DE1921145B2 - Vorrichtung zum Erzeugen stimulierter Infrarotemission, !raser, mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 mym mittels einer elektrischen Entladung in einem teilweise aus Kohlensäuregas bestehenden Gasgemisch - Google Patents

Description

Die Erfindung betriff eine Vorrichtung zum Erzeugen von stimulierter lnfrarotemission mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 μπι, welche eine einige Meter lange abgeschlossene Entladungsröhre enthält, die nahe den Enden der Entladungsröhre als Auskupplungsfenster und Reflektor eine planparallele etwa 2 mm dicke Germaniumplatte und am anderen Ende einen Hohlspiegel und weiter Mittel zur Aufrechterhaltung einer elektrischen Entladung mit einer Stromdichte über 15 mA/cm² in der Entladungsröhre enthält, welche mit einem Gasgemisch bestehend aus Kohlesäuregas, Stickstoff, Helium und Wasserdampf mit einem Druck von 0,2 bis 0,4 Torr gefüllt ist

Unter einer Länge von einigen Metern ist in diesem Zusammenhang etwa anderthalb Meter oder mehr zu verstehen.

Vorrichtungen der obenbeschriebenen Art sind bereits bekannt; vgl. Philips Technische Rundschau, 28. Jg, (1967), Nr. 7, S. 191 -201. Infolge der Auskopplung über die planparallele Germaniumplatte tritt nur eine einzige Infrarotlinie auf, die durch die auf den Vibrationsübergang im Kohlensäuremolekül bezogenen Rotationsniveau bestimmt wird. Infolge der vorhandenen Germaniumplatte, die nicht nur als Auskoppelfenster sondern auch als Reflektor wirksam ist, liegen die Frequenzen, für welche die Reflexion maximal ist, etwa 2 · 10¹⁰Hz auseinander. Die Linien an der Nähe von 10,6 μίτι liegen jedoch etwa 5,5 · 10¹⁰ Hz auseinander. Dadurch können mehrere Linien im allgemeinen nicht gleichzeitig auftreten.

Eine der wichtigsten Anwendungsmöglichkeiten dieser Iraser besteht im Schneiden dünner Schichten, beispielsweise Kohlenschichter auf Widerstandskörpern. Dabei tritt der Nachteil auf, daß die Intensität der fokussieren Strahlung in vielen Fällen dennoch nicht ausreicht So ist für einen !raser mit einer Länge von 1,5 m, einem Durchmesser von 20 mm und einer Strahlungsdauerleistung von 60 W der Brennflecken nach Fokussierung mit einer Linse mit einer Brennweite von 50 mm, 6 χ \0~² mm² groß und die Strahlungsintensität 0,1 MW/cm².

Der große Brennflecken ist die Folge der Tatsache, daß der Iraser in Multi-Modusschwingung arbeitet; außer dem einen möglichen reinen Longitudinalmodus treten gleichzeitig oder abwechselnd mehrere transversale und radiale Moden auf, die alle dieselbe longitudinale Modenzahl haben. Das Modenmuster ist dann im Brennflecken dargestellt

Aus dem »Elektro-Anzeiger«, 20.Jg. (1967), Nr. 19, S. 334—398, ist ein Multimoden-Diirchfluß-Laser-.System bekannt, bei dem mit einem Rohrdurchmesser in der Größenordnung von 0,5 cm eine wirksame Unterdrückung höherer transversaler Moden ermöglicht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ein-Mode-Laser mit abgeschlossener Entladungsröhre zu schaffen, dessen Mode eine besonders hohe Leistung aufweist

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Entladungsröhre einen Durchmesser von höchstens

10 mm hat und die Enden der Entladungsröhre durch ein enges Verbindungsrohr, in dem keine Entladung auftritt verbunden sind.

Es hat sich herausgestellt, daß in der erfindungsgemäßen Vorrichtung infolge der starken Konkurrenz untereinander bei der hohen Stromdichte im betreffenden Gasgemisch von longitudinalen, radialen und transversalen Moden, nur einer auftreten wird. Mit einem auf diese Weise arbeitenden Iraser wird ein Strahiungsbündel erhalten, dessen Strahlungsintensität nach Fokussierung im Brennfleck bedeutend höher ist als bei den bekannten Vorrichtungen. Das enge Verbindungsrohr zwischen den Enden der Entladungsröhre bewirkt eine Vermeidung einer kataphoretischen, die Leistung des einzigen Schwingungsmoden herabsetzenden Entmischung des Lasergases.

