-
Gaslaser Die Erfindung betrifft Gaslaser mit feste Elektroden (Anode,
Kathode) enthaltende, an den Enden mit optischen Mitteln gegen außen abgeschlossene
erweiterte Endteile tragendem langgestrecktem Entladungsrohr, gefüllt mit Inertgas
und verdampfbarem, durch elektrische Entladung anregbarem, ionisierbarem, in Dampfform
stimulierbarem Medium.
-
Bei derartigen Lasern, beispielsweise Helium-Cadmium-Lasern, wird
das in Dampfform stimulierbare Medium (Cadmium) in fester Form in Anodennähe angeordnet,
durch eine Heizvorrichtung verdampft, der Dampf kataphoretisch durch das Entladungsrohr
transportiert und in Kathodennähe in einer auf entsprechend niedriger Temperatur
gehaltenen Zone des Lasergefäßes wieder in den festen Zustand überführt.
-
Liegt diese Zone, die sog. Kondensationszone, zu nahe dem Entladungsbereich,
erfolgt Heliumaufzehrung durch das Cadmiumkondenzat. Aus der Entladung stammende
Heliumionen werden eingefangen, von nachfolgendem kondensierendem Cadmium eingeschlossen,
die Lebensdauer derartiger Laser wird hierdurch begrenzt.
-
*) 21 g 53/12
Sukzessive Verminderung der Laserleistung
derartiger Laser wird durch Metalldampfkondensation auf dem das Entladungsgefäß
kathodenseitig abschließenden Brewsterfenster bzw. Resonatorspiegel verursacht.
Auch dies begrenzt die Lebensdauer derartiger Laser.
-
Liegt die Kondensationszone hinreichend weit von dem Entladungsbereich
entfernt, entfällt Heliumaufzehrung durch das Cadmiumkondensat (IEEE Journal of
Quant. EL., Vol. QE 7, No. 8, Aug. 1971).
-
Wird zur Kathode transportiertes stimulierbares Medium (Cadmiumdampf)
vom kathodenseitigen Brewsterfenster bzw. Resonatorspiegel ferngehalten, entfällt
Beschlagen des Fensters bzw. Spiegels.
-
Geeignete bauliche Gestaltung und Dimensionierung des kathodenseitigen
Endteils, geschickte Anordnung der Kathode in diesem relativ zum Entladungsrohr,
ermöglichen Heliumaufzehrung durch kondensierendes in Dampfform stimulierbares Medium
praktisch vollständig zu vermeiden sowie das Problem, zur Kathode transportiertes
stimulierbares Medium (Cadmiumdampf) von kathodenseitigem Brewsterfenster bzw. Resonatorspiegel
fernzuhalten, in befriedigender Weise zu lösen.
-
Ein Gaslaser mit feste Elektroden (Anode, Kathode) enthaltende, an
den Enden mit optischen Mitteln gegen außen abgeschlossene erweiterte Endteile tragendem
langgestrecktem Entladungsrohr, gefüllt mit Inertgas und verdampfbarem, durch elektrische
Entladung anregbarem stimulierbarem Medium, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß das kathodenseitige Endteil einen ersten zur Aufnahme der Kathode bestimmten
rohrförmigen Abschnitt besitzt, der konzentrisch zum Entladungsrohr angeordnet ist,
einen sich an den ersten Abschnitt anschließenden in Entladungsrohrachse liegenden
zweiten rohrförmigen Abschnitt aufweist, in den das Entladungsrohr hineinragt, und
einen dritten ebenfalls in Entladungsrohrachse -liegenden rohrförmigen Abschnitt
besitzt, der an den zweiten Abschnitt anschließt, der zweite rohrförmige Abschnitt
derart bemessen ist, daß seine Wandung vom Entladungsrohrumfang - senkrecht zur
Entladungsrohrachse gemessen - einen Abstand von mehr als 10 mm besitzt, der Abstand
des Bereiches des Übergangs vom zweiten zum dritten Abschnitt von der Stirnfläche
des in den zweiten Abschnitt hineinragenden
Entladungsrohrabschnittes
mehr als 20 mm beträgt, der dritte Abschnitt einen in. der Größenordnung des äußeren
Entladungsrohrdurchmessers liegenden Innendurchmesser aufweist und an seinem dem
zweiten Abschnitt abgewandten Ende ein optisches Abschlußmittel trägt, die Innenräume
des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts nur durch einen an der einen Seite
yom Entladungsrohr begrenzten Spalt miteinander in Verbindung stehen, das Verhältnis
des senkrecht zur Entladungsrohrachse gemessenen Abstandes der Wandung des zweiten
Abschnitts vom Entladungsrohrumfang zur Breite des Spaltes größer 2 ist, im ersten
Abschnitt parallel zum Entladungsrohr die Kathode angeordnet ist, der zweite Abschnitt
einen Wandabschnitt aufweist, der eine unter dem Kondensationspunkt des stimulierbaren
Mediums liegende Temperatur besitzt, in diesem als Kondensationszone dienenden Wandabschnitt
dampfförmiges stimulierbares Medium bei Laserbetrieb kondensiert.
