DE3534053A1 - Optische komponente eines lasers - Google Patents
Optische komponente eines lasersInfo
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Description
Hamburg, den 19. SeJSsälfeO 5l3&§
298185
Anmelder;
Spectra-Physics, Inc.
3333 North First Street
San Jose, CaI. 95134
U.S.A.
3333 North First Street
San Jose, CaI. 95134
U.S.A.
Optische Komponente eines Lasers
Die Erfindung betrifft optische Komponenten eines Lasers, insbesondere optische Komponenten, wie z. B. Fenster, die
einem großen Lichtstrom im Kaltgasbereich eines Gaslasers ausgesetzt sind, und dadurch einen Lichtabfaül erleiden.
In fast allen Gasionenlasern entsteht ein Abfall in der verwendbaren Laserausgangsleistung während der Lebensdauer
eines Lasers. Dieser Abfall in verwendbare Leistung ist durch Verluste an den optischen Elementen, z. B. dem
Fenster oder den Fenstern der Laserröhre bestimmt.
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Bei Lasern mit hoher Verstärkung, wie z. B. Laser f die
bei einigen sichtbaren Lichtfrequenzen lasen, können Verluste der optischen Elemente, insbesondere Fenster,
obwohl ungewünscht, während der Lebensdauer der Röhre häufig toleriert werden. Es ist jedoch auch bei Lasern
mit hoher Verstärkung erwünscht, diese Verluste zu eliminieren oder zu verkleinern. Die Vermeidung oder Verkleinerung
der Verluste der optischen Elemente (Fenster) kann die verwendbare Lebensdauer der Röhre erhöhen und
einen effektiveren und genaueren Betrieb der Röhre während ihrer Lebensdauer ermöglichen.
Bei Lasern, die bei relativ geringer Verstärkung lasen, wie z. B. Laser bestimmter Ultraviolettfrequenzen, kann ein
Abfall der verwendbaren Leistung, die durch Verluste z. B. an einem Fenster bestimmt sind, sehr bedeutend werden.
Die in den Röhren von Gasionenlasern erzeugte Plasmastrahlung kann einen großen Lichtstrom erzeugen, der in der Lage
ist, physikalische und chemische Änderungen an einer optischen Oberfläche zu erzeugen, die dem Fluß ausgesetzt ist. Insbesondere
ist dieser Lichtstrom in der Lage, LichtVerluste an den
der diesem Strom ausgesetzten optischen Elementoberflächen hervorzurufen.
Für optische Elemente in derartigen Lasern werden beispielsweise folgende Materialien verwendet: kristallines SiOp, Si,
Quarzglas, Saphir, Diamant, EeO, MgF2, ZnS, ZnSe, BaF2, CaF3,
schwarzer Diamant (diamond like carbon), Yttrium- Aluminiumgranat (YAG), Yttrium-Lithiun-Fluorid.(YLF) oder ähnliche. Diese
Materialien erfahren häufig physikalische und chemische Änderungen, insbesondere Lichtreduktionen auf der dem Photonenfluß
ausgesetzten Oberfläche. Im Fall, daß Fenster auf das
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Ende einer Laserröhre aufgesetzt sind, tritt dies auch auf der inneren Oberfläche des Fensters auf. Andere optische
Elemente innerhalb des Inneren der Röhre selbst werden ebenfalls von dem Lichtverlust beeinflußt.
Es würde ein Fortschritt des Standes der Technik bedeuten, laseroptische Elemente anzugeben, die einer Lichtverringerung
nicht unterliegen, wenn sie großem Lichtstrom unterworfen sind, insbesondere wenn der Laser von der Art ist,
daß er während seines Betriebes Ultraviolettstrahlung erzeugt. Solche Laser erzeugen Ultraviolettstrahlung entweder
beiläufig oder als Teil des Strahls und sind Edelgasionenlaser, Excimerlaser} C02-Laser, freie Elektronenlaser, Atommetalldampf
laser und ähnliche.
Ein erster Zweck der Erfindung liegt darin, optische Laserkomponenten
anzugeben, die keinen Lichtverlust erleiden, wenn sie einem großen durch einen Laser erzeugten Lichtstrom
ausgesetzt sind.
Ein anderer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, Lichtreduktionsänderungen
auf der inneren Oberfläche eines Fensters, das am Ende einer Laserröhre angeordnet ist, während
des Betriebes des Lasers so klein wie möglich zu halten.
Noch ein anderer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, andere physikalische und chemische Änderungen zu verringern,
die auf den Oberflächen der optischen Laserelemente durch den Lichtstrom hervorgerufen werden.
Noch ein anderer Zweck der Erfindung ist es, die durch den Lichtstrom verursachte Lichtreduktion der optischen Elemente
zu verkleinern, die mit dem Kaltgasbereich eines Gasionen-
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lasers verbunden sind.
