DE3884245T2

DE3884245T2 - Laser-Kavität mit Trägerrohr für einen optisch gepumpten FIR-(im fernen Infrarot betriebenen)-Laser.

Info

Publication number: DE3884245T2
Application number: DE88830110T
Authority: DE
Inventors: Ilario Boscolo; Gino Pastore
Original assignee: Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie lEnergia e lo Sviluppo Economico Sostenibile ENEA
Current assignee: Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie lEnergia e lo Sviluppo Economico Sostenibile ENEA
Priority date: 1987-03-20
Filing date: 1988-03-18
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2008-03-19
Also published as: IT8747757A0; EP0283450A2; DE3884245D1; EP0283450B1; EP0283450A3; IT1205762B; US4833685A

Description

Die Aufgabe dieser Erfindung ist ein Hohlraum für optisch gepumpte Ferninfrarotlaser (FIR), insbesondere für FIR-Laser mit hoher Leistung. Der Hohlraum besitzt als einen eine Belastung tragenden Aufbau zwei koaxiale Röhren aus hitzebeständigem dielektrischem Material wie z. B. "Pyrex®" oder Quarz.
Die bekannte Technik für die Hohlräume des Lasers vom obigen Typ sieht ein Gerät vor mit vier Stäben aus Super Invar® oder Quarz (deren Durchmesser größer als 2 cm beträgt), die den eine Belastung tragenden Aufbau der verschiedenen Laserkomponenten wie z. B. die Köpfe, Röhre, das System zur Verbindung der Röhre mit den Köpfen und das Übersetzungssystem zum Abstimmen des Hohlraumes bilden. In diesem Gerät ist die erforderliche mechanische und thermische Stabilität durch das gute Design der Köpfe und des Abstimmechanismus sichergestellt. Ein solches System zeigt trotzdem unterschiedliche thermische Verlängerungen der unterschiedlichen Materialien, aus denen die verschiedenen Teile bestehen und lokale nicht elastische Verformungen der Materialien durch die infolge des Atmosphärendruckes auf beide Laserköpfe wirkende Kraft von 20 bis 25 kg (der Innendurchmesser der Pyrex®-Röhre ist immer größer als 25 mm und kann in einigen Lasern größer als 50 mm sein).
Das Problem mechanischer und thermischer Stabilität ist für die FIR-Laser kritisch. Dies ist verursacht durch den Wellenleiterbetrieb, wobei schon geringe Verformungen des Hohlraumes (kleiner als ein Mikron) beträchtlichen Änderungen der Leistung und Frequenz entsprechen, und weil die Gewinnkurve sehr klein ist (ungefähr einige Zehntel MHz entsprechen einer Verlängerung von 10 Mikron bei einer Länge des Hohlraumes von 2 m).
Aus der Druckschrift von D.N. Yundev, "Compact HCN laser" in Instrum. & Experimental Techn., Vol. 20, No. 2, 1977, Seiten 530-533 ist ein FIR-Laserhohlraum bekannt mit einem aus hitzebeständigem dielektrischen Material gefertigten, eine Belastung tragenden Aufbau, weicher an seinen zwei Enden die Eingangs- und Ausgangsköpfe, die mit einer Einrichtung zur Ausrichtung derselben in X und Y-Achse versehen sind, trägt und welcher auch eine Einrichtung zur mikrometrischen Einstellung entlang der Längsachse der reziproken Positionen der durch die Köpfe getragenen Optik aufweist. Andere rohrförmige, zum Einsatz in Lasersystemen verwendete Aufbauten sind in dem US-Patent 3,928,816 und in dem Navy Technical Disclosure Bulletin, Vol. 8, No. 2, Dezember 1982, Seiten 65-68 beschrieben, bei denen ein Differentialgewindesystem zur mikrometrischen Einstellung der reziproken Positionen der durch die Köpfe getragenen Optik verwendet wird.
Erfindungsgemäß ist nach Anspruch 1 der eine Belastung tragende rohrförmige Aufbau, welcher an seinen zwei Enden die Eingangs- und die Ausgangsköpfe trägt, aus zwei koaxialen Röhren aus hitzebeständigem dielektrischen Material mit der gleichen Länge gefertigt, mit einem Raum zwischen ihnen zur Zirkulation einer Kühlflüssigkeit, um den Laserhohlraum an einer Verlängerung aufgrund der thermischen Expansion der Röhren zu hindern.
Der eine Belastung tragende rohrförmige Aufbau ist außerdem mit einer koaxial zum rohrförmigen Aufbau liegenden und daran und an "fixierten", die Optik tragenden Köpfen befestigten Mikrometerschraube derart versehen, daß die Mikropositionierung durch Drücken eines einzigen O-Rings nur bei der Justierung ausgelöst wird. Das System ist wegen seiner Zylindersymmetrie sehr stabil und zusätzlich vom mechanischen Gesichtspunkt viel einfacher.
Die Zylindersymmetrie macht den Aufbau unempfindlich gegen Druck. Jeder Wasserkreislauf, entweder in einem geschlossenen Kreis oder von einem Abgriff gewährleistet die Längenstabilität des optischen Hohlraums.
Eine weitere Lehre der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, daß die Positionierung des Lasers vereinfacht wird. Tatsächlich ist der Laser dadurch, daß er eine Glasröhre mit einem Durchmesser von 4 cm haben kann, derart leicht und kompakt, daß er entlang der Richtung des Pumplaserstrahls mikrometrisch positioniert werden kann. Dagegen erforderte die Ausrichtung gemäß der alten Technik immer die Führung des Pumplasers durch ein Spiegelpaar.
