DE2824761A1 - Entladungserhitzter kupferdampf-laser - Google Patents

Description

Entladungserhitzter Kupferdampf-Laser

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Lasertechnologie und insbesondere auf Metalldampflaser.

Es ist ein gepulster Laser unter Anwendung des Dampfes von einem der Erdalkalimetalle bekannt, wobei in diesem Zusammenhang auf das US-Patent 3 484 720 verwiesen wird. Dort sind evakuierte Endabschnitte offenbart, die kühle äußere Fenster enthalten, wobei es die evakuierten Kammern ermöglichen, daß dem Metalldampf ausgesetzte innere Fenster heiß genug betrieben werden können, um nicht unter einer Kondensation zu leiden. Es ist erwähnt, daß ein Erhitzen zum Verdampfen des Metalls extern oder durch die Entladung durchgeführt werden kann, obwohl das Fehlen irgendeiner Angabe zu einer von dem Metalldampf abweichenden Gasfüllung vermuten läßt, daß eine externe Erhitzung zum Starten bzw. Zünden der Vorrichtung erforderlich ist. Es wird eine koaxiale Rückführung für die geerdete Elektrode als zweckmäßig vorgeschlagen, um die Induktivität der Entladungsschaltung bzw. des Entladekreises zu reduzieren. Es ist kein sich um das Entladungsrohr erstreckendes Gehäuse vorhanden.

Ferner beschreibt das US-Patent 3 562 662 eine Ausführungsform unter Verwendung von Mangandampf mit einem Schutzgas in

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ORIGINAL INSPECTED

einem Entladungsrohr, das von einem evakuierten Mantel mit einer reflektierenden Beschichtung umgeben ist, um einen Betrieb nur mit der durch die Laserentladung erzeugten Wärme durchführen zu können. Diese Veröffentlichung enthält keine Anregung für eine Abstufung der Abschirmung zum Aufrechterhalten einer konstanten Temperatur längs des Entladungspfades. Diese Ausführungsform ist gemäß Angabe für einen Betrieb bis zu 1500° C geeignet. Eine alternative Ausführungsform für höhere Temperaturen unter Verwendung von Materialien wie Lanthan oder Yttrium verwendet koaxiale Elektroden mit einer Querentladung; dieses erfordert einen zusätzlichen Heizer zum Verdampfen des Metalls.

Das US-Patent 3 777 282 beschreibt einen extern erhitzten Metalldampflaser, bei dem das Metallreservoir an die Elektrode angrenzt und einen Kapillarausgang zum Zumessen des Metalldampfstromes hat.

In dem US-Patent 3 792 373 ist ein Laser beschrieben, der Metalldampf ohne ein Schutzgas anwendet. Um eine schädliche Kondensation von Metalldampf auf kalten Fenstern zu vermeiden, sind heiße innere Fenster vorgesehen, denen kühle äußere Fenster folgen, die von den heißen inneren Fenstern durch evakuierte Endkammern getrennt sind. Es ist ausgeführt, daß die Elektrodenbaugruppen flussigkeitsgekühlt sind.

Das US-Patent 3 798 486 offenbart einen Metalldampflaser mit umkehrbarer Polarität, so daß irgendeine Elektrode als Anode oder Kathode benutzt werden kann. In der Nähe einer jeden Elektrode befindet sich eine Erweiterung in dem Entladungsrohr, die von einem Heizer umgeben ist. Eine Ladung bzw. ein Vorrat des Lasermetalls wird in einer der Erweiterungen angeordnet. Während der Gleichstromerregung des Lasers wird der Metalldampf allmählich durch Kataphorese längs des Entladungsrohres getragen, bis-er schließlich in der entgegengesetzten Erweiterung kondensiert, die nicht erhitzt ist und somit als ein Kondensor bzw. Kühler dienen kann. Es ist ausgeführt, daß diese Betriebsart zu unterschiedlichen Metalldampfdichten längs des Rohres führt. Deshalb ist das Entladungsrohr an verschiedenen Punkten seiner Längserstreckung durchstochen und mit einem äußeren Gehäuse verbunden, welches eine Reihe bzw. ein Feld von porösen Metallgittern enthält. Diese die-

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nen zum Aufnehmen und Speichern des Überschusses des von dem erhitzten Reservoir ausgehenden Metalldampfes, und sie neigen zu einem Ausgleichen der Veränderungen bezüglich der Dampfdichte längs des Inneren des Entladungsrohres. Wenn die erhitzte Reservoirerweiterung weitgehend entleert ist, werden die Polarität der Elektroden umgekehrt und das andere Reservoir erhitzt, um das dann darin enthaltene kondensierte Metall zu verdampfen, während das ursprünglich erhitzte Reservoir einem Abkühlen überlassen bleibt und als ein Kondensor bzw. Kühler dient.

