DE3816413A1 - Verfahren zum betreiben eines gasentladungslasers und gasentladungslaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Art eines Gasent­ ladungslasers. Ferner betrifft sie ein hochwirksames Verfahren zum Kühlen des Plasmas, was zu einer wesentlich erhöhten Leistungsabgabe führt, verglichen mit herkömm­ lichen Lasern derselben Größe, und Einrichtungen zum Durch­ führen einer solchen Kühlung. Das Kühlverfahren beruht auf der Verwendung eines senkrechten oder parallelen elek­ trischen Felds in Bezug auf ein axiales Magnetfeld, das bevorzugt im wesentlichen homogen ist, wobei deren Para­ meter auf eine solche Weise gewählt sind, daß eine Plasma­ strömung hergestellt wird, die dazu eingerichtet ist, die erforderliche Wärmeübertragung auf die Wände und die Abführung der Wärme von dem kritischen Bereich des Laser­ systems zu bewirken.

Eines der speziellen Ausführungsbeispiele der Erfindung betrifft einen koaxialen Gasentladungslaser, der an beiden Seiten durch Spiegel verschlossen ist, wobei eine Einrich­ tung vorgesehen ist, um ein axiales Magnetfeld mit ein­ stellbarer Intensität und ein radiales elektrisches Feld vorzusehen, das senkrecht zu dem im wesentlichen homogenen Magnetfeld steht, oder ein axiales Magnetfeld und auch ein axiales elektrisches Feld, wobei der Laser unter den Bedingungen eines bestimmten Gasströmungsmusters betrie­ ben wird, das dazu eingerichtet ist, wirksam den kriti­ schen Verstärkungsbereich des Lasers zu kühlen, was zu einer hochgradig erhöhten Leistungsabgabe führt.

Eine Anzahl von Veröffentlichungen, die von den Verfassern V.A. Seguin et al. der Elektrotechnischen Fakultät der Universität Alberta, Edmonton, Alberta, Canada, erschienen sind (vgl. Applied Optics, Bd. 25, Nr. 21, S. 3825 bis 3829, 1. November 1986, und Bezugsstellen), beschreibt eine Ausbildung, die ähnlich jener der Erfindung ist. Es wird ein nichthomogenes Magnetfeld verwendet, um die End­ wirkungen zu vermeiden, die durch die Anode selbst (Anode/ Spule) erzeugt werden,wobei die Kathode eine aus mehreren Elementen gebildete hohle Knopfelektrode ist. Sowohl Anode als auch Kathode werden durch ein dielektrisches Strömungsmittel gekühlt. Die Gasentladung ist nicht-selbst­ unterhaltend, magnetisch stabilisiert, photoinitiiert, impulsvergrößert, elektrisch erregt (MAGPIE), und das CO₂-Gasgemisch strömt durch den Verstärkungsbereich in einem geschlossenen Zyklus mit Hilfe axialer Strömungs­ lüfter. Das magnetische Feld beträgt etwa 83 (Gauß), und sein einziger Zweck ist es, die elektrische Gasentladung zu stabilisieren und die Stromzufuhr zur entsprechenden Einrichtung zu erhöhen. Das Magnetfeld ist ein schwaches und nichthomogenes Feld.

Die Erfindung betrifft Verbesserungen bei Gasentladungs­ lasern, die zu einer wesentlich erhöhten Leistungsabgabe führen, verglichen mit herkömmlichen Lasern derselben Größe. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Lasersystems, um wirksam Wärme aus dem kritischen Bereich abzuziehen, was zu einer erhöh­ ten Leistungsabgabe führt und die volle Benutzung des Zwischenelektrodenbereichs zur Laserbildung ermöglicht. Hohe Stromaufladungen können im Verstärkungsbereich ohne Lichtbogenbildung induziert werden. Eine bessere moleku­ lare Pumpwirkung findet infolge des verstärkten Elektroden­ wegs statt.

Die Erfindung betrifft ferner Gasentladungslaser, die mit einer Einrichtung zum Herstellen einer bestimmten Art einer Gasumlaufströmung versehen sind, die zu einer hoch­ gradig erhöhten Wärmeabfuhr führt, was zu einer verbesser­ ten Laserleistung und einer höheren Leistungsabgabe für eine vorgegebene Lasergröße führt. Mit koaxialen Gasent­ ladungslasern, die an ihren Enden mit geeigneten Spiegeln abgedichtet sind, sind Einrichtungen vorgesehen, um ein im wesentlichen homogenes axiales Magnetfeld herzustellen, sowie Einrichtungen, um eine solche Feldstärke zu ändern; es sind Einrichtungen vorgesehen, um ein radiales oder senkrechtes elektrisches Feld herzustellen, wobei das elektrische Feld dazu eingerichtet ist, das gasförmige Medium des Lasers zu ionisieren und eine Besetzungsumkehr im Verstärkungsbereich zu verursachen, wobei das gasför­ mige Gemisch (Plasma) durch eine erzwungene Konvektion gekühlt wird, die durch die Wechselwirkung des schwach ionisierten Plasmas mit dem magnetischen und elektrischen Feld verursacht wird. Wenn die magnetische Feldstärke über einen bestimmten kritischen Wert (B _crit ) erhöht wird, dann ergibt sich eine sehr steile Zunahme der Leistungsabgabe.