Schließlich ist zu betonen, daß die Kosten des Hohlraums erfindungsgemäß bezüglich der Kosten der nach den früheren Techniken hergestellten Hohlräume beträchtlich verringert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 und 1A zusammengenommen einen Axialschnitt des Gerätes gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Vorderansicht;
Fig. 3 einen mit einem Hohlraumlaser gemäß der Erfindung verwendeten Ausgangskopf.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 zwei koaxiale Röhren mit der gleichen Länge und aus einem dielektrischen, hitzebeständigen Material, z. B. Pyrex® oder einem anderen, technologisch passenden Material. Innerhalb eines mit den Anschlußstücken 4 und 5 in Verbindung stehenden Raumes 3 zirkuliert Wasser zur Gewährleistung der geforderten thermischen Stabilität und zur Kühlung der mechanischen Komponenten.
An den Enden der äußeren Röhre 1 ist die befestigte Trommel 6 und die Kupplungsbuchse 7 durch Verkleben angebracht. An den mit Kühlrippen versehenen Eingangs- 8 und Ausgangsköpfen 9 ist die Optik 10 und 11 befestigt. Aus dem vorhergehenden wird klar ersichtlich, daß die Verlängerungen der mechanischen Komponenten zum Zentrum der Röhre hin auftreten und die Position der Optik unverändert bleibt.
Das ZnSe-Fenster 12 befindet sich 10 cm vom Loch des Eingangsspiegels 10 entfernt. Dies ermöglicht das Verhindern einer hohen Leistungsdichte auf dem Fenster bei Fokussierung des CO&sub2;-Laserstrahles in das Loch. Die Rotation um Achsen X, Y senkrecht zur geometrischen Achse des Hohlraumes (und eine nachfolgende Ausrichtung der zwei Optiken) wird durch drei Schrauben 13, welche im 120º Winkel auf jedem Kopf positioniert sind, ausgeführt. Ein zwischen dem Kopf 8 und der Buchse 7 angeordneter O-Ring 14 ermöglicht die Feineinstellung des Spiegels durch Einwirken auf die drei Schrauben 13. Ähnlich ermöglicht eine andere Drehung der Schrauben die Einstellung des Ausgangskopfes 9 durch einen zweiten O-Ring 15.
Jedesmal wenn eine Dichtung für sehr hohes Vakuum benötigt wird (z. B. wenn die Laservorrichtung die Verwendung sehr teurer Gase impliziert), kann die "conflat" Dichtungstechnik verwendet werden.
Die mikrometrische Einstellung der Hohlraumlänge wird durch ein Differentialschraubensystem bewerkstelligt. Eine befestigte Trommel 6 besitzt an einem Ende ein Gewinde mit 1 mm Gewindesteigung, und an dem anderen Ende verschiebt sich eine bewegliche Trommel 16, welche den Ausgangskopf 9 mit zugehöriger Optik mitnimmt. Die bewegliche Trommel 16 besitzt an ihrer Außenseite ein Gewinde mit einer Gewindesteigung von 0,9 mm. Ein auf beide Trommel geschraubter Zylinder 17 verschiebt bei einer Umdrehung beide um 100 Mikron zueinander. Jegliche gegenseitige Drehung der Trommeln wird durch einen Bolzen 18 verhindert. Zusätzlich befindet sich zwischen den zwei Trommeln eine Feder 19 durch die der Vakuumaxialdruck nahezu vollständig ausgeglichen wird. Die Drehbewegung des Zylinders 17 ist dann geschmeidig und kann entweder von Hand oder durch einen Motor erreicht werden. Auf der befestigten Trommel 6 und der Buchse 7 sind drei Nuten 20 vorgesehen, die durch einen Winkel von 120º voneinander beabstandet sind, wobei die obere ein Lager für eine Schraube 22 ist, während die anderen beiden Ansätze sind. Die Nuten dienen zur Aufhängung der Lager 21, welche bei ihrer Drehung durch ähnliche im 120º Winkel angeordnete Schrauben 22 Feinverlagerungen des gesamten Lasers ermöglichen.
Das Gas wird durch ein auf der befestigten Trommel vorgesehenes Loch eingelassen und es wird durch ein in der Buchse vorgesehenes Loch evakuiert. In Fig. 3 ist wie bereits gesagt ein Ausgangskopf gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Kopf 9 trägt in diesem Fall den Ausgangsreflektor 23, welcher vollständig auf demselben Kopf mit Ausnahme des kreisförmigen Mittengebietes 24 (dessen Durchmesser ungefähr 1 cm beträgt), aus dem der Laserstrahl herauskommt, aufgeklebt ist. In dem ringförmigen Raum 25 zirkuliert Kühlwasser, welches durch zwei Anschlußstücke 26 ein- und ausläuft.
Diese Variante ermöglicht die Entfernung des zweiten Fensters des Kristallquarzes als Vakuumdichtung insoweit, als eine Scheibe 23 über den Großteil ihrer Fläche ohne Gefahr der Verformung aufgeklebt ist. Es wird offensichtlich klar, daß durch Entfernung des Fensters eine beachtliche Steigerung des Laserwirkungsgrades bewirkt wird, zusätzlich zum wirtschaftlichen Vorteil als Folge des Weglassens einer aufgrund des Materials und der erforderlichen optischen Arbeit teuren Optik.
Ein zweiter wichtiger Vorteil liegt darin, daß die Verwendung einer Quarz- oder Silikonscheibe mit einer zur Innenseite des Lasers zeigenden Fläche, welche eine "Beschichtung" zur Reflexion der Pumpstrahlung besitzt, nicht mehr erforderlich ist. Tatsächlich erreicht wegen der Kühlung die Temperatur der Scheibe 23 Werte um 50 ºC weit weg vom Bruchpunkt von Quarz oder Silikon. Das Weglassen der "Beschichtung" bedeutet, daß der Reflektor technologisch sehr einfach, leicht hergestellt und daher billig ist.
Der mit dem erfindungsgemäßen Hohlraum ausgestattete Laser schafft nach einer Stunde Einstellzeit eine Leistungsstabilität, die für mehrere Betriebsstunden höher als 1% beträgt.

