DE4002005C2

DE4002005C2 - Noble gas ion laser

Info

Publication number: DE4002005C2
Application number: DE19904002005
Authority: DE
Inventors: Bruno Dipl Ing Becker-De-Mos; Wolfgang Prof Dr Seelig; Klaus Dipl Ing Schaefer
Original assignee: NWL Laser Tech GmbH
Current assignee: NWL LASER-TECHNOLOGIE GMBH, 90542 ECKENTAL, DE
Priority date: 1990-01-24
Filing date: 1990-01-24
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2010-01-25
Also published as: CA2099017A1; DE4002005A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Edelgasionenlaser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Edelgasionenlaser ist aus der US-PS 46 46 313, die der EP 1 77 729 entspricht, bekannt. Dort wird eine besonders kleine Laserausführung beschrieben, wo bei der Entladungskanal im allgemeinen einen runden Quer schnitt besitzt. Lediglich am Ende der Beschreibung ist auf die Möglichkeit verwiesen, auch einen Entladungskanal mit eckigem Querschnitt zu verwenden.The present invention relates to a noble gas ion laser according to the preamble of claim 1. Such Noble gas ion laser is known from US-PS 46 46 313, which corresponds to EP 1 77 729. There a particularly small laser version is described where in the discharge channel generally a round cross owns cut. Only at the end of the description is on referred to the possibility of also using a discharge channel square section to use.

Rechteckige Querschnitte für Entladungskanäle sind beispiels weise bei Wellenleiterlasern häufig zu finden. Wellenleiter laser sind bei CO₂-Lasern mit einer Wellenlänge (2) von ca. 10 µm üblich. Bei Edelgasionenlasern mit Wellenlängen im sichtbaren und nahen UV-Bereich (λ ca. 0,5 µm) sind solche La serarten technisch kaum zu realisieren, da die Wandrauhigkeit höchstens in der Größenordnung der Wellenlänge des Laserlich tes liegen darf. Bei λ = 0,5 µm ist demnach eine Wandbeschaf fenheit in Glasfaserkabelqualität zu fordern. Außerdem liegen die Leistungsdichten bei Edelgasionenlasern um einen Faktor 100 über der Leistungsdichte von CO₂-Waveguide-lasern. Da durch ergibt sich eine hohe thermische Wandbelastung.Rectangular cross sections for discharge channels are often found, for example, in waveguide lasers. Waveguide lasers are common for CO ₂ lasers with a wavelength (2) of approx. 10 µm. In the case of noble gas ion lasers with wavelengths in the visible and near UV range (λ approx. 0.5 µm), such laser types can hardly be realized technically, since the roughness of the wall may at most be of the order of the wavelength of the laser light. At λ = 0.5 µm, wall quality in fiber optic cable quality is required. In addition, the power densities of noble gas ion lasers are 100 times higher than the power densities of CO ₂ wave guide lasers. This results in a high thermal wall load.

Bei einem Edelgasionenlaser zur Erzeugung eines Gaußschen Laserstrahles, welcher nur einen Transversalmode der Laser strahlung anregt, werden nach dem Stand der Technik zylin dersymmetrische Kanäle eingesetzt, da befürchtet wurde, daß sich bei Abweichungen von der Zylindersymmetrie zusätzliche, unerwünschte Transversalmoden der Laserstrahlung ausbilden. Derartige zusätzliche Transversalmoden verbreitern den Strahl, stören als Streulicht bei vielen Anwendungsfällen und entziehen dem gewünschten Mode, in der Regel dem Grund mode, einen erheblichen Anteil der Anregungsenergie.With a noble gas ion laser to produce a Gaussian Laser beam, which is only a transverse mode of the laser radiation stimulates, according to the prior art, zylin dersymmetrischen channels used because it was feared that in the event of deviations from the cylindrical symmetry, train unwanted transverse modes of laser radiation. Such additional transverse modes broaden the Beam, disturb as stray light in many applications and elude the desired fashion, usually the reason mode, a significant portion of the excitation energy.

