DE2354341A1 - Gaslaser - Google Patents
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Description
US-Ser.No. 301,894 · '
und 335,820
AT: 30. Oktober 1972
Massachusetts Institute of Technology 77 Massachusetts Avenue, Cainbi^icLcje, Mass. (V.St.A.)
Gaslaser
Die vorliegende Erfindung betrifft Gaslaser (und.zwar sowohl Laser-Oszillatoren als auch nicht selbstschwingende
Laser-Verstärker) mit einem Gas, das einen laserfähigen, stimulierbaren Bestandteil enthält, ferner mit einer
eine Lichtquelle zur Photoionisation des Gases und eine elektrische
Anordnung zum Anlegen einer Spannung an das Gas enthaltenden Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas im Gas, dessen
Temperatur ausreicht, um den stimulierbaren Bestandteil in den laseraktiven Zustand zu bringen.
Es ist bekannt, laserfähige (stimulierbare) Gase dadurch in den laseraktiven (stimuliert emittierenden)
Zustand' zu bringen, daß man an das Gas ein elektrisches Feld anlegt, dessen Feldstärke ausreicht, um eine selbständige Gasentladung
(Lawinendurchbruch) zu erzeugen, wobei ein Plasma entsteht, das so weit erhitzt wird (d.h. dessen mittlere Elek-
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tronentemperatur soweit erhöht wird) daß das Gas auf sein Laserniveau
gebracht ("gepumpt") wird. Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, daß bei gepulsten Gaslasern die Gleichförmigkeit
der Entladung verbessert und Durchschläge vermieden werden können, wenn man in einer Ililfsentladung schon vor
dem Durchgang des Hauptstromimpulses eine Ionisation erzeugt. Die Vorionisation kann z.B. mittels eines Elektronenstrahles
erfolgen, wie von Garnsworthy und Mitarbeitern in der Veröffentlichung "Atmospheric-Pressure Pulsed CO„ Laser Utilizing
Preionization by High-Energy Electrons" in der Zeitschrift Applied Physics Letters Bd.19, Nr.2, S.5O6, 15. Dezember
1971 geschrieben ist. Photo-Vorionisation (sowie Photoionisation zur Unterstützung der Aufrechterhaltung der
Hauptentladung) ist z.B. ί,Γο der Veröffentlichung von Seguin
und Mitarbeitern "Photoinitiated and Photosustained Laser"
Applied Physics Letters, Bd. 21, No.9, S.414, 1. November 1972, beschrieben.
Vor kurzem ist auch bekannt geworden, einen
hochenergetischen Elektronenstrahl als externe Ionisierungsquelle zur Erzeugung eines Plasmas zu verwenden, das dann
durch Anlegen eines zur Aufrechterhaltung der Entladung dienenden elektrischen Feldes mit einem Potential, das unterhalb
des Schwellwertes für einen Lawinendurchbruch liegt, erhitzt wird. Dies ist z.B. von Fenstermacher und Mitarbeitern in der
Veröffentlichung "Electron-Beam-Controlled Electrical Discharge
as a Method of Pumping Large Volumes of CO2 Laser Media
at High Pressure", in der Zeitschrift Applied Physics Letters Bd.20, No.2, S.56 bis 60, 15. Januar 1972 beschrieben,
wo auf Seite 57 außerdem erwähnt wird, daß das Plasma auch unter Verwendung einer äußeren Strahlungsquelle durch Photoionisation erzeugt werden kann. Die Erzeugung eines Plasmas
durch Photoionisation von leicht ionisierbarem Cä^siumdampf in einem CO^-N^-He-Laser ist in der Veröffentlichung "A Pulsed
Dioxide Laser" von Eletski und Smirnov in der Zeitschrift
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Soviet Physics" Band 15, Nr.2, Seiten 109 bis 111, August
1970 beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrund, Gaslaser der eingangs genannten Art zu verbessern,
insbesondere eine einfachere- ,gleichmäßigere und stärkere
Stimulation des Gases zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.
