DD273921A1 - Entladungsrohr fuer ionengaslaser - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Entladungsrohr fuer Ionengaslaser. Das Entladungsrohr kann aus einem Stueck oder aus einzelnen Segmenten, die in geeigneter Weise zu einem Rohr gefuegt werden, bestehen. Erfindungsgemaess besteht das Entladungsrohr aus Aluminiumnitridkeramik. Diese Keramik ist in Gegensatz zu konventionellen Oxidkeramiken einerseits hochwaermeleitfaehig und andererseits nichttoxisch und damit wesentlich leichter verarbeitbar als die sonst fuer diese Zwecke verwendete, hochtoxische Berylliumoxidkeramik.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung findet Anwendung im wissenschaftlichen Geratebau, wo kontinuierlich arbeitende lonengaslaser-sowohl luftals auch wassergekühlter Bauart in medizinischen und spektroskopischen Geraten, in Laser-Rastermikroskopen, Laser Filmein- und Ausgabegeraten sowie in Laserprintern Anwendung finden

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Das aktive Medium eines Edelgas-Ionen-Lasers ist das Plasma einer elektrischen Gasentladung, die zwischen einer Katode und einer Anode brennt Um optimale Bedingungen fur den Laseranregungsprozeß zu schaffen sind Stromdichten von 300 bis 1 500 A/cm² und Gasdrucke von 10 bis 130Pa erforderlich Dazu muß die Entladung durch geeignete Materialien in einer Bohrung gefuhrt werden in solchen Gasentladungen werden Leistungen von 100 bis 500W je cm Entladungslange umgesetzt, die vorzugsweise in Form von schnellen Ionen (20 bis 3OeV) als Verlustleistung auf die Wand übertragen werden Die lonenstromdichten liegen in der Größenordnung von 1 A/cm²

Um eine hohe Lebensdauer der Laserrohre zu erreichen, kommen als Wandmateriahen nur gut wärmeleitende Materialien in Frage, die außerdem bei den auftretenden Temperaturen von 1 000 bis 1 500Kresistentgegendie lonenstrome aus der Entladung smd(W B Bndges,A N Chester, H S Malsted,J V Parker, lon Laser Plasmas/Prod ofthelEEE, May 1971,ρ 724-737) Wolfram und Graphit haben sich als geeignet erwiesen Da es sich hierbei um elektrische leitende Materialien handelt, müssen die entladungsbegrenzenden Elemente des Laserrohres in axialer Richtung auf kurzen Abstanden elektrisch isoliert unterbrochen werden, um die Entladung nicht kurzzuschließen (K B Hernquist, J R Fendley, lonstruction of long Lite Argon Lasers, IEEE J of Qu E V01 QE-3,2Feb 1967, ρ 66-72)

In solchen segmentierten Laserrohren werden die entladungsbegrenzenden Elemente von einem hochvakuumdichten Rohr aufgenommen, welches beispielsweise aus Quarz oder keramischem Material besteht (DD-WP 125459), JP-PS 57-206080, JP-PS 57-157 583, US-PS 4376328, US-PS 4378600)

Die Herstellung von solchen segmentierten Entladungsrohren ist sehr aufwendig und teuer, da Materialien mit hohen Maßhaltigkeitsanforderungen, spezielle Lote und komplizierte Herstellungstechnologien notwendig sind Solche Laserrohre müssen in den meisten Fallen wassergekühlt werden, damit die technologisch bedingten Einsatztemperaturen nicht überschritten werden

Bekannt geworden sind auch Laserrohre aus oxidierten, direkt geglühten Aluminiumsegmenten, die durch Dichtungsringe vakuumdicht miteinander verbunden wurden (GB-PS 2068162) Dieser Aufbau eignet sich jedoch nicht fur die Konstruktion von langlebigen Lasergeraten

Eine andere technische Losung fur Laserrohrwande wird durch den Einsatz einer Oxidkeramik, vorzugsweise Berylliumoxid, vorgeschlagen Die Segmentierung kann dabei wegen der guten Isolatoreigenschaften der Keramik entfallen Die Nachteile der BeO-Keramikentladungsrohre bestehen in der hohen Toxizitat der Keramik, in den daraus resultierenden strengen Verarbeitungs- und Recycling-Bestimmungen und in den hohen Materialkosten Andere Oxidkeramiken, wie AI₂O₃, scheiden wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit und den daraus resultierenden hohen Warmespannungen als Kanalmatenal fur lonenlaser mit langer Lebensdauer aus

