DE3933619A1 - Vorrichtung zur elektrischen anregung eines gases mit mikrowellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur elek­ trischen Anregung eines Gases mit Mikrowellen, mit einem von einem Mikrowellensender gespeisten Hohlleiter, der einen Mikro­ wellenenergie zum Zünden und Aufrechterhalten einer Gasentla­ dung auskoppelnden Schlitz in einer Außenwand hat, und mit ei­ nem im Bereich des elektrischen Schlitzfeldes dem Hohlleiter parallel angeordneten, eine Gasentladungsstrecke enthaltenden Entladungsgefäß.

Eine Vorrichtung dieser Art ist als Surfatron allgemein bekannt. Sie hat zwei koaxiale Metallzylinder, die also einen Ringraum einschließen, der an seinen Stirnseiten durch Stirn­ wände verschlossen ist. Nahe einer Stirnwand ist im inneren Zy­ linder ein Ringspalt vorhanden, der über sein elektrisches Schlitzfeld der Anregung einer Gasentladungsstrecke dient, die in einem zylindrischen Entladungsgefäß angeordnet ist, das dem Innenrohr dicht benachbart ist. Die in der Gasentladungsstrecke mit dem Surfatron angeregte Gasentladung erstreckt sich im we­ sentlichen aus dem Hohlleiterbereich heraus. Sie hat im wesent­ lichen die Gestalt einer Oberflächenentladung an der Innenwand des Entladungsgefäßes, ist also über dessen Querschnitt gesehen vergleichsweise inhomogen. Auch in der axialen Erstreckung des Entladungsgefäßes ist die Gasentladung vergleichsweise inhomo­ gen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei­ ne Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die mikrowellenangeregte Gasentladung über den Querschnitt und die Länge der Gasentladungsstrecke weitgehend homogen ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Schlitz ein der Längsachse des Hohlleiters wenigstens im wesentlichen paralle­ ler Längsschlitz in einer radial außen liegenden Wand des Hohl­ leiters ist, und daß sich das Entladungsgefäß mit seiner Gas­ entladungsstrecke über die gesamte Länge dieses Längsschlitzes erstreckt.

Für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist von Bedeutung, daß mit einem Längsschlitz eine Auskopplung von Mikrowellen­ energie praktisch über die gesamte Länge der Gasentladungs­ strecke ermöglicht wird. Dementsprechend gleichmäßig erfolgt die Anregung des Gases, die in Längsrichtung nur noch davon ab­ hängig ist, wie die Mikrowellenenergie in Richtung des Längs­ schlitzes verteilt ist.

Durch die hohlleiterparallele Anordnung des Längsschlitzes in einer radial außen liegenden Wand des Hohlleiters ist der Schlitz senkrecht zu den Wandströmen angeordnet, die aufgrund des verwendeten Mikrowellenfeldes quer zur Längsachse des Hohl­ leiters fließen. Solche als Querströme ausgebildeten Wandströme werden insbesondere beispielsweise im Rechteckhohlleiter von einer H₁₀-Mikrowelle ausgebildet. Dementsprechend wird im Schlitz eine hohe Verschiebungsstromdichte erzeugt. Das infol­ gedessen ausgebildete elektrische Schlitzfeld ist entsprechend optimal stark und regt das Gas in der Gasentladungsstrecke ent­ sprechend stark zur Plasmabildung an.

Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß der Hohlleiter einen rechteckigen Querschnitt hat und der Längsschlitz in einer der schmalen Außenwände des Leiters vor­ handen ist. In den schmalen Außenwänden des Leiters verlaufen die Wandströme bei maximaler Stromdichte, so daß die Anordnung des Gasentladungsgefäßes parallel zu diesen Außenwänden im Sin­ ne einer maximalen Anregung des Gases besonders vorteilhaft ist. Würde das Gasentladungsgefäß parallel zu einem in einer breiten Außenwand des Hohlleiters vorhandenen Längsschlitz an­ geordnet, so würde die von außen nach innen abnehmende Wand­ stromdichte zu einer entsprechenden Verringerung der elektri­ schen Feldstärke führen.

Da man davon ausgehen kann, daß das elektrische Schlitz­ feld bei symmetrischer Ausbildung der den Längsschlitz begren­ zenden Kanten der Außenwand des Hohlleiters symmetrisch ist, ist es vorteilhaft, daß das Entladungsgefäß symmetrisch zur Außenwand des Hohlleiters im Längsschlitz angeordnet ist.

Um das Schlitzfeld quer zum Längsschlitz zur Anpassung an das verwendete Entladungsgefäß bzw. an den Querschnitt der ver­ wendeten Gasentladungsstrecke anpassen zu können, ist die Vor­ richtung so ausgebildet, daß der Längsschlitz von das elektri­ sche Schlitzfeld formenden Elektroden begrenzt ist, die sich im wesentlichen quer zu der Außenwand des Hohlleiters erstrecken.