Ein damit zusammenhängender Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die Nutzdauer von Laserröhren beträchtlich zu erhöhen
durch Verringerung der physikalischen und chemischen Änderungen, wie z. B. Lichtreduktion an optischen Elementen, bedingt
durch den Lichtstrom.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, den Strahlungswiderstand der optischen Elemente des Kaltgasbereiches
eines Gasionenlasers zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die in denAnsprüchen angegebene Erfindung
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches,
Element eines Lasers, bei dem ein Heißgas-Plasmabereich und Kaltgasbereich vorhanden sind. Während des Betriebes des
Lasers werden Lichtströme erzeugt. Ein optisches. Element weist wenigstens eine Oberfläche auf, die dem Lichtstrom
ausgesetzt ist. Auf dem optischen Element befindet sich eine Beschichtung, die dem Lichtstrom ausgesetzt ist.
Die Beschichtung ist aus Material gebildet, das den Lichtverlust des optischen Elementes, bedingt durch den Lichtstrom,
klein hält.
Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine optische Komponente, die mit dem Laser zusammenwirkt,
der Lichtströme durch einen Kaltgasbereich überträgt, ein optisches Element, das wenigstens eine Oberfläche aufweist,
die den Lichtstrom-
- 16 ORfGJNAL fNSPECTED
ausgesetzt ist. Auf der ausgesetzten Lichtoberfläche ist
eine Beschichtung aufgebracht und derart gewählt, daß deren S'fcöC'hioinetrie sieh nicht wesentlich ändert, wenn die Beschichtung
den erzeugten Lichtströmen ausgesetzt ist.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Fensterkonstruktion vorgesehen, die am Ende einer
Laserröhre angeordnet ist, bei der der Laser während seines Betriebes einen großen Lichtstrom erzeugt, der in der Lage
ist, physikalische und chemische Veränderungen an der Fensteroberfläche, die den großen Lichtströmen ausgesetzt ist, zu verursachen.
Die Fensterkonstruktion enthält ein Fenster aus transparantem optischem Material zum Durchlassen eines
Laserlichtstrahls durch die Fensteranordnung. Des weiteren ist eine strahlungsresistente und optisch transparente
Beschichtung auf der inneren Oberfläche der Fensteranordnung vorgesehen, die dem großen Lichtstrom zur Verhinderung oder
Verringerung der physikalischen Änderungen auf der Oberfläche während des Betriebes des Lasers ausgesetzt sind.
Die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise anwendbar bei optischen Elementen, die dem Kaltgasbereich eines Lasers
zugeordnet sind, der Ultraviolettstrahlung während des Laserbetriebes erzeugt. Solche Laser sind beispielsweise:
Edelgasionenlaser, Exciiaerlaser, CO -Laser, Freielektronenlaser,
Atomdampflaser und ähnliche. Die vorliegende Erfindung
ermöglicht eine Beschichtung für optische Elementoberflächen, die großen Lichtströmen ausgesetzt sind, welches zu
einem Laser mit größerer Lebensdauer führt, kostengünstiger ist und eine größere Wirksamkeit besitzt.· Die Beschichtung
ist vorzugsweise zur Verringerung des Lichtverlustes ausgewählt,
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axe üurch den Photonenstrom erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Fenster beschränkt,
sondern schließt andere optische Laserelemente ein, wie z.B.
Innenraumlinsen, Spiegel, doppeltbrechende Platten, Polarisationselemente oder ähnliches.
Die Beschichtung ermöglicht eine Reihe von nützlichen Funktionen. Sie verringert den Photoverlust an Oberflächen,
die dem Lichtstrom ausgesetzt sind, sie verbessert die Strahlungshärte der optischen Elemente, sie verringert die optische
Verschlechterung, die durch Absorbtion der Lichtstrahlung oder Phasenfrontstörung an der ausgesetzten Oberfläche hervorgerufen
wird.
In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das optische Element ein Fenster und insbesondere
ein Brewster-Winkelfenster. Das Fenster ist Teil eines Lasers,
der im Ultraviolettenfrequenzbereich last und eine relativ geringe Verstärkung erzeugt. In dieser speziellen Anordnung
besteht das Fenstermaterial aus kristallinem Siliciumdioxyd (SiOp) und die Beschichtung ist ein Oxyd wie z. B. AIpO-..
Weiterhin weist in dieser speziellen Ausführung die Beschichtung eine dünne Schichtdicke von etwa(ioO) Angström auf.
Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie der
zugehörigen Zeichnungen, ohne auf das Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Endes einer Laserröhre,
bei der die vorliegende Erfindung verwendbar ist. Ein spezielles optisches Element, ein abgedich-
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tetes a.ti Ende einer Laserröhre angeordnetes
Fenster ist dargestellt. Fig. 1 ist teilweise weggebrochen und zeigt im Querschnitt verschiedene
Komponententeile der Laserröhre.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht zur Darstellung von Details der Fensterkonstruktion in einer Laserröhre
nach Fig. 1.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines Kaltgasbereiches eines Ionenlasers. Es ist ein Spiegel dargestellt,
der abgedichtet am Ende einer Laserröhre befestigt ist sowie ein zweites optisches Element, das im
Inneren des Kaltgasbereiches der Laserröhre angeordnet ist. Diese Elemente sind nicht im Maßstab
dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Laserröhre mit der Ziff. 10. Die Laserröhre 10 ist eine Laserröhre für einen Gasionenlaser, und
es ist lediglich ein Ende der Röhre dargestellt.
Die Laserröhre 10 enthält im wesentlichen zwei Teile: einen Kaltgasabschnitt 12 und einen Heißgas-Plasmaabschnitt 14.
Die vorliegende Erfindung wird bei einem Laser verwendet, bei dem Ultraviolettstrahlung erzeugt wird, entweder als
Teil des Laserstrahls selbst oder als Nebenstrahlung.
Heißes Gas ist im wesentlichen im Plasmabereich 14 verankert,
in der eine Besetzungsinversion zum Lasern führt, das einen Laserstrahl bestimmter Wellenlänge erzeugt. Dieses
Heißgas ist im wesentlichen nicht im Kaltgasbereich 14 vorhanden.
Auch wenn Fig. 1 einen Ionenlaser darstellt, ist die vorliegende Erfindung gleichfalls für andere Laser verwendbar,
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in denen hohe Lichtströme erzeugt werden. Die vorliegende Erfindung ist geeignet für folgende Lasertypen: Edelgasionenlaser,
Excimerlaser, COp-Laser, freie Elektronenlaser, Atommetalldampf-
oder ähnliche Laser. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung bei Lasern verwendet werden, die verschiedene
Geometrien wie Ring- oder gefaltete Laser aufweisen.
Die Röhre 10 weist ein zylindrisches Teil ;16 und eine Kathodenanordnung
18 auf. Das heiße Plasma verbleibt innerhalb des zylindrischen Teils 16 zwischen der Kathodenanordnung 18
und einer nichtdargestellten Anode.
In der dargestellten Ausführung sind Endflansche 20 und 22 zur Befestigung einer Röhrenendanordnung (Kaltgasteil 12)
an dem zylindrischen Teil 16 vorgesehen. Der Flansch 22 kann ein oder mehrere Anschlüsse 24 und 26 zum Verbinden von zusätzlichen
Geräten an das Rohr 10 aufweisen, wie z. B. Vakuumpumpe, Füllanlageneinheiten oder ähnliches.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist ein optisches Element in Form eines Fensters 28 am Ende des Kaltgasteils 12 des
Rohres 10 befestigt. Obgleich Fig. 1 ein Fenster darstellt, ist die vorliegende Erfindung auch für andere optische Elemente
verwendbar, einschließlich Innenraumlinsen, Spiegel, doppelbrechende Platten, Polarisationsplatten, andere Polarisatoren
oder ähnliches.
Das Fenster 28 ist im Brewster-Winkel gemäß Fig. 1 montiert, jedoch ist die Erfindung nicht auf optische Elemente beschränkt,
die im Brewster-Winkel angeordnet sind. Fenster und andere optische Elemente können auch mit anderen Winkeln
montiert sein.
Die Lar.erröhre 10 enthäLt ei nc andere E] ektrodo, eine Anode,
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am nichtdargestellten anderen Ende der Röhre. Zwischen der Kathode 18 und der Anode wird eine Plasmastrahlung
erzeugt. Das Plasma kann große Lichtströme während des Betriebes des Lasers erzeugen. Diese großen Lichtströme
erzeugen einen meßbaren Abfall der verwendbaren Ausgangsleistung der Laserröhre aufgrund von Verlusten an optischen
Elementen, einschließlich Fenster der Röhre. Ein hier definierter großer Lichtstrom wirkt kumulativ abhängig von der
Lichtenergie, der Flußdichte und der Einwirkungsdauer. Ein Bereich von etwa 10 bis 10 Photonen/Sek. kann als groß
im Hinblick auf die vorgenannten Faktoren sowie die besondere Anwendung angesehen werden.
Der Laserstrahl, der durch die Laserröhre 10 erzeugt wird, ist durch die Ziff. 30 in Fig. 2 gekennzeichnet. In einer
Ausführungsform ist das Fenster 28 auf der Röhre 10 durch ein Glas fritty er fahren befestigt, bei dem eine Glasfritte
zwischen die Röhre 10 und das Fenster 28 gebracht wird. Das Befestigungsverfahren ist ein übliches Frittverfahren,
das bei einer hohen Temperatur von etwa 450 - 55O0C gedichtet
wird. Andere Befestigungsverfahren einschließlich der Verwendung von Epoxydharz oder Zement, optisches Kontaktieren,
Verschmelzen, Verwendung verformbarer Dichtungen oder
ähnliches sjnd verwendbar. Das Standardfrittverfahren wird
jedoch bevorzugt.
