildet sind, wobei die mittlere Nut (3) als Laser-Hohlraum dient,
- ein zweiter Block (6) aus elektrisch isolierendem Material an dem ersten Block (1) befestigt ist, um wenigstens die mittlere Nut (3) abzuschließen, und
- in den beiden äußeren Nuten (4, 5) jeweils wenigstens eine Fläche mit einer Schicht aus elektrisch leitendem Material bedeckt ist, wobei die leitenden Schichten (7) als Elektroden dienen und mit elektrischen An schlüssen (8) versehen sind.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der drei Nuten (3, 4, 5) einen rechteckigen Querschnitt hat.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Schichten (7) durch elektroden losen Niederschlag gebildet sind.

4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der zweite Block (6) aus elektrisch isolie rendem Material im wesentlichen die gesamte Oberfläche des ersten Blockes (1), in der die Nuten (3, 4, 5) ausgebildet sind, abdeckt.

5. Laser nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der zweite Block (6) aus elektrisch isolie rendem Material nur die mittlere Nut (3) abdeckt.

6. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der zusammengefügte erste (1) und zweite (6) Block an jedem Ende einen Spiegel (9, 10) aufweisen, um wenigstens die mittlere Nut (3) dicht zu verschließen.

7. Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein laseraktives Gas in dem Laser-Hohlraum enthalten ist.

8. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der zusammengefügte erste (1) und zweite (6) Block in einem dichten Behälter (20) angeordnet ist, der an jedem Ende einen Spiegel (9, 10) aufweist.

9. Laser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein laseraktives Gas in dem Behälter (20) enthalten ist.

10. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß weitere Nuten (21) in dem ersten Block (1) für die Durchleitung eines Kühlmittels ausgebildet sind.

11. Laser nach Anspruch 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Gas ein Gemisch aus Kohlendioxid, Helium und Stickstoff ist.

12. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden Elektroden über die elektrischen Anschlüsse (8) an einen Erregerkreis mit einem Hochfre quenzgenerator (86) angeschlossen sind.

13. Laser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch isolierende Material zwischen jeder Elektrode und dem Laser-Hohlraum einen Ballast-Kondensator bildet.

14. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste Block (1) mit zwei Gruppen von Nuten (81, 82) versehen ist, die zwei separate Wellen leiter-Laser-Hohlräume bilden.

15. Laser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Gruppen von Nuten (81, 82) eine Elektrode ent hält, die für beide Laser-Hohlräume gemeinsam ist.

16. Laser nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch einen Erregerkreis mit einem einzigen Hochfrequenzgenerator (86), der über einen Anschlußschaltkreis (11) an beide Gruppen von Elektroden gelegt ist.

17. Laser nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Hochfrequenzgeneratoren (91, 92) vorgesehen sind, von denen jeder über einen Zwischenschaltkreis (11) an je eine der Gruppen von Elektroden gelegt ist.

18. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekenn zeichnet, daß der Laser (12) durch eine Wechselspannung mit einer Frequenz in der Größenordnung von 80 MHz, die an die Elektroden gelegt wird, angeregt wird.