Durch die Erfindung wird bei einem mit Photoionisation arbeitenden Laser durch einfache und zuverlässige
Maßnahmen mit hohem Wirkungsgrad ein gleichmäßiges und stabiles Plasma hoher Dichte erreicht, auch in sehr großen Volumina
(z.B. 20 Litern oder mehr) und bei hohen Gasdrücken (z»B. bei einem Mehrfachen des Atmosphärendrucks). Die Erfindung läßt
sich auf Höchstdrucklaser (sowie auch auf Niederdrucklaser) anwenden, trotzdem die großen Wirkungsquerschnitte, die die
am besten geeigneten Lasergase hinsichtlich der Photoionisation und anderer Absorptionsprozesse zeigen (z.B0beim CO2-K3-He-Laser
durch die starken Absorptionsbänder der ^-Moleküle)
ein gleichmäßiges Eindringen höher energetischer Photonen in das zu stimjlierende Gasvolumen verhindern. Durch
die Erfindung werden ferner die Probleme vermieden, die auftreten, wenn man Fenster vorsehen muß, die für ionisierende
Photonen durchlässig sind, deren Energie über der Ionisationsenergie
des betreffenden Lasergases.liegt. Die Erfindung
ermöglicht eine erhebliche Erhöhung der Energie im Laserausgangssignal, größere Übergangslinienbreiten und damit
einen größeren Abstimmbereich für das Laserausgangssignal, und mode-synchronisierte Impulse extrem kurzer Dauer sowie
Laser, zu deren Realisierung hohe Drücke erforderlich sind (z.B. Laser, die mit einer Molekülbildung durch Atomzusammenstöße
arbeiten.)
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-A-
BeI Anwendung auf Laser, die mit durch Photoionisation
erzeugten, elektrisch erhitzten Plasmen gepumpt werden, wird durch die Erfindung insbesondere der Vorteil erreicht,
daß die Energiequellen für die Erhitzung des Plasmas und für die Erzeugung des Plasmas unabhängig sind, d.h. man
kann die mittlere Elektronenenergie hinsichtlich der gewünschten Besetzungsinversion optimieren und eine gleichförmige, stabile
Entladung in einem großen Volumen (vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise mindestens 20 Liter) erreichen, wobei
die Elektronenerzeugungsgeschwindigkeit unabhängig von der Elektronendichte ist; ferner werden durch die Photoionisation
die systemeigenen Nachteile der Verwendung von Elektronen strahlen vermieden. Das Pumpen kann sehr schnell erfolgen, d.h.
mit einem kürzeren Zeitmaßstab als die Plasmaerzeugung. Auch ein Dauerbetrieb (im Gegensatz zu einem Impulsbetrieb) ist
möglich.
Bei einem Laser gemäß der Erfindung ist also die Licht- oder Strahlungsquelle so ausgebildet, daß das effektive
Photonenenergiespektrum der emittierten Strahlung unter
dem Ionisationspotential des laserfähigen Bestandteils liegt und so gewählt ist, daß zumindest ein Bestandteil des
Gases vorwiegend durch einen mehrstufigen Prozess photoionisiert wird, bei dem eine aufeinanderfolgende Absorption von
Photonen mitspielt, von denen mindestens das erste eine Photonenergie hat, die kleiner ist als das Ionisationspotential
des Bestandteils der ionisiert wird.
Bei manchen Ausfuhrungsformen ist die angelegte
Spannung zu niedrig, um einen Lawinendurchbruch erzeugen zu können und das Plasma wird durch Photoionisation erzeugt.
Bei anderen Ausführungsbeispielen wird eine überhalb der Durchbruchsspannung liegende Spannung .verwendet, um das
Plasma zu erzeugen.
