EP0387248A1

EP0387248A1 - Laser und verfahren zur erzeugung von laserstrahlung

Info

Publication number: EP0387248A1
Application number: EP19880904202
Authority: EP
Inventors: Gerd Herziger; Peter Loosen; Hans-Georg Treusch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1987-05-09
Filing date: 1988-05-09
Publication date: 1990-09-19
Also published as: WO1988009071A1; DE3738921A1; DE3738921C2

Description

Laser und Verfahren zur Erzeugung von Laserstrahlung

Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser, dessen aktives Material vom Licht einer Gasentladungslampe gepumpt ist.

Stand der Technik

Optisches gepumpte Laser sind beispielsweise Neodym-YAG-Laser oder Farbstofflaser. In ihr aktives Material wird Licht eingestrahlt, so daß es zu einem Anregungsvorgang und der Erzeugung des Laserlichts kommt. Als Lichtquelle sind mit Gleichstrom angeregte Blitz- oder kontinuierliche Gasentladungslampen bekannt. Diese sind in zweierlei Hinsicht problematisch. Zum einen ist ihre Standzeit vergleichsweise gering, weil sei einem hohen Verschleiß unterliegen, da sehr hohe optische Leistungen notwendig sind, um bei einem Wirkungsgrad von etwa ein bis fünf Prozent Laserleistungen im Bereich von einigen 100 Watt bis ein kW zu erzielen. Der Lampenver schleiß ist in erster Linie durch den Elektrodenabbrand der Lampen bedingt. Zum anderen ist häufig die notwendige Lampenkühlung problematisch, da ca. 50% der in die Lampe eingekoppelten elektrischen Energie als Verlustwärme frei wird. Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß mit Hilfe seiner Lampe höhere mittlere Leistungen als bisher erreicht werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Gasentladungslampe hochfrequenzangeregt ist.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß als Anregungsenergie für die Gasentladungslampe Hochfrequenzenergie vorhanden ist. Mit dieser Energie können sehr hohe optische Leistungen der Gasentladungslampe erreicht werden bei Vermeidung bzw. starker Verringerung des Elektrodenabbrands. Daher wird auch die Lebensdauer der Lampe wesentlich erhöht.

Der Einkopplung der Hochfrequenzenergie dienende Elektroden der Gasentladungslampe sind vorzugsweise kontaktfrei vom Lampengas angeordnet. Dieses kann infolgedessen nicht auf die Elektroden einwirken, was ebenfalls die Lebensdauer der Lampe erhöht und es grundsätzlich gestattet, Lampenkonfigurationen mit Elektrodengestaltungen zu schaffen, die bestimmten, unterschiedlichen konstruktiven und funktionalen Bedingungen genügen müssen.

Bei einer ersten Ausführungsform hat der Laser ein innen verspiegeltes Gehäuse mit elliptischen Querschnitten, in einem Brennpunkt ist stabförmiges aktives Material und parallel dazu im anderen Brennpunkt ist die hochfrecuenzangeregte Gasentladungslampe angeordnet. Vorzugsweise ist die Hochfrequenzenergie über ein Fenster in das innenverspieσelte Gehäuse ein gekoppelt und die Gasentladungslampe hat ein elektrodenloses Lampenrohr. Damit ergibt sich bei dem an sich bekannten elliptischen Gehäuse eine Anordnung, bei der in dessen Innenraum keinerlei Elektroden anzuordnen sind, was diverse Raumformund Isolationsprobleme vermeidet.

Die Elektroden sind außerhalb des gasgefüllten Lampenrohrs in dessen Nähe angeordnet. Damit werden grundsätzlich kaoazitive und induktive Einkopplungen ermöglicht, wobei die Nähe der Elektroden zum Lampenrohr zu einer kompakten Bauform führt. Letzteres ist besonders dann der Fall, wenn dem Außendurchmesser des Lampenrohrs angepaßte Elektroden einander gegenüberliegend längs angeordnet sind. Die diagonal e Anordnung der Elektroden bewirkt eine gleichmäßige Anregung des gesammten Gasentladungsraums, der sich innerhalb des Lampenrohrs befindet.

Wird eine Mehrzahl von Elektrodenpaaren verwendet, so sind diese über den Außenumfang des Lampenrohrs paarweise gleichmäßig verteilt vorhanden und becarfsweise von einer oder mehreren Energiequellen beaufschlagt. Die paarweise Verteilung der Elektroden führt zu einer gl e i chmäß igen Anregung des Gasentladungsraums und der Einsatz mehrerer Energiequellen gestattet eine hohe Energieeinkopplung bzw. die Verwendung unterschiedlicher Frequenzen.

Weiterhin ist es möglich, daß die Elektroden an den Enden des Lampenrohrs angeordnet sind. Das hat vor allem den Vorteil, daß die Gasentladungslampe große, durch die Elektroden ungestörte Lichtaustrittsflachen haben kann. Eine durch die Elektroden erfolgende Abschattung des von der Lampe erzeugten Lichts ist deshalb vergleichsweise gering.

Um eine solche Abschattung unabhängig von der Form der Elektroden und ihrer Anordnung zu erreichen, haben die Elektrode über ihre gesamte Fläche verteilte Liehtdurchtrittsöffnungen. Die Elektroden sind zum Lampenrohr hochkant angeordnete Stege, so daß die Abschattung minimiert wird, ohne die erforderliche Steifigkeit der Elektrodenanordnung nachteilig zu beeinflussen.