Vorteilhaft im Sinne geringer Energieverluste bzw. mög­ lichst starker Gasanregung sowie im Sinne einer gleichmäßigen Gasanregung ist es, daß die Elektroden dem Außenumfang des Ent­ ladungsgefäßes angepaßt sind und/oder abstandslos an letzterem anliegen.

Vorteilhaft ist es, wenn die Elektroden gemeinsam mit di­ elektrischen Gehäuseteilen die Gasentladungsstrecke abschnitts­ weise umschließen. Es treten dann die Elektroden an die Stelle von dielektrischen Gehäuseteilen, so daß der bauliche Aufwand entsprechend verringert wird. Eine derartige Konstruktion ist insbesondere dann anwendbar, wenn die Elektroden und die di­ elektrischen Gehäuseteile jeweils ebene Platten in einen ge­ schlossenen Querschnitt bildender rechtwinkliger Anordnung sind.

Wenn die Elektroden und die dielektrischen Gehäuseteile gemeinsam das Entladungsgefäß bilden, ist außer einer baulich einfachen Ausgestaltung der Vorrichtung bzw. des Entladungsge­ fäßes erreicht, daß dieses im Bereich der Elektroden nicht ei­ ner etwa vorhandenen Querschnittsgestaltung der Elektroden an­ gepaßt sein muß, um elektrische Verluste zu vermeiden und eine Anpassung des Querschnitts der Gasentladungsstrecke an die Elektroden zu erreichen.

Wird die Vorrichtung so ausgebildet, daß der Elektrodenab­ stand bei rechteckigem Querschnitt der Gasentladungsstrecke kleiner als die halbe Elektrodenbreite ist, so ergibt sich eine sehr flache Gasentladungsstrecke. Bei einer solchen Gasentla­ dungsstrecke ist zu erwarten, daß das elektrische Feld bis auf die Bereiche an den Kanten der Elektroden sehr homogen ist, so daß auch die Plasmaverteilung sehr homogen ist. Die Gasentla­ dungsstrecke kann dazu herangezogen werden, einen Laserstrahl mit rechteckigem Querschnitt mittels eines sog. wave guide Lasers zu erzeugen.

Die Vorrichtung kann auch so ausgebildet werden, daß die Elektroden und die dielektrischen Gehäuseteile einen Kühlkanal bilden, in dem das Entladungsgefäß angeordnet ist. Die dielek­ trischen Gehäuseteile sind in diesem Fall nicht Bestandteile des Entladungsgefäßes für die Gasentladungsstrecke. Vielmehr ist mindestens ein davon baulich besonderes Entladungsgefäß vorhanden, das den sonstigen Anforderungen an die Vorrichtung zu deren Einsatz oder konstruktiver Ausgestaltung angepaßt wer­ den kann. Eine in diesem Sinne vorteilhafte Ausgestaltung liegt beispielsweise vor, wenn in dem mit rechteckigem Querschnitt ausgebildeten Kühlkanal zwei rechteckige Entladungsgefäße je­ weils nahe den Elektroden entweder parallel oder senkrecht dazu angeordnet sind und zwischen sich einen rechteckigen Festkör­ perlaserstab aufweisen. Die bei dieser Struktur durch Mikrowel­ lenenergie angeregte Hochdruckgasentladung erzeugt Licht zur Anregung des Festkörperlaserstabs, so daß eine integrierte Bau­ weise von Laserstab und davon beidseitig vorhandenen Pumplicht­ quellen erreicht wird. Sofern die Entladungsgefäße parallel zu den Elektroden angeordnet sind, ergibt sich eine vergleichswei­ se flache Konstruktion. Sind die Entladungsgefäße senkrecht zu den Elektroden angeordnet, ergibt sich eine vergleichsweise bessere Ausnutzung der Mikrowellenenergie infolge des haupt­ sächlich im Entladungsgas konzentrierten elektrischen Feldes.

Die Vorrichtung ist vorteilhafterweise so ausgestaltet, daß neben der den Längsschlitz aufweisenden Außenwand des Hohl­ leiters ein die Streustrahlung des Längsschlitzes zur Gasentla­ dungsstrecke reflektierender Mikrowellenreflektor vorhanden ist. Dadurch wird auch die an sich nicht bei der Anregung des Entladungsgases wirksame Energie der Streustrahlung für die An­ regung des Gases herangezogen.