Claims

1. Hohlraum für einen optisch gepumpten FIR-Laser, der in Kombination miteinander aufweist: einen eine Belastung tragenden, rohrförmigen, aus hitzebeständigem dielektrischem Material bestehenden Aufbau, welcher an seinen zwei Enden einen Eingangskopf (8) und einen Ausgangskopf (9) trägt, die mit Einrichtungen (13) zur Orientierung derselben bezüglich der X- und Y-Achse versehen sind, wobei der derartige Aufbau mit einem Differentialgewindesystem versehen ist, welches ein mit dem Aufbau koaxiales, zentrales Loch besitzt und an einem Ende des Aufbaus zur mikrometrischen Einstellung der reziproken Position der durch die Köpfe getragenen Optik entlang der Längsachse befestigt ist, bei welchem

der rohrförmige Aufbau aus zwei koaxialen, hitzebeständigen Röhren (1,2) aus dielektrischem Material besteht, welche dieselbe Länge mit einem Raum (3) zwischen ihnen zur Zirkulation einer Kühlflüssigkeit besitzen, um den Laserhohlraum an einer Verlängerung aufgrund thermischer Expansion zu hindern, und

das Differentialgewindesystem einen Zylinder oder eine Hülse (17) aufweist, welcher oder welche koaxial um die Röhren (1,2) montiert ist und mit Gewinden an jedem der zwei Enden derselben versehen ist, von denen eines mit einer befestigten Trommel (6) in Eingriff steht, die koaxial an der äußeren Röhre (1) angebracht ist, und das andere mit einer bewegbaren Trommel (16) im Eingriff steht, die an dem Ausgangskopfende des rohrförmigen Aufbaus verschiebbar montiert und an dem die Optik tragenden Ausgangskopf (9) befestigt ist, wobei zwischen der bewegbaren Trommel (16) und der befestigten Trommel (6) eine entgegenwirkende Feder (19) eingesetzt ist, welche auch koaxial mit der röhrenförmigen Struktur ausgerichtet ist, wobei es der Zweck der Feder (19) ist, dem Vakuumaxialdruck entgegenzuwirken und die Drehung des Zylinders (17) geschmeidig zu machen und außerdem die bewegbare Trommel (16) entlang der Längsachse zu verschieben.

2. Hohlraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangskopf (9) als einen Ausgangsreflektor einen Kristallquarz oder eine Siliziumplatte (23) auf ihm aufgeklebt trägt, welcher oder welche axial um ein zentrales Loch (24) zentriert ist, das sich in dem Ausgangskopf für den Austritt der weit im Infrarot liegenden Strahlung befindet, wobei der Ausgangskopf von einem Raum (25) für eine Kühlflüssigkeit umgeben ist.

3. Hohlraum nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallquarz oder die Siliziumplatte (23) auf der Oberfläche, die dem Laserinneren gegenübersteht, mit einem CO&sub2;laserstrahlungsreflektierendem Überzug versehen ist, so daß eine höhere CO&sub2;-Laserpumpleistung ermöglicht wird.