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Bei manchen Ausführungsformen ist im laserfähigen
Bestandteil ein Impfgas niedrigen lonisationspotentials
verteilt, dessen Partialdruck vorzugsweise kleiner ist
als der des laserfähigen Bestandteils; das Impfgas wird durch
das Licht mit der (bezüglich des Ionisationspotentials des laserfähigen Bestandteils) relativ niedrigen Photonenenergie
leicht photoionisiert, da die übrigen Gasbestandteile bei diesem Energieniveau verhältnismäßig transparent sind und das
Licht tief (vorzugsweise mit einer Eindringtiefe von mindestens einer Größenordnung eines Meters) in die übrigen Gasbestandteile
eindringt und ein gleichmäßiges Plasma in einem ausgedehnten Volumen erzeugt. Bei anderen Ausführungsformen
tritt eine Photoionisation des laserfähigen Bestandteils selbst durch einen mehrstufigen Prozess ein, bei dem eine Absorption
von mehreren Photonen mitspielt, von denen das erste eine Energie unter dem Ionisationspotential des Ga'ses hat; die Photonenenergie
des einfallenden Lichtes ist immer noch niedrig genug, um ein gutes Eindringen zu gewährleisten und es ergibt sich
anfänglich im Gasvolumen eine gleichmäßige Verteilung niedriger Konzentration von Gasmolekülen mit einem oder mehreren
absorbierten Photonen, die bereit sind (analog dem Impfgas),
durch Absorption eines weiteren Photons im Zuge des letzten
Schrittes des Prozesses ionisiert zu werden. Die:"Energieniveaus
des Impfgases unterscheiden sich vorzugsweise vom oberen Laserniveau des laserfähigen Bestandteils· um mehr als die
mittlere thermische Energie eines Gasmoleküls, damit das obere Laserniveau nicht gestört oder gelöscht wird. Bevorzugte Impfgase
sind Tri-n-propylamin, Tributylamin und Tripentylamin.
Die ERfindung läßt sich sowohl auf Läseroszillatoren
als auch auf nicht schwingende Laser-Verstärker anwenden.
Das die Photoionisation bewirkende Licht (der Begriff "Mcht" wird hier ganz allgemein für elektromagnet!sd©
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Strahlung verwendet) soll vorzugsweise kolUmiert sein und
durch das aktive Volumen gerichtet und zurückgeworfen werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen und die hohe Photoneneindringtiefe
möglichst gut auszunutzen.
Bei manchen Ausführungsformen wird das effektive
Anlegen der Spannung vorzugsweise zumindest solange verzögert, bis die tiefe Photonendurchdringung erreicht ist. Bei
verschiedenen anderen Ausführungsformen der Erfindung wird die
Photoionisation während der Laserwirkung fortgesetzt; die Flußdichte des Lichts wird durch Fokussierung erhöht, um anfänglich
in einer begrenzten Zone eine dichte Ionisation zu erzeugen, das Anlegen der Spannung wird dabei verzögert, um
eine Diffusion von Elektronen aus dieser Zone zu ermöglichen und eine gleichmäßigere Verteilung zu erreichen - diese Maßnahme
ergibt einen höheren Wirkungsgrad, da die Plasmadichte bei einer mehrstufigen Ionisation mindestens so schell wie das
Quadrat der Lichtflußdichte ansteigt; und man bewirkt, daß sich das ionisierende Licht längs der optischen Achse des Lasers
ausbreitet, wobei man das Licht in den Laser vorzugsweise durch einen Spiegel eintreten läßt, der für dieses Licht selektiv
durchlässig ist aber Licht der Laserfreguenz reflektiert. Ein Dauerbetrieb kann dadurch erreicht werden, daß man das Gas in
einer. Kammer photoionisiert und es durch eine andere Kammer strömen läßt,, in der eine Spannung angelegt wird; die Strömungsgeschwindigkeit
wird dabei so hoch gewählt, daß sich kein eingeschnürter Bogen ausbilden kann. Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, die für einen Dauerbetrieb geeignet ist, werden z.B. in einer eigenen Kammer sowohl das Licht als
auch die Spannung so schnell gepulst, daß die Bildung eines eingeschnürten Bogens verhindert und die Plasmabesetzung
schneller aufgefüllt wird als es der Lebensdauer des strahlenden Zustandes des laseraktiven Bestandteils entspricht.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der
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Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, dabei werden weitere Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes zur
Sprache kommen. Es zeigen:
Fig. 1 eine etwas vereinfachte Schnittansicht
eines Lasers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 ein Schnitt in einer Ebene 2-2 der Fig. 1; .
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vergrößerung der Ausführungsform gemäß Fig. 1;
Fig. 4 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung;
Fig. 5 einen Schnitt in einer Ebene 5-5 der Fig. "4;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Vergrößerung der Ausführungsform gemäß Fig, 4 und
Fig." 7 eine stark vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung handelt es' sich um CO2-N2-He-Laser,
bei denen Tri-n-propylamin als Impfgas verwendet wird.
