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DE2213105A1 - Gaslaser - Google Patents

Gaslaser

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Publication number
DE2213105A1
DE2213105A1 DE19722213105 DE2213105A DE2213105A1 DE 2213105 A1 DE2213105 A1 DE 2213105A1 DE 19722213105 DE19722213105 DE 19722213105 DE 2213105 A DE2213105 A DE 2213105A DE 2213105 A1 DE2213105 A1 DE 2213105A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
discharge
laser
leading
section
vessel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE19722213105
Other languages
English (en)
Inventor
Dietrich Dipl Phys Dr Fromm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH filed Critical Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Priority to DE19722213105 priority Critical patent/DE2213105A1/de
Publication of DE2213105A1 publication Critical patent/DE2213105A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/031Metal vapour lasers, e.g. metal vapour generation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/034Optical devices within, or forming part of, the tube, e.g. windows, mirrors
    • H01S3/0346Protection of windows or mirrors against deleterious effects

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description

  • Gaslaser Die Erfindung betrifft Gaslaser mit dampfförmigem, durch Entladung anregbarem, stimulierbarem Medium. Bei derartigen Gaslasern, beispielsweise Helium-Cadmium-Lasern mit stimulierbarem Cadmiumdampf, ist es bekannt, das in Dampfform stimulierbare Medium (Cadmiumionen) in fester Form im Lasergefäß in Anodennähe anzuordnen, durch eine Heizvorrichtung zu verdampfen, die sich außerhalb des Lasergefäßes befindet, den Dampf kataphoretisch durch den Entladungskanal des Lasergefäßes zu transportieren und in Kathodennähe in einem auf entsprechend niedrigerer Temperatur gehaltenen Kondensator wieder in den festen Zustand zu über führen.
  • Ist der Vorrat an anodenseitigem Cadmium verbraucht, dieser kataphoretisch zur Kathode transportiert und dort kondensiert, ist das Ende der Lebensdauer eines derartigen Lasers erreicht. Dient ein teueres Metallisotop, 1i4 beispielsweise Cadmium oder Cadmium (UV-Linie bei 325 nm) als Laserfüllung, ist rasches Unbrauchbarwerden des Lasers besonders unerwünscht.
  • Nicht an allen Stellen des Lasers herrscht, bedingt durch die zur Dampfkondensation notwendige Temperatursenke, eine über dem Kondensationspunkt des Dampfes liegende Temperatur. Dies führt an den Lasergefäßenden zur Metalldampfkondensation und zu einem Beschlagen der das Lasergefäß nach außen abschließenden Brewsterfenster bzw. Resonatorspiegel. Insbesondere eine Bedampfung des kathodenseitigen Gefäßabschlusses kann auftreten.
  • Die Laserleistung wird so sukzessive bis auf O vermindert.
  • Dampfdichteschwankungen im Bereich des Kondensators führen zu Auggangssignal schwankungen, deren Frequenzen in der Größenordnung von etwa 10 bis 100 kHz liegen und deren Amplitude bis zu 50 % der mittleren Amplitude des Ausgangssignals betragen kann.
  • Es ist bekannt, mit elektrischen Mitteln (durch geeignete Elektrodenanordnung) oder thermischen Mitteln, beinpielsweise durch Heizen der Brewsterfenster mit IR-Strahlern, einer Metallda:apikondensation auf Brewsterfenstern bei Lasern mit stimulierbarem Metalldampf vorzubeugen.
  • Höhere Lebensdauer sowie Verringerung der Ausgangssignalschwankungen werden erreicht, wenn kathodenseitige Dampfkondensation entfällt und über einen zweiten entladungsfreien Weg Rückdiffusion des zur Kathode transportierten Metall dampfes zur Anode erfolgt. Hierzu wird das Lasergefäß entsprechend geheizt, ein geheizter Rücklauf ist ebenfalls vorgesehen.
  • Ein bekannter Gaslaser mit Helium-Cadmium-Füllung besitzt ein langgestrecktes, rohrförmiges, die Entladung führendes Teil, konzentrisch angeordnet zu einem rohrförmigen Lasergefäß. Das Lasergefäß erstreckt sich über die Enden des die Entladung führenden Teiles hinaus, ist mit optischen Mitteln, beispielsweise Brewsterfenstern, nach außen abgeschlossen und enthält feste Elektroden (Anode, Kathode). Die Elektrodenanordnung ist so gewählt, daß Beschlagen der Fenster vermieden wird. An einem Ende des Lasergefäßes ist eine Hauptanode, am anderen Ende eine Hilfsanode vorgesehen, die Kathode kann etwa in der Mitte liegen. Außerhalb des Lasergefäßes angeordnete Heizvorrichtungen dienen zur Dampfdichteregelung.
