NO760483L - - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrorer gasslaserer og nærmere bestemt en kompakt, rorformet gasslaserkonstrukspn, som gjor tilvirkningen enkel og okonomisk og endog samtidig er i hoy grad solid og har lang livslengde. Ifolge den foreliggende oppfinnelse tilvirkes tre delaggregater og festet hver for seg for sikring av hoy kvalitet. Disse delaggregater utgjdres av (a) et evakueringsskaft med katodetilledere og et getter, (b) et katodehylser og en katode samt (c) en laserkapillar med en anode og laserendestykker, slik som speil, Brewster-vinduer etc. Fordelene ved disse delaggregater er at glassloddings-eller sammensmeltingsglasstilslutninger kan foretas ved relativt lave temperaturer og i slike posisjoner og under slike varmesyklustider at ingen forurensning innfores i komponent-delene, slike som heller ikke den her beskrevne losningen med delaggregater innforer noen tilvirkningsvanskeligheter. I steden for oppnås enkelhet og sikkerhet i tilvirkningen.' Dessuten oppnås en okonomisk besparelse ved at de enkelte komponen-tene testes hva angår kvalitet for den endelige sammensetningen til en arbeidende laser.

Etter som laser-kapillarene fremstilles som en separat komponent og anoden festes på denne sammen med laserspeil og/eller begge andre laserendestykker, er speilinnplasseringen, -slipningen og -monteringen relativt lette og kan testes fullstendig, for dette laserror-delaggregat tillates å bli festet til katodehylsteret. Katodehylsteret er dessuten slik at det innbefatter det helt reflekterende enden av laserhulrommet, slik at kun en speit tetning ligger utenfor anordningen, hvilket dermed sikrer midre lekkasjerisiko og sikrer bedre utsikter til vellykket glass-lodningetetning. Skaftet eller evakueringsroret og glassmetall-tetningene for katodetillederen, som utgjor det mest vanskelige og kjedelige glassarbeidet, kan lages på vanlig utstyr. Katodehylsteret har et langstrakt,.aksielt boringsparti med redusert diameter, mellom hvilket et glasslodningstilslutningsmiddel er anordnet forbindelse og dannelse av en tetning mellom kapillaren og katodehylsteret med minste mulighet til boyning av kapillaren. Typen av den endelige tetningen mellom katodehylsteret og evakueringsskaftet er en enkel smeltningsoperasjon, hvor en tettende flamme rettes mot skjoten mellom de to delaggregatene. Etter som glasslodningstetningén er laget for katodematerialets innforing i roret, utsettes katodematerialet ikke for disse tetningstemperaturer og den endelige, hermetiske tetningen lages i en fra katodematerialet skilt posisjon. Anordningen gass-fylles derefter og evakueringsskaftet tillukkes.

Kapillaren er relativt kort og understottes nær sitt midtparti slik at en lang del av den strekker seg forbi katodehylsteret for å tillate magnetisk polarisering av kapillarens frilagte seksjon med liten diameter. Typisk vil et minimum på ca. 5 cm av den frilagte kapillarlengden innenfor magnetfeltet gi et hoyt slukningsforhold. Slukningsforholdet er forholdet mellom maksimal lysintensitet, og minimal lysintensitet på det vis som slippes gjennom en polarisasjonsanalysator. Dette forhold kan represen-teres av folgende ligning:

Slukningsforholdet er henfort til graden av polarisasjon D ved folgende ligning:

De for oppfinnelsen kjennetegnende trekk fremgår av de etterfolgende patentkrav.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det etterfølgende under henvisning til vedlagte tegninger. Fig. 1 er et tverrsnittsriss av en gasslaserkonstruksjon av den type som innbefatter den foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 er et tverrsnittsriss av laserkapillaren med en anode og speil anordnet for forbindelse med denne, hvor det innses at fig. 2 viser et delaggregat eller en komponent som kan testes fullstendig i en katodehylster-omgivelse for korrekt innretning av speilene. Fig. 3 er et tverrsnittsriss av en hoveddel av katodehylsteret. Fig. 4 er et tverrsnittsriss av evakueringsskaftet med en katode og et katodeparti samt getteret.

