NL8201497A

NL8201497A - SEALED CO2 LASER.

Info

Publication number: NL8201497A
Application number: NL8201497A
Authority: NL
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1981-04-23
Filing date: 1982-04-07
Publication date: 1982-11-16
Also published as: GB2098791B; IL65584A0; JPH0624269B2; GB2098791A; FR2504744B1; JPS57181180A; DE3212705A1; CH658754A5; DE3212705C2; FR2504744A1

Description

* i- * - i -* i- * - i -

Afgedichte CC^-laser.Sealed CC ^ laser.

De uitvinding heeft betrekking op een eenvoudige, stevige, af gedichte TEA CC>2-laser, waarbij gebruik gemaakt wordt van een corona-ontladings-voorionisatietechniek.The invention relates to a simple, solid, sealed TEA CC> 2 laser using a corona discharge pre-ionization technique.

5 Het Amerikaanse octrooischrift 4.207.540 (G.J. Ernst), alsmede een artikel "Construction and Performance Characteristics of a Rapid Discharge TEA CC>2 Laser" van de hand van Ernst en Boer, verschenen in OPTICS COMMUNICATIONS, Vol. 27, Nr. 1, oktober 1978, 10 blz. 105, beschrijft een stromend-gas C02-laser, waarbij gebruik gemaakt wordt van een corona-ontladings-voorionisatietechniek. Deze ontladingstechniek maakt gebruik van een sterk elektrisch veld voor het inleiden van een corona-ontlading in de laserholte, welke ontlading 15 ultraviolet licht genereert, dat het gas in het hoofd-ontladingsgebied van de laser voorioniseert. Fig. 2 van genoemd artikel en fig. 3 van het genoemde Amerikaanse octrooi geven pertinente constructiedetails van deze laser. De uitvinding, beschreven en geclaimd in genoemd 20 Amerikaans octrooischrift, is een gecombineerd systeem, dat een speciaal ontladingscircuit geeft en een speciale elektrische verbinding met het elektrode-voorionisatie-systeem. In beide bovengenoemde referenties gaat er continu gas door het actieve volume heen, waardoor een 25 omgeving wordt voortgebracht, die verschillend is van die van een afgedichte laser.5 U.S. Patent 4,207,540 (G.J. Ernst), as well as an article "Construction and Performance Characteristics of a Rapid Discharge TEA CC> 2 Laser" by Ernst and Boer, published in OPTICS COMMUNICATIONS, Vol. 27, no. 1, October 1978, 10 p. 105, describes a flowing gas CO2 laser using a corona discharge pre-ionization technique. This discharge technique uses a strong electric field to introduce a corona discharge into the laser cavity, which generates ultraviolet light discharge which pre-ionizes the gas in the main discharge region of the laser. Fig. 2 of said article and fig. 3 of said US patent give pertinent construction details of this laser. The invention, described and claimed in said US patent, is a combined system, which provides a special discharge circuit and a special electrical connection to the electrode pre-ionization system. In both of the above references, gas continuously passes through the active volume, producing an environment different from that of a sealed laser.

De uitvinding betreft nu een verbeterde, door corona-ontlading voorgeïoniseerde TEA C02-laser, bedoeld voor werking in afgedichte toestand en met een 30 lange levensduur, waarbij de mechanische constructie van de laserholte verschillend is van die uit de bekende techniek, teneinde daardoor een langdurige werking in afgedichte toestand te verbeteren en de afhankelijkheid van een speciaal elektrisch circuit, zoals dat het geval 35 is bij de bekende inrichting, te verminderen.The invention now relates to an improved corona discharge pre-ionized TEA CO2 laser, intended for sealed operation and having a long service life, wherein the mechanical construction of the laser cavity is different from that of the prior art, thereby providing a long lasting improve sealed operation and reduce dependence on a special electrical circuit, as is the case with the prior art device.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening. In de tekening toont: fig. 1 een detail van de bekende laser uit 82 0 1 4 9 7 - 2 - genoemd artikel, fig. 2 een reproduktie van fig. 3 van het genoemde Amerikaanse octrooischrift 4,207.540, fig. 3 een dwarsdoorsnede van een laser, ver-5 vaardigd volgens de uitvinding, en fig. 4 een uiteengenomen aanzicht van een laser, vervaardigd volgens de uitvinding.The invention will be further elucidated with reference to the drawing. In the drawing: Fig. 1 shows a detail of the known laser from 82 0 1 4 9 7 - 2 - said article, Fig. 2 shows a reproduction of Fig. 3 of the said US patent 4,207,540, Fig. 3 shows a cross section of a laser manufactured according to the invention, and fig. 4 is an exploded view of a laser manufactured according to the invention.