  • Riickdiffusion kataphoretisch in Kathodennähe transportierten Metalldampfes zur Anode erfolgt im Ringraum zwischen dem die Entladung führenden Teil und dem Lasergefäß. Um die Entladung zu zwingen, ihren Weg ausschließlich durch das die Entladung führende Teil zu nehmen, eine dieses umgehende Entladung im Ringraum zwischen den vom die Entladung führenden Teil etwas entfernt im Lasergefäßraum liegenden Elektroden wirksam auszuschalten, ist der Ringraum mittels mehrerer, im Abstand voneinander längs des die Entladung führenden Teiles angeordneter, ringförmiger, dampfdurchlassender, elektrisch leitender Gitterelement. in mehrere Abschnitte unterteilt.
  • Um die Dampfdichte in vorgegebenen Intervallen längs des die Entladung führenden Teiles festzulegen, kann dieses außer über seine Enden an weiteren Stellen, an mehreren über seine Länge verteilten Punkten, mit dem Ringraum in Verbindung stehen (DT-OS 2 122 657).
  • Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform eines Gaslasers mit Inertgas und verdampfbarem, durch Entladung anregbarem, ionisierbarem, stimulierbarem Medium, einem langgestreckten, rohrförmigen, mehrere Öffnungen längs der Entladungsstrecke aufweisenden und die Entladung führenden Teil in einem konzentrisch zu diesem Teil angeordneten Lasergefäß, das durch optische Mittel, die eine über Raumtemperatur liegende Temperatur besitzen, gegen außen abgeschlossen ist und internen als Kathode bzw. Anode ausgebildeten festen Elektroden in einem optischen Resonator ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden getrennt vom vom Lasergefäß umschlossenen Raum angeordnet sind, unmittelbar mit dem von dem die Entladung führenden Teil umschlossenen Raum, unter Ausschluß des Lasergefäßraumes, in direkter Verbindung stehen, daß eine Vielzahl Öffnungen in geringem Abstand voneinander gleichmäßig quer und längs der Entladungsstrecke über die Oberfläche des die Entladung führenden Teiles verteilt sind, dieses gleichsam gleichmäßig perforiert erscheint, daß der Querschnitt des die Entladung führenden Teiles so groß und der Querschnitt der Öffnungen so klein gewählt sind, daß ein Durchtritt der Entladung in den vom Lasergefäß und vom die Entladung führenden Teil begrenzten Ringraum unterbleibt, die Entladung zwischen den Elektroden nur in dem die Entladung führenden Teil brennt, und eine elektrische Heizvorrichtung vorgesehen ist, die Dampfkondensation auf den das Lasergefäß abschließenden optischen Mitteln verhindert.
  • Die Elektroden unter Ausschluß des Lasergefäßraumes in direkter Verbindung mit dem vom die Entladung führenden Teil umschlossenen Raum anzuordnen, erlaubt die bisher üblichen Gitterelemente im Ringraum wegzulassen.
  • Zur optimalen Anregung von Laserniveaus gibt es - Druck des Inertgases und des Metalldampfes vorgegeben - eine optimale Stromdichte. Bei einem 2 Helium-Cadmium-Laser beträgt diese beispielsweise 2 A/cm . Bei hohen Strömen, wie sie bei Lasern mit großem Querschnitt des die Entladung führenden Teiles und zur Erzielung einer entsprechend hohen Laserleistung notwendig sind, entstehen merkbare Unterschiede in der Ionen- und Atomkonzentration im Lasergefäß. Die Vielzahl der Öffnungen im die Entladung führenden Teil erlaubt Gasaustausch (Dampfaustausch) längs des die Entladung führenden Teiles von allen Seiten - auch über die Elektrodenbereiche hinaus - und wirkt derartigen Konzentrationsschwankungen wirksam entgegen. Der Querschnitt der Öffnungen ist so klein gewählt, daß Durchtritt der Entladung in den Ringraum vermieden wird. Um trotzdem wirksamen Gasaustausch zu erzielen, ist die Zahl der Öffnungen entsprechend groß.
  • Der Rücklaufweg bleibt jetzt auch ohne Gitterelemente entladungsfrei.
  • Der Entladungsweg ist bei der gefundenen Elektrodenanordnung der energetisch günstigste. Es muß nur dafür gesorgt werden, daß der Durchmesser des die Entladung führenden Teiles gegenüber dem Lasergefäß groß genug gewählt wird.
  • Da bei Metalldampflasern die Relaxation der unteren Laserniveaus durch unelastische Atom-Atomstöße und nicht durch Wandstöße erfolgt, ist dies durchführbar. Der besondere Relaxationsmechanismus erlaubt großen Querschnitt des die Entladung führenden Teiles. Entsprechend hohe Entladungsströme können fließen.
  • Eine Hilfsanode, die Bedampfen der Gefäßabschlüsse verhindert, kann entfallen. Deren Aufgabe wird durch die elektrische Heizung, beispielsweise eine entsprechend angeordnete Heizspirale im Bereich der Gefäßenden, bzw.
  • Gefäßabschlüsse, übernommen.
  • Die Erfindung wird anhand von Figuren noch näher erläutert.
