DE3825871A1

DE3825871A1 - Einrichtung fuer die anregung des gases eines gaslasers

Info

Publication number: DE3825871A1
Application number: DE3825871A
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Werner Dr Ing Thomas
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1988-07-29
Filing date: 1988-07-29
Publication date: 1990-02-01

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Anregung des Gases in einem Gaslaser.

Laser sind Lichtquellen, die Licht durch induzierte Emission verstärken. Es hat sich eingebürgert, daß die zahlreichen Laser-Systeme, die seit der Ent wicklung des ersten Lasers um 1960 vorgeschlagen wurden, nach der Art des aktiven Mediums unterschieden werden. Eine Einteilung nach dem Aufbau, der Art der Anregung, der Wellenlänge, der Betriebsart oder der Ausgangs leistung, die gründsätzlich ebenfalls möglich wäre, ist weniger gebräuchlich. Man spricht deshalb in erster Linie von Gas-, Farbstoff-, Halbleiter- und Festkörperlasern. Bei den Gaslesern dienen als aktives Medium Edelgase, Molekülgase und Metalldämpfe. Hinsichtlich ihrer Anregung unterscheiden sich Gaslaser erheblich von anderen Laserarten. Während Farbstofflaser mit Blitz- oder Pumplicht, Halbleiterlaser mittels elektrischem Strom und Fest körperlaser mittels Blitzlicht- oder kontinuierlichen Gasentladungslampen angeregt werden, werden Gaslaser meistens durch eine Gasentladung oder durch eine chemische Reaktion angeregt.

Wird die Anregung über eine Gasentladung durchgeführt, so emittiert das sich entladende Gas zunächst Licht spontan in alle Raumrichtungen. Einige der spontan emittierten Photonen bewegen sich zufällig senkrecht oder nahezu senkrecht auf Spiegel zu, die sich an den beiden Enden des Ent ladungsstrecke befinden, werden von diesen reflektiert und laufen durch einen optischen Verstärker, werden dort verstärkt, wieder reflektiert und nochmals verstärkt usw. Ist die Verstärkung für einen Durchgang größer als die Reflexionsverluste und die sonstigen Verluste, d. h. ist die Bedingung für die Selbsterregung erfüllt, so baut sich aus der spontanen Emission eine sehr intensive Strahlungsdichte zwischen den beiden Spiegeln auf.

Für bestimmte Frequenzen, die sogenannten Resonanz- oder Eigenfrequenzen, nimmt die gespeicherte Energie ein Maximum an. Um einen Dauerbetrieb des Lasers zu erreichen, müssen die Resonanzverluste ausgeglichen werden, d. h. der Laser muß fortwährend von außen eine Energiezuführung erhalten. Die Ausgengsleistung eines kontinuierlich betriebenen Geslasers liegt zwischen einigen Milliwatt beim Helium-Neon-Laser und einigen Kilowatt beim Neodym- oder CO₂-Laser. Im Pulsbetrieb ist es jedoch möglich, die Ausgangsleistungen kurzzeitig um viele Größenordnungen zu steigern. Die einfachste Möglichkeit, kurze und intensive Lichtimpulse zu erzeugen, besteht darin, die Anregungsleistung des Lasers, also z. B. das Pumplicht zu pulsen. Dies bringt den Vorteil, daß die Anregungsleistung im Pulsbetrieb gegenüber dem stationären Wert um Größenordnungen erhöht werden kenn. So können z. B. in einer Xenon-Blitzlichtlampe kurzzeitig 10⁶ Watt elektrische Leistung umgesetzt werden, im stationären Betrieb dagegen nur 10³ Watt. Ent sprechend steigt die Laserleistung an.

