DE3829016C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Metalldampf in einem Metalldampflaser nach dem Gattungsbegriff von Anspruch 1.

Metalldampflaser sind beispielsweise aus Brunner, "Lasertechnik", Hüttig Verlag Heidelberg 1982, Kapitel 2.6.4.4. bekannt. Ein schematisches Beispiel für einen derartigen Metalldampflaser ist in Fig. 3 gezeigt. Dieser Metalldampflaser umfaßt eine Laserentladungsröhre 1, in welcher ein Puffergas, wie z. B. Helium, eingeschlossen ist. Innerhalb der Entladungsröhre 1 wird ein festes, in einem Metallbehälter 3 angeordnetes Metallstück 5 mittels des Heizelementes 9 einer Heizvorrichtung 7 erhitzt, geschmolzen und verdampft. Zwischen einem an beiden Seiten des Metallbehälters 3 innerhalb der Entladungsröhre 1 angeordneten Paar von Elektroden 15 und 17 wird von einer Spannungsquelle 13 eine ausreichend hohe Span­ nung angelegt, wodurch eine elektrische Entladung erfolgt, welche die auf diese Weise verdampften Metall­ atome anregt. Die auf diese Weise angeregten Metallatome geben aufgrund einer durch eine Kettenreaktion angeregten Emission Energie in der Form von Licht oder Photonen ab. Der Strahl der auf diese Weise erzeugten kohärenten Photonen intensiviert sich zunehmend, während er wiederholt von außerhalb der Entladungsröhre 1 angeordneten, einander gegenüberstehenden kon­ kaven Spiegeln 19 und 21 reflektiert wird. Aus einem der konkaven Spiegel 21 tritt ein Metalldampflaserstrahl aus.

Bei dem vorstehenden Laser nach dem Stand der Technik treten folgende Schwierigkeiten auf:

• a) Da der Metallbehälter, das darin befindliche Metallstück und die Heizvorrichtung einen relativ großen Wärmeinhalt haben, dau­ ert es relativ lang, bis das Metall durch Erhitzen verdampft ist.
• b) Aus dem gleichen Grund spricht die Anordnung relativ langsam an, wenn die Temperatur des Metallstückes geändert werden soll, um die Dichte des Metalldampfes einzustellen.
• c) Wenn ein schwer zu verdampfendes Metall mit einer Schmelztem­ peratur von mehr als 1300°C verdampft wird, ergeben sich Schwie­ rigkeiten mit der Wärmebeständigkeit einiger Elemente, wie z. B. des Metallbehälters und der Entladungsröhre. Daher ist es schwie­ rig, Metalldampflaser zu schaffen, in welchen Metalle mit hohem Schmelzpunkt als oszillierendes Medium verwendbar sind.

Mittels der vorliegenden Erfindung sollen die oben genannten Schwierigkeiten vermieden werden. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von Metalldampf in einem Metalldampflaser zu entwickeln, mittels dessen sowohl schnell ansprechende Metalldampflaser als auch Metalldampflaser geschaf­ fen werden können, die Metalle mit hohem Schmelzpunkt, wie z. B. Eisen, verwenden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die vorstehende Aufgabe durch Anwendung des im Kennzeichen von Anspruch 1 angegebenen Verfahrens zur Erzeugung von Metalldampf als oszillierendes Me­ dium in einem Metalldampflaser gelöst. Bei diesem Verfahren wird das zu verdampfende Metall anstatt mittels der elektrischen Heiz­ vorrichtung nach dem Stand der Technik mittels eines Lasers erhitzt und es wird zur lokalen Erhitzung des Metalls von der Möglichkeit, den Laserstrahl zu konzentrieren, Gebrauch gemacht.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung, worin im folgenden anhand der Zeichnung einige Ausführungsbeispiele erörtert sind. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines zur Ausführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens geeigneten Gerätes,

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines weiteren Gerätes zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei wel­ chem eine Ablenkeinrichtung vorgesehen ist,

Fig. 3 einen Metalldampferzeuger nach dem bekannten Stand der Technik.

In der Zeichnung sind identische oder äquivalente Teile oder Elemente, die in verschiedenen Figuren gezeigt sind, mit gleichen Bezugsziffern versehen, und die Teile oder Elemente, die schon im Zusammenhang mit dem Gerät nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 3 beschrieben worden sind, werden nicht nochmals beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für ein Gerät mittels dessen das erfin­ dungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.

Der Unterschied zum bekannten Stand der Technik liegt darin, daß ein Metallstück 5 in einem Metallbehälter 3 mittels eines von einem Laser, insbesondere von einem Hochleistungslaser, wie z. B. einem YAG (Yttrium-Aluminium-Granat)-Lager, Kohlendioxid-Laser, Glas- Laser, Stickstoff-Laser oder Excimer-Laser, ausgesandten Laser­ strahles statt von dem Heizelement 7 der elektrischen Heizvor­ richtung 9 erhitzt wird. Der Hochleistungslaser 25 ist an einer Stelle angeordnet, von der aus er einen Laserstrahl auf das Metallstück 5 in dem Metallbehälter 3 richten kann, und ein optisches Kondensorsystem 27, beispielsweise in Form einer kon­ vexen Linse, ist dazwischen geschaltet, um den Hochleistungs- Laserstrahl zu konzentrieren. Das Kondensorsystem 27 ist so an­ geordnet, daß es seinen Brennpunkt an einer in der Nähe der Oberfläche des Metallstückes 5 gelegenen Stelle hat, so daß der von dem Hochleistungslaser 25 ausgesandte Laserstrahl durch die Wand der Entladungsröhre des Metall-Lasers auf eine Stelle der Oberfläche des Metallstückes 5 konzentriert wird. Das Metallstück 5 wird auf diese Weise umgehend bis zu seinem Schmelzpunkt er­ hitzt und der benötigte Metalldampf wird auf diese Weise erzeugt.