En laser 10 i fig. 1 består av et laserror-aggregat med et laserror 11 som er et.kapillarrdr med en boring 12 og relativt tykke vegger med hensyn til mekanisk stabilitet og bibeholdelse av i det minste speilendene 11L og 11R optisk innrettet under laserens normale anvendelse. På en i etterfolgende beskrevet måte er dessuten en glassloddingstetning 25 dannet mellom kapillarrørets 11 utvendige flate og en ring 50, som er dannet i et stykke med et katodehylster 17. Laserkapillarroret 11 er således relativt kort og med fordel understottet nær midten i et balansert aggregat. Hver ende av laserboringen er avsluttet av et laserendestykke, vist som laserspeil 13 og 14 ved laserrorets 11 venstre ende.11L og hoyre ende 11R. Disse speil er forenet med laserroret ved hjelp av glassloddingstetningsmidler 28- og 29. En anodeelektrode 26 passerer gjennom et tetningsmiddel 27 til et lite tverrgående hull 26' for å tilveiebringe en stiftanode for laseren.

Katodehylsteret er dannet i to deler, nemlig en hoveddel som er betegnet med henvisningstallet 17, og en andre del som er betegnet med henvisningstallet 40, hvilke sammen danner et katodekammer 16, i hvilket en katode 18 er beliggende. I den viste utforel-sesformen er katoden 18 en aluminiumssylinder, som ved hjelp av en leder 19 og et getter 20 er koblet til en katodetilleder 21, som er tettet i et evakueringsskaftaggregat ved hjelp av en glass-metalltetning 36.

Laserkapillarrordelaggregatet har et tverrgående hull 30, hvilket befinner seg omtrentlig ved katodens midtparti. Et evakué-rinnsskaft 22 er i et stykke dannet med et parti 40 av katode hylsteret og bærer katodetillederen 21, getteret 20 og en katodetilkobling 19 sammen med katoden 18, hvilket alt kan undersokes og testes noyaktig som et delaggregat.

I et annet evakueringsskaftarrangement, som ikke er vist på teg-ningene har evakueringsskaftet en mindre diameter enn diameteren for det sylindriske partiet hos det forste delaggregatet, slik at evakueringsskaftet teleskopisk kan fores inn i det forste delaggregatet og smeltes til dette etter at det andre delaggregatet ér blitt forenet med laserkapillarroret ved hjelp av glass-lodningstetningsmiddelet.

I en annen utforelsesform av dette evakueringsskaft-arrangement strekker et flertall metallstifter seg gjennom bunnpartiet for strukturmessig stotte av katoden og gassgetteret samt til elektrisk tilkobling til katoden. En elektrisk tilkobling til getteret kan også være nodvendig, hvis dette ikke aktiveres sternt ved hjelp av radiofrekvens eller elektrisk induksjon. Figurene 2, 3 og 4 viser i detalj de tre delaggregatene som skal forenes, når hver av disse er blitt testet og funnet tilfreds-stillende. Fig. 2 viser således katoderoret 11 med speilene ■ 13 og 14 i en posisjon for forening med endeflater 45 og 46 ved rorets 11 venstre ende 11L og dets hoyre ende 11R. Endene 45 og 46 danner speilseter, som kan slites for sammensetningen og dermed gjores feilmonteringen relativt enkel og videre tillater fullstendig testing av dette aggregat i en test-oppkobling.

