DE68912647T2 - Metalldampf-Laservorrichtung. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Lasergeräte und insbesondere solche Geräte, in denen Metalldampf das laserverstärkende Medium bildet.
• In einem bekannten Kupferdampflaser wird Kupfermetall entlang der Länge eines Entladungsrohres verteilt und wird durch eine Entladung oder Entladungen in dem Rohr erwärmt um Kupferdampf zu erzeugen. Die Entladungsenergie dient auch dazu, die Besetzungsinversion zu erzeugen und die Lasertätigkeit zu erzielen. Die Betriebstemperaturen eines solchen Lasers sind typischerweise etwa 1500ºC, wobei ein beträchtliches Ausmaß an thermischer Isolation uin das Entladungsrohr herum erforderlich ist.
• Die Patentschriften US-A-4 347 613 und US -A-4 126 833 offenbaren Laser, die Metallhalogenide verwenden.
• Die vorliegende Erfindung geht aus einem Versuch hervor, einen verbesserten Metalldampflaser zu schaffen.
• Nach einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Metalldampflasergerät geschaffen, das eine Umhüllung, die Metall mit Oberflächen enthält und Einrichtungen, die ausgeführt sind, um ein Halogengas oder ein Halogen-Donatorgas durch die Umhüllung über die Metalloberflächen fließen zu lassen umfaßt, um darauf ein Metallhalogenid zu erzeugen, das bei Erwärmung verdampftund dissoziiert, um Metalldampf zu erzeugen.
• Ein Halogen-Donatorgas ist eine Halogenverbindung wie beispielsweise Brom-Wasserstoff, die ohne weiteres während des Betriebes des Lasergerätes dissoziiert um Halogenmoleküle oder Ionen zu ergeben.
• Wenn ein Halogen-Donatorgas verwendet wird, müssen Einrichtungen vorgesehen werden, die es bewirken, das Halogen zu dissoziieren und infolgedessen freies Halogen abzugegeben, das dann mit dem Metall reagiert um ein Metallhalogenid zu bilden. Die Dissoziation des Halogen-Donatorgases wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß eine elektrische Entladung durch das Gas hindurchgeführt wird. Das Halogengas reagiert mit dem Metall an seinen Oberflächen und erzeugt einen Metallhalogenfilm, der von sehr hoher Reinheit sein kann, falls die Reinheit des Kupfers und des Halogens oder des Halogen-Donators ebenfalls hoch ist.
• Das Gerät nach der Erfindung ist in der Lage, bei tiefen Temperaturen zu arbeiten, beispielsweise im Bereich von 600ºC für einen Kupferdampflaser. Dies vermeidet die Notwendigkeit übermäßiger thermischer Isolation um die Umhüllung und ermöglicht auch das Erzielen einer schnellen Anfahrzeit.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfaßt diese Einrichtungen zum Ändern des Druckes in der Umhüllung, derart, daß dieser anfänglich relativ nieder ist, um stabile Entladungsbedingungen herzustellen und nachfolgend, während des Erwärmens des Metallhalogenides, relativ hoch ist, um den Betrieb gemäß der wechselnden Zusammensetzung des Gasgemisches zu optimieren. Die betreffenden Drücke hängen von den besonderen Dimensionen des Lasergerätes und seines Inneren ab. In einer typischen Anordnung beträgt der Druck anfänglich weniger als etwa 5 Torr und wird dann auf etwa 30 Torr erhöht.
• Bei einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung liegt das Metall in Form eines einzelnen hohlen Zylinders vor, der koaxial zur Längsachse der Umhüllung angeordnet ist. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind mehrere hohle Zylinder vorgesehen, wobei die Zylinder untereinander in Richtung der Längsachse beabstandet sind. Das Einbringen des Kupfers in der Form eines zylindrischen Segmentes oder zylindrischer Segmente in Verbindung mit dem Fluß des Halogengases oder des Halogen-Donatorgases darüber ermöglicht eine besonders gleichmäßige Verteilung des zu erzeugenden Laser-Verstärkungsmediums.
• Die Erfindung ist insbesondere anwendbar, wenn das Metall Kupfer ist, obgleich andere Metalle wie beispielsweise Gold auch benutzt werden konnen, und es ist bevorzugt, daß das Halogen oder der Halogen-Donator Brom ist.
• Vorzugsweise ist vorgesehen, mit dem Halogen oder seinem Donator ein Puffergas durch die Umhüllung fließen zu lassen, und es ist bevorzugt, daß das Puffergas aus einem oder einer Mischung von inerten Gasen, wie beispielsweise Neon, besteht.
• Nach einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Betreiben eines Metalldampflasers die Schritte: Fließenlassen eines Halogens oder Halogen-Donatorgases über Metalloberflächen innerhalb einer Laserumhüllung um Metallhalogenid auf den Oberflächen zu erzeugen und nachfolgendes Betreiben des Lasers in abgeschlossener Weise.
• Einige Arten, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann, werden nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen: die Fig. 1, 2 und 3 schematische Längsschnitte von jeweiligen Metalldampflasern nach der Erfindung sind, beschrieben.