Eine geringe Abs chattung wird auch dann erreicht, wenn die Elektroden wendel- oder doppelhelixförmig um das Lampenrohr herum angeordnet sind. Das Lampenrohr dient dabei zugleich als Elektrodenträger.

Die Elektroden bilden die Stirnseiten des Lampenrohrs. Infolgedessen schließen sie das Lampenrohr ab, wobei sie unmittelbar an den Gasentladungsraum angrenzen und mit dem die Gasentladung ausbildenden Gas in Kontakt stehen. Der Elektrodenabbrand ist jedoch vergleichsweise gering und die Elektroden können durch entsprechende Bemessung auch so gestaltet werden , daß geringer Abbrand die Standz eit der Gasentladungs lampe nur in geringem Umfang beeinflußt.

Die Ausbildung eines Lasers mit einer vorbeschriebenen Gasentladungslampe ist insbesondere dann geeignet, wenn das Lampenrohr oder ein an dieses angrenzender Kühlraum an einen ein Pumpsystem aufweisenden Gaskühlkreislauf angeschlossen ist. In diesem Fall vermag der Abbrand dadurch minimiert zu werden, daß die Temperatur, im Lampenrohr gering gehalten wird. Der Gasaustausch des Lampenrohrs oder eines an dieses angrenzenden Kühlraums ist jedoch vor allem wichtig, um die vergleichsweise große Abwärme auch mit Kühlgas abführen zu können. Die bauliche Ausgestaltung des Lasers vereinfacht sich insbesondere dann, wenn das Kühlgas auch der Erzeugung der Gasentladung dient, so daß es durch das Lampenrohr hindurchgeleitet werden kann. Hierzu sind die Elektroden zweckmäßigerweise mit Gasdurchtrittsöffnungen für den Gaskühlkreislauf versehen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Lasers liegt darin, daß die Lampe einen hohlzylinderförmigen Gasentladungsraum hat, und daß eine Elektrode koaxial im Lampenkernraum angeordnet ist. Auch bei dieser Anordnung wird ein Kontakt der Elektrode mit dem Entladungsgas vermieden und in vorteilhafter Weise ist das Lampenrohr in einem Brennpunkt eines elliptischen Gehäuses angeordnet, das die andere Elektrode bildet. Dabei wird jegliche störende Abschattung der Elektroden vermi eden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das aktive Material hohlzylinderförmig angeordnet, außen von einem koaxialen hohlzylinderförmigen Gasentladungsraum umgeben und innen von dem die Elektrode aufweisenden koaxialen hohlzylin- derförmigen Gasentladungsraum durchsetzt. Damit ist eine koaxiale Konfiguration gebildet, bei der das aktive Material von beiden Seiten mit Licht bestrahlt wird, so daß sich eine sehr höhe und dazu gleichmäßige Lichtbestrahlung des aktiven Materials ergibt.

Das aktive Material ist platt enförmig angeordnet und an beiden Flächen ist ein Gasentladungsraum benachbart angeordnet. Durch diese Ausgestaltung wird es ermöglicht, großflächig ausgebildetes aktives Material optisch mit ausreichender Energie zu pumpen und dabei eine gleichmäßige Lichtverteilung zu erreichen.

Eine weitere Konfiguration, bei der das aktive Medium von der Lampe umschlossen wird, ergibt sich dadurch, daß das aktive Material außen von dem Gasentladungsraum mit Abstand angeordnet und eine Elektrode in dem durch den Abstand gebildeten Abstandsraum angeordnet ist. Diese Ausbildung hat den Vorteil der einfachen, nämlich stab- oder plattenförmigen Ausbildung des aktiven Materials und entsprechend einfacher, be währter Resonatoren. Die im Abstandsraum angeordnete Elektrode besteht zweckmäßigerweise aus mit einander gitterartig verbundenen runden oder hochkant rechteckigen längs durchlaufenden Stäben, welche also das aktive Material so wenig wie möglich abschirmen.

Zweckmäßigerweise ist die gesamte Anordnung außen von einer gleichsymmetrischen Elektrode umgeben, von der die Hochfrequenzenergie in Zusammenwirken mit der Innenelektrode in den Gasentladungsraum der Lampe eingekoppelt wird.

Die dem aktiven Material zugewendete Fläche der äußeren Elektrode und/oder die den gasfreien Kernraum begrenzende Wand sind verspiegelt, um das erzeugte Licht möglichst verlustfrei in das aktive Material zubringen.

Der von Hochfrequenzstrahlung durchsetzte Lampenwerkstoff ist dielektrisch, so daß Strahlungsenergie nur in geringem Maße absorbiert, also die Strahlung nicht vom Entladungsraum abgeschirmt wird.

Das aktive Material bzw. die Gasentladungslampe ist von einer Kühlflüssigkeit umgeben, die einen geringen Absorptionskoeffizienten für die Anregungsfrequenz aufweist. Damit ist es mδg-iich, auch eine hochfrequenzangeregte Gasentladungslampe mit Kühlflüssigkeit zu kühlen, ohne die Kühlflüssigkeit durch die Hochfreςruenzenergie zu erwärmen. Dabei versteht es sich, daß die Kühlflüssigkeit für das von der Gasentladungslampe erzeugte Licht durchlässig ist.