Die Zunahme in der Leistungsabgabe kann um einen Faktor von etwa 5, in manchen Fällen sogar 10 und mehr, erfolgen, verglichen mit ähnlichen Lasern ohne die spezielle Kühl­ einrichtung der vorliegenden Erfindung.

Laser nach Art der vorliegenden Erfindung können in einem Druckbereich von etwa 3 bis etwa 200 torr oder mehr be­ trieben werden, die angelegten magnetischen Felder können zwischen der unteren Grenze von B _crit bis auf mehr als 10 000 Gauß variieren, und die angelegte elektrische Spannung variiert zwischen etwa 100 V bis zu etwa 1000 V oder mehr.

Beispielsweise kann ein CO₂-Laser, der mit einem Druck von 20 torr betrieben wird, mit einer angelegten Spannung von 600 V zwischen Anode und Kathode (Abstand 20 mm) und mit einem axialen Magnetfeld von etwa 300 Gauß und bis zu etwa 5000 Gauß betrieben werden.

Obwohl die Erfindung an einer Vielfalt von Laserarten und Laserausbildungen anwendbar ist, wird sie doch im einzel­ nen unter Bezugnahme auf ein paar spezielle Konstruktio­ nen beschrieben, die jedoch keine Einschränkung bilden sollen. Erfindungsgemäße Gasentladungslaser mit wesent­ lich erhöhter Leistungsabgabe, verglichen mit herkömm­ lichen Lasern ähnlicher Größe, weisen im wesentlichen ein geeignetes Entladungsrohr, einen optischen Resonator, eine Kathode und Anode, die dazu eingerichtet sind, zwi­ scheneinander ein elektrisches Feld bestimmter Orientie­ rung und Stärke herzustellen, und einen Magneten auf, der dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld mit Feldlinien herzustellen, die im wesentlichen senkrecht oder parallel zu jenen des elektrischen Feldes verlaufen, wobei das Magnetfeld ein axiales Magnetfeld ist. Vorteilhafterweise ist eine Einrichtung vorgesehen, um eine kontinuierliche Gasströmung herzustellen oder um das gasförmige Medium zu regenerieren bzw. nachzufüllen.

Gemäß einem der Ausführungsbeispiele sind konzentrische rohrförmige Elektroden verwendet, wobei eine eine Anode und die andere eine Kathode sind, welche auch das Ent­ ladungsrohr bilden. Dieses kann ein Gas oder Gasgemisch mit einem bestimmten, im allgemeinen niedrigen Druck ent­ halten. Es kann eine Einrichtung vorgesehen sein, um ein solches Gas oder Gasgemisch durch das Entladungsrohr in Umlauf zu versetzen. Das System kann auch abgedichtet sein. Es ist eine Einrichtung vorgesehen, um ein elektri­ sches Feld (E) zwischen der Anode und der Kathode durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden Elek­ troden herzustellen, wobei die Spannungen allgemein im Bereich von etwa 100 V bis zu etwa 1000 V liegen. Dieses radiale oder axiale elektrische Feld führt zur Ionisierung des Gases oder der Gase im Entladungsrohr und zu einer Besetzungsumkehr. Um eine "Kantenwirkung" zu vermeiden, sind vorteilhafterweise Rohre verwendet, deren Enden aus­ gebaucht sind.

Es ist eine herkömmliche Kühleinrichtung zum Kühlen der Elektroden vorgesehen, wie etwa ein Strömungsmittelumlauf durch die Elektroden und/oder die Verwendung von Wärme­ rohren zum Wärmeabzug. Erfindungsgemäß wird eine verbes­ serte Kühlwirkung dadurch erreicht, daß man eine erzwun­ gene Konvektion des gasförmigen Gemisches herstellt, welche auf die Wechselwirkung des elektrischen Feldes und des Magnetfeldes an ionisierten Einheiten und den "Lehnert-Hoh"-Effekt für schwach ionisierte Plasmas zu­ rückgeht, der auch "strömungskonvektive Instabilität des schwach ionisierten Plasmas" genannt wird.

Wenn ein längliches rohrförmiges Entladungsrohr verwendet wird, dann beginnt die erzwungene Konvektion bei bestimm­ ten Werten des Magnetfelds, und eine solche erzwungene Konvektion führt zu einem wesentlich erhöhten Abzug der Wärme des Plasmas und zu einer wesentlich erhöhten Leistungsabgabe aus einem solchen Lasersystem.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Laserbe­ trieb, das zu einer erhöhten Leistungsabgabe führt und das die Schritte umfaßt, ein schwach ionisiertes Plasma in einer Entladungsrohr-Laseranordnung mit niedrigem Druck mittels eines radialen oder axialen elektrischen Feldes zu bilden und das genannte System mit einem Magnet­ feld mit einer im wesentlichen gleichförmigen magneti­ schen Induktion (B) zu überlagern, das im wesentlichen parallel zur Achse des Rohres verläuft, wobei das elek­ trische Feld und das Magnetfeld auf eine solche Weise eingestellt werden, daß eine erzwungene Umlaufströmung des gasförmigen Gemisches (Plasmas) hergestellt wird, die zu einer verbesserten Kühlung und einer Zunahme der Leistungsabgabe des Lasers führt.