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Laser
enthält eine Glasrohre 10, die an ihren Enden durch Platten
12 und 14 vakuumdicht verschlossen sind, die einen goldbeschichteten Spiegel 16 (Reflexionsvermögen 99%; Transmission
0%) bzw. einen Germanium-Spiegel 18 (Reflexionsvermögen 90%; Transmission 10%) tragen, die beide Krümmungsradien von je-
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weils 2Meter aufweisen und dadurch einen optischen Hohlraum
20 begrenzen.
Im Hohlraum 2O sind parallele, polierte, chromplattierte
Elektroden 22 und 24 ("sustainer- oder Aufrechterhaltungselektroden")
aus Aluminium durch Phenolharzringe 26 und 28 gehlatert und durch die Platte 12 hindurch mit einem
Kondensator 30 verbunden, der an eine Hochspannungsquelle 31 angeschlossen ist.
Längs der Seiten des Raumes zwischen den Elektroden 32 und 34 sind Xenon Xenonblitzlampen angeordnet,
welche über eine kondensatorgezündete Funkenstrecke 36 mit einer Hochspannungsquelle 38 verbunden sind. Die Xenonblitzlampen
haben 1 mm dicke Quarzkolben mit einem Außendurchmesser von 9,5 mm, die kein Licht mit Wellenlängen unter etwa
1650 8 mehr durchlassen.
Im Betrieb des beschriebenen Lasers kann man
beispielsweise unter Verwendung eines Gaseinlasses 40 und eines
Gasauslasses 42 eine unter einem Gesamtdruck von 760 Torr stehende Mischung, die CO2, N„ und He im Verhältnis 1:2:3 enthält
und mit etwas Tri-n-propylamin unter einem Partialdruck von 0,25 Torr geimpft ist, langsam durch die Glasrohre 10
strömen lassen. Ferner wird zwischen den Elektroden 22 und ein konstantes elektrisches Feld von 4000 V/cm erzeugt. Die
Blitzlampen werden mit etwa 200 Joule gespeist, um den Raum zwischen den Elektroden zu beleuchten und eine Photoionisation
des Impfgases zu bewirken. Das resultierende Plasma wird durch
das aufrecht erhaltene elektrische Feld erhitzt, um eine Laserentladung zu erzeugen.
Das Licht von den Blitzlampen hat eine solche spektrale Energieverteilung, daß die Photoionisation des Trin-Propylamins
vorwiegend durch einen zweistufigen Prozess erfolgt , bei dem nacheinander Photonen absorbiert werden, von
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denen zumindest das erste eine Energie hat, die unter dem
Ionisationspotential (7,2 3 eV über dem Grundzustand) des Impfgases liegt.
Die Verwendung des Impfgases und der zweistufige
Prozess ermöglichen die Erzeugung eines Plasmas mit Photonen, deren Energie wesentlich unter dem Energiewert liegt,
der für eine direkte Ionisation des laser fähigen Mediums CO2
liegt, für dessen Ionsation Photonen mit Wellenlängen unter 900 8 erforderlich wären. Der niedrige Partialdruck und das
verglichen mit den relativ hoch liegenden Photonen-Absorptionsbanden
und lonisationspotentialen aller anderen Bestandteile niedrige Ionisationspotential des Impfgases ergeben sehr
große Eindringtiefen (z.B. über 1 m) für die ionisierenden Photonen und ermöglichen ein gleichförmiges Plasma in einem
großen Volumen mit hohem Photoionisatiohs-Wirkungsgrad. Wollte
man im Gegensatz hierzu das CO5 mit Licht, dessen Wellenlänge
unter 900 8 liegt, direkt ionisieren, so stände man vor der
Schwierigkeit, geeignete Fenster, die für derart kurzwellige Strahlung durchlässig sind, zu finden und es träten Probleme
infolge der Absorption in der äußeren Gasschicht wegen des hohen Photoionisations-Querschnitts des CO2 und dessen hohem
Druck und wegen anderer Absorptionsprozesse, z.B. durch die starken Absorptionsbanden der N2-Moleküle auf.
Im allgemeinen sollte das Impfgas so gewählt werden, daß sich seine Energieniveaus vom oberen Laserniveau
des Lasergases um mehr als die mittlere thermische Energie eines Gasmoleküls unterscheiden, um eine Löschung oder Entleerung
des oberen Laserniveaus zu verhindern, während es vorteilhaft sein kann, das untere Laserniveau durch ein mit
ihm zusammenfallendes Energieniveaü des Impfgases zu löschen oder zu entleeren und damit zur Besetzungsinversion beizutragen.