Das US-Patent 3 878 479 beschreibt einen mit Helium gepufferten Kadmiumdampflaser mit einem einen inneren Entladungspfad begrenzenden Rohr, das sich in Verbindung mit der äußeren Umhüllung befindet. In der Nähe der Kathode konzentrisch um den Entladungspfad verlaufende Kadmiumscheiben bilden den Kadmiumdampf. Am Anodenende wird die elektrische Entladung zu einer Richtungsänderung veranlaßt, wobei jedoch die kataphoretisch transportierten Kadmiumatome nicht dieser Änderung folgen können und nach vorne in einen Kühler außerhalb des Entladungspfades gelangen. Sie werden etwa wie Wassertröpfchen vom Dampf in einem Gegenstrom-Dampfabs ehe ider abgetrennt.

Das US-Patent 3 934 211 befaßt sich mit einem extern erhitzten Laser unter Anwendung des Halegonids des Lasermetalls als die Quellensubstanz, wobei der Vorteil besteht, daß die Halegonide bei relativ niedrigen Temperaturen verdampfen und daß somit ein Betrieb bei niedriger Temperatur möglich ist.

Das US-Patent 3 947 781 befaßt sich mit einer Verhinderung des Abtragens der Kathode eines Heliumkadmiumdampflasers. Dieses erfolgt dadurch, daß die Kathodenoberfläche im wesentlichen auf der Verdampfungstemperatur des Kadmiums gehalten wird, so daß ein Kadmiumfilm auf der Kathodenoberfläche bleibt und -diese schützt.

Und schließlich ist in einer Veröffentlichung mit dem Titel ¹A Discharge Heated Copper Vapor Laser¹ von R.S. Anderson, L. Springer, B.G. Bricks und T.W. Karras auf den Seiten 172 - 174 der Ausgabe April 1975 von IEEE Journal of Quantum Electronics über den zufriedenstellenden Betrieb eines entladungserhitzten Kupferdampflasers mit einer Wärmestrahlung-Abschirmung berichtet

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worden, wobei ein Edelgaspuffer verwendet wird und ein Impulsbetrieb durch die Entladung eines induktiv geladenen Kondensators unter Verwendung eines Thyratron-Schalters erfolgt. Es sind Resultate angegeben, jedoch nur wenig mehr technische Details als hier aufgeführt.

Kurz gesagt ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein zentrales keramisches Entladungsrohr mit Elektroden an jedem Ende vorgesehen, wobei das Rohr entsprechend angeschlossen ist, um evakuiert und mit einem Puffergas gefüllt zu werden. Metallisches Kupfer oder Kupferoxid wird an einer Stelle (die im Inneren des Entladungsrohres liegen kann) vorgesehen, an der die Wärme, welche durch die Entladung durch das Schutzgas erzeugt wird, Kupfer- oder Kupferoxiddampf erzeugt. In dem Fall von Kupferoxid führt der Entladungsvorgang ferner zu einem Dissoziieren der Moleküle, wodurch sich freies Kupfer, das Lasermediumjergibt. Das Entladungsrohr ist mit einer abgestuften Strahlungsabschirmung versehen, um längs des Entladungsrohres eine im wesentlichen gleichförmige Temperatur aufrechtzuerhalten. Ein Metallgehäuse (mit einem isolierenden Einsatz) umgibt das Entladungsrohr; es ist eine höchst leitfähige Beschichtung, wie aus Silber, an dem Gehäuse bevorzugt, um Verluste zu reduzieren, die durch Stromkomponenten der schnell ansteigenden Impulsentladung durch den Laser erzeugt werden. An den Enden des Entladungsrohres sind herkömmliche Fenster vorgesehen; diese werden vorzugsweise unter etwa 20 Grad in bezug auf die Normale zu der Rohrachse und nicht unter dem herkömmlichen Brewster-Winkel angeordnet, um Strahlung unterschiedlicher Polarisationen (mit einer

Zunahme, bezüglich der Laser-Ausgangsleistung) auszunutzen statt einem

nur der'Polarisation, die von unter dem Brewster-Winkel angeordneten Fenstern durchgelassen wird.

Es wird ein leicht entfernbarer Kupferbehälter mit einem großen Aufnahmevermögen für das Metall beschrieben.

Ferner wird eine Entladungsschaltung beschrieben, die trotz der Induktivität der Zuleitungen von der Impulsquelle bis in die Nähe des Lasers eine schnell ansteigende Entladung erzeugt.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

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Figur 1 - in einem Schnitt den allgemeinen Aufbau einer Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 - eine Wärmeabschirmung vor dem Rollen bzw. Wickeln derselben in ihre verwendbare Form,

Figur 3 - in einer detaillierten Weise den Aufbau einer angeordneten Wärmeabschirmung,

Figur 4 - die Temperaturverteilung in der Ausführungsform mit der Wärmeabschirmung im Vergleich mit der Temperaturverteilung, die aufgrund einer bekannten Abschirmung entsteht,

Figur 5 - den Aufbau eines Metallreservoirs bzw. -behälters,

Figur 6 - den in der Ausführungsform angeordneten Metallbehälter und

Figur 7 - die Schaltungsanordnung eines Laserimpulsgenerators.