-
Der erfindungsgemäße Gaslaser wird anhand von Figuren näher erläutert.
-
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gaslasers.
-
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gaslasers.
-
Figur 3 zeigt das erweiterte kathodenseitige Endteil des Gaslasers
gemäß Figur 1 mit in dessen zweiten Abschnitt hineinverlängertem dritten Abschnitt.
-
Figur 3a zeigt das erweiterte kathodenseitige Endteil gemäß Figur
3 mit konisch ausgeführter Verlängerung des dritten Abschnitts.
-
Figur 4 zeigt das erweiterte kathodenseitige Endteil des Gaslasers
gemäß Figur 2 mit in den zweiten Abschnitt hineinverlängertem dritte Abschnitt.
-
Figur 4a -zeigt das erweiterte kathodenseitige Endteil gemäß Figur
4 mit konisch ausgeführter Verlängerung des dritten Abschnitts.
-
Der erfindungsgemäße Gaslaser figuren 1 und 2) besitzt ein ianggestrecktes
Entladungsrohr 1 aus Qùarz- oder Hartglas. Sein Innen-durchmesser beträgt 2 mm,
sein Außendurchmesser 10 mm. An dieses schließen sich mit optischen Mitteln, wie
Brewsterfenster 2 bzw. Resonatorspiegel, gegen außen vakuumdicht abgeschlossene,
Elektroden (eine Anode 3, eine Kathode 7) enthaltende erweiterte Endteile A, B an.
Sind Brewsterfenster als Abschluß gegen außen vorgesehen, dienen extern angeordnete
Spiegel, von denen einer total reflektierend, der andere dagegen teilweise stahlungsdurchlässig
ist, als optischer Resonator (nicht dargestellt). Endteil A enthält die Anode 3,
einen Aluminium- oder Tantalhohlzylinder, weist einen in Anodennähe angeordneten
seitlichen Ansatz 4 auf, der einen Einsatz, beispielsweise eine Quarzschale 5, besitzt,
die in Dampfform stimulierbares Medium 6 in fester Form, beispielsweise Cadmium,
elementar oder als Bestandteil einer Legierung, enthält. Als Inertgasfüllung des
Lasers ist Helium vorgesehen. Zum Verdampfen des stimulierbaren Mediums dient eine
Heizvorrìchtung (nicht dargestellt).
-
Das kathodenseitige Endteil B ist aus drei rohrförmigen Abschnitten
B1, B2' B3 zusammengesetzt. Ein erster Abschnitt, AbscHnitt B1, liegt konzentrisch
zum Entladungsrohr. Sein Durchmesser ist groß gegenüber dem Durchmesser des Entladungsrohres
und beträgt beispielsweise etwa 20 mm, seine Länge etwa 40 mm. In ihm ist, parallel
zum Entladungsrohr liegend, die Kathode 7 angeordnet. Sie umfaßt das Entladungsrohr
1 und besteht beispielsweise aus einer ringförmigen Drahtwendel aus Wolfram. An
Abschnitt B1 schließt ein zweiter in Entladungsrohrachse liegender Abschnitt, Abschnitt
B2, an. In diesen ragt das Entladungsrohr ein Stück (Abschnitt 1a) hinein. Abschnitt
B2 ist so bemessen, daß seine Wandung vom Entladungsrohrumfang - senkrecht zur Entladun
rohrachse gemessen - einen Abstand r von mehr als 10 mm besitzt und der Abstand
s des Bereichs des Übergangs vom zweiten zum dritten Ab-Abschnitt von der Stirnfläche
des in den zweiten Abschnitt B2 hineinragenden Entladungsrohrabschnittes la mehr
als s 20 mm beträgt.
-
In der Ausführungsform gemäß Figur 1 beträgt r etwa 18 mm, s etwa
mm.
-
Abschnitt B2 dient als Kondensationsgefäß des Lasers. In ihm kondensiert
zur Kathode transportiertes dampfförmiges stimulierbares Medium.
-
Dementsprechend weist Abschnitt B2 einen als Kondensationszone 9 dienen
den Wandabschnitt auf. Dieser besitzt eine unter dem Kondensationspunkt des stimulierbaren
Mediums liegende Temperatur und kann, sofern erforderlich, durch eine geeignete
Kühlvorrichtung (nicht dargestellt) auf dieser Temperatur gehalten werden.
-
Die Innenräume beider Abschnitte B1 und B2 verbindet ein ringförmiger
Spalt 8. Dieser wird einerseits vom Entladungsrohr, andererseits durch die Wandung
des Endteiles B begrenzt - diese ist, wie beispielsweise Figur 1 zeigt, entsprechend
geformt (eingeschnürt) -, wobei das Verhältnis des senkrecht zur Entladungsrohrachse
gemessenen Abstandes r der Wandung des zweiten Abschnittes B2 vom Entladungsrohrumfang
zur Breite b des Spaltes 8 größer 2 ist. Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel beträgt
die Spaltbreite etwa 1 mm.