Überraschenderweise ist es gemäß den Patentansprüchen 1 und 2 der vorliegenden Anmeldung möglich, einen sechseckigen oder einen dreieckigen Querschnitt des Entladungskanals ein zusetzen, ohne daß störende zusätzliche Transversalmoden entstehen. Das Plasma in der Niederdruckbogensäule wird durch die Rohrwand stabilisiert. Ebenfalls überraschend ist deshalb, daß selbst bei Stromdichten von 5000 A/cm² eine Störung der Rotationssymmetrie durch die Ecken nicht zu den erwarteten und befürchteten Plasmaschwingungen und der damit verbundenen Instabilität der Laserstrahlung führt.Surprisingly, according to claims 1 and 2 of the present application, it is possible to use a hexagonal or a triangular cross section of the discharge channel, without the occurrence of disruptive additional transverse modes. The plasma in the low pressure arc column is stabilized by the tube wall. It is therefore also surprising that even at current densities of 5000 A / cm ^2, a disturbance in the rotational symmetry through the corners does not lead to the expected and feared plasma vibrations and the associated instability of the laser radiation.

Dabei kann ein derartiger Laser mit den Ansteuerbedingungen, insbesondere den Feldstärkewerten eines Lasers mit zylinder förmigem Entladungskanal mit der gleichen Querschnittsfläche betrieben werden und ergibt dabei - wiederum überraschend eine höhere Laserleistung als der Laser mit zylinderförmigem Kanal.Such a laser with the control conditions, especially the field strength values of a laser with a cylinder shaped discharge channel with the same cross-sectional area operated and results - again surprising a higher laser power than the laser with cylindrical Channel.

Mit einem sechseckförmigen Querschnitt von ca. 3 mm² wurde gegenüber einem flächengleichen runden Querschnitt eine Steigerung der Laserstrahlungsausbeute von 10% erreicht. Der Laser mit dreieckförmigem Querschnitt eignet sich insbeson dere für Querschnittswerte unter 5 mm². Bei einem Querschnitt von nur 0,07 mm² ergibt diese Laserausführungsform eine Ver besserung der Laserleistung gegenüber einem zylindrischen Kanalquerschnitt gleicher Fläche von etwa 10% bis 20%, ohne daß unerwünschte Transversalmoden angeregt werden. In der Re gel wird der gewünschte Mode der Grundmode (TEM 00-Mode) sein. Doch auch höhere Moden können in erfindungsgemäßen Lasern stabil und ohne Störung durch andere Moden angeregt werden.With a hexagonal cross section of approx. 3 mm ² , an increase in the laser radiation yield of 10% was achieved compared to a round cross section of the same area. The laser with a triangular cross-section is particularly suitable for cross-sectional values below 5 mm ² . With a cross section of only 0.07 mm ² , this laser embodiment results in an improvement in the laser power compared to a cylindrical channel cross section of the same area of approximately 10% to 20%, without undesirable transverse modes being excited. As a rule, the desired mode will be the basic mode (TEM 00 mode). However, higher modes can also be excited stably in lasers according to the invention and without interference from other modes.