Das Material des zu verdampfenden Metallstückes kann aus ver­ schiedenartigen Metallen bestehen, wie z. B. Kupfer, Gold, Man­ gan, Blei, Calcium, Barium, Strontium, Eisen, Nickel, Cobalt oder Titan, oder kann eine Kombination dieser Metalle darstellen.

Während des Betriebes bildet sich aufgrund der Verdampfung ein Loch, so daß die Metalloberfläche außer Fokus gerät. Des weiteren kann die latente Wärme des Dampfes den Wirkungsgrad herabsetzen. Deshalb muß das Kondensorsystem 27 so bewegt werden, daß der Brennpunkt an eine geeignete neue Stelle verschoben wird, an der das Metall mit hohem Wirkungsgrad verdampft werden kann. Das Kondensorsystem 27 kann entlang der optischen Achse bewegt wer­ den. Alternativ kann, wie in Fig. 2 gezeigt, eine Ablenkein­ richtung 29 zwischen dem Kondensorsystem 27 und dem Metallbehälter 3 vorgesehen sein. In der in Fig. 2 ge­ zeigten zweiten Ausführungsform rotiert ein Spiegel 31 der Ab­ lenkeinrichtung, um die Brennpunktlage beständig zu verschieben, wodurch sich die Stelle, an der die Verdampfung stattfindet, dauernd ändert. Die Dichte des auf diese Weise erzeugten Metall­ dampfes kann durch Änderung der Intensität des Laserstrahles oder durch periodische Unterbrechung der Bestrahlung eingestellt wer­ den. Wenn das zu verdampfende Metall einen höheren Schmelzpunkt aufweist oder wenn der Metalldampf eine höhere Dichte aufweisen sollte, muß ein energiereicherer Laserstrahl angewendet werden.

Die Ablenkeinrichtung 29 kann von einem mittels eines Galvanome­ ters bewegten Ablenkspiegel, wie er in Fig. 2 beispielsweise ge­ zeigt ist, einem einen Polygonablenkspiegel enthaltenden Polygon­ spiegelablenker, oder einem Ultraschallablenker, der einen A/O- Ablenker zum Abtasten benutzt, gebildet werden.

Als Nächstes wird eine hohe Spannung zwischen den Elektroden 15 und 17 in der Entladungsröhre 1 des Metalldampflasers angelegt, in der ein Puffergas, wie z. B. Helium, Neon, Argon, Krypton oder Xenon eingeschlossen ist. Mittels der Hochspannung wird eine Entladung eingeleitet, welche die Metallatome in der Entla­ dungsröhre anregt, wodurch Metall- z. B. Kupferdampf-Laserlicht von beiden Enden der Entladungsröhre erhalten wird. Die Intensi­ tät des Metalldampf-Laserlichtes erhöht sich, während es von den konkaven Spiegeln 19 und 21 wiederholt reflektiert wird, und ein Teil des auf diese Weise verstärkten Laserlichtes tritt durch einen der Spiegel 21 aus. Wenn die Verstärkungswirkung der konkaven Spiegel 19 und 21 nicht notwendig ist, sind die Spiegel 19 und 21 nicht vorgesehen, und das Laserlicht von den beiden Enden der Metalldampf-Entladungsröhre 1 kann unmittelbar verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Metalldampf bringt insofern eine Verbesserung beim Betrieb eines Metall­ dampflasers, als es bei diesem Verfahren wenig Zeit in Anspruch nimmt, einen Metalldampflaser zu aktivieren, und als die An­ sprechzeit bei der Einstellung der Metalldampfdichte mittels dieses Verfahrens verkürzt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht es die Erfindung, Metalldampflaser zu schaffen, die Metalle mit hohem Schmelzpunkt, wie z. B. Eisen, Nickel, Titan und Cobalt, als oszillierendes Medium zu verwenden. Die Erfindung schafft dadurch die Möglichkeit, den Wellenlängenbereich, in dem Laser betrieben werden können, zu vergrößern.

Claims (9)

1. Verfahren zum Erzeugen von Metalldampf in einem Metalldampflaser, wobei ein entsprechendes Metallstück (5) erwärmt, geschmolzen und verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine begrenzte Stelle des innerhalb der Entladungsröhre (1) des Metalldampflasers in einem Metallbehälter (3) angeordneten festen Metallstückes (5) von außen her durch die Wände der Entladungsröhre (1) hindurch mittels eines konzentrierten Laserstrahles bestrahlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Metalldampfes (11) durch Variieren der Intensität des auf das Metallstück (5) gerichteten Laserstrahles oder durch intermittierende Bestrahlung des Metallstückes (5) eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der das Metallstück (5) bestrahlende Laserstrahl auf einen Punkt der Metalloberfläche konzentriert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung des Laserstrahles auf die Oberfläche des Metallstücks (5) mittels eines optischen Kondensorsystems (27) jeweils zu einer neuen Stelle verschoben wird, an welcher die Verdampfung des Metalles stattfindet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der auf das Metallstück (5) gerichtete Laserstrahl intensiviert wird, wenn ein Metall mit höherem Schmelzpunkt verdampft werden soll.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestrahlung des Metallstückes (5) ein Hochenergie-Laserstrahl verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Hochenergielaser ein YAG-Laser, Kohlendioxid-Laser, Glas-Laser, Stickstoff-Laser oder Excimer-Laser verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsstelle auf dem Metallstück (5) während des Laserbetriebes mittels einer Ablenkeinrichtung kontinuierlich verschoben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Ablenkeinrichtung ein von einem Galvanometer (29) bewegter Ablenkspiegel (31) oder ein Polygonablenkspiegel verwendet wird.