Die Erfindung ist auf eine weite Vielfalt von Lasersyste­ men anwendbar, wie etwa Systeme, die auf CO₂, CO, NO₂, Eximern usw. beruhen. Das Magnetfeld kann durch einen Permanentmagneten hergestellt werden oder es kann durch eine Spule erzeugt werden. Das elektrische Feld wird durch Anlegen einer Gleichspannung an Anode und Kathode erzeugt. Statt einer konstanten Gleichspannung und eines konstanten Magnetfeldes ist es auch möglich, eine Kombi­ nation aus einem Wechselstrom oder pulsierenden Strom mit einem entsprechenden, in der Phase übereinstimmenden Magnetfeld zu verwenden. Es ist klar, daß im Falle paral­ leler und elektrischer magnetischer Felder E und B ober­ halb von B _crit solche Lorentz-Kräfte auftreten, daß der Weg von Anode zu Kathode in eine wendelförmige Umlaufbahn um die Rohrachse umgeändert wird. Da dieser Weg eine er­ höhte Länge aufweist, führt er zu vielfachen Kollisionen zwischen Elektronen und Molekülen, was die Besetzungsum­ kehr erhöht. Die Anwendung eines starken Magnetfeldes erhöht die Azimuth-Geschwindigkeit und erbringt sekundäre "Taylor-Zellen"-Strömungen oder wendelförmige Strömungs­ wege, wobei der Übergang auf solche Strömungsmuster beim kritischen Wert der magnetischen Induktion stattfindet, wo die Lösung für die Plasmaströmung einen Verzweigungs­ punkt erreicht. Ferner führt die Anwendung eines solchen magnetischen Feldes zu einem "Scheindruck" P, was einen Faktor E/P für den optischen Pumpvorgang der Gasmoleküle optimiert.

Die anderen Bestandteile des Lasersystems sind herkömm­ lich: Der optische Resonator kann zwei Spiegel aufweisen, die senkrecht zur Rohrachse stehen, von denen der eine zu 100% reflektiert, während der andere nur teilweise re­ flektiert. Erfindungsgemäße Laser können mit entweder außenliegendem oder innenliegendem Raum betrieben werden. Wenn ein außenliegender Resonator verwendet wird, dann ist das Rohr an seinen beiden Enden abgedichtet, wobei geeignete Fenster, wie etwa Fenster aus ZnSe, vorgesehen sind, die zentriert oder außermittig angeordnet sein können und die auch unter einem Brewster-Winkel angeord­ net sein können. Die Größe der Fenster ist nach Wunsch veränderlich, und sie können eine solche Größe aufweisen, daß sie nur einen Teil des aktiven Bereichs abdecken, bis zu einer Größe, die der vollen Größe eines solchen Be­ reichs entspricht, wobei solche Spiegel außerhalb des Rohrs angeordnet sind und mit ihrer optischen Achse den maximalen Verstärkungsbereich durchdringen. Wenn ein innenliegender Resonator verwendet wird, dann nehmen die Spiegel den Platz der Fenster der seitlichen Verschluß­ teile ein.

Verschiedenartige Ausbildungen von Lasersytemen können verwendet werden, und eine spezielle ist nachfolgend un­ ter Bezugnahme auf einige der Figuren dargestellt.

Das Hauptmerkmal der Erfindung ist die hochwirksame Küh­ lung des Gases oder Gasgemisches im Entladungsrohr (Plasma), welche es ermöglicht, daß man zu einer sehr stark erhöhten Eingangsleistung für eine vorgegebene Größe eines solchen Rohres greift, und welche zu einer sehr ausgeprägten Zunahme der Leistungsabgabe für einen Laser vorgegebener Größe führt.

Die erfindungsgemäßen Lasersysteme sind gekennzeichnet durch die Kompaktheit ihrer Abmessung, Einfachheit ihres Aufbaus und billige Komponenten, wie etwa die Stromversor­ gung, und zwar infolge der niedrigen verwendeten Spannun­ gen.

Die homogene magnetische Induktion ermöglicht die volle Verwendung des gesamten Zwischenraums zwischen den Elek­ troden zur Laserbildung, und hohe Stromaufladungen können im Verstärkungsbereich induziert werden, ohne daß dies zur Lichtbogenbildung führt.

Ganz allgemein existiert ein kritischer Wert von B, "B _crit ", bei welchem die Sekundärströmung beginnt, und eine Erhöhung der magnetischen Induktion über diesen Wert hinaus ermög­ licht eine starke Zunahme in der Leistungsabgabe.

Die Erfindung wird nur beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert, die nicht maßstäblich sind; in diesen zeigt:

Fig. 1a, 1b und 1c das Strömungsmuster eines schwachen Plasmas unter Einfluß elektrischer und magneti­ scher Felder unterschiedlicher Intensität,

Fig. 2 den Längsschnitt durch ein erfindungs­ gemäßes rohrförmiges Lasersystem,

Fig. 3 eine Frontansicht eines Spiegels, der in einem erfindungsgemäßen System verwendet wird,

Fig. 4 ein anderes erfindungsgemäßes Laser­ system in einem Teilausschnitt, und zwar in einem Längs- Querschnitt,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 4,

Fig. 6 eine Spiegelausbildung eines erfindungs­ gemäßen Lasersystems,

Fig. 7 einen weiteren erfindungsgemäßen Laser,

Fig. 8 einige weitere Ausführungsbeispiele und geometrische Ausbildungen gemäß der vorliegenden Erfin­ dung; in Fig. 8 ist:

Fig. 8a die Ansicht eines Längsschnitts durch eine Magnetspule oder einen Permanentmagneten mit zylin­ drischer Bohrung, in welche die beschriebenen unter­ schiedlichen Laserausbildungen eingeführt werden können,

Fig. 8b die Ansicht eines Schnitts einer Laser­ ausbildung ähnlich jener, die in Fig. 2 dargestellt ist,

Fig. 8c ein Längsschnitt durch eine unter­ schiedliche geometrische Ausbildung eines Lasers ähnlich jener, die in Fig. 4 dargestellt ist,

Fig. 8d die Ansicht eines Schnitts, der längs der Schnittlinie vorgenommen wurde, die in Fig. 8c be­ zeichnet ist,

Fig. 8e die Ansicht eines Längsschnitts durch eine Hohlkathode ähnlich jener, die in dem in Fig. 7 dargestellten Laser verwendet ist, und

Fig. 8f die Ansicht eines Längsschnitts durch eine Anoden-Kathoden-Anordnung jener Art, die in der Li­ teratur als P.I.G.-Entladungsanordnung bezeichnet ist, und zwar zur Verwendung in erfindungsgemäßen Lasern.

Wie in Fig. 1a, 1b bzw. 1c gezeigt ist, weist ein Ent­ ladungsrohr für niedrigen Gasdruck aus einem erfindungs­ gemäßen Lasersystem zwei konzentrische Elektroden 11 und 12 auf, wobei 11 eine Anode und 12 eine Kathode ist und die Elektroden mit einer geeigneten Gleichstromquelle ver­ bunden sind, die eine Spannung in der Größenordnung von etwa 100 V bis etwa 1000 V oder mehr vorsieht. Die resul­ tierenden radialen elektrischen Feldlinien sind als E _r bezeichnet und liefern ein elektrisches Radialfeld ge­ wünschter Stärke in der positiven Stelle bzw. Kolonne der Entladung Eine Magnetspule oder ein Permanentmagnet (nicht gezeigt) ist verwendet, um ein Magnetfeld zu erzeugen, und zwar vorteilhafterweise mit einstellbarer Feldstärke, wobei die magnetische Induktion im wesentlichen parallel zur Rohrachse verläuft und mit B bezeichnet ist.

Die gasförmigen Bestandteile werden ionisiert, und die Kombination aus dem elektrischen und dem magnetischen Feld führt zunächst (bei einer geringen magnetischen Kraft) zu einem Weg, der in Fig. 1a bezeichnet ist; eine Zunahme eines solchen magnetischen Felds führt zu einem Über­ wechseln auf ein Strömungsmuster, das schematisch in Fig. 1b gezeigt ist, nämlich "Taylor-Zellen"; eine noch weitere Zunahme des Magnetfeldes führt bei einem bestimm­ ten Wert zur Erzeugung eines Strömungsmusters nach Art der Taylor-Zellen, das in Fig. 1c gezeigt ist, welche Strömung zu einer weit erhöhten Wärmeübertragung von Plasma auf die die Wärme abziehenden Elemente (Außenzellen) des Systems führt.

Die Hauptelemente des Lasersystems der Erfindung sind unter Bezugnahme auf Fig. 2 dargestellt. Das Lasersystem weist in Kombination ein Gasentladungsrohr auf, das von der Anode 21, die ein rohrförmiges Teil mit einem Innendurch­ messer d ₂ ist, und einer konzentrischen Kathode 22 mit einem Außendurchmesser d ₁ begrenzt ist, welche den Gasent­ ladungskanal 23 begrenzen, in welchem ein Gas oder Gasge­ misch unter einem bestimmten Druck anwesend ist. Die Metallanode 21 ist vorteilhafterweise ein Zylinder aus rostfreiem Stahl mit einem Flansch 24, der ein Rogovsky- Profil oder ähnliches Profil aufweist, um Endwirkungen des schwach ionisierten Plasmas im Verstärkungsbereich 23 zu verhindern. Es ist ein weiteres rohrförmiges Teil 25 vorgesehen, das einen Strömungsmittelmantel rund um die Anode 21 bildet, durch welchen ein Kühlmedium 26 umläuft. Stattdessen kann auch ein koaxiales Wärmerohr für solche Kühlzwecke vorgesehen sein. Das rohrförmige Teil 25 ist von einem Magneten 27 umgeben, der ebenfalls durch das Kühlmedium 26 gekühlt werden kann. Dieses Magnetsystem 27 kann ein Permanentmagnet, ein Bitter-Magnet, eine Magnet­ spule oder ein supraleitender Magnet sein. Seine Ausbil­ dung muß so sein, daß er eine im wesentlichen homogene Magnetinduktion B parallel zur Achse der Elektrode 28 des Gaslaserrohrs im Verstärkungsbereich 23 erzeugt.