Ein Entladungskanal mit sechseckförmigem Querschnitt läßt sich vorteilhaft herstellen, wenn er aus zwei Nuten zusammen gesetzt ist, die in eine Verbindungsfläche je eines Entla dungskanalkörpers eingebracht sind, wobei die beiden Verbin dungsflächen der Entladungskanalkörper aufeinanderliegen und vakuumdicht gegenüber der Umgebung des Lasers abgeschlossen sind und wobei die Profile der beiden Nuten jeweils zu einer auf die Verbindungsflächen senkrecht stehenden Ebene spiegel symmetrisch ausgebildet sind. Dabei können die Wände der Nuten im Bereich der Verbindungsflächen senkrecht zu diesen verlau fen, eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist jedoch gegeben, wenn die Verbindungsflächen durch zwei bezogen auf die Symmetrieachse einander gegenüber liegende Kanten des Sechsecks verlaufen. In diesem Fall ergibt sich eine beson ders geringe Störung des Feldverlaufs im Bereich der Verbin dungsflächen, da das Profil in einem seiner sowieso vorhan denen Knicke zusammengesetzt ist.A discharge channel with a hexagonal cross section leaves produce itself advantageously if it consists of two grooves is set, which is in a connecting area of each discharge Dungskanalkörpers are introduced, the two connec The surfaces of the discharge channel bodies lie on top of one another and vacuum-tight against the surroundings of the laser and the profiles of the two grooves are each one mirror the plane perpendicular to the connecting surfaces are symmetrical. The walls of the grooves in the area of the connecting surfaces perpendicular to these fen, however, is a particularly advantageous embodiment given when the connecting surfaces are referenced by two the axis of symmetry opposite edges of the Hexagons. In this case there is a special little disturbance of the field course in the area of the connection areas because the profile is in one of its anyway which are composed of kinks.

Für ein Dreieckprofil ist ein Aufbau vorteilhaft, in dem ein Winkelprofil in eine Verbindungsfläche eines Entladungskanal körpers eingebracht ist, wobei dieses Winkelprofil den gesam ten Querschnitt des Entladungskanales bildet, und wobei dieses Winkelprofil durch die Verbindungsfläche eines zweiten Ent ladungskanalkörpers abgedeckt ist. Vorteilhaft ist der Entla dungskanalkörper im Bereich der Verbindungsflächen und der Nuten mit einem sputterfesten und elektrisch isolierenden Material beschichtet. Eine hohe Wärmeableitung ergibt ein insbesondere mittels Hartanodisation eloxierter Aluminium körper oder ein Kupferkörper, der mit einer Schicht aus SiO₂, Si₃N₄, BeO, AlN beschichtet ist. Natürlich kann auch ein Körper aus Aluminium oder einem anderen Metall anstelle von Kupfer mit den genannten Schichten versehen werden. Auch Halbschalen aus massivem BeO können eingesetzt werden.For a triangular profile, a structure is advantageous in which an angle profile is introduced into a connecting surface of a discharge channel body, this angle profile forming the entire cross section of the discharge channel, and this angle profile being covered by the connecting surface of a second discharge channel body. The discharge channel body is advantageously coated in the area of the connecting surfaces and the grooves with a sputter-resistant and electrically insulating material. A high heat dissipation results in an aluminum body anodized in particular by means of hard anodization or a copper body which is coated with a layer of SiO ₂ , Si ₃ N ₄ , BeO, AlN. Of course, a body made of aluminum or another metal can be provided with the layers mentioned instead of copper. Half shells made of solid BeO can also be used.

Eine besonders gleichmäßige Wärmeabfuhr wird erreicht, indem der Entladungskanal in einem kreiszylindrischen Entladungs rohr untergebracht ist und indem die Zylinderachse des Entla dungskanals durch den Flächenschwerpunkt der Querschnitts fläche des Entladungskanals verläuft. Um die im Bereich der Verbindungsflächen bei einer Serienfertigung unvermeidlichen geringfügigen Versetzungen unschädlich zu machen, ist es vor teilhaft, daß die in den Verbindungsflächen liegenden Kanten der Nuten mit einem Radius verrundet sind, welcher etwa 10% des größten Durchmessers der Nuten ausmacht.A particularly uniform heat dissipation is achieved by the discharge channel in a circular cylindrical discharge tube is housed and by the cylinder axis of the discharge channel through the centroid of the cross-section area of the discharge channel. To those in the field of Connection surfaces inevitable in series production to make minor dislocations harmless partial that the edges lying in the connecting surfaces of the grooves are rounded with a radius which is about 10% of the largest diameter of the grooves.

