NO852101L

NO852101L - Transversal hoeyfrekvent gassutladningslaser med ekstern elektrode

Info

Publication number: NO852101L
Application number: NO852101A
Authority: NO
Inventors: Carl L Gruber; Gerald R Willenbring
Original assignee: Minnesota Laser Corp
Priority date: 1983-10-07
Filing date: 1985-05-24
Publication date: 1985-05-24
Also published as: JPS61500141A; WO1985001838A1; US4596018A; DK251185D0; FI852290A0; EP0146509A3; ES8601579A1; CA1249649A; ES536482A0; EP0146509A2; IL73160A; IL73160A0; FI852290L; DK251185A

Abstract

Transversal eksitert gassutladningslaser (10) med en sirkulær boring som kan bli konstruert og drevet med ingen fysisk kontakt med aktive utladnings- og metall-eksiterende elektrodekonstruksjoner (14). Utladningen blir eksitert ved hjelp av RF i frekvensområdet 10 MHz til 1 GHz tilfart en transversal metallelektrodekonstruksjon (14) konstruert for å tilveiebringe et relativt jevnt elektrisk felt i utladningsboringen (12).Laseren kan bli konstruert som en bølgelederlaser eller. en laser med stor boring som drives i en ikke-bølgeleder-modus. En innretning for induktiv kobling av RF-energi fra en egnet RF-energikilde til elektrodekonstruksjonen (14) og en innretning for å feste speilet (15) til ut-ladningsrøret som anvender ikke-organisk tetningsmateri-ale er også innbefattet.J -u t e n fysisk kontakt mellom den aktive utladningskonstruksjonen og metallelektrode- •. eksiteringskonstruksjonen eller organiske tetninger, oppnås lang levetid, utmerket laserytelse og evne for væskeav-kjøling av utladningsrøret.

Description

Oppfinnelsen angår transversal RF eksiterende gasslasere

med sirkulær geometri med ytre elektrode og feste for speilene til laserutladningsrøret.

Helt fra de første gassladerne har disse blitt konstruert

ved å anvende hule dielektriske rør. Eksiteringen av aktivt lasergassholdig medium har blitt tradisjonelt tilveiebragt ved å tilføre en relativt stor likespenning i lengderetningen langs utladningsrørets lengde via to eller flere metallelektroder anbragt i kontakt med det gassholdige mediet ved utladningsrørets ender eller ved et punkt mellom endene.

Det ble tidlig ved utviklingen av gasslaserteknologien innsett fordelen ved å fjerne metallelektroder fra kontakt med det aktive gassholdige lasermediumet og anvendelse av RF eksitering. Interessen for å fjerne metallelektrodene fra kontakt med det aktive gassholdige lasermediumet når det imidlertid ikke toppen nødvendig for å føre til utviklingen av en laser ved å anvende teknikken. På lignende"måte ble RF eksiterte lasere utsatt for senere utvikling.

Nyere utvikling av bølgelederlasere har stimulert den fornyete interessen for RF lasereksitering og spesielt induktiv RF kobling med laseren som beskrevet i U.S. patent nr. 3,772,611. Den induktive koblingsmekanismen beskrevet i dette skriftet ga ikke effektivt ved tilveiebringelse av høyfrekvenseksitering og resulterer i en ujevn utladning.

U.S. patent nr. 4,169,251 beskriver en metode for å tilveiebringe transversal RF utladningseksiteringer for en bølgeleder-laser. Denne metoden krever kontakt mellom lasermediumet og en transversal metallelektrodekonstruksjon. Problemer med reaksjonene til den eksiterte gassen med metallelektrodene inne i laserutladningsrøret vil uunngåelig føre til redusert laserlevetid ved en kapslet laser og til slutt redusere laserens ytelse. Oppfinnelsen beskrevet i ovenfor nevnte patent krever en generelt rektangulært lasergeometri i motsetning til sirkulær. Dette medfører i sansynligheten for eksitering av uønsket optisk modi i stedet for aksial symmetrisk modikarakteristikk av en sirkulær geometri. Laseranordningen i ovenfor nevnte patent er dessuten spesielt begrenset til transversale RF eksisterte bølgelederlasere.

Med metallelektroder i kontakt med utladningsmediumet kan uregelmessige utladningsinstabiliteter forekomme i utladningsmediumet som medfører varierende laserutgangsenergi så vel som modusinstabilitet. Den rektangulære "plat" konstruksjonen av bølgeledergeometrien gjør det dessuten i virkeligheten umulig å anbringe speil direkte på endene til laserkonstruksjonen. Anbringelsen av speil direkte ved endene av laseren er svært ønskelig for moduskonstruksjon og lasere med lang levetid.

Foreliggende oppfinnelse er ment å unngå de uønskete trekkene ved tidligere kjente anordninger, mens den opprettholder de iboende fordelene ved transversal RF utladningseksitering slik som reduksjon i nødvendig utladhingsspenning, redusert gass-adskillelse, økt operasjonsvirkningsgrad, og utladningsstabili- - tet.

Foreliggende oppfinnelse innbefatter spesielt en konstruksjon

av en transversal eksitert RF utladningslaser av generelt sirkulær geometri av et enkelt eller en monolitisk og homogen stykke av dielektrisk materiale. Elektrodene anbragt på den eksterne overflaten til utladningskammeret kommer derfor ikke i kontakt med den aktive utladningen. Mellomliggende sjikt av dielektrisk materiale tjener ikke kun til å isolere elek-trodemateriale fra utladning, men for å. tilveiebringe en utladningsstabiliserende, ren reaktiv (tapsløs), serieimpedant mellom elektrodene og det aktive utladningsvolum. Oppfinnelsen er dessuten ikke begrenset til anvendelse ved bølgelederlasere, men kan også bli anvendt med store borelaserkonstruksjoner som vil bli definert som lasere med boreareal større enn lOmm2 .

Konstruksjonen av utladningsrøret tillater opprettholdelsen

av sirkulær symmetri ved hele laserkonstruksjonen innbefattende et laserutladningskammer av sirkulært tverrsnitt. Elektrode-

kontriksjonen opprettholder et neste jevnt elektrisk felt over hele utladningsvolumet for derved å tilveiebringe mer jevn laserpumping og fremme utbredelsen av en transvarsal laser-modus av en lavere orden.