Wird die Vorrichtung so ausgebildet, daß der Hohlleiter mindestens zwei einander parallele oder in einem spitzen Winkel zueinander geneigte Längsschlitze in derselben Außenwand hat, denen jeweils mindestens ein Entladungsgefäß zugeordnet ist, so kann wegen der insgesamt vergrößerten Längsschlitzweite bei un­ geänderter Ausdehnung des einzelnen elektrischen Schlitzfeldes quer zur Außenwand eine vergrößerte Querschnittslänge der Gas­ entladungsstrecke in Richtung der Außenwand erreicht werden. Darüber hinaus ergibt sich der besondere Vorteil, daß trotzdem identische Entladungsgefäße verwendet werden können. Wenn die Längsschlitze in einem spitzen Winkel zueinander geneigt sind, so daß also auch die Gasentladungsgefäße entsprechend geneigt angeordnet werden, können optische Laser-Resonatoren in V- oder Z-Faltung mit den sich daraus ergebenden Vorteilen für den La­ seraufbau ausgebildet werden.

Die Vorrichtung wird dadurch weitergebildet, daß das Ent­ ladungsgefäß von einem Kühlrohr umschlossen und damit innerhalb eines elliptischen Pumplichtreflektors angeordnet ist, der des­ weiteren einen von einem weiteren Kühlrohr umschlossenen Fest­ körperlaserstab enthält und in einem das Entladungsgefäß im elektrischen Schlitzfeld anzuordnen gestattenden Maße in den Längsschlitz der Außenwand hineinragt. Damit ist es möglich, eine an sich bekannte Anordnung eines gekühlten Gasentladungs­ gefäßes und eines gekühlten Festkörperlaserstabs in einem el­ liptischen Pumplichtreflektor in Verbindung mit einem Hohllei­ ter zu benutzen, um eine homogene und intensive Anregung des Lampengases des Entladungsgefäßes zu erreichen. Besonders vor­ teilhaft ist es, wenn der von einem Kühlrohr umschlossene Fest­ körperlaserstab in einem von einem Metallreflektor gegen vom Mikrowellenreflektor reflektierte Streustrahlung abgeschirmten Bereich angeordnet ist, weil dadurch der Einsatz von mikrowel­ lenabsorbierendem Material im abgeschirmten Bereich ermöglicht wird.

Die Vorrichtung kann desweiteren so ausgestaltet werden, daß das Gasentladungsgefäß eine dem Längsschlitz der Außenwand dicht benachbarte Wand aufweist, die breiter als der Längs­ schlitz ist. Damit kann eine ausgedehnte flächenhafte Entladung erzeugt werden, deren Erstreckung quer zum Hohlleiter sehr groß ist und die beispielsweise zum Beschichten nichtmetallischer Oberflächen verwendet werden kann, beispielsweise zum Beschich­ ten der Innenfläche der Wand des Gasentladungsgefäßes. Dieses Beschichtungsverfahren ist als solches als chemische Beschich­ tung (Chemical Vapor Deposition) bekannt.

Zweckmäßigerweise erstreckt sich die der Außenwand paral­ lele Wand des Gasentladungsgefäßes beidseitig symmetrisch zum Längsschlitz, um eine entsprechende symmetrische Entladung im Gasentladungsgefäß zu erreichen.

Um mehr Anregungsenergie in das Gas einkoppeln zu können, ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß parallel neben der den Längsschlitz aufweisenden Außenwand des Hohlleiters ein weite­ rer, Mikrowellenenergie in die Gasentladungsstrecke einkoppeln­ der Hohlleiter vorhanden ist. Die beiden Hohlleiter sind ab­ wechselnd und/oder mit unterschiedlichen Betriebsfrequenzen be­ treibbar. Der abwechselnde Betrieb der beiden Hohlleiter ge­ währleistet, daß sich die beiden Hohlleiter nicht gegenseitig beeinflussen können, indem das Feld des einen Hohlleiters Stör­ ströme im anderen Hohlleiter erzeugt. Da jeder Hohlleiter in­ folge des abwechselnden Betriebs beider Hohlleiter nur etwa die Hälfte der möglichen Zeit betrieben wird, können die verwende­ ten Mikrowellensender in entsprechendem Impulsbetrieb betrieben werden, in dem sie mit höherer, beispielsweise doppelter Nenn­ leistung belastbar sind. Dementsprechend ergibt sich der Ein­ kopplungsgewinn, wobei jeder Hohlleiter bei Betrieb des anderen Hohlleiters als Reflektor für die Streustrahlung wirkt. Durch unterschiedliche Betriebsfrequenzen kann ebenfalls vermieden werden, daß sich die Mikrowellenfelder der beiden Hohlleiter gegenseitig stören.