Ziel der Erfindung ist es, ein Entladungsrohr für lonenlaser zu entwickeln, das aus nichttoxischem, dabei in der technologischen Bearbeitbarkeit wenig aufwendigem Material besteht.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen langzeitstabilen Edelgas-Ionenlaser vorzuschlagen, dessen Entladungskanal aus einer hochwarmeleitfähigen und sputterresistenten Keramik aufgebaut ist und deren Verarbeitung keine gesundheitlichen Gefährdungen hervorruft.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß unter Verwendung einer Kapillare oder im wesentlichen scheibenförmiger Elemente ein Entladungskanal aus Aluminiumnitrid (AIN) hergestellt wird. AIN hat eine Wärmeleitfähigkeit, die der des Berylliumoxids nahe kommt, ohne dessen Toxizität zu besitzen. Weiterhin kommt das Gefüge der AIN-Keramik der Sputterfestigkeit anderer Keramiken gleich. Die erfindungsgemäße Kanalgeometrie ist so optimiert, daß bei entsprechendem Belastungs-Längenverhältnis TEMoo-Strahlungsleistung erreicht wird. Die äußeren Abmessungen werden nach Gesichtspunkten einer optimalen Kühlung gestaltet.

Die Verbindung einzelner AIN-Segmente erfolgt in bekannter Weise durch Fügetechnologien, ebenso die Verbindung der Elektrodengefäße mit den Brewsterstutzen und dem durchgängigen oder aus Einzelteilen gefügten Entladungskanal. Die Entladungskapillare wird entsprechend der Entladungskonfiguration beidseitig zu den Elektroden hin trompetenförmig ausgeweitet.

Die Kühlung des Entladungsrohres kann wegen der guten Wärmeleitfähigkeit der AIN-Keramik direkt durch die Luft, für Laser höherer Ausgangsleistung auch durch Wasser erfolgen. Bei luftgekühlter Bauweise werden auf dem AIN-Entladungskanal lamellenförmige Kühlrippen aufgelötet oder in geeigneter Weise aufgeklemmt. Zum Ausgleich des axialen Druckgefälles zwischen Anoden- und Katodenraum werden innerhalb des Keramik-Kanalkörpers zusätzliche Bohrungen angebracht.

Ausführungsbeispiele

1. Das Entladungsrohr setzt sich zusammen aus den Baugruppen Entladungskanal 1 bestehend aus einer etwa 100 mm langen AIN-Keramikkapillare mit 15mm Durchmesser, wobei die mittige Bohrung 5 des Entladungskanals einen Durchmesser von etwa 1 mm aufweist und deren elektrodenseitigen Enden trompetenförmig aufgeweitet sind, dem Anodenraum 3, dem Katodenraum 2 und den Strahlaustrittsstutzen, die entweder als Brewsterstutzen 9 für die Außenspiegelvariante oder als Spiegelträger 11 in Fig. 2 und 3 für die Version als lonenspiegellaser ausgebildet sein können.

Um die Bohrung 5 des Entladungskanals sind konzentrisch und parallel mindestens zwei Gasrücklaufkanäie 7 zur Gewährleistung des Druckausgleiches während des Betriebes angeordnet.

Für den Betrieb als luftgekühlter lonenlaser geringerer Leistung wird eine gut wärmeleitende Kühlvorrichtung 8 in Form aufgeklemmter oder gelöteter Kupferrippen an dem Laserrohr befestigt, die die entstehende Verlustleistung als Wärme mit der Umgebung austauscht. Bei Lasern mit höherer Leistung wird das AIN-Rohr direkt vom Kühlwasser umströmt.

Ein axial angeordnetes Magnetfeld erhöht den Wirkungsgrad des Lasers.

2. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist das AIN-Rohr aus einzelnen Segmenten gefügt. Diese Fügestellen 4 sind vakuumdicht ausgeführt. Auch dieses Laserrohr wird in dem in Beispiel 1 aufgeführten Varianten eingesetzt.

Claims (8)

1 Entladungsrohrfur lonenlaser, bestehend aus Entladungskanal und Elektrodengefaßen, gekennzeichnet dadurch, daß der Entladungskanal aus Aluminiumnitrid besteht

2 Entladungsrohr nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Entladungskanal aus einem durchgangigen Aluminiumnitrid-Keramikrohr besteht.

3. Entladungsrohr nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Entladungskanal aus gefugten AIN-Segmenten besteht.

4. Entladungsrohr nach Anspruch 1 und 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Entladungskanal vorzugsweise beiderseits an den Enden trompetenformig aufgeweitet ist.

5. Entladungsrohr nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß es fur den Gasrucklauf mindestens zwei zusätzliche, parallel und zentrisch um den Entladungskanal angeordnete Bohrungen aufweist mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der des Entladungskanals.

6. Entladungskanal nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß an dem Entladungskanal eine rohrformige Anode gefugt ist.

7 Entladungsrohr nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß es mit einem äußeren,

vorzugsweise axial ausgerichteten Magnetfeld ausgestattet ist.

8. Entladungsrohr nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß an die Rohrenden Spiegel angefugt sind.