DE2002374A1

DE2002374A1 - Gasentladungsroehre fuer einen Laser

Info

Publication number: DE2002374A1
Application number: DE19702002374
Authority: DE
Inventors: Fendley Jun James Robert
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1969-01-27
Filing date: 1970-01-20
Publication date: 1970-07-30
Also published as: US3611183A; FR2029499A1; GB1284864A

Description

6849-69/Dr.v.B/Ro.
RCA 61,184

US-Ser.No. 793,935 '
Piled: January .27, 1969

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St..A.)

Gasentladungsröhre für einen Laser.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasentladungsröhre , für einen Laser und dgl., mit einem.rohrförmigen Bauteil, das ein bei Anregung durch eine Gasentladung Strahlung emittierendes Gas ' enthält, ferner mit optischen Bauteilen, die bei den Enden des • rohrförmigen Bauteils angeordnet sind, in Berührung mit dem Gas [ stehen und.die auffallende Strahlung in bestimmter Weise beeinj flüssen, einer Kathodenanordnung, die in der Nähe mindestens eine; ; Endes des rohrförmigen Bauteils in diesem angeordnet ist, und [ einer Anodenanordnung. .

Die derzeitige.Entwicklung der Lasertechnik geht in Richtung auf Hochleistungs-Gaslaser, d.h. Gaslaser mit einer Ausgangsj leistung über 10 Watt. Die bekannten Laser haben jedoch bei Aus-

; gangsleistungen dieser Größenordnung eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer, was u.a. darauf zurückzuführen ist, daß sich auf den j in der Nähe der Anode befindlichen Flächen in der Gasentladungsröhre Verunreinigungen niederschlagen. Bei den bekannten Gas-

i lasern ist die Anode der Laserröhre in der Nähe eines der optisehen Bauteile oder Elemente des Gaslasers, z.B, eines Brewster-Fensters oder eines Innenspiegels, angeordnet. Die Oberfläche des in der Nähe der Anode befindlichen optischen Bauteils wird dabei durch einen Niederschlag verunreinigt, der die Lebensdauer der I Gasentladungsröhre herabsetzt.

Der vorliegenden,. Er findung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden Und,eine Gasentladungsröhre neuartiger Konstruktion anzugeben, bei der die in der Röhre angeordneten

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optischen Bauteile nicht oder nur unwesentlich verschmutzen. ·

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine neue Anordnung der Anode, Kathode und optischen Elemente erreicht, bei der die Anode in erheblichem Abstand von den optischen Elementen zwischen diesen angeordnet ist.

Gemäß der Erfindung weist die Gasentladungsröhre also ein rohrförmiges Bauteil mit zwei Enden auf. Innerhalb des rohrförmigen Bauteils befindet sich ein Gas, das bei Anregung durch eine Gasentladung optische Strahlung emittiert. Bei den Enden des rohrförmigen Bauteils ist jeweils ein optisches Bauteil angeordnet, i das in Berührung mit dem Gas steht und die auffallende optische Strahlung (Licht)/kestimmter Weise beeinflußt. In erheblichem Abstand von den optischen Bauteilen und zwischen diesen ist eine Anodenanordnung vorgesehen. In der Nähe mindestens eines der Enden befindet sich in der Röhre eine Kathodenanordnung. Im Betrieb ist mit den Anoden- und Kathodenanordnungen eine Leistungsquelle zur Erregung der Röhre verbunden.

Bei einer Ausführungsform der Gasentladungsröhre gemäß der Erfindung ist die Anodenanordnung im rohrförmigen Bauteil in der Mitte zwischen dessen Enden angeordnet. Bei einer anderen Ausführungsform besteht das rohrförmige Bauteil aus drei mit den Enden verbundenen Rohrabschnitten. Der mittlere Rohrabschnitt kann dabei aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff bestehen und mit mindestens einem Anodenzylinder gekoppelt sein, der im rohrförmigen Bauteil in der Nähe des mittleren Rohrabschnittes angeordnet ist und mit diesem die Anodenanordnung bildet.

Bei der angegebenen Konstruktion schlagen sich die Verunreinigungen in der Nähe der Anodenanordnung nur auf dem rohrförmigen Bauteil und nicht auf den optischen Bauteilen nieder. Die Lebensdauer der Gasentladungsröhre und damit des zugehörigen Lasers ist dementsprechend wesentlich größer als bei den bekannten Konstruk- \ tionen. i

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung bei- : spielsweise näher erläutert. Ea zeigen: ■

Pig. 1 eine schematische Darstellung eines AusfUhrungsbei- j

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spieles einer Gas ent ladungsröhre gemäß der Erfindung j

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansient eines Lasers mit einer (Jasentladungsröhre gemäß einem Aüsführuiigsbeispiel der

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Erfindung ,.und

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Anoden-; bereiches einer Gasentladungsröhre gemäß einem Äusführungsbeispiel der Erfindung für einen Laser.