Jeglicher Verlust bei der Übertragung des Strahls 30 durch das Fenster 28 ergibt Verlust in der verfügbaren Ausgangsleistung
des Lasers.
Die Verluste können an optischen Elementen einschließlich dem Fenster 28 als Ergebnis optischen Energieverlustes
entstehen. Schäden an den optischen Elementen kann zur
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Absorption der Lichtstrahlung oder Phasenfrontstörungen führen,
Die optische Verschlechterung der optischen Elemente kann als Resultat physikalischer oder chemischer Änderungen an
den Oberflächen der optischen Elemente wie z. B. der Oberfläche 32 des Fensters 28 entstehen, da dies die Oberfläche
ist, die den großen Lichtströmen ausgesetzt ist, die durch den Plasma-Betrieb des Lasers erzeugt wird. Die physikalischen
und chemischen Änderungen, die durch die Lichtströme erzeugt werden, sind im allgemeinen eine Lichtverringerung
der den Strömen ausgesetzten optischen Oberflächenelementen. Im nachfolgenden werden die physikalischen und
chemisch indozierten Änderungen als Lichtverringerung bezeichnet .
Die vorliegende Erfindung verkleinert die Lichtverringerung an den optischen Oberflächen durch Erhöhung des
Strahlungswiderstandes. Dies wird durch die vorliegende Erfindung erreicht, indem eine Strahlungsresistente und
optisch transparente Beschichtung 34 auf die Oberfläche eines
optischen Elementes, das dem Lichtstrom ausgesetzt ist, insbesondere
im Kaltgasbereich 12, aufgebracht wird.
Strahlungsresistenz bedeutet, daß die Schicht 34 keine physikalischen
und chemischen Änderungen erleidet, wenn sie Ultraviolett- Strahlung ausgesetzt ist, die während des Laserbetriebs
erzeugt wird. Der Strahlungswiderstand hängt zusätzlich von den Parametern der Intensität und der Dauer ab. D. h.,
je größer die Intensität des Lichtstromes in Verbindung mit einer größeren Zeitdauer der Einwirkungszeit des Lichtstromes
ist, umso größer muß die Strahlungswiderstandsfähigkeit der Beschichtung sein. In diesem Sinne wird dieser Ausdruck bei
ORDINAL INS
dor vorliegenden Erfindung als Qualifikation verwendet,
dnli (Jie Renchiehtiing Vl unter den Bedingungen den Lasorbetriebes
strahlungsresistent ist. Unter extremen Intensitäts- und Zeitbedingungen, bei denen ein Laser üblicherweise
nicht arbeiten würde, würde die Schicht 3^ jedoch nicht mehr
strahlungsresistent sein und beschädigt werden können.
Die Beschichtung 3^ dient für eine Mehrzahl von nützlichen
Funktionen und ist ein Material, das die optischen Eigenschaften der optischen Elemente unbeeinflußt läßt. Es ist
z. B. an der interessierenden Wellenlänge transparent. Der Brechungsindex der Beschichtung 31J ist so gewählt, daß die
Reflexionsverluste minimiert sind, wenn z. B. eine Beschichtung auf ein Fenster aufgebracht ist, das im Brewster-Winkel
angeordnet ist.
Die Beschichtung 3^ ist auf den Oberflächen der optischen
Elemente angeordnet, die den großen Lichtströmen ausgesetzt sind, um den Lichtverlust, der an diesen Oberfläche/7 auftritt,
zu minimieren. Zusätzlich weist die Beschichtung 31+ eine
Stöchiometrie auf, die sich nicht wesentlich ändert, wenn diese den Lichtströmen ausgesetzt ist.Dies dient zur Verringerung
des Aufbrechens von Bindungen an der ausgesetzten Oberfläche. Weiterhin absorbiert die Beschichtung 3^ nicht
selbst die gewünschte Laserwellenlänge nach oder während der Belichtung mit der Ultraviolettstrahlung. Stöchiometrie
bedeutet die Erhaltung der Art und Energie der chemischen Aktivität.
Geeignete Materialien der optischen Elemente sind z. B. kristallines Siliciumdioxyd, Silicium, geschmolzenes Siliciumdioxyd,
Saphir, Diamant, Berilliumoxyd, Magnesiumfluorid, Zinksulfid, ZnSe, Bariumfluorid, CalciumfluDrid, schwarzer
Diamant, Yttrium-Aluminiumoxyd- Kristallgitter (YAG), Yttrium Lithiumfluorid (YLF), oder ähnliche. Das bevorzugte Material
- 23 - ORiüiNÄL tNSPSCTEO
ist kristallines Siliciuradioxyd. Geeignete Beschichtungsmaterialien
sind solche, die die Lichtverringerung der optischen Elementoberflächen beträchtlich verkleinern.