Die Erfindung wird nun anhand von vier Figuren näher erläu tert. Sie ist nicht auf die in den Figuren gezeigten Beispie le beschränkt.The invention will now be explained in more detail with reference to four figures tert. It is not based on the example shown in the figures le limited.

Fig. 1 und 2 zeigen ein Laserrohr mit einem Entladungskanal, welcher einen dreieckförmigen Querschnitt hat. Fig. 1 and 2 show a laser tube with a discharge channel, which has a triangular cross-section.

Fig. 3 und 4 zeigen ein Laserrohr mit einem Entladungskanal mit einem sechseckförmigen Querschnitt. FIGS. 3 and 4 show a laser tube with a discharge channel having a hexagonal cross section.

Ein Laserrohr 1 setzt sich aus zwei Entladungskanalkörpern 2 und 3 zusammen. Die Entladungskanalkörper 2 und 3 besitzen Verbindungsflächen 4 und 5, mit denen sie aneinander anliegen. In einen Entladungskanalkörper 3 ist eine Nut 6 mit winkel förmigem Querschnitt eingebracht, z. B. eingefräst. Die Nut 6 wird durch die Verbindungsfläche 4 des Entladungskanalkörpers 2 abgeschlossen. Die Entladungskanalkörper 2 und 3 besitzen kreissegmentförmige Querschnitte, die sich zu einem vollen Kreis ergänzen. Diese Querschnitte sind jedoch untereinander nicht gleich. Der Querschnitt des Entladungskanalkörpers 3 umfaßt die Rotationsachse 7 des Laserrohres 1. Diese liegt innerhalb der Nut 6 im Flächenschwerpunkt des Querschnittes des Entladungskanals. Ist der Querschnitt ein gleichseitiges Dreieck, so liegt sie um ein Drittel der Höhe h gegenüber der Verbindungsfläche 4 zurückgesetzt auf der Winkelhalbie renden der Nut 6. Durch diese Ausgestaltung ist eine beson ders gleichmäßige Verteilung der im Entladungskanal entste henden Wärme über den gesamten Querschnitt des Entladungs rohres gewährleistet und damit eine Verbiegung des Entla dungsrohres infolge einseitiger thermischer Belastung unter bunden. Demselben Zweck dient eine relativ zu den Abmessungen des Entladungskanals große Wandstärke des zylindrischen La serrohres.A laser tube 1 is composed of two discharge channel bodies 2 and 3 . The discharge channel bodies 2 and 3 have connecting surfaces 4 and 5 with which they abut one another. In a discharge channel body 3 , a groove 6 is introduced with an angular cross section, for. B. milled. The groove 6 is closed by the connecting surface 4 of the discharge channel body 2 . The discharge channel bodies 2 and 3 have cross sections in the form of segments of a circle, which complement one another to form a full circle. However, these cross sections are not the same as each other. The cross section of the discharge channel body 3 comprises the axis of rotation 7 of the laser tube 1 . This lies within the groove 6 in the centroid of the cross section of the discharge channel. If the cross section is an equilateral triangle, it is set back by a third of the height h with respect to the connecting surface 4 on the angle half ends of the groove 6 . This configuration ensures a particularly uniform distribution of the heat arising in the discharge channel over the entire cross-section of the discharge tube and thus prevents the discharge tube from bending due to unilateral thermal stress. The same purpose is served by a relatively large wall thickness of the cylindrical laser tube relative to the dimensions of the discharge channel.