Figur 1 zeigt in einem diametralen Schnitt die gesamte Laseranordnung. Ein Entladungsrohr 18 ist zylindrisch, elektrisch nichtleitend sowie dicht und besteht aus einem feuerbeständigen bzw. schwer schmelzbaren Material hoher Dichte bzw. Festigkeit, vorzugsweise aus Aluminiumoxid, obwohl auch Zirkonoxid, Berylliumoxid oder Quarz benutzt werden können. An jedem Ende des Entladungsrohrs 18 sind hierzu konzentrische Elektroden 16 und 26 vorgesehen. Sie können im Inneren des Rohres 18 angeordnet sein, obwohl es auch zulässig und aber etwas weniger wünschenswert ist, sie als Hülsen um die Außenseite der Enden des Rohrs 18 greifend anzuordnen. Die Elektroden 16 und 26 können durch irgendwelche bekannten Mittel hermetisch abgedichtet sein, wie durch keramischen Zement bzw. Bindemittel oder durch Anlöten an den Enden des Rohrs 18. Da jedoch ein zylindrisches Gehäuse 22 die innere Baugruppe umgibt und über ein Rohr 38 durch Pumpen evakuiert wird, ist es zulässig, die Elektroden 16 und 26 einfach in einen guten-mechanischen Gleitsitz mit den Enden des Rohres 18 zu bringen, so daß die diesbezüglichen Verbindungsstellen eine schwache Leckstelle bilden. Ein über das Rohr 38 erfolgender kontinuierlicher Pumpvorgang führt zu einem Entfernen von Gas, das durch diese Verbindungsstellen austritt. Für experimentelle Zwecke hat diese Alternative den Vorteil, daß die Wärmeausdehnung des Entladungsrohrs aufgenommen wird und daß der gesamte Aufbau leicht auseinandergenommen werden kann, um

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beispielsweise kondensierten Metalldampf aus dem Inneren des Rohrs 18 entfernen und das Innere mit frischem Kupfer nachfüllen zu können. Das Vorsehen eines kleinen Lecks hat einen anderen Vorteil, der besonders bei Experimenten nützlich ist. Es ist möglich, durch die Rohre 12 oder 3o Schutzgas mit einer der Leckgeschwindigkeit entsprechenden Geschwindigkeit zuströmen zu lassen. Dies führt zu einem ständigen Reinigen des Entladungsrohrs 18 bezüglich irgendwelcher gasförmiger Verunreinigungen, wie sie von der Elektrode oder anderen Materialien freigesetzt werden können, die nicht entgast worden sind, entweder um Zeit einzusparen oder da sie Verbindungen enthalten, die nur sehr langsam Gas freigeben, oder da sie sehr porös sind und eine große zu entgasende Oberfläche haben. Es ist festzustellen, daß bei dieser Betriebsart ein ziemlich beträchtlicher Leckvorgang um die Elektroden 16 und 26 erwünscht sein kann, um den Auffüllungsgasstrom durch die Rohre 12 oder 3o für eine leichte Einstellbarkeit groß genug zu machen.

Die Elektroden 16 und 26 sind durch herkömmliche Mittel, wie durch einen Gleitsitz, durch Schweißen oder durch Löten in entsprechenden Scheibenflanschen 14 und 28 festgelegt, die für eine elektrische Verbindung mit den Elektroden sorgen. Gemäß der Darstellung ist eine Laserentladeschaltung 4o mit den Flanschen verbunden. Eine detaillierter in Figur 3 dargestellte Wärmestrahlungr>abschirmung 2o umgibt das Entladungsrohr 18, um die Temperatur des Rohrs 18 und des Rohrinneren zu steuern, wenn eine Erwärmung bzw. Erhitzung durch die Laserentladung erfolgt.

Das Gehäuse 22 umgibt das Rohr 18 und die Abschirmung 2o. Es kann zweckmäßigerweise aus Edelstahl oder Kupfer bestehen. Wenn sich das Gehäuse vollständig zwischen den Scheibenflanschen 14 und 28 erstrecken würde, würde es den Laser kurzschließen. Deshalb ist das Gehäuse durch einen isolierenden Abschnitt 24, der aus-Aluminiumoxid bestehen kann, elektrisch unterbrochen. Während die Entladung durch das Entladungsrohr 18 gewöhnlich mit einer Wiederholungsbzw. Folgegeschwindigkeit von nicht mehr als einigen Kilohertz bis einigen zehn Kilohertz erfolgt, ist es für eine gute Laserleistungsfähigkeit wesentlich, daß der Entladungsstrom die größtmögliche Anstiegsgeschwindigkeit hat. Dementsprechend hat er Hochfrequenzkomponenten großer Amplitude, mit Oberflächenströmen in dem Gehäuse

