DE10325512A1

DE10325512A1 - Gaslaseranordnung

Info

Publication number: DE10325512A1
Application number: DE2003125512
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr. Koch; Günter Dr. Kornfeld
Original assignee: Thales Electron Devices GmbH
Current assignee: Thales Electron Devices GmbH
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2005-01-05

Abstract

Für eine Gaslaseranordnung, insbesondere einen Edelgas-Ionenlaser, wird ein vorteilhafter Magnetfeldverlauf mit wenigstens einem Abschnitt hoher Impedanz für den Elektronenstrom zwischen in Längsrichtung beabstandeten Elektroden im Gasraum angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gaslaseranordnung.
Gaslaseranordnungen sind insbesondere gebräuchlich mit Edelgasen, beispielsweise Argon als Arbeitsgas. Das typischerweise mit einem Druck im Bereich von 10^–2 mbar bis 1 mbar im Gasraum vorliegende Arbeitsgas wird durch Stöße mit beschleunigten Elektronen angeregt. Hierfür sind in Längsrichtung beabstandet eine Kathode und eine Anode eines Elektrodensystems im Gasraum angeordnet. Zur Konzentration der von der Kathode zur Anode durch den Gasraum fließenden anregenden Elektronen im Bereich der durch eine Resonator-Spiegelanordnung bestimmten Strahlachse ist es bekannt, im Gasraum ein zur Strahlachse paralleles statisches Magnetfeld zu erzeugen, beispielsweise mittels einer Magnetanordnung mit Permanentmagneten und/oder Magnetspulen. Derartige Gaslaseranordnungen sind seit langem gebräuchlich.
Abweichend vom typischerweise in Längsrichtung zwischen den Elektroden im Gasraum homogenen zur Längsrichtung parallelen Verlauf des Magnetfelds ist in der DE 37 82 215 T2 ein in Längsrichtung welliger Verlauf vorgeschlagen, mittels dessen heißere und kältere Bereiche des Plasmas um die Strahlachse vermischt und thermale Instabilitäten vermieden werden. Zur Erzeugung des welligen Verlaufs können Permanentmagnetringe oder ein modulierter Spulenstrom eingesetzt sein.
Die bekannten Gaslaseranordnungen sind insbesondere durch den Aufwand zur Abfuhr von Verlustwärme aufwendig und teuer.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gaslaseranordnung mit bei vergleichbarer optischer Leistung verringertem Kühlleistungsbedarf anzugeben.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Während bei herkömmlichen Gaslaseranordnungen mit magnetischer Konzentration der zwischen den in Längsrichtung beabstandeten Elektroden fließende Elektronenstrom durch ein im wesentlichen homogenes Magnetfeld, welches allenfalls zur Durchmischung thermale unterschiedlicher Bereiche in Längsrichtung gewellt sein kann, im Bereich der Strahlachse konzentriert wird, wird nach der vorliegenden Erfindung gezielt ein Abschnitt mit für den Elektronenstrom hoher Impedanz in Form des Magnetfeldabschnitts erster Art eingefügt, in welchem die magnetische Feldrichtung im Gasraum überwiegend senkrecht zur Feldrichtung verläuft. Überraschenderweise zeigt sich, dass durch den Magnetfeldabschnitt erster Art mit der überwiegend senkrecht zur Längsrichtung verlaufenden Feldrichtung bei vergleichbarer mittlerer Dichte angeregten Arbeitsgases bei der Strahlachse der Elektronenfluss als maßgeblicher Strom zwischen den beabstandeten Elektroden wesentlich geringer ist. Dadurch wird die primär aus Elektrodenfluss und Potentialdifferenz zwischen den Elektroden bestimmte Verlustleistung im Gasraum und somit auch die erforderliche Kühlleistung zur Abführung der Verlustleistung erheblich reduziert. Im Bereich des Magnetfeld-Abschnitts erster Art tritt vorteilhafterweise ein Ringstrom um die Strahlachse auf, welcher dem Betrag nach den Kathoden-Anodenstrom um mehrere Zehnerpotenzen übertreffen kann und dadurch einen hohen Beitrag zur Anregung des Arbeitsgases leistet.
Das Magnetfeld ist in an sich üblicher Weise im wesentlichen statisch und drehsymmetrisch um die Strahlachse. Die Erzeugung einer Feldform nach Art des ersten Abschnitts ist dem Fachmann an sich bekannt. Vorzugsweise ist zwischen sich in Längsrichtung gegenüberstehende gleichsinnige Pole einer mehrteiligen Magnetanordnung ein Polschuh aus weichmagnetischem Material eingefügt. Die Magnetanordnung enthält vorteilhafterweise Permanentmagnete.