En induktiv RF koblingsmekanisme er beskrevet som effektiv

og lett avstembar mens den fremdeles tillater pi nettverk-kobling om ønskelig.

Den sirkulære geometrien sørger for bekvem feste av speilene direkte på endene av utgangsrøret med slagloddede flenser og en lettbearbeidbar kompressjonstetning. Lange laserkonstruk-sjoner kan bli fremstilt ved en enkelt kobling av serie av korte seksjoner sammen med alle metalltettede flensenheter eller direkte glasserte eller slagloddede forbindelser. Enhetens intigritet kan således bli opprettholdt for meterlange laserbor. Sirkulærgeometrien sørger dessuten for tilførsel integral konsentrisk kjøling og"RF skjermende omhylling som således tillater bruk av kjøling av laseren- med dielektrisk fluidum og minimal EMI emisjoner fra hele laserenheten -i drift.

Laseren ifølge foreliggende oppfinnelse har fordeler i forhold til tidligere _kjente ved:

(a) relativt lang levetid og driftstid p.g.a. innkapslingen

av laserrøret og fravær av metallelektroder i direkte

kontakt med gassutladningen; (b) en stor grad av mekanisk røffhet og stabilitet som følge av den monolitiske konstruksjonen til utladningsrøret

og speilenhetene;

(c) utmerket strålekvalitet og stabilitet som et resultat

av den sirkulære boringen og det jevne feltet opprettholdt av kapasitivt koblede ytre elektroder; (d) evnen til modulering av laserstråleutgangsenergien; (e) relativ høy dekningsgrad p.g.a. muligheten for å bruke lavenergi RF eksitering for å danne en glødeutladning

eller plasma; og

(f) relativt liten kompakt pakking.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. IA viser et snitt i lengderetningen av en bølgelaser-utførelsesform ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. IA viser en fast homogen blokk av dielektrisk materiale anvendt for å konstruere laserbølgelederen og elektrodeenheten. Fig. IB viser et riss av bølgelederlaserutførelsesformen sett fra en side dreiet 90° i forhold til orienteringen vist på

fig. IA.

Fig. 1C viser et tverrsnitt av laseren på fig. IA og IB langs linjen A-A.

Fig. ID viser et enderiss av laseren på fig. IA, IB og 1C.

Fig. 2A viser et lengderiss av den store boringen til ikke-bølgelederutførelsesformen av foreliggende oppfinnelse.

Igjen er det massive enblokkonstruksjonen tydelig.

Fig. 2B viser et tverrsnitt av laseren på fig. 2A tatt langs linje C-C. Fig. 3A viser et lengderiss av bølgelederlaserutførelsesformen i eksplosjonsriss over speilmonteringsenhetene og et tverrsnitt-riss av den andre speilmonteringsenheten. Fig. 3 viser også et kjølefluidum og elektromagnetisk inter-ferenshus så vel som gassreservoaret.

i

Fig. 3B viser flensanordningen.

Fig. 4 viser et skjematisk diagram av nettverket for kobling av RF energi til elektrodene ved felles induktans. Fig. 5 viser et annet tverrsnitt av laseren på fig. IA og IB langs linjen A-A påført en x og y akse. Fig. 6 viser skjematisk en ekvivalent elektrisk krets for laserrøret.

Med henvisning til fig. IA og fig. IB er vist bølgeledergass-laserutførelsesformen ifølge foreliggende oppfinnelse. Laserrøret 10 består av et legeme 11 som er sammensatt av

en massiv eller monolitisk homogen blokk av dielektrisk materiale, slik som BeO eller A^O^eller andre egnete keramisk, glass eller dielektriske materialer.

Det elektriske materialet er av en høy renhet og av høy tett-het.

Et sirkulært hull, som vist på fig. 1C og ID, er dannet nær midten av legemet 11 langs dens hele lengde, som således definerer det aktive laservolumet eller kammeret 12, i hvilket RF-eksitert utladning forefinnes. Kammeret 12 til den foretrukne utførelsensformen er boret eller på annen måte dannet gjennom midtaksen. Formen på legemet 11 vi"st på fig. 1C og ID som stort sett sirkulært ved den foretrukne utførelsesformen. En hver annen ytre form er også imidlertid mulig, slik som

en rektangulær form. Selv om den foretrukne utførelsesformen viser et lasereksiterende utladningskammer 12, kan flere enn et kammer 12 være dannet i samme legeme 11. Kammeret hhv. hammerene 12 kan være dannet i det massive legemet 11's materiale ved å bore eller på annen egnet måte. Kammeret 12 diameter skulle være egnet for føring av laserlys i samsvar med konvensjonell kunnskap som er tilnærmet 1 til 3,5 mm når anvendt fra før er 10,6 um til 9,6 pm laserlys.

Bruken av en nøyaktig sikulær boring er fordelaktig p.g.a.

at det av denne grunn kan dannes en svært jevn og stabil ut-gangsstråle. En jevn og stabil stråle er svært viktig i de fleste anvendelsestilfeller, spesielt når laseren er anvendt for slike delikate og nøyaktige formål som kirurgi og industriell prosessteknikk. Tidligere kjente lasere er derimot ofte konstruert ved å lage et laminat av metallplater og keramikk for derved å danne en firkantbølgeleder som nevnt

i U.S. patent nr. 4,169,251. Konstruksjonen i dette patent kan gi lasere med ustabile og/eller ikke-jevne utgangsstråler.

Elektrodespor 13 er dannet på diametralsk motsatte sider av

den ytre veggen til legemet 11. De motstående sporene 11

har en generell V-form og er utformet nøyaktig parallelt med det dannede utladningskammeret 12. Nøyaktig form og dybde er bestemt slik som beskrevet senere. Sporene 13 er dannet ved sliping eller støping. Sporene 13 strekker seg langs legemets 11 lengde med avtagende mot endene og avsluttet i en liten avstand fra slutten av legemet 11 som tillater feste av flensanordninger 16 til endene av legemet 11, med ikke noe avbrudd i symmetritverrsnittet ved endene. Bunnen til sporene 13 strekker seg i en liten avstand fra kammeret 12 og har en tilnærmet innbefattet vinkel, a, som vist på fig. 1C. Tverr-snittet til sporene 13 er vist nærmere på fig. IA. Et spor er vist sett forfra på fig. IB.