In fig. 3 is een dwarsdoorsnede getoond van een laserholte, vervaardigd volgens de onderhavige uit-10 vinding, waarbij volume 320 de laserontladingsholte is, die is begrensd door randen 306 en 304 aan de zijkanten en deksels 332 en 334 resp. aan de top en de bodem.Fig. 3 shows a cross-section of a laser cavity made according to the present invention, volume 320 being the laser discharge cavity bounded by edges 306 and 304 on the sides and covers 332 and 334, respectively. at the top and bottom.

De optische as van de laser is loodrecht op het vlak van de tekening, terwijl de dwarsassen 350 en 351 gaan resp.The optical axis of the laser is perpendicular to the plane of the drawing, while the transverse axes 350 and 351 go, respectively.

15 door de deksels 332, 334 en de wanden 304, 306. De wanden en de deksels zijn bijv. samengesteld uit een diëlektrische stof zoals MACOR, een verwerkbaar glas-keramiek, vervaardigd door Corning Glass Works, en de verbindingen 309 en 311 tussen de wanden en de deksels 20 zijn hermetisch afgedicht met glasfritbindmiddel of een equivalente lekvrije techniek. Binnen het aldus gevormde omhulsel vormen de elektrodes 301 en 302 resp. de kathode en anode van de laserexcitatie-ontlading. Deze elektrodes zijn verbonden door de deksels 334 en 332 door middel 25 van verbindingsorganen resp. 307 en 308, welke organen zodanig zijn gevormd, dat zij een lage inductantie bezitten en een hechte afdichting tussen het metalen geleidings-orgaan en het deksel vergemakkelijken. De verbinding tussen de verbindingsorganen en de deksels is afgedicht 30 door epoxy- of glasfritbindmiddel. De vormen van de elektrodes 301 en 302 zijn gecontoureerd in overeenstemming met de procedure, gegeven door Chang (zie het Amerikaanse octrooischrift 4.207.540, regels 54-56)., waarbij de parameters zijn K = 0,02, υ = boogsinus (-K)., terwijl 35 de afstand tussen de elektrodes 301 en 302 in het beschouwde voorbeeld 1 cm bedraagt.15 through the lids 332, 334 and the walls 304, 306. The walls and the lids are, for example, composed of a dielectric material such as MACOR, a processable glass ceramic manufactured by Corning Glass Works, and the connections 309 and 311 between the walls and lids 20 are hermetically sealed with glass frit binder or equivalent leak-proof technique. Within the enclosure thus formed, electrodes 301 and 302, respectively. the cathode and anode of the laser excitation discharge. These electrodes are connected by the covers 334 and 332 by means of connectors, respectively. 307 and 308, which members are formed to have a low inductance and facilitate a tight seal between the metal guide member and the cover. The connection between the connectors and the covers is sealed by epoxy or glass frit binder. The shapes of electrodes 301 and 302 are contoured in accordance with the procedure given by Chang (see U.S. Patent 4,207,540, lines 54-56), the parameters being K = 0.02, υ = arc sine (- K)., While the distance between the electrodes 301 and 302 in the example considered is 1 cm.