Das Magnetfeld weist vorteilhafterweise im Bereich des Magnetfeldabschnitts erster Art innerhalb des Gasraumes einen Maximalwert der radialen magnetischen Induktion Br von wenigstens Br=0,01 T (Tesla), insbesondere wenigstens Br=0,05T, vorzugsweise wenigstens Br=0,2T auf. Das Magnetfeld zeigt dabei auch einen starken radialen Feldgradienten dBr/dr (mit r als radiale Koordinate von der Strahlachse aus), dessen Maximalwert innerhalb des Gasraums bei wenigstens 0,01 T/cm, insbesondere wenigstens 0,05T/cm, vorzugsweise wenigstens 0,2 T/cm liegt. Ein hoher Betrag des radialen Feldgradienten begünstigt eine radiale Beschränkung des im Magnetfeld-Abschnitts erster Art auftretenden Ringstroms, so dass Stöße von Elektronen mit der Wand gering gehalten werden können.
Im Bereich des Magnetfeld-Abschnitts erster Art tritt vorteilhaft ein Gradient dBz/dz (mit z als achsiale Koordinate entlang der Strahlachse) der achsialen Komponente BZ der magnetischen Induktion auf, welcher auf der Strahlachse einen maximalen Betragswert von wenigstens 0,05 T/cm, insbesondere wenigstens 0,05 T/cm, vorzugsweise wenigstens 0,2 T/cm erreicht.
Vorteilhafterweise weist das Magnetfeld in Längsrichtung gegen den Abschnitt erster Art versetzt wenigstens einen Abschnitt zweiter Art auf, in welchem das Magnetfeld innerhalb des Gasraums überwiegend parallel zur Längsrichtung verläuft. Vorzugsweise ist je ein Abschnitt zweiter Art in Längsrichtung zu bei den Seiten dem Abschnitt erster Art benachbart, bzw. ein Abschnitt erster Art zwischen zwei Abschnitten zweiter Art eingeschlossen. Das Magnetfeld weist dabei auf der Strahlachse SA einen Betragswert der achsparallelen Komponente der magnetischen Induktion BZ auf, der wenigstens 0,01 T, insbesondere wenigstens 0,05 T, vorzugsweise wenigstens 0,2 T beträgt.
Besonders vorteilhaft ist eine mehrstufige Magnetanordnung mit einem Magnetfeld im Gasraum, welches zwischen den in Längsrichtung beabstandeten Elektroden mehrere Abschnitte erster Art und mehrere Abschnitte zweiter Art in alternierender Folge aufweist. Die genannten Bereichsgrenzen für die magnetische Induktion bzw. deren Gradienten sind dabei in wenigstens einem der Abschnitte erster bzw. zweiter Art erfüllt.
Die Magnetanordnung ist vorteilhafterweise außerhalb des Gasraums angeordnet und umgibt diesen in an sich bekannter Weise ringförmig bzw. rohrförmig. Die den Gasraum seitlich begrenzende Wand ist vorzugsweise aus dielektrischem Material. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die den Gasraum quer zur Längsrichtung begrenzende Wand so geformt, dass der Durchmesser des Gasraums im Bereich eines Abschnitts erster Art größer ist als in einem daran in Längsrichtung angrenzenden Abschnitt.
Die Elektrodenanordnung kann zusätzlich zu Anode und Kathode in Zwischenelektroden auf vorgebbaren oder auf sich gleitend einstellenden Zwischenpotentialen aufweisen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:
1 ein Schnittbild durch eine Laseranordnung in Seitenansicht,
2 einen Ausschnitt mit Detaildarstellung des Magnetfeldverlaufs,
3 eine Weiterbildung mit feldangepasstem Wandverlauf,
4 eine Ausführung mit Zwischenelektroden.
Bei der in 1 schematisch dargestellten Gaslaseranordnung ist in an sich bekannter und mit gebräuchlichen Anordnungen übereinstimmender Weise ein Resonatorraum in Längsrichtung LR durch zwei Reflektoren RE1, RE2 begrenzt. Die Reflektoren bestimmen durch ihre Form und Anordnung eine optische Strahlachse SA, welche mit der z-Richtung eines polaren Koordinatensystems r, z zusammenfalle. Der Reflektor RE2 ist teildurchlässig, um einen Laserstrahl LS anzukoppeln. Zwischen den Reflektoren ist ein abgeschlossener Gasraum GR in Form z. B. eines dielektrischen Rohres RO mit schräg stehenden Austrittsfenstern FE angeordnet, in welchem sich ein Arbeitsgas, insbesondere ein Edelgas, vorzugsweise Argon, als Lasermedium mit einem Gasdruck im Bereich zwischen 10^–3 mbar und 100 mbar, insbesondere zwischen 10^–2 mbar und 10 mbar befindet. Eine Elektrodenanordnung mit in Längsrichtungen voneinander beabstandeten Elektroden Anode AN und Kathode KA erzeugt ein statisches elektrisches Feld mit im wesentlichen zur Längsrichtung paralleler Feldrichtung und bewirkt einen Elektronenfluss in der Richtung von Kathode zur Anode und eine entgegen gesetzte Bewegung von durch Stoßionisation erzeugten positiv geladenen Gasionen. Elektronen und Ionen bilden ein Plasma PL, welches durch eine um das Rohr RO angeordnete Magnetanordnung in einem Bereich um die Strahlachse konzentriert werden kann. Magnetanordnung und damit im Gasraum erzeugtes Magnetfeld sind im wesentlichen drehsymmetrisch um die Strahlachse SA, so dass die Winkelkoordinate des Koordinatensystems nicht weiter behandelt ist.