Ved helt enkelt å inneslutte det i fig. 2 viste aggregat i et testlaserkatodehylster samt pålegge arbeidsspenninger kan med andre ord den i fig. 2 viste anordning testes fullstendig i sammensatt stand og lagres for etterfolgende sammensetning med andre testede komponenter. Dette delaggregat ifolge fig. 2 kan lett sammensettes med andre katodehylstre enn de som her er vist. Glasslodningstetningene 28 og 29 for speilene 13 og 14 kan dannes ved de relativt lave temperaturer som kreves for disse uten at noe katodemateriale utsettes for disse tetningstemperaturer. Li-keldes har hoveddelen av katodehylsteret 17, slik det er vist i fig. 3, en endering 50, hvilken har storre diameter enn kapillar-rørets diameter for dannelse av et sylindrisk rom mellom kapillarroret 11 og ringen 50. Det for lav temperatur beregnede glass- lodningstetningsmiddelet fyller det sylindriske rommet og danner en enhetlig stotte og en tillukning for laserkapillarroret 11, hvor det skal påpekes at enden 11L og 11R ikke er understøttet i det viste aggregatet. Laserspeilet 14 er et helreflekterende speil, hvorfor de optiske egeneskapene hos evakueringsskaftaggre-gatet ikke er av betydning for laserens arbeide. Det innses imidlertid at evakueringsskaftet 22 kan være forskjøvet fra den viste aksielle innretningen med boringen 12 og endespeilet 14, hvorved om onsket en optisk kobling tillates derved. Slik som tidligere angitt kan laserkapillar-delaggregatet være innbefattet i andre former av katodehylstre.

I fig. 4 er et parti av aluminiumkatodesylinderen 18 vist koblet til sin tilleder 19 og getteret 20, hvilke understøttes på katodetillederen 21. Alternativt kan disse være understottet hver for seg. Katodetillederen passerer gjennom et glasslodnings-tetningsmiddel 36, og dette aggregat kan likesom i tilfelle t med de i fig. 2 og 3 viste delaggregater undersokes og testes fullstendig for sammensetningen. Det påpekes at evakueringsskaftet 22 er vist åpent i dette tilfellet. Katodehylsterets ende 60 og evakueringsskaftdelaggregatets ende 61 er dessuten blitt tilpas-set for f lamme til lukking (eller glasslodningstetning) , og det., påpekes at denne utfores etter at katodehylsteret og glasslod-ningstetningen for dette med hensyn til roret 11 er blitt full-fort. Katoden 18 skyves med andre ord helt enkelt teleskopisk inn i hylsteret 17 etter at dette er blitt forenet med roret 11. Katodesylinderen 18 kan enkelt erstattes av en tynn filmkatode>som er fordampet på hylsterets 17 indre flater, idet elektrisk kontakt til denne katode dannes ved hjelp av en fjærende kontakt-tilleder.

Den frie enden av laserkapillaren 11 til venstre for glasslodnings-tetningen 25 tillater pålegging av et sterkt, tverrgående magnet-felt for magnetisk polarisering. Dannelsen av katodehylsteret som to delaggregater og fastsmeltningen av det ene delaggregatet til det andre etter forbindelsen eller utforelsen av glasslodningstetningén 25 unngå forurensning og forstyrrelse samt forkort-ning av.katodens 18 livslengde. Påfyllingsroret 22 kan festes til vanlig gassbehandlingsutstyr samt flammeformet eller brytes av etter at denne operasjon er blitt gjennomfort.

Glasslodningstillukningene tillater brenning ved meget hoyere temperatur under gassbehandling eller hva vanlige organiske til-lukninger (epoxi) gjor, som bidrar til behandlingstid/tap såvel som drift- og lagringslivslengde. Lagringslivslengden er spesielt viktig å ta i betraktning, etter som den i betydeling omfatning forbedres ved glaslodningstillukninger.