Bei einem Laser mit einer Gasentladungslampe können höhere mittlere Leistungen insbesondere dadurch erreicht werden, daß das aktive Material aus mehreren, mit Abstand voneinander angeordnete Schichten besteht, die von einem als Lampengas der hochfrequenzangeregten Gasentladungslampe wirkenden Kühlgas durchströmt sind. Bei dieser Ausgestaltung ist von Bedeutung, daß das durchströmende Gas sowohl eine Funktion als Pumpmedium hat, wie auch e ine Kühlfunktion. Daraus ergibt sich eine erhebliche bauliche Vereinfachung des Lasers, wie auch eine funktionsmäßige Verbesserung. Außerdem wird durch die Schichtung des aktiven Materials dessen gleichförmige Anregung durch das Licht der Hochfreσuenzgasentladung erreicht und somit eine gute Ausnutzung des aktiven Materials zur Erzeugung von Laserlicht. Eine bauliche Vereinfachung is

insbesondere dann gegeben, wenn die Schichten scheibenförmig ausgebildet und nebeneinander mit einer dem Brewsterwinkel ihres Werkstoffs entsprechenden Neigung in der Achse des Resonators angeordnet sind. Mit dieser konstruktiven Ausbildung wird auf den bewährten grundsätzlichen Aufbau des sogenannten D i sc -La s er s zurückgegriffen. Bei einem solchen Laser wird ein großvolumiges und damit leistungsfähiges aktives Medium dadurch erreicht, daß die Dicke der Schichten des aktiven Materials etwa gleich groß bis halb so groß wie ihr gegenseitiger Abstand ist. Die vorgenannte Relation bzw. der zwischen zwei Schichten erforderliche Abstand ergibt sich insbesondere aus der von dem Gas abzuführenden Energiemenge, die ihrerseits auch von dem Werkstoff der Schichten abhängig ist. Die vorgenannte Relation zwischen der Dicke der Schicht des aktiven Materials und dem gegenseitigen Abstand der Schichten gilt insbesondere für den Fall, daß die Schichten des aktiven Materials aus Neodymglas bestehen.

In Ausgestaltung der Erfindung sind die Schichten des aktiven Materials zwischen diagonal zur Resonatorachse einander gegenüberliegenden, gegen Gaskontakt abgeschirmten Elektroden sowie zwischen ebenfalls diagonal zur Resonatorachse einander gegenüberliegenden Gaszu- und Gasableitungen angeordnet. Damit ergibt sich eine Gruppierung der Bauteile des Lasers im Bereich der Resonatorachse und um diese so dicht wie möglich herum. Diese vorteilhafte Ausgestaltung findet auch ihren Niederschlag in einer Steigerung der Strahlqualität und damit in einer Verbesserung der Anwendbarkeit der Laserstrahlung. Dabei wird durch die Abschirmung der Elektroden gegen das Gas dafür gesorgt, daß von diesen kein Elektrodenmaterial abdampfen und sich auf den Schichten des aktiven Materials niederschlagen kann, was zu hohen Verlusten für die durch dieses Material hindurchtretende Laserstrahlung und damit zu einer Herabsetzung der Laserleistung führen würde. Die Gaszu- und die Gasableitungen sind im Sinne einer Kreuz- oder Umkehrdurchströmung der zwischen den Schichten des aktiven Materials befindlichen Abstandsräume geschaltet, um dadurch Temperatur- bzw. Brechungsindexgradienten in Richtung der Gasströmung zu vermeiden, wenn diese in nur einer einzigen Richtung ausgebildet ist und insbesondere hohe Energiedichten vorliegen.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Erzeugen von Laserstrahlung, bei dem aktives Material vom Licht einer Gasentladungslampe gepumpt wird. Um höhere Laserleistung insbesondere bei verlängerter Standzeit der verwendeten Gasentladungslampe zu erreichen, wird die Gasentladungslampe hochfrequenzangeregt. Als Frequenz kommt mindestens eine des Frequenzspektrums von 1 MHz. bis 10 GHz zum Einsatz.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein elliptisches Lasergehäuse zur Erläuterung der prinzipiellen Anordnung stabförmigen Materials und einer stabförmigen Gasentladungslampe, Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Anordnung mit elektrodenfreier Energieeinkopplung, Fig. 3 a bis 3 e unterschiedliche Elektrodenausges taltungen und -anordnungen bei einer stabförmigen Gasentladungslampe, Fig. 4 einen Querschnitt einer Gasentladungslampe mit angeschlossenem Gaskühlkreislauf, Fig. 5 eine der Fig. 1, 2 ähnliche Darstellung mit spezieller Elektrodenausbildung für eine Gasentladungslampe, Fig. 6, 7 eine Ausführungsform, bei der das aktive Material von der Gasentladungslampe umschlossen wird,

Fig. 8 eine Ausgestaltung des Lasers mit p la tt enf örmigem aktiven Material,

Fig. 9 einen Längsschnitt durch einen Laser mit geschichtetem aktiven Material, und

Fig. 10 bis 12 gegenüber Fig. 9 um 90° gedrehte Schnitte des Lasers der Fig. 9 zur Erläuterung unterschiedlicher Kühlungen des Lasers.