Wenn diese auf optische zu schützende Oberflächen aufgebracht sind, haben diese Materialien eine geringe Reflexion,und
eine geringe optische Absorption im Bereich, in dem der Laser betrieben wird, und weisen eine geringe Streuung
in dem Wellenlängenbereich auf, in dem der Laser arbeitet. Die bevorzugten Materialien enthalten Oxyde und Fluoride.
Beispielhafte Beschichtungsmaterialien sind Aluminiumoxyd, Berilliumoxyd, Yttriumoxyd, Magnesiumoxyd, Bp^V ^CpO-,,
LiF, NdF-,, ThF1J, MgFp, Na^AlF,-, und ähnliche. Bevorzugte
Materialien sind Aluminiumoxyd und Berilliumoxyd.
Es ist von Bedeutung, daß die Schicht 34 entweder als eine einzige Schicht oder als eine Mehrfachschicht ausgebildet
sein kann. Die Schicht 34 kann eine Schicht eines ersten
Materials eine zweite Schicht eines zweiten Materials usw. enthalten. Wenn eine Vielfachstruktur verwendet ist, wird
diese derart ausgeführt, daß minimale Reflexionsverluste durch die Kombination der beschichteten Oberfläche 32 und
der Beschichtung 34 erreichbar sind.
Die ausgewählten Materialien zur Beschichtung 34 und der beschichteten Oberfläche 32 werden gewählt, um die Absorption
. durch Verunreinigungen der Oberfläche 32 zu reduzieren, die
jedoch für die Schicht 34 zur Lichtverringerung durch die Belichtung mit dem Lichtstrom führt.
Die Dicke der Beschichtung 34 kann variieren. Es kann ein
dünner Film mit einer Dicke von etwa 50 Angström sein. Sie kann in der Dicke einer halben Wellenlänge aufgebracht sein
24 -
ο ς ο / γ.ϊζ
ο O ο ^ ν; O
oder als . Vielfaches der halben Wellenlängendicke sein. (Absorberschicht).
Die Beschichtung 34 ist auf die optischen Elemente auf verschiedene
Art aufgebracht. In einer Ausführungsform wird diese auf die gewünschte Oberfläche (Oberflächen)durch
physikalische Dampfablagerung unter Verwendung verschiedener Applikationsarten aufgebracht, einschließlich Elektronenstrahlen
oder Zerstäubung, oder ähnliches. In einer anderen Ausführungsform wird diese durch chemische Ablagerung abgelagert
oderkann durch Immersion in einem chemischen Bad aufgebracht werden, wenn das gesamte optische Element beschichtet
werden soll.
Fig. 3 zeigt ein optisches Element 28, das im Inneren der Laserröhre 10 positioniert ist, und insbesondere im Kaltgasbereich
12. Für gleiche Teile in den anderen Figuren sind die gleichen Ziffern verwendet. Wie Fig. 3 zeigt, ist
ein optisches Element 28, wie z. B. eine Polarisationsplatte, eine doppelbrechende Platte, eine Innenraumlinse oder
ähnliches an zwei gegenüberliegenden Oberflächen mit einer Schicht 34 versehen. Das optische Element 28 kann z. B. im
Brewster-Winkel angeordnet sein. Beide Oberflächen sind beschichtet, wenn sie entsprechend in Verbindung mit den
großen Lichtströmen stehen, und verringern den Photoverlust an jeder Oberfläche, wenn gewünscht. In einer anderen Ausführung
ist lediglich eine Oberfläche des optischen Elements 28 beschichtet. Wenn beide Seiten beschichtet sind, kann jede
Seite mit dem gleichen Materialien beschichtet sein, verschiedenen Materialien, in verschiedener Dicke und in
einer Vielfachanordnung auf einer oder beiden Seiten.
Am Ende der Röhre 10 befindet sich ein Laserausgangsspiegel 36,
- 25 -
ORlQlNAl.
3534C53
Der Spiegel 36 ist an der Röhre 10 durch verschiedene übliche Befestigungsmittel, z. B. Fritten befestigt.
Die Oberfläche 38, die zum Inneren der Röhre gerichtet
ist, ist mit einer Schicht 34 versehen. Vorzugsweise können
diese optischen Elemente wie z. B. der Spiegel 36 mit
einer Vielfachschicht versehen sein.
Die vorliegende Erfindung ist anwendbar bei Lasern, die im ultravioletten, dem sichtbaren, dem infraroten und
ähnlichen Spektrum lasen.
In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Fenster im Brewster-Winkel angeordnet
am Ende des Kaltgasbereiches der Laserröhre, die im ultravioletten Frequenzbereich last. In dieser besonderen
Ausführungsform besteht das Fenster aus kristallinem Siliciumdioxyd, und das beschichtete Material ist Aluminiumoxyd,
das in einer Schicht von etwa 100 Angström durch physikalische Dampfablagerung aufgebracht ist.