Kontinuerlige ytre elektroder 14 er dannet i sporet 13 ved egnede innretning for metallisering slik som tykkfilmteknikk eller vakuumfordampning eller andre vanlig kjente metoder. Formen på elektrodens 14 spor 13 er valgt på en slik måte

for å opprettholde et neste jevnt elektrisk felt i utladningskammeret 12 når RF-energi blir tilført elektrodene 14 i sporene 13. Dette krever et bestemt forhold mellom avstanden d, kammerdiameteren, 2a, og sporet 13's vinkel a som vist på

fig. 1C. Et typisk sett med størrelse er d = 0,15cm, a = 11° for et BeO-materiale for legemet 11 med a = 0,114 cm.

En variasjon av elektroden 14's konstruksjon anvender en rekke langsgående elektrisk adskilte elektrodesegmenter for å

hjelpe til med å tilveiebringe et jevnt elektrisk felt i kammeret 12.

Med henvisning til fig. 2, er vist en foretrukken utførelses-form av en konvensjonell ikke-bølgelederboregasslaser i samsvar med oppfinnelsen. Laserrøret 10 består av et legeme 11 som er sammensatt av et massivt homogent stykke av dielektrisk materiale, slik som BeO eller Al^ O^ eller andre egnede keramikk-eller glassmaterialer. En elektrodekonstruksjon 14 konstruert for å tilveiebringe et neste jevnt elektrisk felt i kammeret 12 er anbragt på den ytre veggen til røret 10 i steden for å

være anbragt i sporet 13 som ved bølgelederlaseren.

Utladningskammeret 12 er fylt med et hvert ønsket gassholdig lasermedium. Typisk er anvendelsen av en C02laserblanding som innbefatter C02, He, og CO og/eller N2 , men oppfinnelsen kan bli anvendt ved He og Ne eller eksimer eller andre gass-laserblandinger av et egnet totaltrykk for optimal laservirk-ningsgrad.

Den tette levetiden til mange C02lasere er begrenset av flere faktorer innbefattende (1) lekkasje av ytre gass eller lasermedium til omgivelsen og/eller innsivning av forurensninger fra omgivelsen til det indre av laseren p.g.a. av små lekkasjer,

(2) utgassing av forurensninger fra den indre overflaten

inne i laserrøret 10 og/eller

(3) reaksjoner av eksitert gass med indre metallelektroder.

Laseren ifølge den foretrukne utførelsesformen elliminerer hovedårsakene til forkortet tett laserlevetid ved å anbringe elektrodene 14 utenfor utladningskammeret 12.

For å tilveiebringe lengre levetid må laseren være hermetisk tettet og fri indre forurensninger. Fylling med forsknings-graderte gasser av ultrastor renhet, slik som C02, N2eller He elliminerer en av hovedårsakene til den indre forurensning.

For å ytterligere elliminerer forurensningen i laseren innen-

fra blir en ultraren laserenhetprosedyre anvendt ved fremstillingen av laseren ved den foretrukne utførelsesformen før fyllingen av laseren med lasergassmedium.

Som en ytterligere anordning for å hindre reduksjon av utgangs-ytelsen til laseren p.g.a. av forurensninger, kan et gassreservoar

39 med et volum på omkring lOOcc (sammenligning med et indre volumet til et bølgelederkammeret 12 som er mindre enn lcc)

er forbundet for å fylle røret 18 for å fortynne virkningen av forurensning og/eller endringen i gassammensetningen.

Prøver ved lasere av den foretrukne utførelsesformen uten

noen form for gassreservoar 39 har vist mer enn 500 driftstimer uten noen betydelig endring i energiutgangssignalet. Volumet til gassreservoaret 39 kan derfor bli redusert betydelig uten å påvirke laserlevetiden. De demonstrerte 500 driftstimene uten noe gassreservoar er i virkeligheten kommersielt akseptabelt innenfor dagens marked. Foreliggende oppfinnelse er derfor blitt produsert med varierende størrelser på gassreservoaret 39 fra ikke noe til lOOcc avhengig om anvendelsen krever for-sikret lang levetid uten nedsettende behov som følge av vekt-reduksjon eller nødvendig av en maksimalisering av vektreduk-sjonen uten at det er nødvendig å sikre levetiden utover det som er kommersielt akseptabelt i dagens situasjon.

Siden legemet 11 er et omhyllet keramisk rør med ytre elektroder 14, er det kun nødvendig med tetninger på endene av legemet 11 hvor laserspeilene 15 er .montert. Med antall tetninger og total tetningsoverflate er relativt lite, blir tetningsprosessen enkel og tetningen mer stabil. De tidligere kjente laserrørene av kvadratisk geometri er det rimelig å anvende for den enkle konstruerte speilmonteringen ifølge foreliggende oppfinnelse.

For å opprettholde det hermetisk tettede forholdet ved foreliggende utførelsesform blir det anvendt en spesiell innretning for å feste speilene 15 til legemet 11. Speilene 15 er festet til laserlegemet 11 på fig. IA, IB eller 2A som vist ved utførelsesformen på fig. 3A og"3B. Endene til laserlegemet 11 er metallisert rundt omkretsen for å danne en smal metallisert ring 17 på begge sidene som vist på fig. IA, IB, 2A og 3A. Disse metalliserte ringene 17 er tilnærmet 0,025 mm tykke.

Som vist på figerene er de ikke i målestokk. En metallflens-anordning 16 er ført over laserrøret 10 og slagloddet i de metalliserte ringene 17 som danner en ultrahøy vakuumtetning.

En av flensanordningene 16 (vist på venstre siden av fig. 3A) har en påsveises gassfyllings- og unslippningsåpning 18 dannet i den for å bære et gassfyllings- og utslippningsrør for senere forbindelse med lasergassreservoaret 39.

Kjøling av laserrøret 10 er svært viktig for å tilveiebringe høy utgangsenergi fra laseren, for å forhindre overoppvarming av noen av komponentene, og for å øke stabiliteten til laser-utgangssignalet. Laseren ifølge foreliggende oppfinnelse, tilveiebringer en total neddykning av laserrøret 10 i et inert, ikke-giftig avkjølingsfluidum. Avkjølingsfluidumet har en dielektrisk konstant som gjør fluidumet elektrisk inert og forhindrer en hver kortslutning av elektrodene eller andre aktive kretselementer selv om fluidumet er i direkte kontakt med elektrodene og andre aktive kretselementer. Den totale neddykningen av laserrøret 10 i direkte kontakt med avkjølings-fluidumet tilveiebringer svært jevn og effektiv varmeveksling.