Beste Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Fig. 1 zeigt ein elliptisches Gehäuse 17, in dem aktives Material 10 und eine Gasentladungslampe 12 so angeordnet sind, daß sie die Brennpunkte 18, 19 belegen. Das Gehäuse 17 ist innenverspiegelt, so daß von der Gasentladungslampe 1 2 emittiertes Licht 11 durch die elliptische Konfiguration des Gehäuses 17 und die Anordnung der Lampe 12 im Brennpunkt 19 praktisch vollständig zum Pumpen des aktiven Materials 10 zur Verfügung steht. Das Prinzip der Fig. 1 wird bei den Elektrodenanordnungen der Fig. 3 a bis 3 e verwendet, aber auch bei den Ausführungsformen der Fig. 2, 4 und 5 mit besonderer Energieeinkopplung.

In Fig. 2 erfolgt die Einkopplung der Hochfrequenzenergie durch ein Fenster 20, das z. B. durch einen Hohlleiter gebildet wird mit dem die elektromagnetischen Wellen als HF-, UHF- oder Mikrowellen in den Innenraum 28 des Gehäuses 17 eingeleitet werden, den sie aufgrund der Innenverspiegelung erfüllen und so eine Anregung der Gasentladungslampe 12 bewirken. Das Lampenrohr 15 besteht, wie auch die Lampenrohre anderer Ausführungsformen oder die den Gasentladungsraum umschließenden bzw. abgrenzenden Bauteile anderer Lampengestaltungen, z. B. Fig. 8, aus dielektrischem Werkstoff, der die Hochfrequenzenergie nur in geringem Umfang, absorbiert.

Das Gehäuse 17 dient als Hochfrequenzresonator und die in das Gehäuseinnere 28 eingekoppelte Hochfrequenzenergie zündet die Gasentladung der Lampe 12, deren Fülldruck mit z. B. einigen 100 Millibar deutlich unter dem Innendruck des Gehäuses 17 liegt.

Die Fig. 3 a bis 3 e zeigen unterschiedliche geometrische Ausführungen von Elektroden für Gasentladungslampen, wobei die Elektroden im Gehäuseinnenraum 28 angeordnet sind und das Lampenrohr 15 die in Fig. 1 angedeutete Lage einnimmt. In allen Fällen erfolgt die Einkopplung der Hochfrequenzenergie in die Lampe ohne direkten Kontakt der Elektroden 13, 14 mit dem Gasentladungsraum bzw. dessen Plasma, wodurch der Abbrand der Elektroden beim Lampenbetrieb entfällt und damit die Lebensdauer der Lampe erhöht wird. Bei der Lampe der Fig. 3 a sind die Elektroden 13, 14 einander diagonal gegenüberliegend angeordnet, und zwar in der Nähe des Lampenrohrs 15. Dabei sind die Elektroden 13, 14 dem Lampenrohr 15 bzw. dessen Außendurchmesser angep aß t und laufen über die Länge des Lampenrohrs 15 durch. Sie werden von einer Energiequelle 16 beaufschlagt. Die Einkopplung ist kapazitiv. Die Elektroden sind vorzugsweise gelocht oder netzartig ausgebildet, also mit Lichtdurchtrittsöffnungen versehen, die über die gesamte Elektrodenfläche gleichmäßig verteilt sind, um das von der Lampe erzeugte Licht möglichst wenig abzuschatten. Aus diesem Grund sind gemäß Fig. 3 b stegförmige Elektroden 13, 14 angeordnet, die dem Gasentladungsraum 22 also nur eine geringe Fläche zuwenden und damit eine nur geringe Abschattung verursachen.

Bei der Ausführungsform der Fig. 3 b sind als Beispiel zwei Elektrodenpaare vorhanden, die paarweise gleichmäßig am Außenumfang des Lampenrohrs 15 verteilt sind. Die beiden Paare werden jeweils von getrennten Hoch fr equ enz e n ergi equ e l l e n 16 gespeist, so daß eine entsprechend beeinflußbare Anregung ermöglicht ist, z. B. durch elektromagnetische Felder unterschiedlicher Frequenzen oder doppelter Energie. Bei geeigneter Zusammenfassung ist auch die Speisung aus einer Hochfrequenzenergiequelle möglich. Die gezeigte Aus führungsform mit zwei Elektroden ist als Beispiel zu verstehen. Auch die Verwendung einer größeren Anzahl von Elektrodenpaaren (drei, vier, etc.) ist möglich und für die Homogenität der Anregung vorteilhaft.

Bei der Aus führungsform der Fig. 3 c ist eine longitudinal erfolgende Hochfrequenzanregung vorgesehen mit Elektroden 13, 14, die an den Enden des Lampenrohrs 15 angeordnet sind. Auch hier wird eine Anpassung der Form der Elektroden 13, 14 an diese Enden vorgenommen, wobei auch diese Elektroden 13, 14 im Sinne einer geringstmöglichen Abschattung mit nicht dargestellten Lichtdurchtrittsöffnung versehen werden können. Fig. 3 d zeigt eine Bewicklung des Lampenrohrs 15, die zur induktiven Einkopplung als wendeiförmige Elektrode 13 ausgebildet ist, oder die zur kapazitiven Einkopplung als Doppelhelix gestaltet ist. In beiden Fällen ist die Abschattung des Lichts durch die Elektrode 13 bzw. durch die beiden nicht dargestellten Elektrodendrähte vergleichsweise gering.