Um eine Vergleichmäßigung der Anregung des Gases zu errei­ chen, kann die Vorrichtung so ausgebildet werden, daß die Hohl­ leiter axial um ein ungradzahliges vielfaches Viertel (n×λ/4; n1) der Hohlleiter-Mikrowelle gegeneinander ver­ setzt sind. Die axiale Versetzung der Hohlleiter bewirkt eine entsprechend axiale Verschiebung ihrer Mikrowellenfelder. Ins­ besondere bei Ausbildung der Hohlleiter als Resonatoren bzw. bei resonatorähnlicher Ausbildung ist es dadurch möglich, die Stellen stärkerer und geringerer Anregung des Gases durch den einen Hohlleiter einerseits und den anderen Hohlleiter anderer­ seits so zu steuern, daß die Stellen der durch den einen Hohl­ leiter erfolgenden stärkeren Anregung an den Stellen der durch den anderen Hohlleiter erfolgenden geringeren Anregung liegen und umgekehrt, so daß sich über die axiale Länge der Vorrich­ tung eine Vergleichmäßigung der Anregung ergibt. Der an sich durch die über die Länge des Längsschlitzes gesehen ungleich­ mäßigen Ausbildung der elektrischen Feldstärke entsprechend der ungleichmäßigen Verteilung der Mikrowellenenergie in Längsrich­ tung des Hohlraumleiters kann dadurch entgegengetreten werden.

Um eine lokale Homogenisierung einer Gasentladung im Be­ reich der Längsschlitzenden zu erreichen, ist die Vorrichtung so ausgestaltet, daß bei einem als Hohlraumresonator ausgebil­ deten Hohlwellenleiter die den Längsschlitz aufweisende Außen­ wand beidendig in bezug auf die Stirnwände zur Homogenisierung der Endbereiche der Gasentladungsstrecke verkürzt ist.

Eine Steigerung der Ausnutzung der dem Hohlleiter zuge­ führten Mikrowellenenergie kann dadurch erreicht werden, daß auch bei der der Wand des Hohlleiters diametral gegenüberlie­ genden Wand mindestens ein Entladungsgefäß mit seiner Gasent­ ladungsstrecke in einem elektrischen Schlitzfeld eines Längs­ schlitzes angeordnet ist.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Hohllei­ ter mit einem in einem Längsschlitz angeordneten im Querschnitt kreisrunden Entladungsgefäß,

Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Querschnitt mit zwei in jeweils einem Längsschlitz angeordneten im Quer­ schnitt kreisrunden Entladungsgefäßen,

Fig. 3 einen Längsschnitt gemäß der Linie III-III der Fig. 2,

Fig. 4 einen der Fig. 1 entsprechenden Querschnitt mit einer im Querschnitt demgegenüber abgewandelten Gasentla­ dungsstrecke,

Fig. 5 eine spezielle, auf der Ausbildung der Fig. 4 basie­ rende weiter ausgestaltete Vorrichtung,

Fig. 6 eine auf der Basis der Fig. 5 weiter ausgestaltete Vorrichtung,

Fig. 7, 8 weitere Querschnitte analog Fig. 1 mit abgeänderten Ausführungsformen.

Jede der in den Figuren dargestellten Vorrichtungen 10 zur elektrischen Anregung eines Gases mit Mikrowellen besitzt grundsätzlich folgende Bauteile: einen Hohlleiter 11, einen Längsschlitz 12 in einer Außenwand 13 des Hohlleiters 11, ein nur in Fig. 1 beispielsweise dargestelltes, durch diesen Längs­ schlitz 12 erzeugtes elektrisches Schlitzfeld 14 und mindestens eine Gasentladungsstrecke 15 in einem Entladungsgefäß 16.

Der in Fig. 1 dargestellte Hohlleiter 11 hat einen recht­ eckigen Querschnitt mit breiten Außenwänden 26 und schmalen Außenwänden 13. Ein derartiger rechteckiger Querschnitt kann als besonders vorteilhaft angesehen werden, insbesondere wenn das Verhältnis der Außenwände 26, 13 wie 2 : 1 ist. Wenn die Höhe der Außenwand 13 kleiner als die halbe Freiraumwellenlänge der Mikrowelle ist, kann der Hohlleiter die Mikrowellenenergie nur mit der gewünschten eindeutigen Grundwelle, dem H₁₀-Typ leiten. Ein solcher Hohlleiter kann auch durch beiderseitigen Kurz­ schluß mittels geeigneter Kurzschlußbleche zu einem Hohlraumre­ sonator ausgebildet sein.