Gemäß den Fig. 3 und 4 besitzen Entladungskanalkörper 8 und 9 Nuten 10 und 11 mit einem winkeligen Querschnitt, wobei sich die beiden Querschnitte zu einem regelmäßigen Sechseck ergän zen. In diesem Fall sind beide Entladungskanalkörper 8 und 9 identisch geformt, ihr Querschnitt entspricht einem Halbkreis segment. Die in den Verbindungsflächen 14 bzw. 15 liegenden Kanten 12 des Entladungskanales sind verrundet und weisen einen Verrundungsradius auf, der mindestens ein Zehntel des größten Durchmessers der Nut 10 bzw. 11 besitzt. Hierdurch werden geringe Versetzungen der Nuten 10 und 11 gegeneinander unschädlich gemacht, da keine hohen Potentialspitzen im Be reich der Kanten auftreten können.Referring to FIGS. 3 and 4 have discharge channel body 8 and 9, grooves 10 and 11 with an angular cross-section with the two cross-sections comple to a regular hexagon zen. In this case, both discharge channel bodies 8 and 9 are shaped identically, their cross section corresponds to a semicircle segment. The edges 12 of the discharge channel lying in the connecting surfaces 14 or 15 are rounded and have a rounding radius which has at least one tenth of the largest diameter of the groove 10 or 11 . As a result, small dislocations of the grooves 10 and 11 are made harmless to one another, since no high potential peaks can occur in the region of the edges.

Anstelle des beschriebenen Laserrohrs mit kreiszylinderför migem Querschnitt können auch andere Formen von Laserrohren oder auch Laserplatten verwendet werden, wenn für eine ent sprechende Kühlung gesorgt ist.Instead of the described laser tube with a circular cylinder cross-section can also other forms of laser tubes or laser plates can also be used if for an ent talking cooling is provided.

Die Nuten 6, 10, 11 und die Verbindungsfläche 4 sind vorteil haft mit einem nichtleitenden, sputterresistenten Material beschichtet. Dieses ist insbesondere bei längeren Laserausfüh rungen von Vorteil.The grooves 6 , 10 , 11 and the connecting surface 4 are advantageously coated with a non-conductive, sputter-resistant material. This is particularly advantageous for longer laser designs.

Claims

1. Noble gas ion laser for generating a Gaussian laser beam, which only excites a transverse mode of the laser beam development, with a discharge channel with a square cross section, characterized in that the discharge channel has a cross section in the form of a regular hexagon and that the control, in particular the longitudinal field strength after a laser with a flat circular cross-section is dimensioned.

2. Noble gas ion laser according to claim 1, characterized characterized in that the discharge channel is composed of two grooves, which in a connecting surface che each of a discharge channel body are introduced that the two connecting surfaces of the discharge channel bodies lie against each other and are vacuum-tight to the environment of the Lasers are complete and that the profiles of the two Grooves each perpendicular to the connecting surfaces standing plane are mirror-symmetrical.

3. noble gas ion laser according to claim 2, characterized characterized that the connecting surfaces by two in relation to each other with respect to the axis of rotation lying edges of the hexagonal profile.

4. noble gas ion laser according to claim 2, characterized characterized in that in the connection flat edges of the grooves are rounded with a radius which is about 10% of the largest diameter of the grooves matters.

5. noble gas ion laser for generating a Gaussian laser beam, which excites only one transverse mode of the laser beam, cut with a discharge channel with an angular cross, characterized in that the discharge channel has a cross section in the form of an equilateral triangle with a cross-sectional area of less than 5 mm ² , and that the control, in particular the longitudinal field strength, is dimensioned according to a laser with a circular cross-section of the same area.

6. Noble gas ion laser according to claim 2, characterized in that the cross-sectional area of the discharge channel is 0.07 mm ² .

7. noble gas ion laser according to claim 5, characterized characterized in that an angle profile in a Introduced connecting surface of a discharge channel body is that this angle profile covers the entire cross section of the Discharge channel forms and that through this angle profile the connection surface of a second discharge channel body is covered.

8. noble gas ion laser according to one of claims 2, 3 or 7, characterized in that the Ent charge channel body in the area of the connecting surfaces and the Grooves with a sputterproof and electrically insulating Material are coated.

9. noble gas ion laser according to one of claims 1 or 5, characterized in that the Ent charge channel in a circular cylindrical discharge tube un is brought and that the cylinder axis of the discharge tube by the centroid of the cross-sectional area of the Ent charge channel runs.