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In entsprechender Weise sollte eine Löschung der Erregung eines Zwischengases (z.B. N2 im C£>2- Laser)
vermieden werden. Das Impfgas sollte außerdem kein starkes
Absorptionsband haben, in das die Laser-Ausgangsfrequenz fällt noch sollte es die Lawxnendurchbruchsspannung des Lasermediums
stark herabsetzen und sein Dampfdruck sollte bei der normalen Betriebstemperatur des Lasermediums so groß sein,
daß eine leichte Mischung mit dem Lasermedium gewährleistet ist (wenn auch unter Umständen Heizung vorgesehen se.in kann.)
Der zwei- oder mehrstufige Prozess kann dazu
dienen, das Lasermedium selbst zu photoionisieren, so daß man
dann kein Impfgas benötigt. Diejenigen Gasmoleküle, die nach Absorption mindestens eines Photons in einem ersten Übergang
für die Ionisation durch Absorption eines zusätzlichen Photons bereit sind, werden sich im übrigen Gasvolumen ganz ähnlich
verteilen, wie ein Impfgas mit niedrigem IonxsationspotentxaI
und kleinem Partialdruck. Im allgemeinen soll bei dem zweistufigen
Prozess für die erste Stufe ein schwacher erlaubter Übergang verwendet werden, um die Eindringtiefe zu erhöhen,
wobei der Begriff "schwach, erlaubt" hier bedeuten soll, daß sich eine mittlere Eindringtiefe ergibt, die größer als die
entsprechende Abmessung des gewünschten Plasmas ist.
Ein vergößertes System mit größerem Volumen
und höherem Wirkungsgrad, bei dem die hohe Eindringtiefe der Photonen besser ausgenutzt wird, ist schematisch in Fig. 3
dargestellt. Das Licht von Blitzlampen 54 und 56 wird hier jeweils durch einen Parabolspiegel 50 bzw. 52 kollimiert und
durch Spiegel 58 und 60 hin- und hergeworfen, wobei es den Raum zwischen den Elektroden mehrmals durchläuft.
Andere Ausführungsformen und Abwandlungen
sind selbstverständlich möglieh, z.B. die Vervrendung eines
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Ultraviolett-Gaslasers als Strahlungsquelle für die Photoionisation; eine Anordnung ohne die Spiegel 16 und 18, die
dann nicht "selbst schwingt und als Verstärker betrieben werden kann usw.
Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel enthält eine Glasrohre 110, die an ihren Enden durch Glasplatten
112, 114 vakuumdicht verschlossen ist. Die Glasplatten 112, 114 tragen einen goldbeschichteten Spiegel 116 (Reflexionsvermögen
99%; Transmission 0 %X bzw. einen Germaniumspiegel 118 (Reflexionsvermögen 90%; Transmission 10%), die beide
einen Krümmungsradius von 2 Meter haben und einen optischen
Hohlraum 120 bilden.
Im Hohlraum 120 sind durch Phenolharzringe 126 und 128 zwei parallele, polierte, chromplattierte Elektroden
122 und 124 aus Aluminium gehaltert, die durch die Platte 112 hindurch mit einem Kondensator 130 verbunden sind, der durch
eine Hochspannungsquelle 131 gespeist wird.
Längs der Seiten des . Raumes zwischen den Elek- x
troden sind röhrenförmige Xenonblitzlampen 132 und 134 angeordnet,
w^eiche mit einer Funkenstrecke 136 verbunden sind, die
durch einen Kondensator gezündet werden kann und an eine Hochspannungsquelle
138 angeschlossen ist. Die Xenonblitzlampen haben jeweils einen 1 mm dicken Quarzkolben mit einem Außendurchmesser von 9,5 mm, der für Licht mit einer kürzeren Wellenlänge
als etwa 1650 A* nicht mehr durchlässig ist.