In der Außenwand 13 des Hohlleiters 11 ist in der Mitte, also mit gleichem Abstand zu beiden Außenwänden 26, ein Längs­ schlitz 12 angeordnet, so daß sich zwischen den nach innen wei­ senden, den Längsschlitz 12 begrenzenden Enden 13′ ein elektri­ sches Schlitzfeld 14 ausbilden kann. In Fig. 1 sind die elektri­ schen Feldlinien zwischen zwei Elektroden 17 dargestellt, die von den Enden 13′ der Außenwand 13 elektrisch beaufschlagt sind. Diese Elektroden 17 bestimmen die Form des elektrischen Schlitzfeldes 14 entsprechend ihrer jeweils vorhandenen Ausge­ staltung. Diese Ausgestaltung richtet sich beispielsweise nach der Form des Entladungsgefäßes 16, das in Fig. 1 ein kreiszylin­ drisches Rohr ist, welches die Gasentladungsstrecke 15 um­ schließt. Die Elektroden sind demgemäß dem Außenumfang 16′ des Gefäßes 16 angepaßt und liegen ohne Abstand daran an. Das Feld 14 wird in den Bereich der Gasentladungsstrecke 15 so konzen­ triert, daß sich eine über ihren Querschnitt weitgehend homoge­ ne Gasentladung ausbildet. Im Falle der Formgebung der Elektro­ den 17 in Fig. 1 wird insbesondere vermieden, daß die in glei­ chem Abstand zwischen den Elektroden 17 liegende Stellen 27 un­ angeregt bleiben, weil die von den einander benachbarten Kanten 17′ der Elektroden 17 ausgehenden Feldlinien nicht wie darge­ stellt, sondern durch die Wand des Entladungsgefäßes 16 verlau­ fen, wodurch die Anregung der Entladungsstrecke 15 an den Stel­ len 27 vermindert bzw. ausgeschlossen wird.

Der Längsschlitz 12 ist so angebracht, daß er senkrecht zu den in der Außenwand 13 durch das Mikrowellenfeld induzierten Wandströmen verläuft, so daß im Schlitz 12 eine hohe Verschie­ bungsstromdichte mit entsprechend intensiver Anregung des Gases der Entladungsstrecke 15 erreicht wird.

Außerhalb des Rechteckhohlleiters 11 ist parallel zur Aus­ senwand 13 ein Mikrowellenreflektor 23 vorhanden, der die in­ folge der Antennenwirkung des Längsschlitzes aus letzterem aus­ tretende Streustrahlung reflektiert, so daß der größte Teil der reflektierten Energie zur Anregung des Gases im Entladungsgefäß 16 herangezogen werden kann. An dem Reflektor 23 treten nur ge­ ringe Verluste durch Absorption auf, ebenso wie im Entladungs­ gefäß 16, das aus für die Mikrowellen dielektrischem Werkstoff besteht.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines Hohlleiters 11, in dessen Außenwand 13 symmetrisch zwei Längsschlitze 12 angeord­ net sind, in denen jeweils ein Entladungsgefäß 16 mit jeweils einer Gasentladungsstrecke 15 angeordnet ist. Die Anordnung der Entladungsgefäße 16 ist symmetrisch zur Außenwand 16, so daß die Entladungsgefäße 16 zu gleichen Teilen in das Innere des Hohlleiters 11 hineinragen bzw. auf der anderen Seite aus die­ sem herausragen. Infolgedessen ist die Gasentladungsstrecke 15 symmetrisch zu dem sich zwischen den Wandabschnitten der Außen­ wand 13 ausbildenden elektrischen Schlitzfeld angeordnet und die elektrische Anregung des Gases der Gasentladungsstrecke 15 erfolgt infolgedessen entsprechend symmetrisch. Die Anordnung zweier Entladungsgefäße 16 bedeutet eine doppelte Ausnutzung der durch die Außenwand 13 in der Darstellungsebene fließenden, von den Mikrowellen induzierten Wandströme, so daß eine ent­ sprechend vergrößerte Energieausnutzung im Vergleich zu dem Fall erfolgt, wo nur ein solches Entladungsgefäß 16 verwendet wird.

Jedem Entladungsgefäß 16 ist ein Mikrowellenreflektor 23 zugeordnet, der die aus dem jeweiligen Längsschlitz 12 austre­ tende Streustrahlung reflektiert. Dabei versteht es sich, daß der Mikrowellenreflektor 23, wie auch die aller weiteren Dar­ stellungen so ausgebildet ist, daß er keinen Kurzschlußpfad bildet, wie aus der schematischen Darstellung geschlossen wer­ den könnte.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß sich die Gasentladungsge­ fäße 16 mit ihren Gasentladungsstrecken 15 über die gesamte Länge der Längsschlitze 12 erstrecken, was im übrigen auch für alle anderen Darstellungen gilt. Im Darstellungsfall der Fig. 3 handelt es sich um einen als Hohlraumresonator ausgebildeten Hohlleiter 11, dessen Stirnseiten durch Wände 27 abgeschlossen werden, wobei die Längenbemessung des Leiters 11 auf die Reso­ nanzbedingungen des verwendeten Wellentyps abgestimmt ist. In Fig. 3 ist dargestellt, daß die Außenwand 13 beidendig etwas verkürzt ist. Dadurch wird erreicht, daß die Endbereiche 15′ der Gasentladungsstrecken 15 homogenisiert werden, weil der Ef­ fekt verringert wird, daß die Wandströme der Außenwand 13 über die Stirnwände 27 des Hohlraumleiters 11 fließen und infolge­ dessen zur Anregung des Gases in den Endbereichen 15′ nicht zur Verfügung stehen.