  • Figur 1 zeigt einen Gaslaser, einen Metalldampfionenlaser, gemäß der Erfindung.
  • Figur la zeigt den erfindungsgemäßen Gaslaser von vorne im Schnitt entlang der Linie A-B.
  • Figur Ib zeigt die Kathode des erfindungsgemäßen Gaslasers in Seitenansicht.
  • Figur 2 zeigt den erfindungsgemäßen Gaslaser in einem Gehäuse.
  • Der Gaslaser l besitzt ein langgestrecktes, rohrförmiges, die Entladung führendes Teil 2 aus Quarz, Hartglas oder Keramik mit seitlichen Ansätzen in konzentrisch zu diesem angeordneten rohrförmigen Lasergefäß 4, das mit Brewsterfenstern 3 gegen außen abgeschlossen ist. Einen optischen Resonator bildende Spiegel, von denen einer teilweise strahlungsdurchlässig ist, der andere dagegen total reflektierend ausgebildet ist, können auf einer optischen Bank angeordnet werden oder statt der Brewsterfenster als Gefäßabschluß dienen. Der Querschnitt des die Entladung führenden Teiles 2 kann beispielsweise zwischen 0,1 und 10 cm betragen. Das die Entladung führende Teil wird vom Mantel gefäß gehaltert, ist an einem seiner Enden fest mit diesem verbunden, ragt mit dem anderen Ende frei in den Gasraum Der Zwischenraum zwischen dem die Entladung führenden Teil 2 und dem Lasergefäß 4 erlaubt Rückdiffusion zur Kathode 7 transportierten Metalldampfes zur Anode 8.
  • Ein Inertgas, beispielsweise Helium, und festes Cadmium 6, bei spiels-Cadmium112 und Cadmium114 weise Cadmium1l und Cadmium1l , elementar oder als Bestandteil einer Legierung, dienen als Laserfüllung. Das Cadmium kann an geeigneter Stelle im Lasergefäß oder in einem mit dem die Entladung führenden Teil verbundenen, durch das Lasergefäß nach außen geführten, heizbaren seitlichen Ansatz angeordnet sein. Statt Cadmium kann als stimulierbares Medium auch Selen oder Zink Verwendung finden.
  • Das die Entladung führende Teil 2 ist perforiert. Es weist über seine gesamte Oberfläche gleichmäßig verteilt eine Vielzahl Öffnungen 5 auf (Figur 1, Figur 1a), die längs der Entladungsstrecke einen Dampfkonzentrationsausgleich von allen Seiten erlauben. Die Öffnungen können kreisförmigen, ovalen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. Feste interne Elektroden sind in seitlichen Ansätzen des die Entladung führenden Teiles kurz vor den Enden des die Entladung führenden Teiles im von diesem und den seitlichen Ansätzen umschlossenen Raum angeordnet. Die Kathode 7 (Figur lb) liegt im seitlichen Ansatz 13 des die Entladung führenden Teiles 2, steht vom Lasergefäßraum getrennt, über eine Öffnung 5' mit dem die Entladung führenden Teil in Verbindung, die Anode 8 im seitlichen Ansatz 14 des die Entladung führenden Teiles endet unmittelbar in diesem.
  • Elektrische Heizspiralen 9 dienen zum Beheizen der Lasergefäßenden.
  • Damit die Elektrodenheizung bzw. die durch die Entladung hervorgerufene Erwärmung ausreicht, Dampfkondensation zu verhindern, sind die Elektrodenansätze klein gehalten.
  • Zum Verdampfen des Cadmiums und zum Aufrechterhalten der gewünschten Temperatur im Laser kann die Wärmeenergie der Entladung ausgenutzt werden. Gegebenenfalls kann das Lasergefäß zusätzlich noch mit einer elektrischen Heizspirale versehen sein. Auch kann noch eine Anode vorgesehen werden. Die Kathode liegt dann in der-Mitte, die Anoden im Bereich der Enden des die Entladung führenden Teiles und innerhalb des von diesem und seinen seitlichen Ansätzen umschlossenen Raumes.
  • Um Kühlung durch Konvektion zu vermeiden, möglichst sicher die gewünschte hohe Betriebstemperatur zu erreichen und um Temperaturkonstanz der Laseranordnung zu erzielen, kann der Laser 1 auch in einem als Ofen auJgebildeten Gehäuse 10, beispielsweise aus Aluminium1 untergebracht sein (Figur 2). Eine elektrische Heizung, eine von Keramikstäben 11 getragene Heizwicklung 12 dient zum Beheizen der Brewsterfenster.
  • In der beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gaslasers mit Helium-Cadmium-Füllung beträgt der Heliumdruck etwa 4,5 Torr, der Quer-2 schnitt des die Entladung führendes Teiles 0,5 cm , das Verhältnis des Lasergefäßquerschnitts zum Querschnitt des die Entladung führenden Teiles etwa 3 s 1 und der Durchmesser der Öffnungen 5 etwa 2,0 mm. Die Öffnungen 5 sind im Abstand von 1 cm voneinander angeordnet. Auf einer Länge von 10 cm des die Entladung führenden Teiles sind etwa 30 Öffnungen gleichmäßig über die gesamte Oberfläche verteilt. Besitzen die Öffnungen rechteckigen Querschnitt, d.h. sind sie als Schlitze ausgebildet, beträgt die Schlitzbreite etwa 1 mm, die Schlitzlänge 10 mm.
  • - Patentansprüche -