Laseranordningen fylles med et bredt spekter av lasrende gasser slik som helium, neon, argon, krypton, xenon, radon, hydrogen, oksygen, nitrogen, kvikksolv, kulldioksyd, kullmonooksyd osv. Gassblandinger kan også anvendes slik som helium og neon, kulldioksyd og helium, kulldioksyd og nitrogen, kulldioksyd, nitrogen og helium, helium og neon samt kulldioksyd, nitrogen, helium og xenon. En foretrukket gassblanding er.helium-neon, hvor den typiske sammensetningen er ca. 80-95% heliumatomer og 5-20% neonatomer. En meget spesiell sammensetning er 87,5% heliumatomer og 12,5% neonatomer.

Laseranordningen fylles typisk med en helium-neon gassblanding hvor forholdet mellom helium (i. atom-%) og neon (i atom-%) strekker seg fra ca. 2:1 til ca. 30:1, typisk fra ca. 5:1 til ca. 10:1.

Selv om en mengde ulike glassrorsmaterialer er tenkt for oppfinnel-sens iverksettelse, er sodakalkglassror typisk blitt anvendt for

laserkapillaren og hylsteret. Dette glass har en utvidelse på

93 -10 — 7 pr. o C og en sammentrekning på 113 * IO"" i' pr. oc. Det er onskelig at speilmaterialets utvidelse og sammentreknings-koeffisienter ligger tilstrekkelig nær for således å passe til rormaterialets koeffisienter. Eventuell forskjell i koeffisien-tene kan imidlertid kompenseres av det glasslodnings eller sammensmeltningsglass som anvendes for tillukking av anordningen. Typisk er det blitt anvendt "Metrologic"-speil, hvilket er fremstilt av float glass som har en ekspansjon på ca. 90 • 10<->^ pr. °C. Andre glassrorsmaterialer innbefatter borsilikater, sodakalk, kalk-borsilikater, kron og bly-borsilikater.

Andre glass kan også anvendes for speilene så lenge transforma- sjons- eller deformasjonspunkttemperaturen er over glaslodnings-eller sammensmeltningsglassets brenntemperatur. Dette er av betydning etter som speilbeleggene kan reduseres i kvalitet ved hoye brenntemperaturer.

Ethvert glass som anvendes for speil må også bedommes på grunn-lag av sine poleringsegenskaper og evnen til å motta belegg,

etter som disse faktorer påvirker okonomien i tilvirkningen av speil av laserkvalitet. Typisk speilglass som kan anvendes, innbefatter borsylikater, sodakalk, kalk-borsylikater, krone-glass og bly-borsylikater.

Materialsystemet ér uansett ikke begrenset til et spesielt glass med unntak av hva som er formålstjenelig. Det betydningsfulle kriterium er at speilet har riktige utvidelses og sammentreknings-koeffisienter i forhold til kapillaren, har en deformasjonstem-peratur over sammensmeltningsglasstemperaturen og har hensiktsmes-sige reflekterende belegg for gasslaserens arbeid, eksempelvis et utsignal på 6328 Å for en HeNe-gasslaser. I en spesiell utforelsesform er det innvendige speilet plant og utgangsspeilet har en radius på 30 cm vendt mot det plane speilet. Andre radie-arrangementer kan også benyttes.

Glasslodnings eller sammensmeltningsglass, også benevnt som lav-temperatur-tetningsglass anvendes for å tette og brenne anordningen ved lave temperaturer, f.eks. ved ca. 219°C eller mindre, og demper muligheten til å degradere de ulike glasskomponenter som anvendes ved anordningens konstruksjon, spesielt speilet og speil-'belegget.

De betydningsfulle egenskapene ved glasslodnings- eller sammensmeltningsglasset er: det er den krystalliserende typen, slik at gjentatte varmesykluser ikke tillater oppmykning av tidligere tetninger, tetnings eller tillukningstemperaturene ligger under deformasjonspunktet slik at kapillaren ikke vil boye seg og glass-lodningens tillukningstemperatur ligger under deformasjonspunktet for speilene slik at. be legge gen skape ne ikke odelegges under gjentatte tillukningssykluser.