Den Ausführungsformen der Fig. 4 bis 6 ist gemeinsam, daß in die Außenwände 13 zur Formung des elektrischen Schlitzfeldes plattenförmige Elektroden eingebaut sind, zwischen denen sich das Schlitzfeld entsprechend homogen erstreckt. Desweiteren ist diesen Ausführungsformen gemeinsam, daß diese Elektroden 17 ge­ meinsam mit dielektrischen Gehäuseteilen 18 die Gasentladungs­ strecke 15 abschnittsweise umschließen. Die Gehäuseteile 18 sind Platten aus dielektrischem Werkstoff und wechseln über den Umfang gesehen mit den Elektroden 17 ab, um die Gasentladungs­ strecke 15 zu umschließen. Die Anordnung ist dabei so getrof­ fen, daß die Platten rechtwinklig zueinander angeordnet sind und infolgedessen einen entsprechend rechtwinkligen Querschnitt bilden bzw. einen quaderförmigen Raum auf dessen Längsseiten begrenzen.

Gemäß Fig. 4 ist die Vorrichtung 10 so ausgebildet, daß die Elektroden 17 und die dielektrischen Gehäuseteile 18 gemeinsam das Entladungsgefäß 16 bilden. Sie schließen also das elek­ trisch anzuregende Entladungsgas direkt ein, welches beispiels­ weise aktives Medium eines Gaslasers zur Erzeugung eines Laser­ strahls mit rechteckigem Querschnitt sein kann. Die Dimensio­ nierung ist so gewählt, daß der Elektrodenabstand e kleiner als die halbe Elektrodenbreite b/2 ist, so daß sich eine entspre­ chend flache Gasentladungsstrecke ergibt, bei der das zwischen den Elektroden 17 ausgebildete elektrische Feld über einen be­ sonders großen Teil seiner Breite homogen ist.

Gemäß Fig. 5 umschließen die Elektroden 17 gemeinsam mit dielektrischen Gehäuseteilen 18 zwei Gasentladungsstrecken 15, die jeweils ein separates Entladungsgefäß 16 haben. Zwischen den beiden Gasentladungsgefäßen 16 ist ein Festkörperlaserstab 20 angeordnet. Die Elektroden 17 und die Gehäuseteile 18 weisen jeweils Abstand zu den genannten Entladungsgefäßen 16 und zu dem Laserstab 20 auf, der seinerseits Abstand zu den Gefäßen 16 hat. Die Anordnung ist so getroffen, daß die Entladungsgefäße 16 und der Laserstab 20 einander parallel liegen und auch pa­ rallel zu den Elektroden 17 angeordnet sind. Die Abstände zwi­ schen diesen Bauteilen 16, 20 und den sie umgebenden durch die Elektroden 17 und die Gehäuseteile 18 gebildeten Wänden können zur Kühlung benutzt werden, so daß letztere einen Kühlkanal 19 bilden, der beispielsweise von Wasser durchströmt wird. Dieses entfernt die in den umströmten Bauteilen 16, 20 entstehende Wär­ me.

Gemäß Fig. 6 sind die Entladungsgefäße 16 und der dazwi­ schen angeordnete Festkörperlaserstab 20 nicht parallel zu den Elektroden 17 angeordnet, wie in Fig. 5, sondern senkrecht dazu. Sie liegen also den dielektrischen Bauteilen 18 parallel. Die Einflußnahme der Entladungsgefäße 16 und ihrer Gasentladungs­ strecken 15 auf die Ausbildung des elektrischen Feldes bewirkt, daß dieses sich in den Gasentladungsstrecken 15 konzentriert, so daß dementsprechend mehr elektrische Energie zur Anregung des Gases zur Verfügung steht. Außerdem entstehen dementspre­ chend geringere Verluste im Kühlmittel.

Die den Schlitz 12 aufweisende Wand 13 ist eine Außenwand zweier Hohlleiter 11, 11′, die jeweils über die Einkoppelanten­ nen 29 mit Mikrowellenenergie gespeist werden. Dementsprechend wird der Schlitz 12 von beiden Hohlleitern 11, 11′ beaufschlagt. Um zu verhindern, daß sich die Mikrowellenfelder der beiden Hohlleiter 11, 11′ gegenseitig beeinflussen, wird in letztere abwechselnd eingespeist. Die Hohlleiter 11, 11′ arbeiten also im Impulsbetrieb. In diesem Impulsbetrieb können die Mikrowellen­ sender während des Pulses höher belastet werden, als im Dauer­ betrieb bei mittlerer Leistung. Beispielsweise können preiswer­ te Mikrowellensender, wie sie auch bei Mikrowellenherden einge­ setzt werden, mit etwa doppelter Nennleistung betrieben werden. Dementsprechend ergibt sich eine erhöhte Einkopplung elektri­ scher Energie in die Gasentladungsstrecken 15.