• Bezüglich Fig. 1 weisen Kupferdampflasergeräte nach der Erfindung eine Quarzumhüllung 1 mit Endfenstern 2 und 3 auf. Zwei zylindrische Elektroden 4 und 5, eine an jedem Ende der Umhüllung, sind koaxial zu der Längsachse X-X angeordnet. Mehrere zylindrische Kupfersegmente 6 befinden sich zwischen den Elektroden 4 und 5. Die Segmente 6 sind durch keramische Abstandshalter 7 eines kleineren inneren Durchmessers (id) als der id der Metallsegmente 6 untereinander beabstandet. Jedes Segment 6 weist eine Länge auf, die etwa das zweifache seines Durchmessers ist und ist koaxial zur Längsachse X-X angeordnet. Das Gerät weist einen Druckregler 8 auf, dem Helium-Puffergas und Brom durch jeweils die Leitungen 9 und 10 zugeführt wird. Ein Kontrollkreis 11 regelt die Anteile und Drücke der der Umhüllung 1 über den Regler 8 zugebrachten Gase.
• Während des Betriebes des Lasergerätes ist vorgesehen, eine Mischung von Helium-Puffergas und Brom durch die Umhüllung 1 und über die Kupfersegmente 6 fließen zu lassen. Die Gase werden an einem Eingangszugang 12 zugeführt und von einem Zugang 13 am anderen Ende der Umhüllung 1 entnommen. Das Brom reagiert an der Oberfläche der Segmente 6 mit dem Kupfer um Kupferbromid zu ergeben. Der Kontrollkreis 1 dient anfänglich dazu, den Druck in der Umhüllung 1 auf einer relativ niedrigen Höhe, die in diesem Fall etwa 5 Torr beträgt, für eine gegebene Zeit aufrechtzuerhalten, um die Kupfersegmente 6 zu erwärmen. Dann erhöht der Kontrolikreis den Druck in der Umhüllung 1 auf etwa 30 Torr. Zwischen den Elektroden 4 und 5 gebildete Entladungen bewirken, daß das Kupferbromid verdampft und dissoziiert, um Kupferdampf zu erzeugen. Der Kupferdampf wird dann angeregt, um die Besetzungsinversion herbeizuführen, und die Lasertätigkeit tritt ein.
• Wenn das Lasergerät in seinem höheren Druckzustand arbeitet, ist die Mitte des Laserrohres kälter als seine Enden. Infolgedessen neigt das Kupferbromid dazu, eher in der Mitte als an den Fenstern 2 und 3 zu kondensieren und bildet ein "Reservoir" von Kupferbromid, das während der Niederdruckstufe des nächsten Betriebszykluses genutzt wird.
• Die inneren Oberflächen der Keramik-Abstandshalter 7 liegen der Mitte des Rohres näher als die Kupfersegmente 6 und sind infolgedessen wärmer. Die Tendenz des Kupfers, auf den Abstandshaltern 7 zu kondensieren, ist daher geringer als es der Fall sein würde, wenn die Abstandshalter 7 den gleichen inneren Durchmesser wie die Kupfersegmente 6 besäßen. Dieser Unterschied des inneren Durchmessers vermindert auch die Bewegung jeglicher Bruchstücke oder Partikel entlang des Rohres, was in Fällen, in denen es gewünscht ist, den Laser in einer vertikalen Orientierung zu betreiben, besonders nützlich ist. Falls ein solcher Betrieb vorgesehen ist, können die Abstandshalter 7 durch die Aufnahme eines Niederhalters an einem oder beiden ihrer querverlaufenden Oberflächen modifiziert werden, so daß Bruchstücke in ihnen zurückgehalten werden.
• Bezugnehmend auf Fig. 2 umfaßt ein anderes Lasergerät nach der Erfindung eine Quarzumhüllung 14, die Elektroden 15 und 16 und ein Kupferrohr 17 zwischen diesen enthält, wobei das Rohr 17 etwa 1 m Länge aufweist.
• Während des Betriebes wird der Druck in der Umhüllung 14 bei einem relativ niedrigen Druck gehalten, der in diesem Fall etwa 5 Torr beträgt. Chlor verbindet sich mit Kupfer an der Oberfläche des Rohres 17 und ergibt Kupferchlorid. Ein Kontrollkreis 18 hält den Druck bei dieser niedrigen Höhe für eine gegebene Zeit aufrecht, um das Kupferrohr 14 zu erwärmen. Er bewirkt dann die Zunahme des Druckes innerhalb der Umhüllung 14 auf etwa 30 Torr. In der Umhüllung 14 gebildete Entladungen bewirken, daß das Kupferchlorid verdampft und dissoziiert um Kupferdampf zu ergeben, und regen diesen an, um die Besetzungsinversion zu erzeugen.
• Bei einem Verfahren, einen Kupferdampflaser nach der Erfindung zu betreiben wird das Metallhalogenid in der Umhüllung des Lasers dadurch erzeugt, daß ein Halogen-Donatorgas, das in diesem Fall Bromwasserstoff ist, über einen einzelnen langen Kupferzylinder fließen gelassen wird. Beim Leiten des Brom-Wasserstoffes über die Oberfläche des Metallsegmentes bildet sich eine elektrische Entladung in der Umhüllung aus, die bewirkt, daß der Halogen-Donator dissoziiert und freies Halogen abgibt. Dieses verbindet sich dann mit dem Kupfer an der Oberfläche des Kupferrohres um Kupferbromid zu ergeben.
• Nachdem Kupferbromid erzeugt wurde, wird die Laserumhüllung "abgedichtet" um ein Gerät zu ergeben, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist. Die Umhüllung enthält Helium-Puffergas, das Kupferrohr 19 und das Kupferbromid 20 auf der Oberfläche des Rohres. Elektroden 21 und 22, die verwendet wurden, um die anfängliche elektrische Entladung während der Erzeugung des Kupferbromides zu erzeugen, werden genutzt, um weitere Entladungen innerhalb des Rohres aufzubauen, um dieses zu erwärmen. Das Kupferbromid 20 verdampft und dissoziiert um den Kupferdampf zu bilden, der als laserverstärkendes Medium verwendet wird.