Die Anregungsleistung beim Gas-Laser wird, wie bereits erwähnt, in der Regel durch Gasentladungsvorgänge eingebracht. Beispielsweise wird beim He-Ne-Laser die anfängliche Anregung dadurch erreicht, daß man ein elektrisches Feld quer durch das Gas anlegt, das eine Glimmentladung ver ursacht (Portis, Young: Physik und Experiment, 2. Auflage, 1980, S. 198, Vieweg-Verlag). Nachteilig ist hierbei indessen, daß sich bei einem Gas laser von großer Länge keine gleichmäßigen Anregungen über die gesamte Strecke erzielen lassen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, des Ges eines Gaslasers, das sich in einem rohrförmigen Behälter befindet, von außen so anzuregen, daß sich über die gesamte Länge des Behälters eine annähernd gleichmäßige Anregung ergibt.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Geslaser-Röhre mit elektrischer Anregung;

Fig. 2 eine Seitenansicht des in der Fig. 1 dargestellten Gaslasers;

Fig. 3 das Prinzip einer Regelschaltung für die elektrische Anregung des Gaslasers;

Fig. 4 eine Gesamt-Schaltungsanordnung für einen Gaslaser.

In der Fig. 1 ist der Querschnitt eines Glasrohrs 1 dargestellt, das auf seiner Außenseite zwei Elektroden 2, 3 aufweist, die über ein Anpassungs netzwerk 4 mit einer hochfrequenten Stromversorgung 5 verbunden sind. Im lnnern des Glasrohrs 1 befindet sich ein Gas 6, das durch das Wechsel feld, welches zwischen den beiden Elektroden 2, 3 verläuft, angeregt wird und Licht aussendet. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel hat das Glasrohr 1 eine Länge von 2 m und einen Durchmesser von 5 cm. Wird als Gas 6 CO₂ verwendet, so lassen sich bei den genannten Abmessungen im Dauerbetrieb etwa 5 KW Lichtleistung erzeugen. Die hierfür notwendige elektrische Energie, die zugeführt werden muß, beträgt etwa 40 KW.

ln der Fig. 2 ist das Glasrohr 1 in einer Seitenansicht dargestellt. Man er kennt hierbei, daß entlang der Längsachse dieses Glasrohrs 1 mehrere Elektrodenpaare angeordnet sind, von denen jeweils nur eine Elektrode 2, 7, 8, 9 sichtbar ist. Jedes der Elektrodenpaare ist über eln Anpassungswerk 4, 10, 11, 12 mit einer eigenen hochfrequenten Energieversorgung 5, 13, 14, 15 verbunden. Zur Optimierung der Anregung kann nun jeweils elektroden paarweise sowohl die Amplitude als auch die Phasenlage der Stromver sorgungen 5, 13, 14, 15 untereinander eingestellt werden. Damit ist es also möglich, ein Energieeinbringungsprofil längs des Glasrohrs 1 in beliebiger Weise einzustellen. Hinzu kommt die Verwendungsmöglichkeit vieler kleiner Stromversorgungen auf Halbleiterbasis mit gutem Wirkungsgrad.

In der Fig. 3 ist anhand eines einzelnen Elektronenpaares, von dem nur die Elektrode 2 sichtbar ist, dargestellt, wie das Energieeinbringungsprofil und damit die Anregung des Gases automatisch geregelt werden kenn. Hierbei ist pro Elektrodenpaar wenigstens ein lichtempfindlicher Sensor 16 vorge sehen, der die Intensität des von dem angeregten Gas abgestrahlten Lichts erfaßt, in ein entsprechendes elektronisches Signel umwandelt und über einen Soll-Istwertvergleicher 17 einer Regelschaltung 18 zuführt. Das Glasrohr 1 ist an seinem einen Ende mit einem Spiegel 19 abgeschlossen. Ein solcher Spiegel ist auch am anderen Ende des Glasrohrs 1 vorgesehen, das in der Fig. 3 nicht dargestellt ist. Der Spiegel 19 ist auf seiner Innenfläche 20 verspiegelt und bildet mit dem gegenüberliegenden Spiegel einen Fabry- Perot-Resonator. Damit sich eine Resonanz ausbildet, muß sich zwischen den Spiegeln eine stehende Welle ausbilden, d. h. der Spiegelabstand muß ein ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge des von dem Gas emittierten Lichts betragen.