Bei der Ausführungsform der Fig. 3 e erfolgt die Hochfrequenzanregung ebenfalls longitudinal, allerdings zwischen einem oder mehreren Paaren von ringförmig ausgebildeten, das Entladungsrohr umschließenden Elektroden 131. Diese Anordnung hat gegenüber Fig. 3 c den Vorteil der geringeren Brennspannung zwischen den EΪektrodenpaaren.

Bei den Ausführungsformen der Lampe nach den Fig. 2, 3 a bis 3 e und 5 wird das Problem der Lampenkühlung auf zweierlei Arten gelöst. Zum einen kann die Lampe von einem auf den Zeichnungen nicht dargestellten Mantel aus Kühlflüssigkeit umgeben werden, wobei die Elektroden innerhalb des Kühlmittels oder auch außerhalb des das Kühlmittel umschließenden Rohrs angeordnet sind. Dazu muß das Kühlmittel eine geringe Absorption für die jeweilige Frequenz aufweisen. Zum anderen kann die Kühlung durch Durchstrδmung des Lampeninnenraums mit dem Lampengas erfolgen, wozu die Lampe an einen geschlossenen Gaskreislauf, bestehend aus Wärmetauscher und Umwälzpumpe, angeschlossen wird. Die dazu notwendigen Gaseinlaß- und -auslaßδffnungen sind in den Fig. 2, 3 a bis 3 e und 5 nicht dargestellt. Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch ein Lampenrohr 15, dessen Stirnseiten mit den Elektroden 13, 14 verschlossen sind, die also die Stirnseiten des Lampenrohrs 15 bilden. Die Elektrode 14 ist als plattenartiges und vor die Stirnseite des z. B. als Glasrohr ausgebildeten Lampenrohrs 15 gesetzt und mit einer Gasdurchtrittsöffnung 21 versehen, die an ein Ende eines nicht dargestellten Gaskühlkreislaufs angeschlossen ist. Die andere Elektrode 13 ist ebenfalls mit einer Gasdurchtrittsöffnung 21 versehen, die jedoch als Düse ausgebildet ist und den Gasstrom 29 in den Lampeninnenraum 30 leitet. Im Bereich der Gasdurchtrittsöffnung 21 ist eine Zündhilfe 31 angeordnet, die den Gasstrom entzündet, so daß sich zwischen den von der Energiequelle 16 beaufschlagten Elektroden 13, 14 eine Gasentladung 32 bildet, die das gewünschte Lampenlicht liefert. Der Gasstrom 29 wird über das andere Ende des nicht dargestellten Gaskühlkreislaufs zugeführt, der ein Pumpsystem und einen Wärmeaustauscher beinhaltet. Infolgedessen ist es möglich, das Lampengas auszutauschen und zu kühlen und damit die bei der Gasentladung entstehende überschüssige Wärme abzuführen.

Bei richtiger Auslegung von Gasstrahl und Lampengas ist die Gasentladung auf dem Bereich des Gasstrahls lokalisiert.

Bei der Kühlung durch Gasumwälzung entfällt das Problem der Wahl eines. Kühlmittels mit geringem Absorptionskoeffizienten für die jeweilige Frequenz bzw. das verwendete Frequenz gemisch.

In Fig. 5 ist ein Lampenrohr 15 dargestellt, das aus einem Außenrohr 33 und einem Innenrohr 34 besteht, welche zwischen sich einen ringförmigen Gasentladungsraum 22 ein schließen. Das Innenrohr 34 bildet einen Kernraum 23, in dem eine mit dem Lampenrohr 15 längs durchlaufende drahtförmige Elektrode 13 angeordnet ist. Das Innenrohr 34 schirmt diese Elektrode 13 von dem Entladungsgas ab und besteht aus dielektrischem Material, welches, den Durchtritt der Hoch- freσuenzenergie nicht behindert. Als Gegenelektrode dient das Gehäuse 17, welches an die andere Klemme der Energiequelle 16 angeschlossen ist. Eine derartige Anordnung vermeidet die Abschattungen durch die Elektroden 13, 14 der Fig. 3 a bis 3 d.