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Es wurde festgestellt, daß im Gehäuse 22 namhafte Wärme erzeugt wird, wenn die Oberflächen aus Edelstahl bestehen. Es ist deshalb bevorzugt, die Oberflächen aus einem hochleitfähigen, anlaufbeständigen und für eine hohe Temperatur geeigneten Material herzustellen, wie Silber, obwohl reines Kupfer auch geeignet wäre. Dieses reduziert die Impedanz des Entladungspfades und trägt somit

Konzentration zum Erzeugen eines schnellen Anstiegs und einer wirksamen (deposit) von Energie in dem Entladungsrohr bei. Ein Rohr 38 ist mit einem herkömmlichen und somit nicht dargestellten Vakuumsystem verbindbar, um den Druck im Inneren des Gehäuses zu reduzieren, damit der Wärmeverlust von dem Entladungsrohr 18 vermindert wird_/und um zu verhindern, daß die elektrische Entladung zwischen den Scheibenflanschen 14 und 28 außerhalb des Entladungsrohrs 18 kurzgeschlossen wird.

Die Enden des Gehäuses 22 müssen verschlossen sein, um eine evakuierbare Kammer zu bilden; ferner müssen an den Enden Lichtfenster zum Übertragen der Laserstrahlung vorgesehen sein. Der mit einem Rohr 12 zum Evakuieren und zum Zuführen eines Schutzgases versehene Endabschnitt 1o trägt ein hiermit hermetisch abgedichtetes Fenster 36. Der Endabschnitt 32, der mit einem Rohr 3o versehen ist, welches auch zum Evakuieren und zum Zuführen von Gas benutzt werden kann, trägt ein ähnlich abgedichtetes Fenster 42. Beide Abschnitte 1o und 32 sollten eine Beschichtung hoher Leitfähigkeit haben. In herkömmlicher Weise sind die Fenster 36 und 42 unter dem Brewster-Winkel ausgerichtet, wodurch die Fenster dazu veranlaßt werden, Strahlung nur einer Polarisation durchzulassen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß grössere Laser-Ausgangsgrößen erzielt werden können, indem die Fenster 36 und 42 nicht unter dem Brewster-Winkel angeordnet werden, sondern nahezu rechtwinklig zu der Achse des Rohrs 18, so daß Strahlung von zwei rechtwinkligen Polarisationen hindurchgelassen wird. Die Fenster 36 und 42 müssen bzw. dürfen nicht exakt rechtwinklig zur Achse des Rohrs 18 verlaufen, sondern sie müssen in ausreichender Weise von der wahren Rechtwinkligkeit abweichen, so daß eine Normale zu irgendeinem Fenster nicht vollständig das Rohr 18 durchkreuzt und das andere Fenster erreicht. Dies würde eine optische Rückkopplung erzeugen, was für die beabsichtigte Betriebsart unerwünscht ist.

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In Übereinstimmung mit der herkömmlichen Lasertechnik sind entsprechend außerhalb der Fenster 36 und 42 Spiegel 34 und 44 vorgesehen, um für eine Rückkopplung zum Unterstützen des Laserbetriebes zu sorgen. Die Fensterneigung verhindert irgendeine solche Rückkopplung hiervon. Bei tatsächlich aufgebauten Ausführungsformen ist die Laserverstärkung ausreichend groß, so daß das Reflexionsvermögen des Spiegels 34 in herkömmlicher Weise so groß wie möglich gemacht wird, während das Reflexionsvermögen des Spiegels 44 (durch das die Laserstrahlung für die Verwendung austritt) in vorteilhafter Weise ziemlich klein gemacht wird, in der Größenordnung von 4 bis 8 %, was durch Verwendung einer klaren Glasplatte erzielt werden kann.

Bei einer optimierten Art des Betriebes würde das Fenster 42 durch einen passend ausgerichteten Ausgangsspiegel 44 ersetzt werden, der nunmehr die Rolle eines Fensters und eines Spiegels übernimmt. In ähnlicher Weise könnte ein passend ausgerichteter Spiegel 34 das Fenster 36 ersetzen.