Die in Fig. 1 dargestellte Gasentladungsröhre 10 ist an den ■ entgegengesetzten Enden jeweils tfiit einem Brewster-Fenster 12 bzw. 14 versehen. Am einen Ende der Bohre befindet sich in der Nähe des Fensters 12 eine erste Kathode 16 und eine zweite Kathode 18 ist beim entgegengesetzten Ende in der Nähe des Fensters 14 angeordnet. Diese Kathoden sind miteinander verbunden und an die negative Klemme einer Gleichspannungsquelle 20 angeschlossen. Zwischen den beiden Fenstern und in erheblichem Abstand von diesen ist in der Röhre 10 eine Anode 1? vorgesehen* die an die posi-f tive Klemme der Gleichspannungsquelle 20 angeschlossen 1st.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Äusführungsbeispiel enthält die Gasentladungsröhre 10 ein rohrförmiges Kölbenteil 48> dessen Enden 58 und 60 einen Abstand von z.B. etwa 2,45 m haben können. Mit den Enden des rohrförmigen Kolbenteils 48 sihä· Brewster-Fenster 12 bzw. 1.4 verbunden. Das röhrförmige Bauteil 48 bildet ' mit den Fenstern 12 und l4 eine vakuumdichte Kammer» Das röhrförmige Bauteil 48 ist mit einem aus zwei Teilen 36 und 4-0 bestehenden Kühlmantel umgeben. Die beiden Teile des Kühlmantels ^; sind ihrerseits jeweils in einer Spule 38 bzw» 42 angeordnet. Diese. Spulen dienen zum Erzeugen von axialen Magnetfeldern in der;Röhre, die die Ausgangsleistung erhöhen. In der Röhre sind 1 Graphitseheiben 28 angeordnet, die das Plasma begrenzen und den Beschüß der Röhrenwandung durch Ionen verringern, wodurch die Lebensdauer der Röhre erheblich verlängert wird.

Beim Ende 58 ist in der Nähe des Fensters 12 eine Ringkathode 16 angeordnet« Die Kathode 16 ist mit einer Heizwendel 50 um- ". geben, deren. Anschlußdrähte mit 44 und 46 bezeichnet sind. Der 1 Anschlußdraht 44 ist mit der Kathode 16 leitend verbunden. Dje Anschlußdrähte '44 ün'd 46 bilden auch die mechanische Halterung

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der- Kathode 16.

Am entgegengesetzten Ende 60 ist in der Nähe des Fensters 14 eine entsprechende Kathode angeordnet, die einen Kathodenring

j 18, eine Heizwendel 22 sowie Zuführungs- und Halterungsdrähte 24, 26 aufweist.

Wenigstens annähernd in der Mitte zwischen den Enden 58 und j 60 ist eine Anode 34 angeordnet, die· einen dementsprechend großen j Abstand von den optischen Bauteilen, also den Penstern 12 und 14 hat.

Die im Zusammenhang mit der Erfindung erwähnten optischen Bauteile, wie Brewster-Fenster oder Innenspiegel des Lasers, beeinflussen die auffallende Strahlung in bestimmter Weise, d.h. sie haben eine gewisse Fähigkeit, das auffallende Licht durchzulassen oder zu reflektieren. Diese Eigenschaften werden beeinträchtigt, wenn sich auf der Oberfläche der optischen Bauteile Verunreinigungen niederschlagen, da diese Licht absorbieren und/ oder streuen. Diese Beeinträchtigung der Eigenschaften der optischen Bauteile verkürzt das Leben von Gaslasern hoher Leistung. Bei der beschriebenen Anordnung wird dieser Nachteil jedoch dadurch vermieden, daß die Anode aus der Nähe der optischen Bauteile entfernt wird. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel hat die Anode einen Abstand von etwa 1,2 m von den optischen Bauteilen. Verunreinigungen, die in der Nähe der Anode entstehen, schlagen sicfr daher in unschädlicher Entfernung von den optischen Bauteilen nieder.