Ein Laser für den ultravioletten Frequenzbereich arbeitet bei einer niedrigen Verstärkung und die Verluste an einem
optischen Element, wie einem Fenster, können zum Abfall der verfügbaren Leistung des Lasers innerhalb kurzer Zeit führen.
Der große Photonenstrom kann eine Lichtverringerung der Oberfläche des kristallinen Siliciumdioxyds hervorrufen.
Dies ist eine Reduktion des Siliciumsdioxyds zum Element Silicium zusammen mit anderen Reduktionsprodukten. Wenn das
Element Silicium an der Oberfläche vorliegt, weist dieses optische Verluste wie z. B. Absorption, Streuung oder ähnliches
der Laserwellenlänge auf. Selbst ein Bruchteil einer Atomschicht des Elementes Silicium kann einen beträchtlichen Wert
- 26 ORIGINAL
— 26— ^ r o ' ^1 γ η
ό D 3 h C ο 3
dar, 1 ,η mo rl i ei h LmI-rah 1 .» ab:.-, orb i or· on .
Eine Beschichtung wie z. B. Aluminiumoxyd, Berilliumoxyd
oder ähnliches, das als dünner Film oder in der
optischen Dicke bei einer halben Wellenlänge (oder einem
optischen Dicke bei einer halben Wellenlänge (oder einem
Vielfachen davon) aufgebracht ist, dient zur
Verringerung des Lichtverlustes des Siliciumdioxyds.
Verringerung des Lichtverlustes des Siliciumdioxyds.
Das verwendete Beschichtungsmaterial ist außerdem ein
strahlungsfestes Material in dem Sinne, daß es nicht leicht zerfällt oder die Stöchiometrie ändert unter der Beeinflussung mit dem großen Lichtstrom.
strahlungsfestes Material in dem Sinne, daß es nicht leicht zerfällt oder die Stöchiometrie ändert unter der Beeinflussung mit dem großen Lichtstrom.
Obgleich die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
beschrieben ist, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern beinhaltet alle Änderungen und andere Ausführungsformen innerhalb der beanspruchten Art.
beschrieben ist, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern beinhaltet alle Änderungen und andere Ausführungsformen innerhalb der beanspruchten Art.
- 27 -
| 10 | Laserröhre |
| 12 | Kaltgasabschnitt |
| 14 | Heißgasabschnitt |
| 16 | zylindrisches Teil |
| 18 | Kathodenanordnung |
| 20 | Endflansch |
| 22 | Endflansch |
| 24 | Anschluß |
| 26 | Anschluß |
| 28 | Fenster |
| 30 | Laserstrahl |
| 32 | Oberfläche |
| 34 | Beschichtung |
| 36 | Spiegel |
| 38 | Oberfläche |
-H-
OFUQlNAL ^
Claims (63)
1. Optische Komponente eines Lasers, der einen Heißgasplasmabereich
und einen Kaltgasbereich enthält und darin Photonenströme erzeugt, dadurch gekennzeichnet,
daß ein mit dem Laser in Verbindung stehendes optisches Element (28) mit wenigstens einer Oberfläche den Photonenströmen
ausgesetzt ist, daß auf der Oberfläche, des optischen Elementes, das den Photonenströmen ausgesetzt ist, eine
Beschichtung (31O vorhanden ist, die aus einem Material
zur Verkleinerung der Lichtverluste des optischen Elementes durch die Photonenströme besteht.
2. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß das optische Element im wesentlichen aus transparentem optischem Material zum Durchlassen des
Laserstrahllichtes besteht.
3. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Element mehr als eine Oberfläche aufweist, die den Photonenströmen ausgesetzt ist.
4. Optische Komponente nach Anspruch 3>
dadurch gekennzeichnet, daß jede den Photonenströmen ausgesetzte Oberfläche
des optischen Elementes mit einer Beschichtung versehen ist. ι
3534C53
5. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung ein optisch dünner Film ist.
6. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß die Beschichtung eine physikalische Dicke von nicht größer als etwa 50 Angström aufweist.
7. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung eine physikalische Dicke von etwa 100 Angström aufweist.
8. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die auf jeder beleuchteten Oberfläche des optischen Elementes aufgebrachte Beschichtung eine
optische Dicke von im wesentlichen der halben optischen Wellenlänge oder einem Vielfachen davon aufweist.
9. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung ein Vielfachfilm ist, bei dem jede Schicht aus unterschiedlichem Material
besteht.
10. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß das optische Element ein Fenster am Ende einer Laserröhre zur Abgrenzung des Kaltgasbereiches
ist.
11. Optische Komponente nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster mit der Laserröhre gefrittet
verbunden ist.
12. Optische Komponente nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet
, daß das Fenster ein Brewster-Winkelfenster
ist.
13. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß das optische Element im Inneren des Kaltgasbereiches angeordnet ist und zwei gegenüberliegende
Oberflächen aufweist, von denen wenigstens eine den Lichtströmen ausgesetzt ist und diese eine aufgebrachte
Beschichtung aufweist.
14. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß das optische Element eine Innenraumlinse ist.
" 15. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß das optische Element eine doppelbrechende Platte ist.
Ί6. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß das optische Element ein innerer Plattenpolarisator ist.
17. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß das optische Element ein Spiegel ist.
18. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Element aus einem Material besteht, das das Aufbrechen chemischer Bindungen des
Elementes durch die Lichtströme verringert.
19. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß das optische Element aus einem Material besteht, das aus der Gruppe von kristallinem SiQp , Si,
geschmolzenem SiO2, Saphir, Diamant, BeO, MgF^, ZnS,
ZnSe, BaF2, CaF2, schwarzem Diamant, Yttrium- Aluminiumkristall
(YAG), Yttrium-Lithium-Fluorid (YLF) oder ähnlichen Materialien ausgewählt ist.
20. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung ein Oxyd ist.
21. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung ein Material ist, das geringe Reflexionseigenschaft, geringe optische Absorption
und geringe Streuung im Betriebsspektrum des Lasers aufweist.
22. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung vorgesehen ist zur Verringerung von Änderungen oder Abweichungen der optischen
Phasenfront bei Einwirken durch den Lichtstrom.
23. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Element und die Beschichtung in der Weise ausgewählt sind, daß die Absorption durch
Verunreinigungen an der Oberfläche des Elements, das mit einer Beschichtung versehen ist, reduziert wird.
24. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung aus einem Material aus der Gruppe ausgewählt ist: Al9O,, BeO, YpO,, MgO, B9O,,
C- D
^- J)
^ J)
Sc3O3, LiF, NdF3, ThF11, MgF2 und Na3AlF6
25. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung aus Aluminiumoxyd oder ' Berilliumoxyd besteht.
— 5 —
3 5 3 k C 5 3 - 5 -
26. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß die Beschichtung aus Aluminiumoxyd besteht.
27. Optische Komponente nach Anspruch 1, dadurch geknnzeichnet,
daß cas optische Element ein Brewster-Fenster ist, das an einem Ende einer Laserröhre des Kaltgasbereiches
angeordnet ist, mit einer inneren Oberfläche, die mit dem Kaltgasbereich in Verbindung steht, daß die Beschichtung
eine dünne Schicht aus Aluminiumoxyd ist, daß das Fenster aus kristallinem Siliciumdioxyd besteht
und daß der Laser ein Gasionenlaser ist.
28. Optische Komponente, die mit einem Laser in Verbindung steht, der im Kaltgasbereich Lichtströme erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Element an dem Laser angeordnet ist und wenigstens eine Oberfläche
aufweist, die den Lichtströmen entgegengerichtet ist, daß eine Beschichtung auf dieser Oberfläche vorgesehen ist,
daß die Beschichtung aus einem Material besteht, das eine Stöchiometrle aufweist, die sich nicht wesentlich
ändert, wenn sie den Lichtströmen ausgesetzt ist.
29. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Element aus einem Material besteht, das einen Laserlichtstrahl hindurchläßt.
30. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet
, daß der Laser während seines Betriebes Ultraviolettstrahlung erzeugt.
31. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß der Laser ein Ionenlaser ist.
32. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung ein dünner Film ist, der eine größere Dicke als 50 Angström aufweist.
33. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung ein dünner Film mit einer Dicke von etwa 100 Angström ist.
34. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung eine Vielzahl von unterschiedlichen Schichten aus verschiedenem Material aufweist,
35. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet
, daß die Beschichtung einer Dicke einer halben optischen Wellenlänge oder einem Vielfachen der halben
optischen Wellenlänge entspricht.
36. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet
, daß das optische Element ein Fenster ist, das an einem Ende einer Laserröhre angebracht ist, wobei
eine Fensteroberfläche den Lichtströmen im Kaltgasbereich ausgesetzt ist.
37. Optische Komponente nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet,
daß das Fenster im Brewster-Winkel angeordnet ist.
ο π ο! ηςο
O J ^ "4 - J J
— 7 —
38. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Element im Inneren des Kaltgasbereiches angeordnet ist.
39. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Element eine Polarisationsplatte ist.
40. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Element eine Innenraumlinse ist.
41. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Element eine doppelbrechende Platte ist.
42. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Element ein Spiegel ist.
43. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet
, daß das optische Element mehr als eine Oberfläche aufweist, die mit einer Beschichtung versehen ist.
44. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung auf dem optischen Element durch physikalische Dampfablagerung erfolgt ist.
45. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet
, daß die Beschichtung auf dem optischen Element durch chemische Ablagerung erfolgt ist.
46. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet
, daß das optische Element aus einem Material besteht, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist:
kristallines SiOp, Si, geschmolzenes SiO2, Saphir, Diamant, BeO, MgF2, ZnS, ZnSe, BaF2, CaF2, schwarzer
Diamant, Yttrium-Aluminium-Kristall (YAG), Yttrium-Lithium-Fluorid.
47. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet
, daß die Beschichtung ein Oxyd oder Fluorid ist.
48. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung aus einem Material der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Al2O-, BeO, Y2O^j
MgO, B2O3, Sc2O3, LiF, NdF3, ThF4, MgF3, Na3AlF5.
49. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet
, daß die Beschichtung Aluminiumoxyd oder Berilliumoxyd ist.
50. Optische Komponente nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Element und die Beschichtung zur Reduzierung der Adsorption von Verunreinigungen
der Oberfläche des optischen Elementes, das mit der Beschichtung versehen ist, dient.
51. Fensterkonstruktion zur Befestigung an einem Ende einer Laserröhre, in der große Photonenströme im Betrieb des
Lasers erzeugt werden und wodurch physikalische und chemische Änderungen an einer Fensteroberfläche auftreten
können, die den großen Photonenströraenausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster aus
transparentem optischem Material zum Durchlassen eines Laserlichtstrahls besteht, daß auf der inneren
Oberfläche des Fensters, das den großen Photonenströmen ausgesetzt ist, eine strahlungsresistente und optisch
transparente Beschichtung zur Verhinderung oder Verkleinerung der physikalischen und chemischen Änderungen
an der Oberfläche während des Laserbetriebes aufgebracht ist.
52. Fensterkonstruktion nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung eine sehr dünne Schicht zur Verringerung von Absorptions- und Reflexionsverlusten
zwischen der Beschichtung und dem Fenster ist.
53. Fensterkonstruktion nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet,
daß das Fenster im Brewster-Winkel angeordnet ist.
54. Fensterkonstruktion nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung einen Brechungsindex aufweist, der Reflexionsverluste zwischen Fenster und
Beschichtung verringert.
55. Fensterkonstruktion nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet
, daß das Fenster und die Beschichtung derart ausgewählt sind, daß die Adsorption von Verunreinigungen
auf der inneren Oberfläche des Fensters verringert ist.
56. Fensterkonstruktion nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet,
daß das Fenster aus kristallinem Siliciumdioxyd besteht.
- 10 -
57· Fensterkonstruktion nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung ein Material ist, das einen beträchtlichen Teil des Lichtstroms absorbiert,
der physikalische und chemische Veränderungen in der Fensteroberfläche hervorruft, und ein Material ist,
das unter dem Einfluß eines derartigen Lichtstromes nicht zerfällt und das verhindert, daß dieser Teil des
Lichtstroms die Fensteroberfläche erreicht.
58. Fensterkonstruktion nach Anspruch 59, dadurch gekennzeichnet,
daß das Fenster aus kristallinem Siliciumdioxyd besteht.
59. Fensterkonstruktion nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet
, daß die Beschichtung ein Material ist, das optischer Alterung widersteht.
60. Fensterkonstruktion nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet,
daß das Fenster aus kristallinem Siliciumdioxyd besteht und die Beschichtung Aluminiumoxyd ist.
61. Fensterkonstruktion nach Anspruch 51, bei der eine Fensteralterung über die Zeit zur Verringerung der
Laserausgangsleistung oder ungewünschten Phasenfrontstörungen führt, dadurch gekennzeichnet, daß die Fensterkonstruktion
im Brewster-Winkel angeordnet ist, das das Fenster a"s kristallinem Siliciumdioxyd besteht und die
Beschichtung in einer dünnen Schicht im Bereich von etwa 100 Angström physikalischer Dicke aufgebracht ist.
- 11 -
62. Verfahren zur Verhinderung oder Verkleinerung physikalischer oder chemischer Änderungen auf der
inneren Oberfläche eines Fensters, das am Ende einer Laserröhre angeordnet ist, in der ein großer Lichtstrom
während des Laserbetriebes erzeugt wird, und dadurch physikalische und chemische Veränderungen auf der
Fensteroberfläche hervorrufen kann, die dem großen Lichtstrom ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Fenster aus transparentem optischen Material zum Hindurchlassen eines Laserlichtstrahls hergestellt wird
daß die innere Oberfläche des Fensters mit einer strahlungsresistenten und optisch transparenten Beschichtung
versehen wird, die aus einem Material besteht, das physikalische oder chemische Änderungen auf dieser
Oberfläche des Fensters während des Laserbetriebes verringert.
63. Verfahren nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster ein Brewster-Winkelfenster ist.
- 12 -
Applications Claiming Priority (2)
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Legal Events
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| 8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: MEYER, L., DIPL.-ING. VONNEMANN, G., DIPL.-ING. DR |
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| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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