Den vanlige bæreren av amylacetat og nitrocellulose anvendes typisk for å tillate påfbring med spatel eller ekstruderings-påfbring ved laserskjbtene. Brenningen krever vertikalelement-plassering slik at fordelaktig retning av glasslodningsstrbmmen oppnås for tilveiebringelse av en tetning eller tillukning.

Speiltillukningen med sammensmeltningsglasset skiller seg fra vanlig praksis ved at sammensmeltningsglasset ikke plasseres mellom speilet og kapillaren. Det pålegges som en strimmel eller vulst etter at speilet er blitt nbyaktig innstilt med hensyn til kapillarboringen. Betydeling forsiktighet må utoves ved frem-stillingen og påfbringen for å oppnå en vakuumtett speiltilluk-king.

Eksempel på glasslodnings eller sammensmeltningsglass innbefatter de som er beskrevet i de amerikanske patenter 3 127 278 og 25 791 (Reissue), til hvilke begge det her henvises.

Et typisk glasslodnings eller sammensmeltningsglass som kan anvendes innbefatter ca. 65-80 vekt-% PbO, ca. 5-21 vekt-% B2°3'ca« 0,5-15 vekt-% ZnO, ca. 0,5-10 vekt-% CuO, ca. 0-6 vekt-% Si02, ca. 0-5 vekt-% AgO, ca. 0-10 vekt-% CdO, og ca. 0-5 vekt-% A1203.

Speilendestykkene monteres under anvendelse av et såkalt passivt innretningssystem.

Formålet med det passive innretningssystemet er å tillate innretning av utgangskobleren for en HeNe laser relativt det plane speilet for å tilveiebringe den nbdvendige optiske resonatoren uten å behbve å evakuere, tilbakefylle med HeNe og opprettholde et plasma innenfor anordningen. Resonatoren dannes med luft av atmosfærisk trykk i anordningens boring. Dette er spesielt bnskelig når glasslodning anvendes for å feste speilene. Hvis roret var evakuert når glaslodningsbærerblandingen bir påfort ville alvorlig gass-speilforurensning kunne oppstå på grunn av glasslodningsmate rialet og bæreren.

Laserrbret med det plane 100% reflekterende speilet som er festet ved den bakre enden vinkelrett mot boringen, monteres i to inn- stillbare metall ,V 1 er på en optisk benk, idet en V befinner seg nær hver ende. Det plane speilet er beliggende i fokalpunktet for en linse med 30 cm fokallengde. En stråle fra en frekvensmodulert (f =<+>40 MHz) Spectra-Physics model 125 laser slippes gjennom en åpning på 1,5 mm og belyser sentrum av linsen med fokallengden 30 cm. Den resulterende fokalflekken faller på det plane speilet i den laseranordning som behandles. En tynn, hvit lysspreder plasseres over dette speil mellom dette og linsen,

og operatoren ser ned gjennom boringen av roret mot den belysende laseren under innstilling av side og vertikalposisjonen for rorets speilende. Når operatoren ser den lille, lyse flekken på lyssprederen sentrert i rorets ende, vet han at strålen kommer inn i sentrum av rorets speilende. Lyssprederen fjernes deretter. Et slipt glass med lupe plasseres omtrent 20 cm fra rorets åpne ende og operatoren ser inn i dette under justering av vertikal-og sideposisjonen på rorets åpne ende. Når han ser et monster med maksimal symmetri vet han at den brokdel av belysnings-strålen som lekker gjennom de plane speilet nå beveger seg under boringens sentrum. Denne stråle divergerer innenfor boringen på likedan, men ikke noyaktig samme måte som den onskede lasrings-modusen.