Die Vorrichtungen der Fig. 5, 6 betreffen integrierte Bau­ formen von mikrowellenangeregten Hochdruckgasentladungslampen als Pumplichtquellen für Festkörperlaser. Die Struktur ist aber auch für Farbstofflaser geeignet. Desgleich kann sie dazu be­ nutzt werden, um eine oder mehrere Gasentladungsstrecken 15 an­ zuordnen, die jeweils von den Elektroden 17 und den Gehäusetei­ len 18 separate Gasentladungsgefäße für Gaslaser aufweisen und gekühlt werden müssen.

Die Vorrichtung der Fig. 7 besitzt in ihrer Außenwand 13 einen Schlitz 12, in den ein elliptischer Pumplichtreflektor 22 derart in Richtung auf das Innere des Hohlleiters 11 hinein­ ragt, daß ein Entladungsgefäß 16 mit einer Gasentladungsstrecke 15 in dem elektrischen Schlitzfeld angeordnet ist. Die Gasent­ ladungsstrecke bildet eine Pumplichtquelle, mit dessen Licht ein Festkörperlaserstab 20 angeregt wird, um Laserstrahlung zu erzeugen. Das Gasentladungsgefäß 16 und der Stab 20 sind je­ weils in einem der Brennpunkte bzw. Brennlinienbereiche des Pumplichtreflektors 22 angeordnet, um in bekannter Weise das Pumplicht im Stab 20 zu konzentrieren.

Das Entladungsgefäß 16 und der Stab 20 sind jeweils von einem Kühlrohr 21 mit Abstand umschlossen, um die Wärme abfüh­ ren zu können. Zur Vermeidung der Absorption von Mikrowellen­ energie sind die Kühlrohre 21 aus dielektrischem Material ge­ fertigt und die Kühlflüssigkeit weist einen möglichst geringen Absorptionskoeffizienten sowohl für Mikrowellenenergie als auch für Pumplicht auf. Um Mikrowellenabsorbtion im Bereich des Festkörperlaserstabs 20 zu minimieren, ist dieser in einem Be­ reich 25 angeordnet, der von einem Metallreflektor 24 gegen Mi­ krowellenstrahlung abgeschirmt ist, nämlich gegen die von einem Mikrowellenreflektor 23 in Richtung auf den Bereich 25 reflek­ tierte Streustrahlung des Schlitzes 12. Es entsteht ein Bereich 25 mit geringer Feldstärke, in den mikrowellenabsorbierendes Material eingebracht werden kann, was die Auslegung und Opti­ mierung der Vorrichtung erleichtert.

Die Vorrichtung der Fig. 8 dient dazu, ausgedehnte flächen­ hafte Entladungen zu erzielen. Sie ist daher insoweit beson­ ders, als das Entladungsgefäß 16 dem Längsschlitz 12 der Außen­ wand 13 dicht benachbart und außerdem breiter als der Längs­ schlitz 12 ist. Die Wand 16′′ des Entladungsgefäßes 16 muß dem­ entsprechend ausgebildet sein und erstreckt sich insbesondere symmetrisch zum Längsschlitz 12, so daß sich eine dementspre­ chend symmetrische Gasentladung ausbildet. Diese Gasentladung der Gasentladungsstrecke 15 ist gemäß der Abbildung in Fig. 8 eine Oberflächenentladung innerhalb des Gasentladungsgefäßes 16, das auch eine von der in Fig. 8 gezeigten Querschnittsge­ staltung abweichende Querschnittsgestaltung haben kann, bei­ spielsweise zylindrisch.

Die im Entladungsgefäß 16 auftretende Oberflächenentladung kann dazu benutzt werden, um nicht metallische Oberflächen zu beschichten. In diesem Fall ist das Gasentladungsgefäß 16 ein innen zu beschichtendes Werkstück. Die Beschichtung erfolgt da­ durch, daß ein besonderes Gas als Entladungsgas verwendet wird, welches bei seiner elektrischen Anregung Zersetzungsprodukte bildet, die sich an der Innenfläche der Wand 16′′ absetzen. Ein derartiges Verfahren mit anderen Einrichtungen ist als chemi­ sche Dampfbeschichtung (Chemical Vapor Deposition) bekannt.