For å tilveiebringe en innretning for kjølefluidumet, har flensanordningen 16 utsparet ringformet ring 19 for å oppta en tetnings 0-ring 20 som tilveiebringer en lekkasjesikker tetning mellom et avkjølingsfluidum 21 og flensanordningen 16. Kjølefluidumsutsparingsområdet 22 tillater kjølingsfluidum

å omgi endene til legemet 11. En aktiv utladning forefinnes også i kammeret 12 ved dette punktet som krever avkjøling av denne delen av legemet 11. Avkjølingsfluidumshuset 21

har tre avkjølingsfluidumsporter 23. To av portene 23 er for innføring av kjølefluidum og den andre er for utføring 23 av fluidum. En konvensjonell sirkuleringspumpe og en kilde med kjølefluidum er forbundet med kjølefluidumsportene 23 for å forsyne det indre huset 21 med en kontinuerlig resirkulerende kilde av kjølefluidum. En varmeveksler kan være forbundet sammen med resirkulasjonspumpen for å spre varmeenergien som avkjølingsfluidumet har absorbert for laserrøret 10 for derved å tillate en kontinuerlig gjentagende bruk av avkjølings-fluidumet.

Kjølefluidumshuset 21 understøtter også en RF-forbindelse 44 for å forbinde elektrodene 14 med en kilde av RF-energi. RF-forbindelsen er en standard hann- og hunnkoaksial for-bindelsesanordning. Ved den foretrukne utførelsesformen er hunndelen til forbindelsen festet med kjølefluidumshuset med koaksialkabelen som forbindelse mellom elektroder 14 og hunndelen til RF-forbindelsen 44.

Høyfrekvensutladningen til laserrøret 10 som et resultat av RF-eksiteringen, er en kilde for elektromagnetisk interferens som må bli skjermet. Effektiv elektromagnetisk skjerming blir tilveiebragt ved kombinasjonen av rustfrie stålspeilen-heter og ved anvendelse av alluminium ved fremstillingen av huset 21, som tilveiebringer effektiv skjerming like mye som en konvensjonell koaksialkabel tilveiebringer elektromagnetisk skj erming.

Fig. 3B viser enderisset av flensanordningen 16 sett fra venstre siden som vist på fig. 3A. Fig. 3B viser gjengete hull 25 som mottar speilflensen. En ringformet port 26

for lasermediumkommunikasjon tillater at lasermediumet strømmer fra rørenheten 45 for lasermediumfylling til kammerets 12 åpning. Som vist på fig. 3B, hindrer ikke flensanordningen 16 synslinjen fra kammeret 12 som tillater laserstrålene å passere ut av kammeret 12 og støte mot speilet 15.

Speilflensen 24 er montert mot flensanordningen 16 ved anvendelse av speilflensmonteringsskruer 27 satt gjennom åpningene i speilflensen som strekker seg helt gjennom speilflensen 24 og som er aksialt innrettet med de gjengede hullene 25 for mottagelse av speilflensen. Det er seks slike speilflensmonteringsskruer anordnet med lik avstand fra hverandre rundt periferien til speilflensen 24." En første sirkulær lett bearbeidbar metallring 31, slik som indium eller dets legering med tinn og bly er anbragt mellom flensanordningen 16 og speilflensen 24. Nar monteringsskruen 27 er tettet og den lett bearbeidbare ringen 31 kunne flyte inn i rommet mellom de to flensene 16 og 24 som danner en tilpasset vakuumtetning mellom de to flensene 16 og 24.

Et sirkulært laserspeil 15 er anbragt i speilutsparingen 29 dannet i speilflensen 24. En andre lett bearbeidbar metall-

ring 32 er anbragt mellom speilflensen 24 og speilen 15.

I fronten av laserspeilet 15 er det anbragt en polymer skive

30. Kombinasjonen av speilleggingen mellom skiven 30 og metallringen 32 tillater jevn trykktilførsel og opprettholder tilstrekkelig tetning uten brudd av speilene. Kompressjonsstempel 33 er satt inn i speilutsparingen 29 og er festet til speilflensen 24 ved anvendelse av skruer 36 gjennom kompressjons-stempelåpningen 37 som er aksielt innrettet med de gjengede hullene 38 i speilflensen 24.

Speilflensen 24 har sentral anbragt laserstråleåpning 34 innrettet med kammeret 12 til laserrøret 10 for å tillate at laserstrålen kontakter laserspeilet 15. En av de to kompressjons-stemplene 33 (det ene til venstre på fig. 3A) fremstilt med en åpning 35 i aksial innretting med laserstråleåpningen 34

til speilflensen og den langsgående aksen til kammeret 12. Kompressjonsstemplet 33 er festet til laserrørets 10 ende med

et delvis gjennomsnitlig utgangsspeil 15 slik som selenfor-bindelser for å tillate at laserstrålen eksiterer laserrøret 10. Det andre kompressjonsstemplet 33 danner et massivt ende-deksel og blir anvendt i forbindelse med det svært reflekterende laserspeilet 15 slik som forsterket silikon.

Innrettingen av laserspeilene 15 med hverandre for å tilveiebringe parallellitet mellom speilene 15 innenfor mikroradianer blir tilveiebragt ved dreiing av av innstillingsskruene 46

i speilflensen. Det er fire speilflensinnstillingsskruer 46

selv om det på fig. 3A kun er vist en innstillingsskrue 46

for den eksplosjonsviste delen av tegningen til venstre.

Den høyre speilflensen 24 har også fire innstillingsskruer

46 selv om ingen er vist. Når innstillingsskruene 46 blir skrudd, vris den venstre sirkulære ribben 48 til speilflensen 24 relativt i forhold til den høyre sirkulære ribben 48 dersom noen av innstillingsskruene 46 blir dreiet mer eller mindre enn andre. Ved variering av dreiingen av innstillingsskruen 46 og obsering av utgangssignalet til laserrøret i løpet av skrueprosedyren kan innrettingen av speilene relativt til hverandre bli tilveiebragt. Variasjonen av innskruingen av innstillingsskruene 46 bøyer speilutsparingen 29 nok for å bevirke innrettingen. På denne måten kan speilene 15 bli skråstilt opp til 2° i forhold til laseraksen mens det opp-rettholdes en ultrahøy vakuumtetting.