Der Magnet kann permanent oder einstellbar sein. Der mag­ netische Induktionsvektor B sollte mindestens eine be­ stimmte Intensität aufweisen oder größer sein als ein solcher kritischer Wert B _crit , der eine Funktion ist von der Rohrlänge L, dem effektiven Durchmesser des Entladungs­ rohres (d ₂-d ₁), dem Entladungsstrom I _D , dem Gasdruck im Entladungsrohr und der Viskosität des Plasmagemisches. Ohne sich auf eine Theorie festzulegen, ist der Erfinder überzeugt, daß die Feldstärke B _crit verringert werden kann, wenn das Streckungsverhältnis (aspect ratio) erhöht wird. Der Wert B _crit nimmt mit abnehmendem Druck zu. Es sind Rohre 29 und 30 vorgesehen, die bevorzugt aus nichtmetal­ lischem Material hergestellt sind und verwendet werden können, um Gas oder ein Gasgemisch durch das Entladungs­ rohr mit einem vorgegebenen Strömungsdurchsatz umlaufen zu lassen, um die Dissoziierung der bei der Laserbildung beteiligten Moleküle zu vermeiden. Es kann die Kathode 22 auch aus rostfreiem Stahl oder einem nichtkorrosiven Metall hergestellt sein, mit einem Flansch 31, der ein Rogovsky-Profil oder ähnliches Profil aufweist, um End­ wirkungen zu vermeiden. Die Kathode 22 wird durch ein Strömungsmittel gekühlt, das durch den Bereich 32 umläuft, oder sie kann ein Wärmerohr mit Rogovsky-Flanschen 31 sein. Die Kathode 22 kann auch ein Wolframdraht sein, der durch den Peltier-Effekt gekühlt werden kann.

An den Enden der Anode 21 sind jeweils dielektrische Zylin­ der 33 und 34 vorgesehen, oder statt dieser können Emailleschichten mit derselben Ausbildung vorgesehen sein, die sich vom Ende der Anode (Rogovsky-Profil) zum Ende des Rohrs erstrecken. Ein Katalysator kann wahlweise an den Zylindern 33 und 34 Anwendung finden, um die Dissoziie­ rung der Gasmoleküle bei abgesiegelten Vorgängen zu min­ dern.

Das in Fig. 4 und 5 dargestellte Lasersystem weist in Kombination eine mittige Strömungsmittelleitung 41 auf, an der zwei Elektroden 42 und 43 angebracht sind, die als Anoden dienen, wobei ein rohrförmiges, umgebendes Bauteil 44 vorgesehen ist, an dessen oberer und unterer Innen­ wand eine Kathode 45 bzw. 46 angebracht ist, deren Ränder bestimmte Rogovsky-artige Flansche 47 oder 48 aufweisen, wobei Anoden und Kathoden aus nichtkorrodierender Metall­ legierung, wie etwa rostfreiem Stahl, hergestellt sind. Im Inneren der Strömungsmittelleitung 41, die aus dielek­ trischem Material hergestellt ist, wird Wasser oder ein anderes geeignetes Strömungsmittel in Umlauf versetzt. Auch im Zwischenraum 49 wird eine Flüssigkeit in Umlauf versetzt. Es ist ein Magnet 50 vorgesehen, der koaxial auf die Laseranordnung übergeschoben ist und ein koaxiales Magnetfeld mit einer Feldstärke B liefert. Es liegen zwei Verstärkungsbereiche 51 und 52 vor, in denen ein Gas oder ein Gasgemisch mit einem bestimmten Druck vorgesehen ist. Dieses kann über Rohre 53 und 54 umgepumpt werden oder, falls erforderlich, über solche Rohre nachgefüllt werden. Es kann eine Anzahl von Wärmerohren 55 zum Abzug von Wärme vorgesehen sein. Der Magnet 50 kann ein Perma­ nentmagnet oder eine Magnetspule sein. Eine Gleichspannung wird an Anoden und Kathoden angelegt, die ein elektrisches Feld zwischen diesen herstellt, wobei das Magnetfeld recht­ winklig zum elektrischen Feld ausgerichtet ist. Die resultierenden Lorentz-Kräfte verursachen einen Umlauf des Plasmas durch die Bereiche 51 und 52, und Wärme wird hauptsächlich über die Wärmerohre 53 und 54 bzw. 55 ab­ gezogen. Die Intensität des Magnetfelds ist nicht kritisch bei dieser speziellen Ausbildung, und sogar ein verhält­ nismäßig schwaches Feld führt zu einer ausgeprägten Zu­ nahme der Leistungsabgabe. Der Resonator ist von zwei flachen Spiegeln 55′ und 56 gebildet, die eine Spiegel­ fähigkeit von 100% aufweisen, eine rechteckige Form haben und unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Es ist ein totalreflektierender Spiegel 57 aus Metall mit zylindrischer Krümmung und rechteckiger Form vorgesehen. Es ist weiter ein Ausgangs-Kopplerspiegel 58 mit einem bestimmten Spiegelungsvermögen vorgesehen, um den Laserausgang des Verstärkungsbereichs zu optimieren. Es kann auch eine unstabile, gekippte bzw. umgeknickte zylindrische Resonatorausbildung verwendet werden, wie in Fig. 6 dargestellt. In ähnlicher Weise sind an den En­ den der Kathode 22 dielektrische Zylinder 35 bzw. 36 oder entsprechende Emaillebeschichtungen oder ähnliche Be­ schichtungen vorgesehen, mit einer guten Abdichtung für die Kathode. Am Ende der Anoden/Kathoden sind ein Resona­ torspiegel 37 und ein teilweise reflektierender Spiegel 38 vorgesehen, wobei der Abstand S so gewählt ist, daß ein Dampfniederschlag auf den beiden Spiegeln verhindert ist. Es liegt eine Auswahl verschiedenartiger Ausbildun­ gen des Resonators vor, wie etwa beispielsweise:

• a) Der Spiegel 37 ist ein totalreflektierender Spiegel mit verbesserten Reflexionsbeschichtungen, während der Spiegel 38 ein teilweise reflektierender Spiegel ist (toroidförmig), und zwar mit einer bestimmten Durchlässigkeit, um die geringe Signalverstärkung im Resonanzhohlraum zu optimieren.
• b) Eine Mehrkanal-(multipass-)Ausbildung, wie sie durch J.G. Xin und D.R. Hall, Optics Communications 58,420-6 (1986), beschrieben ist.
• c) Ein unstabiler Resonator, wobei der Spiegel 37 ein toroidförmiger, totalreflektierender Metallspiegel und der Spiegel 38 ein Spiegel jener Art ist, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.
• d) Ein unstabiler Resonator, wie in Appln- Phys. Lett. 52 (7), 15.2.88, von Yasni et al. beschrieben.

Wie in Fig. 3 gezeigt, ist der Spiegel 38 ein Auskoppe­ lungsspiegel, der aus zwei Teilen besteht, nämlich einem toroidförmigen Fenster, das mit antireflektierenden Be­ schichtungen versehen ist und die Abschnitte 39 bildet, und einem reflektierenden, ringförmigen Sektor 40 (Ring­ spiegel), der eine Totalreflexion liefert und im Bereich der maximalen Verstärkung eines geringen Signals liegt.

In allen oben dargestellten Ausführungsbeispielen ist eine vakuumfeste Abdichtung vorgesehen. Das gasförmige Medium kann kontinuierlich umgepumpt werden oder es kann nachgefüllt werden, falls erforderlich, und zwar über die Leitungen, die in Fig. 2 gezeigt sind.

Der Laser kann auch mit einem Wechselstrom betrieben wer­ den, wobei die Funktionen der Elektroden abwechseln und auf eine Änderung des Magnetfeldes mit derselben Frequenz zurückgegriffen werden muß.

Wenn das Magnetfeld erhöht wird, dann führt dies bei einer bestimmten Feldstärke B _crit zu einer sehr steilen und aus­ geprägten Zunahme der Leistungsabgabe, welche näherungs­ weise linear abhängig ist von der weiteren Zunahme des Magnetfeldes B. Diese Zunahme der magnetischen Feldstärke impliziert eine Zunahme in der Entladungsspannung, was die Möglichkeit einer erhöhten Leistungsaufnahme für ei­ nen festgelegten Entladungsstrom liefert. Die erhöhte Leistungsaufnahme führt zu einer sehr ausgeprägten Zu­ nahme der Leistungsabgabe, und eine Zunahme um einen Fak­ tor von 5 oder mehr, verglichen mit einem ähnlichen Laser ohne das Kühlsystem der vorliegenden Erfindung, kann mühe­ los erreicht werden. In bestimmten Fällen wurde eine Zu­ nahme um einen Faktor 10 oder noch sogar mehr erreicht.

Beispielsweise wurde ein Laser gemäß Fig. 2 aufgebaut, mit einem Innendurchmesser d ₁ von 3 mm, einem Außendurch­ messer d ₂ von 31 mm und einer Länge des Verstärkungsbe­ reichs von etwa 310 mm. Dies war ein CO₂-Laser für einen Druck von 20 torr, und er wurde mit einer angelegten Span­ nung von etwa 600 V und mit einem Magnetfeld von mehr als 1000 Gauß bei einem Entladungsstrom von mehr als 3 A be­ trieben.

Die Ausgangsleistung hängt von der Art der verwendeten Resonatoroptik ab, und mit gut konstruierten herkömmli­ chen Resonatoren kann eine Ausgangsleistung von mehr als 20% der Eingangsleistung erreicht werden.

Wenn ein so hoher Eingang mit einem abgedichteten, diffu­ sionsgekühlten Laser mit ähnlichen Abmessungen des Ver­ stärkungsbereichs verwendet wird, dann führt dies ganz allgemein zur Ausbildung eines Lichtbogens.

Bisher wurden Versuche unternommen, um eine wirksame Küh­ lung mittels teurer und komplizierter Gebläse und Wärme­ austauscher vorzunehmen, aber diese haben nicht die vor­ teilhaften Ergebnisse der Lasersysteme der vorliegenden Erfindung ergeben. CO₂-Laser mit langsamer Strömung kön­ nen nicht solchen Stromeingängen mit einem Verstärkungs­ volumen standhalten, wie es oben bei diesem Beispiel aus­ geführt ist.

Verschiedene andere Ausbildungen und Betriebsbedingungen wurden überprüft, und es ist deutlich geworden, daß das Kühlsystem der vorliegenden Erfindung, das auf der Wech­ selwirkung eines elektrischen Feldes und eines magneti­ schen Feldes beruht, das über einem bestimmten Wert liegt, und zwar bei einem geeigneten laserbildenden Medium, zu einer drastischen Zunahme der Ausgangsleistung für eine vorgegebene Lasergröße führt.