Das aktive Material 10 der Fig. 6 ist hohlzylinderförmig ausgebildet. Die Hochfrecuenz Spannung wird an die drahtförmige zentrale Elektrode 13 sowie an eine ganz außen liegende und die gesamte Anordnung koaxial umschließende Elektrode 14 gelegt, so daß sämtliche zwischen dem aktiven Material 10 und den Elektroden 13, 14 gelegenen Bauteile aus dielektrischem Werkstoff bestehen müssen. Im Innenraum des hόhlzylindrischen aktiven Materials 10 befindet sich eine Lampenanordnung ähnlich der in Fig. 5- Es wird also ein Gasentladungsraum 22 zwischen einem Außenrohr 33 und einem Innenrohr 34 gebildet. Von diesem Gasentladungsraum 22 aus wird das aktive Material 10 von innen her mit Licht bestrahlt bzw. gepumpt. Außerdem ist das hohlzylinderförmige Material 10 auch außen von einem hohlzylinderförmigen Gasentladungsraum 24 umgeben, der zwischen einem Außenrohr 35 und einem Innenrohr 36 angeordnet ist. Das Innenrohr 36 und das Außenrohr 33 haben jeweils Abstand zum aktiven Material 10 und in diesem Abstandsraum 26 ist jeweils Kühlmittel angeordnet, nämlich eine Kühlflüssigkeit, die eine gute Wärmeableitung aus. dem aktiven Material 10 bewirkt. Die gesamt Anordnung ist außen von der gleichsymetrischen, also koaxialen Elektrode 14 umgeben, die mit der inneren Elektrode 13 zusammenwirkt, so daß das Kühlmittel einen geringen Absorptionskoeffizienten für die es durchsetzende Hochfrequenzenergie aufweisen muß. Die Elektrode 14 bzw. das Rohr 35 ist zur Reflexion des von der Außenlampe erzeugten Lichts innen verspiegelt und auch das Innenrohr 34 kann verspiegelt werden, zweckmäßigerweise die Innenwand 27 des Kernraums 23. Die Lampenrohre 33 bis 36 sind lichtdurchlässig, also beispielsweise aus Glas.

Durch die koaxiale Anordnung aller Bauteile des Lasers innerhalb der Außenelektrode 14 wird ein sehr homogenes Pumpen des aktiven Materials 10 gewährleistet, so daß das gewonnene Laserlicht eine hohe Strahlqualität hat. Das gilt in ähnlichem Maße auch für die Anordnung der Fig. 7, bei der das aktive Material 10 stabförmig ausgebildet und in der Mitte dieser Anordnung gelegen ist. Die Lampe 12 umgibt das aktive Material 1 mit einem Abstand, so daß ein Abs tandsraum 26 entsteht, der Platz für eine Innenelektrode 13 bietet, wie auch für ein Kühlmittel. Die Lampe 12 besteht ähnlich der Außenlampe der Fig. 6 aus einem zwischen zwei Rohren 35, 36 gelegenen Gasentladungsraum 24. Die Innenelektrode 14 besteht aus längs durchlaufende miteinander gitterartig verbundenen Stäben, welche das von der Lampe 12 zum aktiven Material 10 durchtretende Licht so wenig wie möglich abschattet. Die Stäbe sind infolgedessen rund, wie dargestellt ausgebildet, oder hochkant rechteckig angeordnet. Die Außenelektrode 14 entspricht derjenigen der Fig. 6, ist also koaxial zum aktiven Material 10 und innen verspiegelt. Alternativ zu den in Fig. 6 und 7 dargestellten Elektrodenanordnungen können Anordnungen entsprechend Fig. 3 d und 3 e eingesetzt werden. Die ring-, wendel- bzw. doppelhelixförmigen Elektroden umgeben dabei das Außenrohr 35.

Fig. 8 zeigt einen Laser mit pla ttenförmigem aktiven Material 10, an dessen beide Außenflächen 37 sich Abstandsräume 26 anschließen, die Kühlflüssigkeit aufnehmen und Elektroden 14 aufweisen. Diese bestehen wie dargestellt aus hochkant rechteckigen längs durchlaufenden Stäben, die aber auch einen anderen, z. B. runden oder elliptischen Querschnitt besitzen können, und sind miteinander gitterartig fest verbunden und/oder auf der Innenwand 38 des Gasentladungsraums 25 fest angebracht. Die Gasentladungsräume 25 werden andererseits von Außenplatten 39 begrenzt, zwischen denen die Seitenflächen verschließende Abschlußwände 40 angeordnet sind. Eine Elektrode 14 auf je einer Außenwand 39 wirkt mit je einer innenliegenden Elektrode 13 zur Anregung des Entladungsraums 25 zusammen, wobei wiederum die Grundsätze der Durchlässigkeit für Hochfrequenzenergie der Platten 38, 39, deren Lichtdurchlässigkeit und der Innenverspiegelung der Elektroden 14 oder der Platten 39 zu beachten sind.

Fig. 9 ist die schematische Darstellung eines Lasers in Längsschnittdarstellung durch die Resonatorachse 41, die sich zwischen einem metallischen Resonatorspiegel 42 und einem teiltransmittierenden Resonatorspiegel 43 zur Auskoppelung der Laserstrahlung erstreckt. Zwischen diesen Spiegeln 42, 43 ist das aktive Material in Schichten 10' mit Abstand a voneinander angeordnet. Die Anordnung der Schichten 10' erfolgt gemäß Fig. 10 entsprechend dem Brewsterwinkel gegen die Resonatorachse 41 geneigt, wobei der Tangens dieses Winkels dem Brechungsindex des Schichtenwerkstoffs für das Laserlicht umgekehrt proportional ist und gewährleistet, daß die Laserstrahlung die Schichten 10' in den Richtungen der Resonatorachse 41 bzw. in Richtung der optischen Achse reflexionsfrei durchdringen kann.