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist die Form des von der Magnetanordnung im Gasraum erzeugten Magnetfelds, welche anhand charakteristischer Feldlinienverläufe in 2 schematisch dargestellt und erläutert ist.
Wesentlicher Teil des Magnetfelds ist wenigstens ein, vorzugsweise mehrere Magnetfeldabschnitte erster Art in Längsrichtung LR, welche z. B. mit A1_N, A_1N+1 bezeichnet sind. Ein solcher Magnetfeldabschnitt erster Art ist dadurch charakterisiert, dass die Feldrichtung des Magnetfelds MF überwiegend senkrecht zur Strahlachse SA verläuft, d. h., dass die bezüglich der Strahlachse radiale Feldkomponente des Magnetfeld die zur Strahlachse parallele Feldkomponente überwiegt. Der Magnetfeldabschnitt erster Art bildet für den Strom in Längsrichtung bewegter und durch das statische elektrische Feld im Gasraum in Richtung der Anode beschleunigter Elektronen eine erhöhte Impedanz, so dass sich bei vergleichbarer optischer Laserleistung ein gegenüber gebräuchlichen Anordnungen erheblich reduzierter Kathoden-Anoden-Strom einstellt. Durch die Ausbildung des Magnetfelds entsteht im Magnetfeld-Abschnitt erster Art ein starker Ringstrom um die Strahlachse.
Vorzugsweise befinden sich in Längsrichtung LR zu beiden Seiten eines Magnetfeldabschnitts erster Art Magnetfeldabschnitte zweiter Art, welche mit A2_N, A2_N+1,... bezeichnet sind und dadurch charakterisiert sind, dass die Magnetfeldrichtung im Gasraum überwiegend parallel zur Strahlachse verläuft, d. h. dass die zur Strahlachse parallele Magnetfeldkomponente die radiale Feldkomponente überwiegt. Die Magnetfeldabschnitte erster und zweiter Art folgen in Längsrichtung alternierend aufeinander und können unmittelbar aneinander anschließend oder, wie im skizzierten Beispiel zur klareren Unterscheidung als beabstandet angenommen werden.
Die in 2 teilweise mit Richtungspfeilen versehenen Magnetfeldlinien verdeutlichen auch ein weiteres vorteilhaftes Charakteristikum des Feldverlaufs, wonach die zur Strahlachse parallelen Feldkomponenten beidseitig eines Abschnitts erster Art entgegen gesetzt gerichtet sind. Bezüglich vorteilhafter oder bevorzugter Werte der radialen Komponente Br bzw. der achsialen Komponente Bz magnetischen Induktion wird auf die bereits gemachten Ausführungen verwiesen.
Mit der in 1 skizzierten Magnetanordnung mit mehreren in Längsrichtung mit alternierend entgegen gesetzter Polung aufeinanderfolgenden Permanentmagnetringen ergibt sich im Gasraum ein mehrstufiges Magnetfeld mit abwechselnd Magnetfeldabschnitten erster Art A1_N, A1_N+1,... und Magnetfeldabschnitten zweiter Art A2_N, A2_N+1,... und eine in 1 schematisch skizzierte Verteilung des Plasmas PL um die Strahlachse SA. Die Permanentmagnetringe PM sind im wesentlichen parallel zur Längsrichtung polarisiert. Zwischen benachbarten Magnetringen sind weichmagnetische Polschuhringe PS angeordnet. Die Permanentmagnetringe können auch durch stromdurchflossene Magnetspulen ersetzt sein. Permanentmagnete sind jedoch wegen des geringen Bauvolumens und des Wegfalls einer Magnetstromeinspeisung, welche auch wiederum den Kühlaufwand erhöht, bevorzugt.
In 3 ist eine bevorzugte Weiterbildung skizziert, bei welcher die den Gasraum quer zur Längsrichtung begrenzende Rohrinnenwand in Längsrichtung LR so strukturiert ist, dass im Bereich eines Magnetfeldabschnittes erster Art mit D1 ein größerer lichter Durchmesser des Gasraums vorliegt als mit D2 in in Längsrichtung benachbarten Bereichen, insbesondere in Bereichen von Ma gnetfeldabschnitten zweiter Art. Die Variierung des lichten Durchmessers in Längsrichtung kann wie skizziert durch Variieren der Wandstärke des Rohrs oder in anderer Ausführung durch korrespondierenden Verlauf von Außen- und Innenfläche der Rohrwand bei im wesentlichen konstanter Wandstärke realisiert sein. Vorzugsweise ist D1>1,2 D2, insbesondere D1>1,4 D2.
Bei der in 4 nach Art der 1 skizzierten Anordnung sind zwischen Anode AN und Kathode KA mehrere Zwischenelektroden ZE_N, ZE_N+1,... vorgesehen. Die Zwischenelektroden können auf vorgebbaren Zwischenpotentialen oder wie skizziert innerhalb des Gasraums voneinander isoliert auf sich selbsttätig einstellenden gleitender Potentialen liegen. Die Elektroden können wie skizziert zugleich die zu 3 beschriebene Variation des lichten Durchmessers des Gasraums bewirken.
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.