Claims (16)

1. Metalldampf-Lasergerät mit einer Umhüllung (1), die Metall (6) mit Oberflächen enthält und mit Einrichtungen (8, 9, 10, 11, 12), die ausgebildet sind, um ein Halogengas oder ein Halogen-Donatorgas durch die Umhüllung über die Metalloberflächen fließen zu lassen um darauf ein Metallhalogenid zu erzeugen, das bei Erwärmung verdampft und dissoziiert um Metalldampf zu erzeugen.

2. Lasergerät nach Anspruch 1 mit Einrichtungen (8) zum Ändern des Druckes innerhalb der Umhüllung, derart, daß dieser anfänglich relativ niedrig ist und nachfolgend, während der Erwärmung des Metallhalogenides, relativ hoch ist.

3. Lasergerät nach Anspruch 2 und mit Einrichtungen (21, 22) zur Erzeugung einer elektrischen Entladung innerhalb der Umhüllung, um das Metallhalogenid zu bilden.

4. Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche und, dort wo vorgesehen ist, ein Halogen-Donatorgas fließen zu lassen, mit Einrichtungen, die eine Dissoziation des Halogen-Donatorgases bewirken, um freies Halogen zur Reaktion mit dem Metall abzugeben.

5. Lasergerät nach Anspruch 4, in dem die Einrichtung (4, 5) , die die Dissoziation verursacht, ausgeführt ist, um eine elektrische Entladung durch das Halogen-Donatorgas zu leiten.

6. Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem das Metall in Form eines einzelnen hohlen Zylinders (17) koaxial zur Längsachse der Umhüllung (14) ausgeführt ist.

7. Lasergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in dem das Metall in Form mehrerer hohler Zylinder (6), die in Richtung der Längsachse beabstandet sind, ausgeführt ist.

8. Lasergerät nach Anspruch 7, in dem jeder Zylinder (6) eine Länge aufweist, die näherungsweise bis zu dem zweifachen seines Durchmessers beträgt.

9. Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit Einrichtungen (4, 5) die ausgeführt sind, um eine Entladung innerhalb der Umhüllung (1) zu erzeugen, die die Erwärmung des Metallhalogenides herbei führt.

10. Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem das Metall Kupfer ist.

11. Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem das Halogen oder das mit einem Donator versehene Halogen Brom ist.

12. Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem ein Puffergas mit dem Halogen oder dem Halogen-Donatorgas durch die Umhüllung fließen gelassen wird.

13. Lasergerät nach Anspruch 12, in dem das Puffergas ein inertes Gas ist.

14. Lasergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Umhüllung aus Quarz besteht.

15. Ein Verfahren zum Betrieb eines Metalldampflasers mit den Schritten des Fließenlassens eines Halogens oder Halogen-Donatorgases über Metalloberflächen innerhalb einer Laserumhüllung um Metallhalogenid auf den Oberflächen zu erzeugen und nachfolgend des Betreibens des Lasers in einem abgedächteten Zustand durch Erhitzen des Metallhalogenids zur Verdampfung und Dissoziation desselben um Metalldampf zu erzeugen.

16. Ein Verfahren nach Anspruch 15 und mit dem Schritt des Herbeiführens einer elektrischen Entladung innerhalb der Umhüllung um das Metallhalogenid zu erzeugen.