Claims (3)

  1. Patentansprüche is Gaslaser mit Inertgas und verdampfbarem, durch Entladung anregbarem, ionisierbarem, stimulierbarem Medium, einem langgestreckten, rohrförmigen, mehrere Öffnungen längs der Entladungsstrecke aufweisenden und die Entladung führenden Teil in einem konzentrisch zu diesem Teil angeordneten Lasergefäß, das durch optische Mittel, die eine über Raumtemperatur liegende Temperatur besitzen, gegen außen abgeschlossen ist und internen, als Kathode bzw. Anode ausgebildeten festen Elektroden in einem optischen Resonator, dadurch gekennzeichnet, daß vom die Elektroden getrennt vom/Lasergefäß umschlossenen Raum angeordnet sind, unmittelbar mit dem von dem die Entladung führenden Teil umschlossenen Raum, unter Ausschluß des Lasergefäßraumes, in direkter Verbindung stehen, daß eine Vielzahl Öffnungen in geringem Abstand voneinander gleichmäßig quer und längs der Entladungsstrecke über die Oberfläche des die Entladung führenden Teiles verteilt sind, dieses gleichsamt perforiert erscheint, daß der Querschnitt des die Entladung führenden Teiles so groß und der Querschnitt der Öffnungen so klein gewählt sind, daß ein Durchtritt der Entladung in den vom Lasergefäß und vom die Entladung führenden Teil begrenzten Ringraum unterbleibt, die Entladung zwischen den Elektroden nur in dem die Entladung führenden Teil brennt, und eine elektrische Heizvorrichtung vorgesehen ist, die Dampfkondensation auf den das Lasergefäß abschließenden optischen Mitteln verhindert.
  2. 2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizvorrichtung durch eine elektrische Heizspirale gebildet wird.
  3. 3. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen kreisförmigen, ovalen bzw. rechteckigen Querschnitt besitzen.
    4, Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laserfüllung aus Helium und Cadmium vorgesehen ist, daß der Heliumdruck etwa 4,5- Torr beträgt, der die Entladung führende Teil eine Länge von etwa 10 cm be-2 sitzt, einen Querschnitt von etwa 0,5 cm aufweist, im Abstand von etwa 1 cm voneinander, etwa 30 Öffnungen gleichmäßig über die Oberfläche des die Entladung führenden Teiles verteilt sind, das Verhältnis des Lasergefäßquerschnitts zum Querschnitt des die Entladung führenden Teiles 3 1 3 beträgt.
    Dr. De/Mü
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0067644A1 (de) * 1981-06-09 1982-12-22 Lexel Corporation Optischer Aufbau für Laser
US4764983A (en) * 1987-06-15 1988-08-16 Laser Communications, Inc. Communication laser alignment assembly

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