Utgangskobleren plasseres så på rorets åpne ende og begge holdes på plass samt forflyttes vertikalt og i sideretning over den plane rorenden ved hjelp av en mikromanipulator. Etter som speilet forflyttes omkring kan en posisjon finnes, hvor ror-speil-kombinasjonen sender lys ganske sterkt. Dette er den onskede Fabry-Perot-resonanstilstanden som er nodvendig for HeNe-laser-operasjon. Etter maksimering av denne resonans påfores glass-lodningsmaterialet eller epoxi. Dette materialet tillates å torke eller hernde mens mikromanipulatoren holder speilet på plass.

Anvendelsen av en frekvensmodulert belysningslaser letter i stor grad en passiv innretning. Uten frekvensmodulering må man av-vente koidinsidens hos en longitudinell modus hos belysningslaseren med en longitudinel modus hos resonatoren under konstruksjon. De resulterende blink gjor det meget vanskelig å vite om en 6k-ning i lysstyrke skjer på grunn av en foretatt justering eller på grunn av en moduskoinsidens. Belysningslaseren frekvensmoduleres med en topp-til-topp frekvenssveipning, som er omtrentlig lik avstanden mellom dens longitudinelle moduser. Den moduleres med en tilstrekkelig hoy frekves, slik at de forbyet øye-blikkelige moduskoinsidenser oppfattes som kontinuerlige.

Laseren aktiveres på én hensiktsmessig måte, typisk med en like-strom på over 1500 V pålagt over katoden og anoden. Spenningen kan måtte overstige 3000 V for igangsetting av laseren. En arbeidsspenning på 2000 V er typisk. Ballastmotstander på over 100 000 ohm anvendes vanligvis mellom stromkilden og anoden. Katoden er jordet.

Claims (5)

1. Gasslaser, innbefattende et laserkapillarror med en av en lasringsbar gass fyllt boring samt en av kapillarrøret boret anode, som står i forbindelse med den gassfylte boringen, speilendestyk- ket, et katodehylster, som omgir en ende av laserkapillarroret, samt eh katode i katodehylsteret,karakterisertved en i et stykke med katodehylsteret dannet ring med en indre diameter som er storre enn laserkapillarrorets ytre diameter for dannelse av et sylindrisk rom mellom laserkapillarroret og ringen, samt et ved 2av temperatur virkende, uorganisk sammen-smeltningsglasstetningsmiddel, som fyller det sylindriske rommet og danner en enhetlig stotte og en tetning for laserkapillarroret i katodehylsteret mellom laserkapillarrorets ender, hvor et av laserspeilendestykkene er plassert i katodehylsteret og det andre laserspeilendestykket befinner seg utenfor katodehylsteret.

2. Gasslaser som angitt i krav 1,karakterisertved at katoden er en tynn film av ledende metall på katodehylsterets indre flate.

3. Gasslaser som angitt i krav 1,karakterisertved en katodeboring på tvers av den lasringsbare. gassfylte boringen, hvilken katodeboring internt står i forbindelse med katodehulrommet for minimering av katodekantenes katodeforstov-ning.

4. Gasslaser som angitt i krav 1,karakterisertved at laser-endene er festet til kapillarroret i laserinn-rettet forhold ved hjelp av et sammensmeltningsglasstetnings-middel med lavt smeltepunkt samt at i det minste det utenfor katodehylsteret eksisterende laserspeilendestykket ér forenet med laserkapillarroret på hermetisk tillukket måte, hvorved laseren kan brennes ved hoyere temperaturer.

5. Gasslaser som angitt i krav 1,karakterisertved at katodehylsteret er dannet av to delaggregater, av hvilke det forste har en langstrakt, sylindrisk glasslegemsdel og en integrerende del, innbefattende katoden og ringen, og det andre delaggregatet innbefatter en elektrisk katodetilkobling bg et evakueringsskaft, hvilket har en diameter som er lik diameteren av det forste delaggregatets sylindriske del og er smeltet til denne etter.at det andre delaggregatet er blitt forenet med laserkapillarroret ved hjelp av sammensmeltningsglasstetningsmid-delet.