Binnen de wand 304 van de laserholte is een inzetvolume 314 aangebracht.tot een zodanige diepte, dat de overblijvende wanddikte tussen elektrode 302 en 40 de inzet een kritische waarde is, in het beschouwde voor- ......__4 8201497 * - 3 - beeld 2 mm, waarbij de waarde ervan afhangt van het materiaal, dat is gekozen voor de wand 304. Binnen deze holte 314 is elektrode 310 ingezet, welke elektrisch is verbonden met de kathode-elektrode 301 door middel 5 van een weg van lage inductie, niet getoond in de tekening. Elektrode 310 is binnen de holte 314 op een zodanige wijze geplaatst, dat het boveneinde van elektrode 310 in de nabijheid is van de overgang in het oppervlak van elektrode 302 tussen het kromme oppervlak 321, dat is 10 toegekeerd naar de kathode en het vlakke oppervlak 322, dat tegen de rand van wand 304 aanligt. Het overgangsgebied 312, waar deze twee oppervlakken elkaar ontmoeten, is niet scherp, maar is afgerond met een straal van ten minste 0,076 mm. De elektrode 310 is geplaatst 15 parallel aan de dwarsas 350, zodanig, dat de bovenrand van de elektrode 310 nagenoeg op dezelfde hoogte ligt als het overgangsgebied 312 van elektrode 302, terwijl de kortste afstand tussen elektrode 310 en elektrode 302 gaat door ten minste een gedeelte van het holtegebied 320 20 en dus niet volledig door de wand 304. Het resultaat van deze afstandsplaatsing is, dat de kortste afstand en dus het sterkste veld niet binnen wand 304 ligt, hetgeen zou leiden tot het bevorderen van doorslag van het materiaal, waaruit wand 304 bestaat, maar in plaats daarvan 25 gedeeltelijk loopt binnen het CC^-medium, dat het gebied 320 vult. Het sterk elektrische veld, gevormd in de hoek, waar het oppervlak 321 de wand 304 ontmoet, trekt elektronen af van het materiaal van de wand 304 en genereert een corona-ontlading, die zich voortplant 30 benedenwaarts langs het oppervlak van wand 304 naar elektrode 301, tijdens welke voortplanting ultraviolette straling wordt gegenereert. De aldus voortgebrachte ultraviolette straling plant zich voort, door het gebied 320, waardoor het gas wordt voorgeïoniseerd.An insert volume 314 is arranged within the wall 304 of the laser cavity to such a depth that the residual wall thickness between electrodes 302 and 40 is a critical value, in the foregoing considered ......__ 4 8201497 * - 3 - image 2 mm, the value of which depends on the material chosen for the wall 304. Electrode 310 is inserted within this cavity 314, which is electrically connected to the cathode electrode 301 by a path of low inductance. not shown in the drawing. Electrode 310 is positioned within the cavity 314 in such a way that the top end of electrode 310 is in proximity to the transition in the surface of electrode 302 between the curved surface 321, which faces the cathode and the flat surface 322 which rests against the edge of wall 304. The transition region 312, where these two surfaces meet, is not sharp, but is rounded with a radius of at least 0.076 mm. The electrode 310 is placed parallel to the transverse axis 350 such that the top edge of the electrode 310 is substantially the same height as the transition region 312 of electrode 302, while the shortest distance between electrode 310 and electrode 302 passes through at least a portion of the cavity area 320 and thus not completely through the wall 304. The result of this spacing is that the shortest distance and thus the strongest field is not within wall 304, which would lead to promoting breakdown of the material from which wall 304 exists, but instead runs partly within the CCl medium filling the area 320. The strong electric field, formed in the corner where the surface 321 meets the wall 304, draws electrons from the material of the wall 304 and generates a corona discharge, which propagates down the surface of the wall 304 to the electrode 301 , during which propagation ultraviolet radiation is generated. The ultraviolet radiation thus generated propagates through the region 320, thereby pre-ionizing the gas.

35 Fig. 4 toont een uitvoering van de uitvinding in uiteengenomen vorm, waarbij het orgaan 402 de wanden en uiteinden van het lichaam van de laserholte vormt, welke laserholte wordt doorlopen door de as 400, welke gaat door lens 420, apertuur 404, de hoofdholte, apertuur 40 405 en lens 422. De lenzen 420 en 422 zijn hermetisch 8201497FIG. 4 shows an embodiment of the invention in exploded form, wherein the member 402 forms the walls and ends of the body of the laser cavity, which laser cavity is traversed by the axis 400 passing through lens 420, aperture 404, the main cavity, aperture 40 405 and lens 422. Lenses 420 and 422 are hermetic 8201497

Tf' » - 4 - verbonden met de aperturen 404 en 405 zodanig, dat de lenzen georiënteerd gehouden worden in een omgeving van hoge trilling. De tegenovergelegen vlakken van het lichaam kunnen parallel en glad gepolijst zijn door 5 gebruikelijke polijsttechnieken voor het in lijn brengen van de lenzen. In één zijkant 304 van het lichaam 402 is een invoegruimte ingewerkt, welke de elektrode 310 houdt. De elektrode 310 wordt in lijn gehouden door - gebruikelijke bevestigingsmiddelen, niet getoond. De 10 bovenzijde en de bodem van het lichaam 402 zijn afgedekt door deksels 332 en 334, die zijn vastgelast door glasfrit-bindmiddel of een andere hermetische afdichtingstechniek.Tf '- 4 - connected to apertures 404 and 405 such that the lenses are kept oriented in a high vibration environment. The opposite surfaces of the body can be parallel and smoothly polished by conventional polishing techniques for aligning the lenses. An insertion space is held in one side 304 of the body 402, which holds the electrode 310. The electrode 310 is held in line by conventional fasteners, not shown. The top and bottom of the body 402 are covered by covers 332 and 334, which are welded by glass frit binder or other hermetic sealing technique.