Bei der Gasentladungsröhre gemäß Fig. 2 kann die Anode aus einem länglichen Graphitzylinder mit einer Bohrung 3I bestehen. Selbstverständlich kann die Anode auch aus anderen elektrisch leitenden Werkstoffen hergestellt werden. Die Bohrung 3I verläuft konzentrisch zur Längsachse durch die Anode 54 und bildet zusammen mit anderen Elementen in der Röhre einen optischen Weg zwi- ! sehen den Fenstern 12 und 14. Der Anschluß der Anode 34 an die Gleichspannungsquelle 20 wird durch einen Anschlußtstift 32 erleichtert. Das rohrförmige Bauteil 48 weist wie üblich einen Anschlußstutzen 30 für einen nicht dargestellten Gasbehälter auf. Die Röhre 48 wird normalerweise mit einem Edelgas, wie Argon, ge-

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füllt.

Bei den Enden 58 und 6O der Gasentladungsröhre 10 sind äußere Spiegel 52 und 54 angeordnet, die in bekannter Weise einen 1 optischen Resonator bilden. Anstelle der äußeren Spiegel und der ! Brewster-Fenster können auch Innenspiegel verwendet werden. Die

Kathodenanschlußleitungen 26 und 44 werden im Betrieb mit der j Gleichspannungsquelle 20 (Pig, l) verbunden.

j - Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3

dargestellt. Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich

j von der gemäß Fig. 2 im Anodenbereich, in Fig. 3 ist daher auch nur dieser Bereich dargestellt. Der Rest der Röhre und des .Lasers sind gemäß Fig. 1 und 2 ausgebildet.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 besteht das rohrförmige Bauteil; aus drei Rohrabschnitten 37, 45 und 47, Die Rohrabschnitte 45 und 47 können im wesentlichen gleich sein. Der dritte Rohrabschnitt 37 besteht aus einem gewellten Metallrohr, das in Axialrichtung elastisch verformbar ist. Der Rohrabschnitt 37 kann wesentlich kürzer sein als die Abschnitte 45 und 47. Die Länge der Abschnitte 45 und 47 kann z.B. jeweils etwa 1,2 m betragen während der Abschnitt 37 nur eine Länge von wenigen Vielfachen von 2,5 cm hat. Der Rohrabschnitt 37 kann ungefähr den gleichen Durchmesser wie die Abschnitte -45 und 47 aufweisen, dies ist jedoch nicht notwendig. Die beiden Enden desRohrabschnitts 37 sind vakuumdicht mit den angrenzenden Enden der Rohrabschnitte 45 und 47 verbunden. Die drei Rohrabschnitte 45-37-47 bilden also einen rohrförmigen Kolben, der an den Enden Fenster aufweisen kann, wie es in Fig, 2 dargestellt ist. Der aus einem Wellrohr bestehende Abschnitt 37 ist biegsam, so daß die Abschnitte 45 und 47 axial zum Fluchten gebracht werden können und der Strahlengang zwischen den anderen Enden der Abschnitte 45 und 47 (entsprechend den Enden 58 und 60 in Fig. 2) axial genau justiert werden kann. Da bei Gaslasern hoher Leistung häufig ziemlich lange Gasentladungsröhren verwendet werden, ist es zweckmäßig/ die Gasentladungsröhre aus Abschnitten aufzubauen und diese später erst auszurichten und zu Justieren. ^

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Der Abschnitt 37 liegt im wesentlichen in der Mitte zwischen den in Fig. 3 dargestellten äußeren Enden der Rohrabschnitte 45 und 47.

Die Anode besteht aus einem länglichen Zylinder 35 im Abschnitt 45 und einem entsprechenden Zylinder 39 im Abschnitt 47. Die Zylinder 35 und 39 sind beide in der Nähe des mittleren Abschnittes 37 und damit in erheblicher Entfernung von den Brewster-Penstern 12 und 14 (Fig. 2) angeordnet. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind die Anodenzylinder z.B. jeweils etwa 1,2 m von jedem der Brewster-Fenster entfernt. Die Anordnung der Anode, Kathode und optischen Bauteile ist also bei Fig. 2 und 3 prinzipiell gleich. ''

Die Anodenzylinder 35 und 39 (Fig. 3) bestehen vorzugsweise ^: aus Graphit und haben eine in der Längsachse verlaufende Bohrung 31. Der mittlere Rohrabschnitt 37 weist einen Gaseinlaßstutzen 29 auf. Die Rohrabschnitte 45 und 47 der in Fig. 3 dargestellten ; Röhre können wie das rohrförmige Bauteil 48 (Fig. 2) aus Quarz bestehen.