Während die Wärmestrahlungsabschirmung 2o in Figur 1 zur Vereinfachung als eine einzelne Schicht dargestellt ist, ist sie in Wirklichkeit über die Länge des Entladungsrohres 18 abgestuft. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Streifen aus einer Metallfolie, wie Molybdän, hergestellt, mit einer Substanz, wie Zirkonoxid, beschichtet und wie in Figur 2 dargestellt geschnitten wird, so daß im wesentlichen zwei rechtwinklige Dreiecke entstehen, deren Hypotenusen aufeinanderzuweisen. Wenn dieser Streifen um das Entladungsrohr 18 gewickelt wird, ergibt sich an jedem Ende des Entladungsrohrs 18 eine Mehrzahl von Schichten der Abschirmung 2o, während im Mittelbereich des Rohres nur eine oder zwei Schichten entstehen (Figur 3). Um eine gleichförmige Trennung zwischen den gerollten bzw. gewickelten Schichten zu erzeugen und um eine gegenseitige Berührung von Metalloberflächen beim Handhaben oder infolge von Wärmeausdehnungs- und -zusainmenziehungsvorgängen zu eliminieren,' kann an dem Blatt bzw. Streifen aus Figur 2 vor dem Rollen oder Wickeln eine Aluminiumoxid-Unterlage (batting) zum Erzeugen eines Abstands von zehn bis zwanzig Tausendsteln eines Zolls bzw. von 25,4 mm zu erzeugen. Dann kann die Beschichtung aus Zirkonoxid entfallen. In typischer Weise können bei einem Rohr 18 mit einem Durch-

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messer von 25,4 mm (1 Zoll) zum Erreichen von 1400° C bis zu 30 Schichten der Abschirmung 2o an den Enden erforderlich sein, während für ein Rohr 18 mit einem Durchmesser von 12,7 mm (o,5 Zoll) gegebenenfalls nur einige wenige Schichten benötigt werden. Die tatsächliche Schichtenanzahl hängt von dem mittleren Wärmeverlust in dem Rohr 18 ab, der eine Funktion der Eingangsenergie pro Entladung und der Entladungsfolgegeschwindigkeit bzw. -frequenz ist. Figur 4 zeigt den Unterschied der Temperaturverteilung längs des Rohrs 18, und zwar für eine gleichförmige Abschirmung, wobei eine scharfe Spitze der Röhrentemperatur in der Mitte auftritt, und für eine abgestufte Abschirmung, die die Temperatur über den größten Teil des Rohrs 18 gleichförmiger macht.

Es wurde festgestellt, daß die bevorzugte Betriebstemperatur in Abhängigkeit von dem Röhrendurchmesser und der Wiederholungsgeschwindigkeit bzw. Folgefrequenz in der Größenordnung von 1400 bis 1600° C liegt. Diese Temperatur ist groß genug, um eine wirksame Strahlungskühlung zu ermöglichen; höhere Temperaturen erzeugen, wo Kupfer vorliegt, eine größere Dampfdichte, als es mit der maximalen Laserausgangsgröße vereinbar bzw. verträglich ist.

Es wurde festgestellt, daß verträgliche Auslegungsverhältnisse für zumindest zwei Betriebsbedingungen existieren. Diese zwei Betriebsbedingungen sind 1) eine kleine Impulsfolgefrequenz (^1 kHz) sowie eine große Ausgangsenergie pro Impuls (10-12 mJ/ Impuls) und 2) eine große Impulsfolgefrequenz (/ν 6 kHz) sowie eine mittelmäßige Ausgangsenergie pro Impuls (3-4 mJ/Impuls). Es ist festzustellen, daß verträgliche Verhältnisse auch bei anderen Werten von Impulsfolgefrequenzen erhalten werden können.

Die verträglichen Verhältnisse für die Betriebsbedingung

1 sind die folgenden. Ein Entladungsrohr mit einem Innendurchmesser von 38,1 mm (1,5 Zoll) wird mit einer passenden Strahlungsabschirmung betrieben, so daß die Temperatur in dem Bereich von 1500 bis 1600° liegt. In Figur 7 haben der Kondensator 58 einen Nennwert von 20 nF, der Kondensator 64 einen Nennwert von 6 nF und die Drossel 52 einen Nennwert von 1,5 Henry.

Die verträglichen Verhältnisse für die Betriebsbedingung

2 sind die folgenden. Ein Entladungsrohr mit einem Durchmesser von 25,4 mm (1 Zoll) wird mit einer geeigneten Strahlungsabschirmung

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betrieben, so daß die Temperatur in dem Bereich von 1400 bis 1450 C liegt. In Figur 7 haben der Kondensator 58 einen Nennwert von 5,0 nF, der Kondensator 64 einen Nennwert von 2,5 nF und die Drossel 52 einen Nennwert von 400 Millihenry.