Ingen organiske materialer er nødvendig for å tilveiebringe den nødvendig vakuumtetningshelheten til endeflensenheten. Egen-skapene til de lett bearbeidbare metallene, slik som indium eller dets legering med bly og tinn er slik at ingen spesiell krav er stilt til materialet eller bearbeidelsen av speilene 15. For lasere, kan f.eks. ZnSo eller GaAs eller G-speil bli anvendt, så vel som andre for denne og andre gasslaser-blandinger.

Solide materialer slik som rustfritt stål blir anvendt for flensene 16 og 24 og kompressjonsstemplet 33 for å tilveiebringe konstruksjonsmessig stivhet, dimensjonsmessig stabilitet og korrosjonsløshet.

For ikke-bølgelederlasere som vist på fig. 2A og 2B, kan den første indiumringen. 31 bli erstattet av en metallbelg eller andre tetninger loddet til flensanordningen 16 og speilflensen 24 ved deres ytre periferi. Speiljusteringen blir da bevirket ved eksterne innretninger.

Lasere lengre enn tilnærmet 25-30 cm kan bli tilveiebragt ved kobling av laserrør sammen ved hjelp av tilpassede flensanordninger 16 med lett bearbeidbare metalltetninger mellom tilliggende flensanordninger 16 eller ved å anvende lange kontinuerlige utformete keramiske rør. Disse lange lasere kan tilveiebringe opp til 20 watt ellermer med kontinuerlig utgangseffekt i motsetning til tilnærmet 5 watt med kontinuerlig utgangseffekt for en enrørs laser 10 med en lengde på 25-30 cm.

Fig. 4 viser også en innretning for induktiv kobling av RF-

energi med laserutladningsrøret 10 sine elektroder 14.

En sekundærspole 40 av egnet metallisk leder, slik som kobber eller sølv er viklet rundt laserlegemet 11, fortrinnsvis isolert fra elektrodematerialet 15. Endene til sekundærspolen 40 er loddet på motsatt elektrodeflate ved punkter 41 som vist, som således danner en resonanskrets med spoleinduktans og mellomelektrodkapasitans. For frekvenser ved hvilke elektrodekonstruksjonen er større enn x/8 (hvor x/ 2 er karakteristisk bølgelengde ved elektrodkonstruksjonen) kan mer enn en sekundærespole 4 0 bære nødvendig for å opprett-

holde en jevn spenning langs laserens rørlengde 10.

En primærspole 42 av større diameter enn sekundærespolen er dannet konsentrisk rundt sekundærespolen 40 for felles å koble RF-effekt eller energi mellom de to. Endene til primærspolen

42 er forbundet med RF-effektforsyningen 44. Justering av bindingsforholdet og posisjonen til primærspolen 42 i forhold til sekundærespolen 40 tillater"justering av impedanstrans-formasjonen. Med riktig antall vinninger for hver spole, blir utmerket impedanstilpasning tilveiebragt med et stående spennings-bølgeforhold tilnærmet 1,0. Trimmekondensatoren 43 kompen-

serer for induktansen til RF-transformatoren for å gi en nesten ren resistans ved primærspoleterminalene. En kilde med RF-energi 44 er forbundet med primærspoleterminalene ved hjelp av en koaksial kabel eller annen egnet innretning. Den foretrukne utførelsesformen på fig. 4 kan bli erstattet av et enkelt pi koblingsnettverk, med loddede forbindelser til elektrode-materialene, som en alternativ utførelsesform.

RF-effekt eller energi kan bli koblet til primærspolen 42 enten via laserspeil og flensanordningene 16 og 24, eller via kjøle-fluidumshuset 21 ved hjelp av én koaksial forbindelsesinnret-ning som vist på fig. 3A. For således å ikke ytterligere komplisere fig. 3A har primærspolen 42 og sekundærspolen 40

ikke blitt vist. Kun en bit av koaksialkabelen er vist, i det det naturligvis er klart at koaksialkabelen 13 er forbundet med primærspolene 42 som omgir laserlegemet 11 i kjølefluidums-huset 21.

Den foretrukne utførelsesformen på fig. IA, IB og 3A har

blitt drevet ved anvendelse av koblingsnettverket vist på

fig. 4 som en CC>2laser med 100 Torr gasstrykk som gir opp til 5 watt utgangseffekt fra et rør som 25 cm langt.

Elektrodens 14 geometri er viktig for å tilveiebringe slutt-resultatet med en jevn utladning langs hele lengden av laser-røret 10 ved en elektrisk feltintensitet egnet for kammeret 12 sin diameter for et bestemt laserrør 10 og en bestemt 1asergassblanding.

Elektrodens 14 tverrsnittskurve som vist på fig. 5 er tverr-snittet vist på fig. 1C reprodusert med en x og y akse for å tilveiebringe en x-y referanse for matematisk uttrykk av tverrsnittformsfunksjonen til elektrodene 14 for et symmetrisk laserrør 10. De aktuelle elektrodesporene 13 anvendt ved den foretrukne utførelsesformen tilnærmes tett opp til disse matematiske uttrykkene.

Elektrodene 14 er formet for å tilveiebringe et hovedsakelig jevnt elektrisk felt i kammeret 12 til laserrøret 10. Forskjellige elektrodeformer 14 er nødvendig avhengig av kammerets 12 diameter så vel som dielektrisitetskonstanten til laserrøret 10 sitt materiale. Det er blitt funnet at avstanden fra kammerets 12 midte til det laveste punktet til elektrodesporet 13 må være tett opp til radiusen i kammeret for å unngå nødvendigheten av en stor spenningskilde. For kammer 12 med diameter på 1-3 mm, er elektrodene 14 dannet som et spor 13 som vist på fig. 1C og 5 i laserrøret 11. Sporene 13 forløper parallelt i forhold til lengdeaksen til laserrøret 10. For store borings-, ikke-bølgelederlasere,

har lignende formfunksjoner blitt utledet for anbringelse i den ytre veggen til legemet 11.