Die Anodenzylinder 35 und 39 sind durch Leiter 43 elektrisch mit dem aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff bestehenden j Rohrabschnitt 37 verbunden, welcher eine Anschlußklemme 33 zum Anschluß an die GIeichspannungsquelle 20 (Fig. l) aufweist.

Wie aus den Fig. 2 und 3 ohne weiteres ersichtlich ist, sind_t die Fenster 12 und 14 an den Enden der Gasentladungsröhre 10 sehr weit vom Bereich der in der Mitte angeordneten Anode entfernt, wenn die Rohrabschnitte 45 und 47 eine erhebliche Länge, z.B. jeweils 1,2 m, im Vergleich zur Länge des Abschnittes 37 aufweisen bzw. das rohrförmige Bauteil 48 in Fig. 2 etwa 2,4 m lang ist. Die optischen Bauteile sind dabei jeweils ein Vielfaches von 30 cm von der Anode entfernt im Gegensatz zu den bekannten Laser-; röhren bei den dieser Abstand höchstens ein kleines Vielfaches von 2,5 cm betrug. Verunreinigungen, die sich in der NShe der Anode niederschlagen, setzen sich also unschädlich in größerem Abstand von den optischen Bauteilen, wie den Penstern 12 und 14, auf der kalten Rohrwandung ab·

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Durch die oben beschriebene Konstruktion wird die Lebensdauer der Fenster (oder anderer optischer Bauteile) irä Vergleich zum Stand der Technik bei einer Laserröhre oder einer anderen ' Gasentladungsröhre erheblich verlängert.

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Claims

Patentansprüche

Γΐ.))Gasentladungsröhre für einen Laser, mit einem rohrförmigen Bauteil, das ein bei Anregung durch eine Gasentladung optische Strahlung emittierendes Gas enthält, ferner mit optischen Bauteilen, die bei den Enden des rohrförmigen Bauteils angeordnet sind, in Berührung mit dem Gas stehen und die auffallende Strahlung in bestimmter Weise beeinflussen, einer Kathodenanordnung, die in der Nähe mindestens eines Endes des rohrförmigen Bauteils in diesem angeordnet ist, und einer Anodenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenanordnung (17; 34; 35, 37', 39) in erheblichem Abstand von den optischen Elementen (12, 14) zwischen diesen angeordnet ist.

2.) Gasentladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenanordnung im wesentlichen in der Mitte zwischen den beiden Enden (58* 6o) des rohrförmigen Bauteils (10) angeordnet ist.

3.) Gasentladungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet , daß die Anodenanordnung einen Zylinder (34 oder 34 oder 39) mit einer in der Zylinderachse verlaufenden Längsbohrung (31) enthält, wobei zumindest die Innenfläche der Bohrung und mindestens ein Ende des Zylinders aus einem elektrisch leitenden Werkstoff bestehen und die Anodenanordnung im rohrförmigen Bauteil angeordnet ist.

4.) Gasentladungsröhre nach Anspruch 1, 2 oder 3* dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Bauteil drei Rohrabschnitte (45, 37, 47) enthält, von denen die Enden des zweiten Rohrabschnitts (37) mit jeweils einem Ende des ersten und dritten Rohrabschnitts (45, 47) unter Bildung eines zusammenhängenden rohrförmigen Bauteils verbunden sind, und daß der zweite Rohrabschnitt (37) flexibel ist.

5.) Gasentladungsröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode mindestens einen Zylinder (35 oder 39) enthält, der eine Axialbohrung aufweist und in der Nähe des zweiten Rohrabschnittes (37) angeordnet ist, wobei

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die Wand der Bohrung urid mindestens ein Ende des Zylinders aus einem elektrisch leitenden Material bestehen.

: 6.) Gasentladungsröhre nach Anspruch 5j dadurch ' g e ken. η ζ e i chnet , daß der zweite Rohrabschnitt (37) einem elektrisch gut leitenden Werkstoff besteht und elektrisch mit dem Zylinder (35 oder 39) verbunden ist.

7.) Gasentladungsröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c hη e t , daß die optischen Bauteile aus zwei-Penstern (12, 14) bestehen, die für die emittierte optische Strahlung durchlässig sind.

8.) Gasentladungsröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenanordnung" mindestens zwei elektrisch miteinander verbundene Kathoden (16, 18 y_z enthält.

' 9.) Gasentladungsröhre nach Anspruch 8, dadurch g e : k e η η ζ e i chnet , daß die Kathoden (16, 18) jeweils in

der Nähe eines Endes (58, 60) des rohrförmigen Bauteils (48) ah- ; geordnet sind.

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