Es sei bemerkt daß zum Erzeugen von Strahlung mit einer Wellenlänge von 10,6 μΐη und einer Strahlungsdauerleistung von etwa 1 W eine Anordnung mit einer 10 mm weiten Röhre bekannt ist. Die Stromstärke beträgt dabei nur 5 mA. Die Gasfüllung ist Kohlensäure mit Stickstoff ohne irgendeinen Zusatz. Dabei werden infolge der geringen Intensität mehrere radiale und/ oder transversale Moden gleichzeitig auftreten (Applied Physics Letters, Bd. 9 (1966), N r. 4, S. 174 -176).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig.! eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Iraser-Entladungsröhre

F i g. 2 eine graphische Darstellung der damit erzielten Ergebnisse.

In F i g. 1 ist 1 ein Quarzrohr mit einer Länge von 152 cm und einer lichten Weite von 10 mm. 2 ist ein Wasserkühlmantel. 3 ist ein an seiner Oberfläche mit einer Goldschicht versehener hohler Reflektor mit einem Krümmungsradius von 240 cm. 4 ist eine 2 mm dicke flache Germaniumplatte. 5 und 6 sind Platinelektroden in Seitenröhrchen. 7 ist ein Verbindungsrohr mit einer lichten Weite von 3 mm zwischen den Seitenröhrchen. 8 ist ein wasserdampfgesättigter Zeolithstab. Die Gasfüllung besteht aus 2,7 mbar (2 Torr) CO₂, 5,3 mbar (4 Torr) N₂, 10,6 mbar (8 Torr) He und 0,5 mbar (0,4 Torr) H₂O. Der an sich bekannte Wasserdampfzusatz ist höher als der bei weiten Entladungsröhren von Multi-Moden-Irasern, während das Verbindungsrohr 7 zur Vermeidung einer kataphoretischen Entmischung dient.

Bei einem Entladungsstrom von 10 bis 35 mA durch die Röhre, wobei die Brennspannung zwischen 19 und 18 kV schwankt tritt ein Bündel 9 mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 μιτι und einer Intensität von gut 30 bis 60 W aus, wobei das im Fokus des Bündels ersichtliche

Modenbild mit jeweils einem einzigen transversalen Schwingungstyp bei den Meßpunkten in Fig.2 in Abhängigkeit von der Intensität dargestellt ist

Bei 10 und 15 mA ist dieser Mode der punktförmige TEMoo-Mode, also ein rein axialer Mode, bei der höheren Stromstärke ist dies der ΤΕίΛοι-Mode, dessen Figur aus einem Gefüge zweier Kreissektoren besteht Bei Fokussierung des Bündels von 60 W mit einer Linse von 50 nun Brennweite wird ein Brennfleck erhalten mit einer Fläche von 7 · 10~³ mm². Die Strahlungsintensität beträgt daher 03 MW/cm², das 8-fache derjenigen bekannter Vorrichtungen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. ■ Patentanspruch:

   Vorrichtung zum Erzeugen von stimulierter Lnfrarotemission mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 pm, welche eine einige Meter lange abgeschlossene Entladungsröhre enthält, die nahe den Enden der Entladungsröhre als Auskupplungsfenster und Reflektor eine planparallele etwa 2 mm dicke Germaniumplatte und am anderen Ende einen Hohlspiegel und weiter Mittel zur Aufrechterhaltung einer elektrischen Entladung mit einer Stromdichte über 15mA/cra² in der Entladungsröhre enthält, welche mit einem Gasgemisch bestehend aus Kohlensäuregas, Stickstoff, Helium und Wasserdampf mit einem Druck von 0,2 bis 0,4 Torr gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsröhre einen Durchmesser von höchstens 10 mm hat und die Enden der Entladungsröhre durch ein enges Verbindungsrohr, in dem keine Entladung auftritt, verbunden sind.