Als Werkstoff für die Schichten 10' kann für den Fall der Ausbildung des Lasers als Neodymlaser ein Neodymglas verwendet werden, welches relativ geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt, jedoch in großen Mengen und damit preiswert herzustellen ist. Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß die Schichten sehr dünn ausgebildet werden, um trotz der geringen Wärmeleitfähigkeit dieses Glases mit großen Energiedichten arbeiten zu können. Vorteilhafterweise entspricht daher die Dicke der Schichten 10' etwa dem Abstand a zweier Schichten 10' voneinander, wobei zwischen den Schichten 10' geeignetes Gas strömt, welches für eine genügende Kühlung der dünnen Schichten 10' sorgen kann.

Das Kühlgas strömt gemäß den Fig. 10 bis 12 in den durch die Pfeile 45 bis 45'' jeweils angegebenen Richtungen. Dies wird durch entsprechende, nicht dargestellte Gaszu- und Gasableitungen bewerkstelligt. Gemäß Fig. 10 liegt eine Parallelströmung in allen Abstandsräumen 44 vor. Das kann dazu führen, daß sich in den als Festkörperscheiben ausgebildeten Schichten 10' ein Temperaturund damit ein Brechungsindexgradient in Richtung der Gasstromung ausbildet. Um das zu vermeiden, kann der Laser gemäß Fig. 11, 12 durch Kreuz- oder Umkehrströmung gekühlt werden, was zu einer Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung in den Schichten 10' führt. Infolgedessen werden Brechungsindexgradienten que zur Resonatorachse 41 vermieden und eine relative Verbesserung der Strahlqualität bewirkt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases wird auf die Energieeinkopplung abgestimmt, so daß die Gastemperatur im gewünschten Bereich gehalten werden kann, nämlich relativ niedrig.

Das in den Abstandsräumen 44 zwischen den Schichten 10' befindliche Gas ist beispielsweise Argon, Krypton oder Xenon. Dieses Gas dient in dem Laser der Fig. 9 bis 12 nicht nur dessen Kühlung, sondern auch als Lampengas, also zur Erzeugung des für die Anregung des laseraktiven Materials bzw. der Schichten 10' erforderlichen Lichts. Hierzu wird das Gas von zwei Elektroden 13, 14 angeregt, die von einer Hochfrequenz-Energiequelle 16 gespeist werden. Diese erzeugen infolgedessen eine Entladung hoher Stromdichte im Gas, welches sich in den Abstandsräumen 44 zwischen den Schichten 10' befindet. Dabei sind die Elektroden 13, 14 einander diagonal zur Resonatorachse 41 gegenüberliegend angeordnet, jeweils zwischen einander ebenfalls diagonal zur Resonatorachse 41 einander gegenüberliegenden Gas zu- und Gasableitungen. Von Bedeutung ist, daß die Hochfrequenzenergie dielektrisch eingekoppelt wird, also durch nicht leitendes Material 46, welches die Elektroden 13, 14 gegen Gaskontakt abschirmt. Durch die Vermeidung eines direkten Kontaktes zwischen den Elektroden 13, 14 und dem Gas wird verhindert, daß Elektrodenmaterial abdampft und sich auf den Schichten 10' niederschlagen könnte. Eine solche Verschmutzung der Schichten 10' würde nicht nur zu hohen Verlusten bei der Erzeugung von Laserstrahlung führen, sondern auch die Lebensdauer der auf diese Weise innerhalb des Lasers gebildeten Gasentladungslampe wesentlich verringern.

Gewerbliche Verwertbcrkeit

Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen hochfrequenzangeregten Gasentladungslampe des Lasers läßt sich ein Laser mit hoher optischer Leistung der Gasenladungslampe bei gleichzeitiger Vermeidung bzw. starker Verringerung des Elektrodenabbrandes herstellen.

Claims

Ansprüche

1. Laser, dessen aktives Material vom Licht einer Gasentladungslampe gepumpt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Gasentladungslampe (12) hochfrequenzangeregt ist.

2. Laser nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Einkopplung. der Hochfrequenzenergie dienende Elektroden (13, 14) der Gasentladungslampe (12) kontaktfrei vom Lampengas angeordnet sind.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß er ein innenverspiegeltes Gehäuse (17) mit elliptischen Querschnitten hat, und daß in einem Brennpunkt (18) stabförmiges aktives Material (10) und parallel dazu im anderen Brennpunkt (19) die hochfrequenzangeregte Gasentladungslampe (12) angeordnet ist.

4. Laser nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Hochfrequenzenergie über ein Fenster (20) in das innenverspiegelte Gehäuse (17) eingekoppelt und die Gasentladungslampe (12) ein elektrodenloses Lampenrohr (15) hat.

5. Laser nach Anspruch 1 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Elektroden (13, 14) außerhalb des gasgefüllten Lampenrohrs (15) in dessen Nähe angeordnet sind.

6. Laser nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß dem Außendurchmesser des Lampenrohrs (15) angepaßte Elektroden (13, 14) einander gegenüberliegend längs angeordnet sind.

7. Laser nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß über den Außenumfang des Lampenrohrs (15) paarweise gleichmäßig verteilte Elektroden (13, 14) vorhanden und bedarfsweise von mehreren Energiequellen (16) beaufschlagt sind.

8. Laser nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Elektroden (13, 14) an den Enden des Lampenrohrs (15) angeordnet sind.