De elektroden 301 en 302 zijn bevestigd aan het corresponderende deksels zoals getoond in de dwarsdoorsnede 15 van fig. 3, welke is aangegeven door de pijlen III-III in fig. 4.The electrodes 301 and 302 are attached to the corresponding covers as shown in the cross section 15 of Figure 3, which is indicated by arrows III-III in Figure 4.

Het is een voordelig aspect van de uitvinding dat het lichaam 402 in fig, 4 slechts vier afdichtingen kent, nl. die aan de boven- en onderdeksels en aan de 20 lenzen. Desgewenst zou één dekselafdichting kunnen worden geëlimineerd door de vorm te gieten door middel van heet isostatisch persen of een equivalente techniek, waardoor een verbinding bij de belaste elektrode (anode) wordt geëlimineerd. Het is een ander voordelig aspect van de 25 uitvinding, dat een enkel materiaal wordt gebruikt voor het lichaam van de laser, dit in tegenstelling met de bekende techniek, waar een aantal materialen met ongelijke warmte-eigenschappen werden gebruikt. Een ander voordelig aspect van de uitvinding is, dat, omdat de direkte 30 weg tussen elektrode 302 en elektrode 310 voor het vóórtbrengen van de gewenste hoge veldsterkte noodzakelijkerwijs kort is, de weg buiten de holte tussen de verbindings-organen van de elektroden 302 en 310 of hun oppervlakken zeer lang is, waardoor een hoofdprobleem van de bekende 35 inrichting is geëlimineerd.It is an advantageous aspect of the invention that the body 402 in Fig. 4 has only four seals, namely those on the top and bottom covers and on the lenses. If desired, one lid seal could be eliminated by casting the mold by hot isostatic pressing or an equivalent technique, eliminating a bond at the loaded electrode (anode). It is another advantageous aspect of the invention that a single material is used for the body of the laser, in contrast to the prior art, where a number of materials with dissimilar heat properties were used. Another advantageous aspect of the invention is that since the direct path between electrode 302 and electrode 310 to produce the desired high field strength is necessarily short, the path outside the cavity between the connectors of electrodes 302 and 310 whether their surfaces are very long, thereby eliminating a major problem of the known device.

Een inrichting, geconstrueerd volgens de bekende techniek, is getoond in de fig, 1 en 2, waarbij de holte van fig. 1 wordt gevormd door organen 18, 17, 19 en 5, waarvan er twee van messing en twee van glas zijn, 40 hetgeen vier verbindingslassen tussen ongelijke materialen 8201497 ' «· * - 5 - geeft. Een verdere moeilijkheid van de inrichting volgens de bekende techniek is, dat er een korte direkte weg bestaat tussen de aardelektrode 31 en het messingorgaan 18, dat in elektrisch contact is met anode 2. Er werd 5 een inrichting construeerd in overeenstemming met de voorschriften uit de bekende techniek, en daarbij bleek, dat deze' onderhevig was aan een reeks van elektrische kortsluitingen tussen de buiten-holte-elektrode en de anode. In fig. 2 lopen de elektrodes 118 en 119, die 10 in elektrisch contact zijn met de anode 2 en de kathode 3, over een lange afstand met een minimale onderlinge afstand, die in stand gehouden wordt door het isolatiemedium 105. Volgens hetgeen in de publikaties van de bekende techniek werd ontvouwd, resulteerde dit arrangement in een zeer 15 korte stijgtijd van de beschreven Marx-generator, veroorzaakt door de lage inductantie, een kenmerk van het bekende systeem, welke generator een geïntegreerd laboratoriuminstrument was, ontworpen voor de kortst mogelijke stijgtijd (ongeveer 15 nanoseconden). .A device constructed according to the prior art is shown in Figs. 1 and 2, the cavity of Fig. 1 being formed by members 18, 17, 19 and 5, two of which are brass and two are glass, 40 which gives four joint welds between dissimilar materials 8201497 '«* - 5 -. A further difficulty of the prior art device is that there is a short direct path between the ground electrode 31 and the brass member 18 which is in electrical contact with anode 2. A device has been constructed in accordance with the requirements of the known technique, and it was found that it was subject to a series of electrical short circuits between the outer cavity electrode and the anode. In Fig. 2, the electrodes 118 and 119, which are in electrical contact with the anode 2 and the cathode 3, run for a long distance with a minimum distance maintained by the insulating medium 105. According to what is in the prior art publications were unfolded, this arrangement resulted in a very short rise time of the described Marx generator caused by the low inductance, a feature of the known system, which generator was an integrated laboratory instrument designed for the shortest rise time (about 15 nanoseconds). .