Obwohl der Anmelder sich nicht auf eine spezielle wissen­ schaftliche Theorie festlegen will, wird doch davon aus­ gegangen, daß das physikalische Prinzip der vorliegenden Erfindung die strömungskonvektive Unstabilität einer Gasentladung ist, wie dies durch L. Lehnert, Report P/146 bei der Zweiten Internationalen US-Konferenz über die fried­ liche Verwendung von Atomenergie, Genf 1958, beschrieben ist und wie es auch als "Plasma-Instabilität" von V.V. Kadomtsev und A.V. Nedospasov in J. Nuclear Energy C 1, 230 (1960) erörtert ist. Die Plasma-Instabilität tritt bei einer kritischen magnetischen Feldstärke, B _cr , auf, und für ein Magnetfeld von B<B _cr sind die ambipolaren Diffusionsgleichungen gültig. Im ambipolaren Diffusions­ bereich ist das elektrische Feld um die Zunahme des magne­ tischen Feldes verringert, bis ein Wert von B B _cr erreicht ist, wo die anomale Diffusion von D. Bohm vorliegt (A. Guthrie & R. Wakerling: The Characteristics of Electric Discharges in Magnetic Fields, McGraw Hill, N.Y. 1949), und das elektrische Feld nimmt wiederum mit B<B _cr zu. Das oben genannte Prinzip kann bei einem Laser jener Art angewandt werden, die schematisch in Fig. 7 dargestellt ist, wo ein Laser mit einer von außen her wassergekühl­ ten zylindrischen Bohrung dargestellt ist, die in einem homogenen axialen Magnetfeld angeordnet ist. Anode und Kathode sind hohle Elektroden am Ende der zylindrischen Bohrung, wo auch ein einfacher stabiler oder unstabiler Resonator aus kugeligen Teilen angeordnet und eingestellt ist. Für B<B _cr ist das Strömungsmuster des schwach ioni­ sierten Plasmas ein wendelförmiges Muster, wobei das elektrische Feld parallel zu B für B<B _cr ist und eine ra­ diale und azimuthale Komponente für B B _cr wird.

Der Laser kann ein abgedichteter Laser sein oder einer mit einem offenen Zyklus. Die Hauptelemente solcher Laser sind unter Bezug auf Fig. 7 erläutert.

In dieser Figur bezeichnet 71 einen Permanentmagneten oder eine Magnetspule, die den Laser umgibt, der einen Zylinder 72 aus wärmeisolierendem Material aufweist, der den Außenteil des Lasers bildet, und aus einem Strömungs­ mittel-Kühlmantel. 73 und 74 sind die Auslaß- und Einlaß­ öffnungen des umlaufenden Kühlmediums. Die Kathode 77 ist eine Hohlelektrode, wie es auch die Anode 76 ist, und beide sind über einen Zylinder 75 aus elektrisch isolie­ rendem Material verbunden, das ein guter Wärmeleiter ist.

Es ist ein Resonator mit unstabiler positiver Abzweigung vorgesehen, und an den Enden der rohrförmigen Anordnung sind kugelige Spiegel 78 bzw. 82 vorgesehen, wobei 79 ein flaches bzw. ebenes AR/AR-Fenster mit Beschichtung ist. Das Gasmedium kann in das Innere des Lasers über ein Einlaßrohr 80 zum Plasmabereich 85 eingelassen werden und kann über eine Auslaßöffnung 81 abgezogen werden. Der erwähnte unstabile Resonator wird durch die beiden Spiegelhalter 83 und 84 gestützt.

Es ist klar, daß die obige Beschreibung in erster Linie der Erläuterung anhand von Beispielen dient und daß ver­ schiedenartige Änderungen und Abwandlungen von Art und Anordnung von Teilen vorgenommen werden können, ohne daß man den Umfang und Grundgedanken dieser Erfindung verläßt.

Die in den Zeichnungen gezeigten Ausbildungen sind jedoch ganz besonders vorteilhaft und bilden ausdrücklich bevor­ zugte Ausgestaltungen der Erfindung.

Claims (11)

1. Verfahren zum Betreiben eines Gasentladungslasers, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gas­ entladungsrohr mit einem Gas oder Gasgemisch bei einem vorbestimmten Druck versieht, ein elektrisches Feld in einer bestimmten Richtung durch das Gasgemisch hindurch herstellt, um die Gasbestandteile zu ionisieren, und ein Magnetfeld senkrecht oder parallel zum elektrischen Feld herstellt, wobei das Magnetfeld ein axiales Magnetfeld ist und dessen Wechselwirkung mit den ionisierten Gasbe­ standteilen zu einer Umlaufströmung des Plasmas führt, was zu einer verbesserten Wärmeübertragung aus dem Ver­ stärkungsbereich zu den Wänden hin führt und eine höhere Leitungsaufnahme und eine höhere Laser-Ausgangsleistung ermöglicht, verglichen mit einem herkömmlichen Laser der­ selben Größe.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gasförmigen Bestandteile in einem Ringraum zwischen einer axialen Elektrode und einer koaxialen rohrförmigen Elektrode eingeschlossen ist, das elektrische Feld ein radiales Feld ist und die Intensität des elektrischen Feldes und des magnetischen Feldes so gewählt sind, daß sich eine Umlaufströmung des Plasmas im Ringraum zwischen den Elektroden ergibt, und daß ferner eine Einrichtung zum Entfernen von Wärme aus dem System vorgesehen ist.