Eine allgemeine Betriebsart der Ausführungsform aus Figur 1 ist wie folgt. Kupfermetall in Form von Stücken mit einem Gewicht von etwa 1 Gramm wird längs des zentralen Teils des Inneren des Entladungsrohres 18 unter gegenseitigem Abstand angeordnet, so daß kein leitender Pfad gebildet wird, der die Entladung kurzschließen würde. Durch die Rohre 12 und/oder 3o wird der das Innere des Rohres 18 enthaltende Raum evakuiert und dann bis zu einem Druck von 2 bis 15 Torr mit Helium gefüllt. Gleichzeitig erfolgt eine Evakuierung des Gehäuses 22 auf einen Druck von etwa 10 Torr. Die Laserentladeschaltung 4o wird betrieben, was eine Entladung durch das Helium-Schutzgas begründet. Durch die Wärme von diesem Entladungsvorgang wird die Temperatur des Inneren des Rohres 18 angehoben, so daß Kupferdampf erzeugt wird. Wenn ausreichend Kupferdampf vorhanden ist, beginnt der Laser zu arbeiten.

Es gibt zahlreiche Alternativen für diesen Vorgang. Es kann irgendein anderes der Edelgase (mit Ausnahme von Radon, das hinsichtlich der Kosten und der Radioaktivität unzweckmäßig ist) als ein Puffergas benutzt werden, wobei jedoch Helium zu den besten Resultaten führen dürfte. Luft kann als das Schutzgas benutzt werden; in diesem Fall wird das Kupfer oxidiert; aber Kupferoxid hat auch einen geeigneten Dampfdruck bei Betriebstemperaturen von nur einigen wenigen hundert Grad unterhalb der angegebenen Temperaturen. Es ist möglich, als Kupferquelle direkt Kupferoxid anstatt von metallischem Kupfer zu verwenden. Der Stand der Technik befaßte sich auch mit der Verwendung von Kupferhalogeniden für diesen Zweck; diese erzeugen jedoch merkliche Dampfdrücke .bei Temperaturen, die für die Verwendung einer Strahlungskühlung zu klein sind.

Eine Alternative für ein Anordnen von Kupferstücken direkt in dem Rohr 18 ist in Figur 5 dargestellt. Ein Aluminiumoxid-Rohr 8o mit D-förmigem Querschnitt und mit einer für einen Sitz innerhalb des Rohres 18 geeigneten Größe ist mit öffnungen, wie Löchern oder Schlitzen 82, versehen und mit Kupfer 84 gefüllt, das durch Barrieren aus Aluminiumoxid-Lagen (batting) l6 in Abschnitte

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unterteilt ist. (Die Unterteilung in Abschnitte dient zum Verhindern eines langen leitenden Pfades, der die Entladung kurzschliessen würde.) Der Kupferdampf tritt durch die öffnungen 82 aus (die sich über die gesamte Länge des Rohres 80 oder gerade an den kühleren Enden erstrecken könnten). Indem ein Ende des Rohrs 80 innerhalb des Endes des Rohrs 18 angeordnet wird, wie es an der linken Seite von Figur 6 dargestellt ist, ist es möglich, eine übermäßig große Kupferansammlung 88 am Ende des Rohres 80 im Inneren des Rohres 18 zu haben, wo keine Behinderung des Laserstrahls vorliegt und wo das Kupfer leicht entfernt werden kann.Es ist möglich, das Ende des Rohres 80 mit dem Ende des Rohres 18 zusammenfallen zu lassen, wie es an der rechten Seite von Figur 6 dargestellt ist, und das Ende des Rohres 18 mit einer keramischen Hülse 9o zu umgeben. Das Kupfer 88 sammelt sich dann innerhalb der Hülse 9o an, die für eine noch leichtere Reinigung von dem Rohr 18 abgenommen werden kann.

Figur 7 zeigt in schematischer Weise eine bevorzugte Entladeschaltung als eine Ausführungsform für das Glied 4o aus Figur 1. Anschlüsse 5o sind mit einer Hochspannungsimpulsquelle verbunden, die positive Impulse erzeugt, die in typischer Weise eine Amplitude von 5 oder 6 Kilovolt haben. Diese Impulse führen über die Resonanzladedrossel (resonant charging inductor) 52 (in typischer Weise 400 Millihenry) und die Diode 54 zu einem Aufladen des Kondensators 58 auf etwa die doppelte Impulsspannung an den Anschlüssen 5o, wobei der Rückpfad für den Ladestrom über den Widerstand 62 (in typischer Weise 200 Ohm) verläuft. Nachdem der Impuls an den Anschlüssen 5o beendet ist, wird das Thyratron 56 gezündet. Hierdurch erfolgt eine wirksame Erdung des positiv geladenen Anschlusses des Kondensators 58, was dazu führt, daß ein negatives Potential an die ungeerdeten Laseranschlüsse und an den Kondensator 64 sowie den Widerstand 62 angelegt wird. Der Kondensator 64 und der Widerstand 62 sind sehr nahe an dem Laser angeordnet, so daß ihre Verbindungen eine minimale Induktivität haben. Die Verbindungen vom Kondensator 58 zum Kondensator 64 sind allgemein länger und haben eine höhere Induktivität. In typischer Weise können für einen Betrieb bei 6 kHz der Kondensator 64 einen Wert von 2,5 nF und der Kondensator 58 einen Wert von 5 nF haben. Es wurde festge-

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stellt, daß diese Einrichtung zu einer höheren Laserausbeute und einem größeren Wirkungsgrad als verschiedene Alternativen führt, während andere Dinge gleich sind. Es wird angenommen, daß die Kombination der Kondensatoren 58 sowie 64 und die Induktivität zwischen diesen einen Pi-Abschnitt bilden, der zu einer kurzen Anstiegszeit führt, die nach dem Wissen des Anmelders für einen großen Laserwirkungsgrad sorgt.