De onderhavige uitvinding maakt gebruik van 20 hetzelfde fysische principe van diëlektrisch geïnduceerde corona-ontlading voor het uitvoering geven aan een draagbaar veldinstrument, ontworpen voor het tolereren van nadelige condities van trilling en thermische uitzetting en voor het ongevoelig zijn voor variaties 25 in elektrische parameters. Een laser, vervaardigd volgens de onderhavige uitvinding, heeft een spanningspulsstijg-tijd van meer dan 30 nanoseconden en een pulsspanning van meer dan 18 kilovolt bij een elektrode-afstand van 1 cm.The present invention uses the same physical principle of dielectrically induced corona discharge to implement a portable field instrument designed to tolerate adverse conditions of vibration and thermal expansion and to be insensitive to variations in electrical parameters. A laser manufactured according to the present invention has a voltage pulse rise time of more than 30 nanoseconds and a pulse voltage of more than 18 kilovolts at an electrode spacing of 1 cm.

30 Een variant van de uitvinding heeft een tweede elektrode, overeenkomstig aan elektrode 310, ingezet in de wand 306, met het oog op een grotere uniformiteit van voorionisatie, en extra werking met het oog op een grotere betrouwbaarheid. Een andere variatie van de 35 uitvinding is de combinatie van de einddelen en deksels 332, 334, voor het vormen van een enkelvoudige eenheid.A variant of the invention has a second electrode, similar to electrode 310, inserted in the wall 306, for greater uniformity of pre-ionization, and additional operation for greater reliability. Another variation of the invention is the combination of the end portions and covers 332, 334, to form a single unit.

Nog een andere variatie is de combinatie van de zijkanten 304, 306 en de deksels 332, 334 voor het vormen van een enkelvoudige eenheid.Yet another variation is the combination of the sides 304, 306 and the covers 332, 334 to form a single unit.

82014978201497

Claims

1. TEA CO2 laser, characterized in that it has a CCl laser amplification medium delimited by a sealed envelope having an optical axis and a transverse axis and having first and second end members positioned perpendicular to the optical axis, first and second side members and first and second lid members, the side members and the lid members disposed parallel to the optical axis, all said members being formed of the same material, that there are anode and cathode electrodes disposed on opposite sides of the interior from the sheath parallel to the optical axis and along the transverse axis, and separated by said side members, the anode electrode having a curved surface facing the cathode electrode, and planar wall surfaces abutting the side members, wherein the curved surface and the planar wall surfaces meet in a transition region with a radius of curvature of at least 0.076 mm. 20 said laser further comprising at least one electrode located outside the cavity, electrically connected to the cathode electrode by a low inductance conductor and mounted along the outer surface of one of the two members, the anode electrode being the transverse axis is overlapped in such a way that the shortest straight line between the anode and said electrode passes through a portion of the laser medium and also through a layer of insulating material in the form of a portion of the wall of the enclosure the envelope further comprising optical elements disposed along the optical axis for resonating optical radiation within the gain medium, and means for applying pulsed high voltage 35 to the anode and cathode electrodes, which voltage has a rise time of at least 30 nanoseconds, and a peak value such that a field of at least 18 kv / cm is generated between said 8201497 - 7 - Electrodes, thereby forming a corona discharge between said anode and said out-of-cavity electrode / which conditions the CC> 2 medium between the anode and cathode electrodes.

2. A laser according to claim 1, characterized in that said end members and said side members form a continuous single member.

3. Laser according to claim 1, characterized in that said end members and said lid members form a continuous single member.

4. Laser according to claim 1, characterized in that said side members and said lid members form a continuous single member.

Laser according to any one of claims 1, 2, 3 or 4, 15, characterized in that the sealed envelope extends uninterrupted between said out-of-cavity electrode and said anode and along said planar wall surface. 8201497