9. Laser nach einem der Ansprüche 5 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Elektroden (13,

14) über ihre gesamte Fläche verteilte Lichtdurchtrittsöffnungen haben.

10. Laser nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Elektroden (13,

14) zum Lampenrohr (15) hochkant angeordnete Stege sind.

11. Laser nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Elektroden (13, 14) wendel- oder doppelhelixförmig um das Lampenrohr (15, 35) herum angeordnet sind.

12. Laser nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Elektroden (13, 14) die Stirnseiten des Lampenrohrs (15) bilden.

13. Laser mit einer Gasentladungslampe, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Lampenrohr (15) oder ein an dieses angrenzender Kühlraum an einen ein Pumpsystem aufweisenden Gaskühlkreislauf angeschlossen ist.

14. Laser ηach Anspruch 12 und 13, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß die Elektroden (13, 14) mit Gasdurchtrittsöffnungen (21) für den Gaskühlkreislauf versehen sind.

15. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Lampe (12) einen hohlzylinderförmigen Gasentladungsraum (22) hat, und daß eine Elektrode (13) koaxial im gasfreien Lampenkernraum (23) angeordnet ist.

16. Laser nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Lampenrohr (15) in einem Brennpunkt eines elliptischen Gehäuses (17) angeordnet ist, das die andere Elektrode (14) bildet.

17. Laser nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das aktive Material (10) hohlzylinderfδrmig angeordnet, außen von einem koaxialen hohlzylinderförmigen Gasentladungsraum (24) umgeben und innen von dem die Elektrode (13) aufweisenden koaxialen hohlzylinderförmigen Gasentladungsraum (22) durchsetzt ist.

18. Laser nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das aktive Material (10) plattenförmig und an beiden Flächen (37) ein Gasentladungsraum (25) benachbart angeordnet ist.

19. Laser nach Anspruch 15 oder 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das aktive Material (10) außen von dem Gasentladungsraum (24, 25) mit Abstand angeordnet und eine Elektrode (13) in dem durch den Abstand gebildeten Abstandsraum (26) angeordnet ist.

20. Laser nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die im Abstandsraum (26) angeordnete Elektrode (13) aus mit einander gitterartig verbundenen runden oder hochkant rechteckigen längs durchlaufenden Stäben besteht.

21. Laser nach einem der Ansprüche 15 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die gesamte Anordnung außen von einer gleichsymmetrischen Elektrode (14) umgeben ist.

22. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die dem aktiven Material (10) zugewendete Fläche der äußeren Elektrode (14) und/oder die den gasfreien Kernraum (23) begrenzende Wand (27) verspiegelt sind.

23. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der von Hochfrequenzstrahlung durchsetzte Lampenwerkstoff dielektrisch ist.

24. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das aktive Material (10) von einer Kühlflüssigkeit umgeben ist, die einen geringen Absorptionskoeffizienten für die Anregungsfreσuenz aufweist.

25. Laser nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Elektroden (13') ringförmig ausgebildet und paarweise geschältet sind sowie das Entladungsrohr (15 bzw. 35) umgeben.

26. Laser mit einer Gasentladungslampe, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 25, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Lampenrohr (15, 35) von einem Kühlmittel-Mantel umgeben ist, wobei sich die Elektroden außer- oder innerhalb des Kühlmittels befinden.

27. Laser mit einer Gasentladungslampe, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 26, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das aktive Material (10) aus mehreren, mit Abstand (a) voneinander angeordneten Schichten (10')

besteht, die von einem als Lampengas der hochfrequenzangeregten Gasentladungslampe wirkenden Kühlgas durchströmt sind.

28. Laser nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schichten (10') scheibenförmig ausgebildet und nebeneinander mit einer dem Brewsterwinkel ihres Werkstoffs entsprechenden Neigung in der Achse (41) des Resonators angeordnet sind.

29. Laser nach Anspruch 27 oder 28, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Dicke der Schichten (10') des aktiven Materials (10) etwa gleich groß bis halb so groß wie ihr gegenseitiger Abstand (a) ist.

30. Laser nach einem der Ansprüche 27 bis 29, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schichten (10') des aktiven Materials (10) aus Neodymglas bestehen.

31. Laser nach einem der Ansprüche 27 bis 30, d a d u r c h g e k e n n z e i e h n e t, daß die Schichten (10') des aktiven Materials (10) zwischen diagonal zur Resonatorachse einander gegenüberliegenden, gegen Gaskontakt abgeschirmten Elektroden (13, 14) sowie zwischen ebenfalls diagonal zur Resonatorachse (41) einander gegenüberliegenden Gaszu- und Gasableitungen angeordnet sind.

32. Laser nach einem der Ansprüche 27 bis 31, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Gaszu- und die Gasableitungen im Sinne einer Kreuz- oder ümkehrdurchströmung der zwischen den Schichten (10') des aktiven Materials (10) befindlichen Abstandsräume (44) geschaltet sind.

33. verfahren zum Erzeugen von Laserstrahlung, bei dem aktives Material vom Licht einer Gasentladungslampe gepumpt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Gasentladungslampe (12) hochfrequenzangeregt wird.

34. Verfahren nach Anspruch 33, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als Frequenz mindestens eine des Frequenzspektrums von 1 MHz bis 10 GHz zum Einsatz kommt.