I tilfelle av et kammer 12 med liten boring er bølgeleder-laserens tverrsnittsform til elektrodesporene 13 tilveiebragt som,gir et jevnt felt i det ikke-eksiterte kammeret 12 gitt av:

Formel 1

hvor V"D er potensialt målt mellom elektrodene 14,

EQer den jevne elektriske feltintensiteten i

kammeret 12,

Er er den relative dielektrisitetskonstanten til laserrørets 10 materiale,

x er avstanden langs x-aksen som vist på fig. 5,

y er avstanden langs y-aksen som vist på fig. 5,

og a er kammerets 12 radius.

Ved konstruksjon av en bestemt elektrodes 14 geometri, er Eq gitt siden feltintensiteten nødvendig for å tilveiebringe et utgangssignalresultat med en gitt lasergassblanding er relativ fast. Diameteren på kammeret 12 er altså en forutbestemt faktor så vel som elektrodens 14 potensial, VD. Med disse parametrene kan -nøyaktig geometri for elektrodesporene 13 lett bli bereg-net. For å bestemme elektrodesporets 13 geometri for forskjellige kombinasjoner for Eq, Vq og a er en relativ rett frem matematisk beregning.

Formel 1 ble utledet for ikke-eksitert utgangskammer 12,

d.v.s. et kammer 12 uten et utladningsmedium.

Følgende ligning fremkommer ut fra det generelle uttrykket

til formel 1:

Formel 2

hvilket uttrykk VDer nødvendig for å frembringe et jevnt

elektrisk felt (som vil bli frembragt ved en parallell plate-elektrodekonstruksjon) for EQgjennom et kammer 12 med radius "a" omgitt av et dielektrisk materiale med en dielektrisitets konstant på Er med elektrode anbragt med en avstand d fra midten av kammeret 12 ved y = o.

I tilfelle av et kammer 12 med stor boring, d.v.s. ikke-bølge-lederlaser, er tverrsnittsformen til elektrodene som tilveiebringer et jevnt felt i ikke-eksitert kammer 12 gitt av formel 3 som er ekvivalent med formel 1 for bølgelederlaseren:

Formel 3

hvor a er kammerets 12 radius, og

b er radiusen til den ytre veggen til legemet 11 som vist på fig. 2B.

Det eksiterte gassmediumet eller utladningsplasmaet som det noen ganger er kalt bevirker ikke tydelig jevnhet i det elektriske feltet i kammeret 12 når elektrodenes 14 konstruksjon er definert av formel 1 eller formel 3 som tilfellet kan være. Det er blitt funnet at eksitert gassmedium ved foreliggende laser understøtter både lednings- og en forskyvnings-strøm slik at strømtettheten er:

hvor to 2 p, , egr itpt lai smpalafrsmekapvearnasmeen tmereud tetrkvykik vaelr enw s 2pt/iwl v —he—<E>„<,>

u, er radianeksiteringsfrekvensen, °

v, er momentan overføringskollisjonsfrekvens som er proporsjonal med gassblandingsforholdet og gasstrykket, Eq, er permittiviteten til fritt rom,

he, er gjennomsnitlig elektrontetthet i gassmediumet,

e, er elektronladningen, og

m, er elektronmassen.

Selv med Er (-g)<2>> 10, er tilstedeværelsen av en aktiv utladning i kammer 12 og med betydelig ledeevne som målt med B, jevnheten til det elektriske feltet Eq etablert av elektroden 14 konstruksjon definert av formel 1 eller 3 og det resulterende strømtettheten ikke tydelig forstørres. Selv det faktum at elektrontettheten i motsetning til å være jevn fremviser en avhengighet av avstanden fra midten av kammeret 12 som er

x2 +v2

tilnærmet J o (2.405 - a —), vil elektrontetthetens ujJevn-het ikke betydelig forstyrre jevnheten i feltkonfigurasjonen til foreliggende oppfinnelse.

I praksis har det blitt funnet at laseren ifølge foreliggende oppfinnelse opererer med en svært stabil utladningsstrøm og med svært liten plasmainstabilitet. En analyse av ekvivalentkretsen for laserrøret 10 tilveiebringer en forklaring av disse fenomenene. Utladningsadmittansen til ekvivalentkretsen vist på fig. 6 er:

Formel 4

hvor er gjennomsnitlig verdi for i utladningskammeret 12. Cg på fig. 6 er serieballastkapasitansen representert av dielektrisk materiale mellom kammer 12 og elektrodene 14. Denne impedansen tjener til å tilveiebringe stabilitet for utladningsstrømmen og for å fordampe en hver plasmainstabilitet på en måte lignende serieresistansen ved en likestrømseksistert laser. CQ på fig.~6 representerer strøkapasitansen mellom elektrodene. Cg kan være bragt i forhold til CQ.

Uttrykket for utladningsadmittansen, , som uttrykt med formel 4 viser at når enten w og/eller v øker blir samme plasma-elektrontetthet tilveiebragt i kammeret 12 ifølge foreliggende oppfinnelse med en redusert forstyrrelse av det elektriske feltet i plasmaet. Jo høyrere frekvens og høyere lasergass-trykk gir således en gunstigere jevn utladning og en jevn laserpumping som er proporsjonal med n . Den forbedrete moduskonstruksjonen og en høyere virkningsgrad er således tilveiebragt ved en dielektrisk koblet sirkulærgeometri.

Det mest slående trekket fremkommer imidlertid fra det faktum at med frekvenser valgt slik at P 1 gir høyere plasmaelektron-tetthet (som er det samme som økt laserpumping) med lavere tilført spenning på elektrodene 14, siden lastvirkningen på på den kapasitive konstruksjonen ved reell del - ohms del - til utladningsimpedansen blir redusert. Dette er ytterligere vist ved analysering av effektspredningen i plasmaen pr. lengdeenhet til den delen av laserrøret 10 som har en aktiv utladning. Den forstyrrede effekten er uttrykt med:

hvor6er den gjennomsnitlige elektronvolumtettheten. For 9

6= 0,7 V"D = 400 V rms, a = lmm, d- 3mm og to = 10 radianer pr. sekund, PD = 3,5 watt/cm med utladningslengde som er et typisk driftsnivå for foreliggende oppfinnelse.