In der Fig. 4 ist eine Scheltungsanordnung dargestellt, welche für den Betrieb eines erfindungsgemäßen Gaslasers, und zwar insbesondere eines Helium-Neon-Lasers, erforderlich ist. Der Behälter 1 bildet, zusammen mit einem seltlichen Kathodenrohr 21, das mit dem Behälter 1 in Verbindung steht, die sogenannte lnnenspiegel-Kaltkathode-Laserröhre, die eine Alu miniumkathode 22 hat und z. B. mit Helium-Neon-Gas gefüllt ist. An den Stirnseiten von Erweiterungen 23, 24 der Kapillaren 25 des Behälters 1 sind Spiegel 19, 26 justiert, von denen der Spiegel 26 teildurchlässig ist. Die Gasentladung in der Röhre 1 wird durch en die Elektroden 2, 3, 7 bis 9, 27 bis 34, 43 gelegten Spannungen gezündet und dann mit einer Gleichspannung von etwa 1100 Volt, die zwischen der Kathode 22 und einer Anode 35 anliegt, bei einer Entladestromstärke von rund 7 mA betrieben. Diese Gleich spannung wird einer Hochspannungsversorgung 36 entnommen, die über einen Transformator 37 und zwei Schalter 38, 39 mit Netzanschlüssen 40, 41 verbunden ist. Die Anode 35 ist in einer seitlichen Ausbuchtung 42 der Erweiterung 23 der Kapillaren 25 angeordnet.

Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf bestimmte Gaslaser beschränkt, sondern umfaßt alle bekannten Gaslaser (vgl. z. B. W. Brunner, K. Junge: Lasertechnik, 3. Auflege, 1987, S. 82 bis 122). Es sind darüber hinaus auch Anwendungen bei anderen Laserarten möglich.

Claims

1. Einrichtung für die Anregung des Gases eines Gaslasers mittels hoch frequenten elektromagnetischen Feldern, wobei sich dieses Ges in einem für elektromagnetische Felder durchlässigen Behälter befindet, an dessen Außen wand wenigstens zwei Elektroden vorgesehen sind, zwischen denen sich wenigstens ein Teil des Gases befindet, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Paare von Elektroden (2, 3; 7, 43) hintereinander auf der Außenseite des Behälters (1) angeordnet sind und daß jeweils zwei einander gegenüber liegende Elektroden (2, 3; 7, 43) an eine gemeinsame hochfrequente Energie quelle (5, 13, 14, 15) angeschlossen sind, deren Ausgangssignal bezüglich Amplitude und Phasenlage regelbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie quellen (5, 13, 14, 15) regelungstechnisch untereinander verkoppelt sind, so daß sich innerhalb des Gases ein vorgegebener Feldverlauf einstellen läßt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter ein Rohr (1) ist, dessen Länge wesentlich größer als sein Durchmesser ist, wobei jeweils zwei Elektroden auf einer das Rohr halbierenden Geraden liegen, die senkrecht auf der Längsachse des Rohrs (1) steht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) aus Glas besteht und einen kreisringförmigen Querschnitt hat.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas CO₂ ist und die Frequenz der anregenden elektromagnetischen Energie im Mega hertz-Bereich liegt.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Gefäßes Strahlungsdetektoren (16) vorgesehen sind welche die von dem Gas ausgehende Strahlung als Maß für die Anregung des Gases erfassen und aufgrund der erfaßten Strehlenwerte mittels einer Regeleinrichtung die Amplituden und/oder Phasenlagen der einzelnen hochfrequenten Energie quellen (5, 13, 14, 15) entsprechend einstellen.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Elek trodenpaar (2, 3) wenigstens ein Strahlungsdetektor (16) zugeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Strahlungsdetektors (16) für jedes Elektrodenpaar (2, 3) eine Plasmaimpedanz messung als Maß für die Anregung des Gases vorgenommen wird und auf grund der sich ergebenden Plasmaimpedanz bezogen auf jedes Elektroden paar mittels einer Regeleinrichtung die Amplituden und/oder die Phasenlagen der einzelnen hochfrequenten Energiequellen (5, 13, 14, 15) entsprechend eingestellt werden.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl bei Amplitudenverstellung als auch bei Puls-Breiten-Modulation (Pulsbetrieb) je des Elektrodenpaar je nach Bedarf die entsprechende Energie aus der ihm zugeordneten Stromversorgung erhält.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Länge des Behälters insgesamt n Elektrodenpaare vorgesehen sind, wobei n = 1/a (1 = Länge des Behälters, e = Abstand der Elektroden in Längsrichtung von einander).