Das Betreiben des Thyratrons ist mit gewissen Problemen verbunden, deren Lösung sich aus der Ausführungsform ergibt. Eine zeitliche Steuerung des Zündimpulses erfolgt durch die Ausgangsgröße des Datenimpulsgenerators 66, wobei diese Ausgangsgröße vom Vorverstärker 68 und vom Leistungsverstärker 6o verstärkt sowie dem Gitter des Thyratrons 56 zugeleitet wird. Die zeitliche Steuerung ist dergestalt, daß ein Zündimpuls nur nach Beendigung des Impulses an den Anschlüssen 5o auftritt. Hierdurch wird sichergestellt, daß nach dem Entladen des Kondensators 58 nominell kein Potential am Thyratron 56 ansteht, und es kann ein Entionisieren durch thermisches Driften der Ladungen erfolgen. Dieser Vorgang findet nicht länger statt, als es mit den erwünschten großen Impulsfolgefrequenzen verträglich ist. Deshalb wird eine große negative Vorspannung (zum Erzeugen eines Ladungsablenkungs- bzw. -entfernungsfeldes) von einer Gleichstromquelle 76, der eine Zenerdiode 72 und ein Widerstand 74 parallelgeschaltet sind, an das Gitter des Thyratrons 56 angelegt. Die Vorspannung wird über eine Drossel 7o zugeführt, die es ermöglicht, daß Impulse von dem Leistungsverstärker 6o die Vorspannung überwinden und das Gitter auf null Volt oder eine positive Spannung bringen können. Es wurde festgestellt, daß ein Zünden des Thyratrons 56 zu einem Auftreten von transienten Vorgängen bzw. Schwingungen in seiner Gitterschaltung führen kann, wodurch die Gittertreiberschaltung tatsächlich beschädigt werden kann. Die Einfügung der Zenerdiode 72 und des Widerstandes 74 dämpft diese transienten Vorgänge auf unschädliche Pegel.

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L e e r s e i t e

Claims (14)

1. Ansprüche

   rjT)Metalldampflaseraufbau, gekennzeichnet durch ein langgestrecktes, zylindrisches, elektrisch isolierendes Entladungsrohr (18), das an jedem Ende mit Entladungselektroden (16, 26) versehen ist, die externe elektrische Anschlüsse aufweisen, das sich ferner in Endabschnitte (1o, 32) öffnet, die mit den Entladungselektroden (16, 26) verbunden sind, und das in für die Laserstrahlung durchlässigen Fenstern (36, 42) endet, die mit den Endabschnitten (1o, 32) hermetisch abgedichtet verbunden sind, wobei die Kombination des Entladungsrohres (18), der Entladungselektroden (16, 26), der Endabschnitte (1o, 32) und der Fenster (36, 42) eine erste Kammer bildet, die über in zumindest einen Teil der Kombination eintretende Rohrmittel (12, 3o) evakuierbar und auffüllbar ist, durch Wärmestrahlung-Abschirmungsmitte.l (2o) mit einer Mehrzahl von unter Abstand angeordneten und das Entladungsrohr (18) umgebenden Metallschichten (2oA, 2oB) und durch Gehäusemittel (22, 24), die das Entladungsrohr (18) sowie die Wärmestrahlung-Abschirmungsmittel (2o) umgeben und an der ersten Kammer hermetisch abgedichtet sind, um eine zweite Kammer zu bilden, die über in die Gehäusemittel (22, 24) führende Rohrmittel (38) evakuierbar ist,
2. 2. Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusemittel ein Metallteil (22) sowie ein elektrisch isolierendes • Teil (24) aufweisen und sich zwischen den äußeren Anschlüssen der Entladeelektroden (16, 26) erstrecken.
3. 3. Aufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil silberbeschichtet ist.