Det anvendte lasergassmediumet ved laseren ifølge foreliggende oppfinnelse er en diffusjons/festet styrt plasma når drevet med gasstrykk på > 10 Torr. Dette er rimeligvis karakteri-stikker for gasslasere av den tidligere kjente art så vel som ved foreliggende oppfinnelse. Siden gassgjennomslags-punktet imidlertid er svært feltavhengig, kan .laseren ifølge foreliggende oppfinnelse med dens jevne elektriske felt og effektspredning tilveiebringe gassgjennomslag langs lengden av laserrøret 10 med større virkningsgrad enn tidligere kjente lasere. Så snart minimumsfelte nødvendig for å tilveiebringe gassgjennomslag er nådd, blir det elektriske feltet nødvendig for å opprettholde en kontinuerlig gassutladning ved et nivå mindre enn gjennomslagsnivået. Gjennomslagsspenningspunktet er også avhengig av gassblandingen og totale trykket til lasermediumet. Generelt oppfører både lasere med store boringer og mindre boringer seg likt med unntak av at lasere med store boringer foretrekker lavere driftstrykk med lavere gjennomslags-feltstyrke.

Laserrøret 10 er elektrisk en fordelt parameterkrets og laser-rørelektrodens 14 sin konstruksjon oppfører seg som en over-føringslinje. Som sådan kan den bli beskrevet uttrykt som en dempmngskonstant a og en utbredningskonstant 3 = —2 IT, og en karakteristisk impedanse ZQ. Elektrodens 14 konstruksjon er en serieinduktans og en ekvivalentkrets på fig. 6 er shunt- element. P.g.a. stransmissjonslinjens oppførsel for elektrodens 14 konstruksjon varierer spenningen på linjen med posisjonen langs laserrøret 10, som kammerets 12 elektriske felt.

Denne variasjonen i det elektriske feltet kan medføre i en betydelig variasjon i laserpumpingen langs laserrørets 10 lengde. Med avtagning av elektrodens spor 13 mot enden av laserrøret 10 bort fra kammeret 12 som vist på fig. IA og 1C, fremkommer avslutningen som en uendelig impedans. I praksis har det blitt funnet at med mindre enn 2% avtagning av elektrodesporet 13 bort fra kammeret 12, vil dette resultere i et langsgående spennings- (felt) variasjon på mindre enn et par prosent langs en 16-20 cm lengde.

Siden laserrøret 10 har et rundt tverrsnitt, kan den langsgående spenningsfordelingen og det elektriske feltet også bli nivå-ordnet ved å vikle induktive laserspoler direkte rundt røret (shunt). Anbringelsen av induktive laserspoler ved periodiske intervaller på 0,023 reduserer'spenningsvariasjonen med tilnærmet 2% i den ikke-eksiterte tilstanden. Med utladnings-belastning (den eksiterte tilstand) endres variasjonen ikke betydelig for a/3Q< 0,3.

Når driveffekten blir økt forbi gjennomslaget, nærmere det

seg et maksimumsnivå slik at spenningsfordelingen ikke endres betydlige med økt effekttilførsel.

En tredje metode kan bli anvendt for å nivåendre den langsgående spenningsfordelingen. Siden laserlegemet 11 er isolert, kan metallelektrodens 14 bredde bli variert langs rørets 11 lengde som medfører en avsmalende transmissjonslinjekonstruk-sjon. Ved anvendelse av eksponensjonell eller lineær av-tappning kan spenningsvariasjonen i det 16-20 cm lange laser-røret 10 bli redusert til mindre enn et par prosent.

Med felles induktiv kobling for utladningselektroden 14 som

vist på fig. 4, kan den primære og sekundære spolen 42 og 40 ganske enkelt bli viklet rundt laserrøret 10 som tilveiebringer en iboende balansespenning til den isolerte elektroden 14.

Sekundærspolene 14 resonerer med laserrørets 10 kapasitive impedans og ved enkel justering av posisjonen til primærspolen 42 i forhold til sekundærspolen 40, kan en god impedanstilpasning bli tilveiebragt ved neste et hvert motstandsnivå for en gitt RF-effekttilførsel. Inngangsimpedansen sett ved primærterminalene er tilnærmet:

hvor M er felles koblingskoeffisient (justerbar) og ZD er linje-inngangsimpedansen til matepunktet. Muligheten for å anvende felles induktiv kobling med utladningselektrodene er en annen overlegen fordel ved laserrøret 10 med rund geometri i forhold til den tidligere kjente laseren med firkantgeometri..-Firkantgeometrien ved tidligere kjente anordninger krever montering på en overflate av f.eks. en beskyttelseskappe for derved å forhindre omhylling av laseren med primære og sekundære spoler.

Det har blitt beskrevet en foretrukket utførelsesform og

dens anvendelse. Andre modifikasjoner av oppfinnelsen som ikke er spesielt beskrevet eller henvist til her, vil således være innlysende for fagmannen på området i forhold til det som her er beskrevei. Denne beskrivelsen er ment å tilveiebringe et konkret eksempel på en foretrukket utførelsesforms konstruksjon og dens anvendelse klart beskrivende foreliggende oppfinnelse og dens operative prinsipper. Følgelig er oppfinnelsen ikke begrenset til noen bestemt utførelsesform eller konfigurasjon og variasjoner av foreliggende oppfinnelse som faller innenfor formålet med oppfinnelsen slik som fremsatt i kravene.

Claims

1. Gasslaser basert ved at den innbefatter (a) et elektrisk isolerende legeme som definerer et kammer med tverrsnittstørrelse egnet for føring av laserlys; (b) en lasergass anbragt i kammer; (c) første og andre elektrode anbragt parallelt med kammerets akse og anbragt på utsiden av legemets vegger slik at første og andre elektrode ikke er i fysisk kontakt med kammeret; og (d) innretning for å tilføre en spenning av vekslende polaritet mellom første og andre elektrode for å etablere en lasereksiterende utladning i lasergass.

2. Gasslaser ifølge krav 1, karakterisert ved at legemet er innbefattet av et monolitisk massivt isolerende dielektrisk materiale, at kammeret er langstrakt med dets lengde større relativt i forhold til dets tverrsnitt, og at elektrodene er anbragt parallelt i forhold til kammerets akse og på motsatte utvendige vegger til legemet hovedsakelig langs dets hele lengde.

3. Gasslaser ifølge krav 1, karakterisert ved at legemet og kammeret er sirkulært i tverrsnitt og at kammeret er dannet langs legemets akse.