Claims (22)

1. Vorrichtung (10) zur elektrischen Anregung eines Gases mit Mikrowellen, mit einem von einem Mikrowellensender gespei­ sten Hohlleiter (11), der einen Mikrowellenenergie zum Zünden und Aufrechterhalten einer Gasentladung auskoppeln­ den Schlitz (12) in einer Außenwand (13) hat, und mit ei­ nem im Bereich des elektrischen Schlitzfeldes (14) dem Hohlleiter (11) parallel angeordneten, eine Gasentladungs­ strecke (15) enthaltenden Entladungsgefäß (16), da­ durch gekennzeichnet, daß der Schlitz (12) ein der Längsachse des Hohlleiters (11) wenigstens im wesentlichen paralleler Längsschlitz in einer radial außen liegenden Wand (13) des Hohlleiters (11) ist, und daß sich das Entladungsgefäß (16) mit seiner Gasentladungsstrecke (15) über die gesamte Länge dieses Längsschlitzes (12) er­ streckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hohlleiter (11) einen rechtecki­ gen Querschnitt hat und der Längsschlitz (12) in einer der schmalen Außenwände (13) des Leiters (11) vorhanden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (16) sym­ metrisch zur Außenwand (13) des Hohlleiters (11) im Längs­ schlitz (12) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsschlitz (12) von das elektrische Schlitzfeld (14) formenden Elektroden (17) begrenzt ist, die sich im we­ sentlichen quer zu der Außenwand (13) des Hohlleiters (11) erstrecken.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (17) dem Außenumfang (16′) des Entladungsgefä­ ßes (16) angepaßt sind und/oder abstandslos an letzterem anliegen.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (17) gemeinsam mit dielektrischen Gehäuseteilen (18) die Gasentladungsstrecke (15) abschnittsweise um­ schließen.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (17) und die dielektrischen Gehäuseteile (18) jeweils ebene Platten in einen geschlossenen Querschnitt bildender rechtwinkliger Anordnung sind.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (17) und die dielektrischen Gehäuseteile (18) gemeinsam das Entladungsgefäß (16) bilden.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenabstand (e) bei rechteckigem Querschnitt der Gasentladungsstrecke (15) kleiner als die halbe Elektro­ denbreite (b/2) ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (17) und die dielektrischen Gehäuseteile (18) einen Kühlkanal (19) bilden, in dem das Entladungsgefäß (16) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mit rechteckigem Querschnitt ausgebildeten Kühlkanal (19) zwei rechteckige Entladungsgefäße (16) jeweils nahe den Elektroden (17) entweder parallel oder senkrecht dazu angeordnet sind und zwischen sich einen rechteckigen Fest­ körperlaserstab (20) aufweisen.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß neben der den Längsschlitz (12) aufweisenden Außenwand (13) des Hohlleiters (11) ein die Streustrahlung des Längsschlitzes (12) zur Gasentladungsstrecke (15) reflektierender Mikro­ wellenreflektor (23) vorhanden ist.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (11) mindestens zwei einander parallele oder in einem spitzen Winkel zueinander geneigte Längsschlitze (12) in derselben Außenwand (13) hat, denen jeweils minde­ stens ein Entladungsgefäß (16) zugeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (16) von einem Kühlrohr (21) umschlossen und damit innerhalb eines elliptischen Pumplichtreflektors (22) angeordnet ist, der desweiteren einen von einem wei­ teren Kühlrohr (21) umschlossenen Festkörperlaserstab (20) enthält und in einem das Entladungsgefäß (16) im elektri­ schen Schlitzfeld anzuordnen gestattenden Maße in den Längsschlitz (12) der Außenwand (13) hineinragt.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der von einem Kühlrohr (21) umschlossene Festkörperlaserstab (20) in einem von einem Metallreflektor (24) gegen vom Mi­ krowellenreflektor (23) reflektierte Streustrahlung abge­ schirmten Bereich (25) angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasentladungsgefäß (15) eine dem Längsschlitz (12) der Außenwand (13) dicht benachbarte Wand (16′′) aufweist, die breiter als der Längsschlitz (12) ist.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich die der Außenwand (13) parallele Wand (16′′) des Gasentla­ dungsgefäßes (16) beidseitig symmetrisch zum Längsschlitz (12) erstreckt.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß pa­ rallel neben der den Längsschlitz (12) aufweisenden Außen­ wand (13) des Hohlleiters (11) ein weiterer, Mikrowellen­ energie in die Gasentladungsstrecke (15) einkoppelnder Hohlleiter (11′) vorhanden ist.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hohlleiter (11, 11′) abwechselnd und/oder mit unter­ schiedlichen Betriebsfrequenzen betreibbar sind.

20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter (11, 11′) axial um ein ungradzahliges vielfaches Viertel (n×λ/4; n1) der Hohlleiter-Mikrowelle gegen­ einander versetzt sind.

21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als Hohlraumresonator ausgebildeten Hohlwellenleiter (11) die den Längsschlitz (12) aufweisende Außenwand (13) beidendig in bezug auf die Stirnwände (27) zur Homogeni­ sierung der Endbereiche (15′) der Gasentladungsstrecke (15) verkürzt ist.

22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß auch bei der der Wand (13) des Hohlleiters (11, 11′) diametral gegenüberliegenden Wand mindestens ein Entladungsgefäß (16) mit seiner Gasentladungsstrecke (15) in einem elek­ trischen Schlitzfeld eines Längsschlitzes (12) angeordnet ist.