3. Gasentladungslaser mit wesentlich erhöhter Ausgangs­ leistung, verglichen mit einem herkömmlichen Laser dersel­ ben Art und denselben Abmessungen des Verstärkungsbereichs, gekennzeichnet durch ein Gasentladungsrohr (z.B. Anode 21), das mit einer Einrichtung zum Aufrecht­ erhalten eines bestimmten Drucks versehen ist, eine Ein­ richtung (21, 22) zum Herstellen eines elektrischen Felds mit einer bestimmten Richtung durch das Gas hindurch, eine Einrichtung (27) zum Herstellen eines axialen Magnet­ feldes senkrecht zum elektrischen Feld und ein herkömm­ liches optisches Spiegelsystem mit Spiegeln (37, 38), die einander gegenüberliegen und einander an den Enden des Entladungsrohrs zugewandt sind, wobei der resultierende Laserausgang parallel zur Richtung des Magnetfelds liegt.

4. Gasentladungslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas oder Gasgemisch in einem Ringraum (23) zwischen den konzentrischen koaxia­ len rohrförmigen Teilen (21, 22) eingeschlossen ist, wo­ bei das elektrische Feld ein radiales Feld ist, das Magnetfeld im wesentlichen ein axiales Feld ist und das Magnetfeld über einem bestimmten kritischen Wert (B _crit ) liegt, was zu einem erzwungenen Umlauf des ionisierten gasförmigen Mediums (eines schwach ionisierten Plasmas) führt, und wobei eine Einrichtung (25) zum Abführen der Wärme für die wirksame Entziehung der Wärmeenergie aus den Grenzbereichen des Laserbereichs vorgesehen ist.

5. Gasentladungslaser nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch zwei koaxiale, elek­ trisch leitfähige Rohre (21, 22), die an ihren Enden mit Rogovsky-Flanschen (24, 31) versehen sind, eine Einrich­ tung, um im Raum (23) zwischen den Rohren ein gasförmiges Medium unter einem bestimmten Druck einzuschließen, eine Einrichtung (29, 30), um erforderlichenfalls ein solches gasförmiges Medium umzupumpen, eine Einrichtung zum An­ legen eines radialen elektrischen Feldes zwischen den beiden rohrförmigen Teilen, eine Einrichtung (27) zum Herstellen eines Magnetfeldes senkrecht zum elektrischen Feld, geeignete Spiegel (37, 38), die an den Enden der Rohre vorgesehen sind und dem Raum zwischen diesen zuge­ wandt sind, und eine Einrichtung (25) zum Abziehen von Wärme, die vorgesehen ist, um Wärme aus dem Verstärkungs­ bereich des Lasers während dessen Betriebs abzuziehen.

6. Gasentladungslaser nach mindestens einem der An­ sprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aufrechterhaltene Druck zwischen etwa 3 und etwa 200 torr liegt, daß die angelegte Spannung zwischen etwa 100 und etwa 1000 V veränderlich ist und daß das Magnet­ feld zwischen einem kritischen Magnetfeld (B _crit ) und etwa 10000 Gauß liegt.

7. Gasentladungslaser nach mindestens einem der An­ sprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Magnet (27) ein Permanentmagnet, eine Magnetspule, ein Supraleiter oder ein Bitter-Magnet ist.

8. Gasentladungslaser nach mindestens einem der An­ sprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abführen von Wärme Strömungsmittel- Wärmeaustauscher (25) oder Wärmerohre (55) aufweist.

9. Gasentladungslaser nach mindestens einem der An­ sprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete gasförmige Medium CO₂, CO, NO₂, ein Eximer oder irgendein anderes Gas oder geeignetes Gasge­ misch ist.

10. Gasentladungslaser nach mindestens einem der An­ sprüche 3 bis 9, gekennzeichnet durch einen innenliegenden oder außenliegenden optischen Raum.

11. Gasentladungslaser nach Anspruch 3, gekenn­ zeichnet durch ein mittiges längliches Teil (41), wobei an zwei Flächen dieses Teiles Elektroden (42, 43) angeordnet sind, eine Leitung (44), die diese Anordnung umgibt, in welcher zwei Elektroden (45, 46) so angeordnet sind, daß sie dem anderen Elektrodenpaar gegenüberliegen, wobei jedes der Elektrodenpaare an unterschiedliche Pole einer Gleichspannungsquelle angelegt ist, ein gasförmiges Medium unter bestimmtem Druck, das im Raum (49) vorgesehen ist, welcher von der Leitung und zwischen den Elektroden­ paaren begrenzt ist, eine Einrichtung (53, 54) zum Um­ pumpen eines solchen Gases oder Gasgemisches durch den Raum oder zu dessem Nachfüllen, einen Magneten (50), der rund um die gesamte Anordnung vorgesehen ist und ein Magnetfeld liefert, das senkrecht zum elektrischen Feld steht, und eine wärmeleitfähige Einrichtung (55), die im Raum zwischen den Elektrodenpaaren vorgesehen ist, wobei das elektrische Feld und das Magnetfeld das Plasma, das im Raum angeordnet ist, während des Betriebs des Lasers veranlassen, eine Umlaufströmung im Raum aufzunehmen, welche die Wärmeabgabe an die Wärmeübertragungseinrichtung erbringt, und wobei ein geeignetes herkömmliches optisches System für den Laserbetrieb vorgesehen ist.