-
Es ist denkbar, anstatt Abschnitt B einzuschnüren, einen separaten
Einsatz, beispielsweise eine Trennscheibe mit Mittelbohrung, vorzu sehen und hierdurch
den schmalen Zugang von Abschnitt B2 nach Abschnitt B1 zu-realisieren.
-
Den Abschluß des Endteiles B bildet Abschnitt B3. Er schließt als
dritter Abschnitt, in Entladungsrohrachse liegend, an Abschnitt B2 an, besitzt einen
in der Größenordnung des äußeren Entladungsrohrdurchmessers liegenden Innendurchmesser,
hier von etwa 8 mm. Seine Länge beträgt etwa 120 mm. Sie kann auch weniger betragen,
wenn der Abstand s dafür entsprechend größer ist. Abschnitt B3 trägt das optische
3 Abschlußmittel des Endteiles B, im hier gewählten Ausführungsbeispiel das Brewsterfenster
2. Abschnitt 3 kann eine Kühleinrichtung, ein kon-3 zentrisch zum Abschnitt 3 angeordnetes,
von Kühlmittel, beispiels-3 weise'Wasser, durchflossenes Mantelrohr, besitzen.
-
Im Betrieb erfährt die zwischen Kathode 7 und Anode 3 brennende Entladung
nach Austritt aus dem Entladungsrohr in Abschnitt B2 eine Richtungsumkehr um etwa
1800, bedingt durch Feldlinienumkehr, die durch die Paralleliage der Kathode 7 zum
Entladungsrohr 1 erhalten wird.
-
Diese Feldlinienumkehr (Entladungsumkehr) bewirkt, daß aus dem Entladungsrohr
1
austretendes, in Abschnitt B2 eintretendes und sich in Laserachsrichtung bewegendes
stimulierbares Medium (ionisierteF Cadmiumdampf) diese in Richtung optisches Abschlußmittel
(Brewsterfenster 2) weisende Bewegungsrichtung in Abschnitt B2 verläßt und nach
der seitwärts gelegenen Kondensationszone 9 hin abgelenkt wird, auf seinem Weg zu
dieser elektrisch neutralisiert, in dieser kondensiert.
-
Um Ablenken ionisierten stimulierbaren Mediums zu erleichtern, kann
das Entladungsrohr mit einer konischen Erweiterung 10 versehen sein.
-
Abschnitt B3 kann auch in Abschnitt B2 hineinverlängert sein (Figur
3, 3 2 Figur 4). Die Verlängerung kann konisch ausgeführt sein (Figur 3a, Figur
4a).
-
Die Abschnitt B1 naheliegende Kondensationsgrenze der Kondensationszone
9 ist scharf,- die der Einfachheit halber in den Figuren ebenfalls als scharf dargestellte
nahe dem dritten Abschnitt gelegene Kondensationsgrenze ist in der Praxis gleitend
auagebildet,-d.h. keine abrupte, sondern eine kontinuierliche Abnahme an Kondensat
bei Annäherung an den dritten Abschnitt liegt vor.
-
Eindringen von Ionen oder Atomen des dampfförmigen stimulierbaren
Mediums in Abschnitt 3 wird - bedingt durch die Ablenkung der Ionen 3 des stimulierbaren
Mediums - im Abschnitt B2 und die damit sich ergebende nahezu ausschließlich im
Bereich der Kondensationszone 9 des Abschnittes B2 stattfindende Kondensation des
dampfförmigen stimulierbaren Mediums weitgehend vermieden. Eine rasche Verminderung
der Laserleistung durch frü4zeitiges Beschlagen des vom dritten Abschnitt getragenen
optischen Abschlußmittels, des Brewsterfensters 2,und somit frühzeitiges Unbrauchbarwerden
des Lasers entfällt.
-
Ist Abschnitt B2, wie oben ausgeführt, bemessen, die Spaltbreite des
die Entladung auf die nahe Umgebung des Entladungsrohres im Abschnitt B2 beschränkenden-Spaltes
8 richtig gewählt, ergibt sich ein derart großer Abstand der Kondensationszone vom
Entladungsbereich, d.h. dem in Abschnitt B2 von der Entladung erfüllten Raum, daß
die Kondensationszone für aus der Halterung stammende Heliumionenenicht mehr erreichbar
und so Heliumaufzehrung durch Kondensat praktisch vollständig
vermeidbar
ist Die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Lasers ist hoch Während bei bekannten
Lasern bereits nath etwa 50 Betriebsstunden - bedingt durch die starke Heliumaufzehrung
und die rasche Verminderung der Laserleistung auf einen nicht mehr ti-agbaren Wert
durch das rasche Beschlagen des kathodenseitigen Brewsterfensters bzw. Resonatorspiegels
in diesem Zeitraum - Unbrauchbarkeit des Lasers vorliegen kann, ist bei einem erfindungsgemäßen
Laser dagegen noch nach über 1200 Betriebsstunden befriedigende Ausgangsleistung
beobachtbar.
-
- Patentansprüche -