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4. 4. Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmestrahlung- Ahschirmungsjtiittel (2o) an den mittleren Bereich des Entladungsrohres (18) angrenzend eine kleinste Anzahl von Schichten (2oA), an jeder Seite des mittleren Bereiches des Entladungsrohres (18) eine mittlere Anzahl von Schichten und an den Enden der Abschirmungsmittel (2o) eine größte Anzahl von Schichten (2oB) aufweisen,
5. 5. Aufbau nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmestrahlung-Ahschirmungsmittel (2o) von einem rechtwinkligen Metallblatt mit einer dreieckigen Aussparung gebildet werden, wobei dieses Blatt in einer Spiralform um das Entladungsrohr (18) gewickelt ist.
6. 6. Aufbau nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das rechtwinklige Metallblatt aus Molybdän besteht und daß die aufeinanderfolgenden Spiral-Lagen durch eine Aluminiumoxid-Lage (batting) unter gegenseitigem Abstand gehalten werden.
7. 7. Aufbau nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch ein keramisches isolierendes Rohr (8o) mit einer Mehrzahl von sich durch dessen Wandung erstreckenden öffnungen (82),wobei das Rohr (8o) in das Innere des Entladungsrohres einsetzbar ist, so daß Dampf frei in das Entladungsrohr (18) eintreten kann, wobei das Rohr (8o) ferner eine Mehrzahl von Ladungen (84) von zu verdampfendem Metall enthalten kann und wobei die Mehrzahl von Ladungen

   (84) voneinander sowie von? Enden des Rohrs (8o) durch Barrieren bzw. Dämme (86) aus Keramikmaterial getrennt sind, die im Inneren des keramischen isolierenden Rohres (8o) zwischen den Metall-Ladungen (84) angeordnet sind. ^x/den
8. 8. Aufbau nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch ein Aluminiumoxid-Rohr (8o) mit einer Mehrzahl von sich durch dessen Wandung erstreckenden Öffnungen (82) , wobei das Rohr (8o) im Inneren des Entladungsrohres (18) angeordnet ist und eine Mehrzahl von Ladungen (84) aus Kupfer enthält, die voneinander durch Barrieren bzw. Dämme (86) aus Aluminiumoxid getrennt sind.

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9. 9. Aufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische isolierende Rohr (8o) eine abgeflachte Seite hat, wodurch ein D-förmiger Querschnitt entsteht.
10. 10. Aufbau nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das AIuminiumoxid-Rohr (8o) eine abgeflachte Seite hat, wodurch es einen D-förmigen Querschnitt erhält.
11. 11. Metalldampflaser mit einem geraden Entladungsrohr, das an seiner Achse angeordnete planare Fenster zum Hindurchlassen der Laserstrahlung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (36, 42) etwa rechtwinklig zu der AChSe₇ aber gegenüber einer vollständigen Rechtwinkligkeit ausreichend abweichend angeordnet sind, so daß sich eine Normale zu einem solchen Fenster (36, 42) nicht durch das Entladungsrohr (18) zu dem entgegengesetzten Fenster (42, 36) erstreckt.
12. 12. Laserentladeschaltung, gekennzeichnet durch einen Laser mit zwei Anschlüssen, von denen einer geerdet ist, durch einen mit den Laseranschlüssen verbundenen Widerstand, durch einen mit den Laseranschlüssen verbundenen ersten Kondensator (64) , wobei der Widerstand (62) und der erste Kondensator (64) in enger körperlicher Nähe zu dem Laser angeordnet sind, durch einen zweiten Kondensator (58) , dessen einer Anschluß mit dem ungeerdeten Laseranschluß und dessen anderer Anschluß über eine Diode (54) sowie eine Ladedrossel (52, charging inductor) mit einer Quelle (5o) für positive Hochspannungsimpulse verbunden sind, wobei der andere Anschluß des zweiten Kondensators (58) auch mit der Anode eines Thyratrons (56) verbunden ist, dessen Kathode geerdet und dessen Gitter mit einer Quelle (6o, 66, 68) für positive Triggerimpulse sowie mit einer Impulsabblockungsdrossel (7o) verbunden sind, welche an eine negative Potentialquelle (76) angeschlossen ist, der ein Widerstand (74) und eine Zenerdiode (72) parallelgeschaltet sind.
13. 13. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Entladungsrohr (18) mit einem Durchmesser von etwa

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    2,54 cm (1 Zoll) aufweist, daß der Widerstand (62) einen Wert von 200 Ohm hat, daß der erste Kondensator (64) einen Wert von 2,5 nF hat, daß der zweite Kondensator (58) einen Wert von 5 nF hat, daß die Ladedrossel (52) einen Wert von 400 Millihenry hat und daß die Quelle (6o, 66, 68) für positive Triggerimpulse eine Impulsfolgefrequenz von etwa 6 kHz hat.
14. 14. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Entladungsrohr (18) mit einem Durchmesser von etwa 3,8 cm (1,5 Zoll) hat, daß der Widerstand (62) einen Wert von 200 Ohm hat, daß der erste Kondensator (64) einen Wert von 6 nP hat, daß der zweite Kondensator (58) einen Wert von 20 nF hat, daß die Ladedrossel (52) einen Wert von 1,5 Henry hat und daß die Quelle (6o, 66, 68) für positive Triggerimpulse eine Impulsfolgefrequenz von etwa 1 kHz hat.

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