Claims

Gaslaseranordnung mit – einer Reflektoranordnung, welche einen Resonatorraum begrenzt und in diesem eine Strahlachse in einer Längsrichtung als Strahlrichtung eines Laserstrahls definiert, – einem innerhalb des Resonatorraums liegenden Gasraum mit einem Arbeitsgas, – einer Elektrodenanordnung innerhalb des Gasraums, welche eine elektrische Potentialdifferenz zwischen wenigstens zwei in Längsrichtung beabstandeten Elektroden erzeugt, – einer Magnetanordnung, welche ein Magnetfeld im Gasraum erzeugt, welches in Längsrichtung zwischen den zwei beabstandeten Elektroden wenigstens einen Magnetfeldabschnitt erster Art mit überwiegend senkrecht zur Längsrichtung verlaufender Feldrichtung aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Längsrichtung parallelen Feldkomponenten des magnetischen Felds beidseitig des Abschnitts erster Art entgegen gesetzt gerichtet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert der radialen Komponente Br der magnetischen Induktion im Abschnitt erster Art innerhalb des Gasraums wenigstens 0,01 T, insbesondere wenigstens 0,05 T, vorzugsweise wenigstens 0,2 T beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert des Feldgradienten dBr/dr der radialen Komponente Br der magnetischen Induktion im Abschnitt erster Art innerhalb des Gasraums wenigstens 0,01 T/cm, insbesondere wenigstens 0,05 T/cm, vorzugsweise wenigstens 0,2 T/cm beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert des Feldgradienten dBz/dz der achsialen Komponente Bz der magnetischen Induktion im Abschnitt erster Art auf der Strahlachse wenigstens 0,01 T/cm, insbesondere 0,05 T/cm, vorzugsweise wenigstens 0,2 T/cm beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld zwischen den beiden Elektroden wenigstens einen Magnetfeldabschnitt zweiter Art mit überwiegend zur Längsrichtung parallelem Feldverlauf aufweist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert der achsialen Komponente Bz der magnetischen Induktion auf der Strahlachse in einem Abschnitt zweiter Art wenigstens 0,01 T, insbesondere wenigstens 0,05 T, vorzugsweise wenigstens 0,2 T beträgt.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld zwischen den beiden Elektroden mehrere Abschnitte erster und zweiter Art in in Längsrichtung alternierender Folge aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldanordnung Permanentmagnetringe enthält.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass weichmagnetische Polschuhringe zwischen in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Permanentmagnetringen angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung außerhalb des Gasraums angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die den Gasraum zwischen den Elektroden seitlich begrenzende Wand aus dielektrischem Material besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dass die Elektrodenanordnung in Längsrichtung zwischen Kathode und Anode weitere Zwischenelektroden aufweist.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenelektroden innerhalb des Gasraums angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenelektroden elektrisch isoliert auf gleitenden Zwischenpotentialen liegen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Gasraums in Längsrichtung in der Art variiert, dass der Durchmesser in einem Abschnitt erster Art größer ist als in angrenzenden Abschnitten.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck im Gasraum zwischen 10^–3 mbar und 100 mbar, insbesondere zwischen 10^–2 mbar und 10 mbar liegt.