4. Gasslaser ifølge krav 1, karakterisert ved at den innbefatter en innretning for å feste et speil til hver ende av legemet, ved montering av hvert speil i en speilenhet og ved å feste speilenheten til legemet ved første å danne en metallisert ring rundt hver ende av legemet, og så ved å slaglodde speilenheten til de metalliserte ringene.

5. Gasslaser ifølge krav 4, karakterisert ved at speilenheten innbefatter: (a) en flensanordning tilpasset til beslagloddet til en metallisert ring på enden av legemet, hvilke flens tillater laserstrålen å passere uhindret ut av kammeret gjennom flensanordningen; (b) en speilflens tilpasset til å passe i aksialinnretningen med flensanordningen med en utsparing for laserspeilen for å bli anbragt i en uhindret aksial innretning med laserstrålen > som går ut fra kammeret; (c) en innretning for hermetisk tetning uten organisk materiale av flensanordningen og speilflensen; og (d) innretning for å holde laserspeilet i speilutsparingen.

6. Laser ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at laseren er en bølge-lederlaser for generering av laserlys og dessuten innbefatter første og andre spor anbragt parallelt med aksen til kammeret dannet i legemets utvendige vegg motsatt til hverandre i det sporene er tilnærmet definert av ligningen:

hvor V"D er potensialforskjellen"nødvendig for å bli påført over elektroden for å frembringe et jevnt elektrisk felt av E gjennom hele kammeret, hvor E er en dielektrisk konstant o r til legemets materiale, hvor "a" er radius til kammeret, og hvor "d" er" avstanden fra senteret til kammeret' til et punkt på sporet som er teitest opp mot midten av kammeret og "d" er alltid større enn "a", og første og andre elektrode anbragt på legemet inne i avgrensningen til sporene.

7. Laser ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at laseren er en ikke-bølge-lederlaser for generering av laserlys som dessuten innbefatter første og andre elektroder dannet i kontakt med legemets utvendige vegg, anbragt parallelt i forhold til aksen til kammeret motsatt av hverandre, hvilke elektroder er tilnærmet definert av ligningen:

hvor "a" er kammerets radius, hvor "b" er radiusen til den ytre veggen til legemet, og hvor "x" og "y" er punkter langs x-y-koordinatsystemet med aksen til kammeret som opprinnelse for både "x" og "y".

8. Laser ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at innretningen får tilført en spenning av vekslende polaritet mellom den første og andre elektrode og innbefatter: (a) en sekundærspole av elektriske ledninger viklet rundt legemet som utgjør fysisk og elektrisk kontakt med legemet kun ved endepunktene til sekundærspolen, hvilke endepunkter er forbundet med respektiv første og andre elektrode; og (b) en primærspole av elektrisk ledende ledninger viklet rundt sekundærspolen uten å ha fysisk eller elektrisk kontakt med sekundærspolen eller legemet, hvilke endepunkter er elektrisk forbundet med en kilde av RF-energi slik at felles-induktans mellom sekundær- og primærspolen resulterer i tilveiebringelse av en iboende ballansert spenning til elektrodene.

9. Laser ifølge krav 8, karakteris" ert v "e d'-at multipel primær-_ og sekundærspolekombinasjonen er viklet rundt legemet langs dets lengde, ved 0,023u intervaller, i det hver kombinasjon er forbundet med en kilde av RF-energi for derved å redusere det elektriske utladningsfeltets variasjoner langs kammerets lengde.

10. Laser ifølge krav 8, karakterisert ved impedanstilpasning mellom RF-effektkilden og primærsekundær- spoJen og laserrørets kapasitive impedans blir tilveiebragt for en gitt RF-effektstilførsel ved justering av primærspolen relativt i forhold til sekundærspolen.

11. Laser ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at innretningen for hermetisk tetning av flensanordningen med speilflensen uten organisk materiale innbefatter en sammenpressbar metall-O-ring innført mellom de to flensene uten å hindre laserstrålen slik at når de to flensene er presset sammen klemmes O-ringen sammen og danner en tilpasset tetning mellom de to flensene.

12. Laser ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at innretningen for å fastholde laserspeilet i speilutsparingen innbefatter: (a) et kompressjonsstempel tilpasset til konsentrisk å passe med speilutsparingene og for å komprimere speilet i bunnen av speilutsparingen; (b) en polymer skive innsatt mellom kompressjonsstemplet og laserspeilet som tillater en uhindret passasje av laserstrålen gjennom skivens midte; (c) en deformerbar metall-O-ring mellom laserspeilet og bunnen av speilutsparingen for å tilveiebringe en ikke-organisk hermetisk tetning på laserrøret fra dens ytre omgivelse, og (d) innretning for å fastgjøre"kompressjonsstemplet i egnet grad for kompressjon.

13-. Laser ifølge krav 12, karakterisert ved at kompressjonsstemplet har en åpning i aksialinnretningen med laserspeilet gjennom kompressjonsstemplet og gjennom dens ytre ende for bruk ved en delvis gjennomsnitlig laserspeil for å tillate eksitering av laserstrålen.

14. Laser ifølge et hvilket somhelst av de foregående krav, karakterisert ved at det innbefatter innretning for å justere laserspeilet innbefattende en speilflens som har (a) en første sirkulær ribbe som gir en første ende av speilutsparingen; og (b) en andre sirkulær ribbe som omgir en andre ende av speilutsparingen, i det den første sirkulære ribben har flere gjengede hull i dets periferi i det hvert hull er anbragt med lik avstand fra det andre hullet med en gjenget innstillingsskrue slik at når en innstillingsskrue blir skrudd mot den sirkulære ribben bøyes den andre sirkulære ribben relativt i forhold til den første sirkulære ribben som derved bevirker en endring i den aksiale innretningen til speilutsparingen.

15. Laser ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det innbefatter et avkjølingshus, i det avkjølingshuset strekker seg mellom legemets flenser festet til hver ende av legemet og dessuten har en innretning for tilførsel og utførsel av avkjølt fluidum.

16. Laser ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at elektroden avtar bort fra kammeret langs en linje som begynner ved midten av elektroden som strekker seg mot dens ende, og at bredden av elektrodene er konstant langs dens lengde og innbefatter i lengderetningen en rekke med elektrisk separerte segmenter. i