Bei einer beispielsweisen Betriebsart wurde durch die Glasrohre 110 unter Verwendung eines Gaseinlasses
140 und eines Gasauslasses 142 mit geringer Strömungsgeschwindigkeit
eine unter einem Gesamtdruck von 760 Torr stehende Gasmischung geleitet, die CO2/ N2 und He im Partialdruckver-
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hältnis 1:2:3 sowie mit geringer Konzentration unter einem
Partialdruck von 0,25 Torr Tri-n-propylamin enthielt. Die Blitzlampen wurden mit etwa 200 Joule betrieben, um das Gasvolumen
zwischen den Elektroden zu beleuchten und eine Photoionisation des Impfgases zu bewirken. An die Elektroden 122
und 124 wurde eine ausreichende Spannung (z.B.10 kV) gelegt , um eine Lawinenentladung mit resultierender Laserwirkung zu
erzeugen. Zwischen den als Energiespeicher dienenden Kondensator 130 und die eine der Elektroden 122, 124 ist ein Schalter
125 geschaltet, der über ein Verzögerungsglied 12 3 mit der Funkenstrecke 136 verbunden ist und das effektive Anlegen der
Spannung an das Gas zumindest solange verzögert, bis die Photonen in der gewünschten Weise In das Gas eingedrungen sind.
Die resultierende, über das Volumen gleichförmige Photo-Vorionisation ergibt ein sehr gleichförmiges Plasma
und verzögert nach Anlegen der Durchbruchsspannung in erwünschter Weise die Bildung eines eingeschnürten Bogens. Eine
Fortsetzung der Photonenzufuhrhöhendmindestens eines Teiles
der Lawinenentladung urud Laseraktion trägt zusätzlich zur
Gleichförmigkeit und Stabilität bei.
Das Licht von den Blitzlampen hat eine solche spektrale Energieverteilung, daß die Photoionisation des Trin-propylamins
vorwiegend durch einen zweistufigen Prozess erfolgt, bei dem nacheinander Photonen absorbiert werden, von
denen mindestens das erste eine unter dem Ionisationspotential (7,23 eV über dem Grundzustand) des Impfgases liegende
Energie hat.
Durch die Verwendung des Impfgases und des zweistufigen Prozesses ergeben sich die gleichen Vorteile,
wie sie in Verbindung mit dem anhand der Fig. 1 bis 3 erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben wurden. Andere ge-
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-13-eignete Impfgase sind z.B. Tributylamin und Tripentylamin.
Auch hier kann der zweistufige Prozess dazu verwendet werden, eine Photoionisation des Lasermediums oder
laserfähigen Bestandteiles der Gasmischung selbst zu bewirken.
Ein vergrößertes System mit größerem Volumen und höherem Wirkungsgrad, bei dem die hohe Eindringtiefe der
Photonen besser ausgenutzt wird, ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Auch hier werden ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 Parabolspiegel 150 und 152 verwendet,
um das Licht von Blitzlampen 154 und 156 zu kollimieren. Das
kollimierte Licht wird dann wieder durch Spiegel 158 und 160 hin- und hergeworfen, wobei es das Volumen zwischen den Elektroden
mehrfach durchläuft, während es sich axial längs der optischen Achse des Lasers ausbreitet. Dieses Ausführungsbeispiel
enthält einen Endspiegel 116' aus Quart, der eli*elektrisch beschichtet ist, so daß er zwar das Licht von den Blitzlampen
154 und 156 durchläßt, das Licht der Laserfrequenz jedoch reflektiert«
Die Spiegel 150 und 152 erzeugen im Laservolumen zweckmäßigerweise enge Lichtbündel mit hoher Flußdichte,
die nur begrenzte Zonen des Laservolumens durchsetzen. Die durch das Verzögerungsglied 123 bewirkte Verzögerung wird so
groß (mindestens eine Mikrosekunde) gewählt, daß die zweistufige
Ionisation ablaufen kann und das anfänglich nicht gleichmäßig verteilte resultierende Plasma sich wenigstens annähernd
gleichmäßig durch Diffusion im Laservolumen verteilen kann, jedoch nicht solang, daß übermäßige Plasmaverluste durch die
Wände der Röhre 110 eintreten. Da es sich bei der Photoionisation hier um einen zweistufigen Prozess handelt, ist die Plasmadichte
proportional dem Quadrat der Flußdichte und als FoIe
davon wird durch die Fokussierung der Lichtbündel zur Erhöhung
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der Flußdichte Und die anschließend für die Diffusion vorgesehene
Verzögerung der Wirkungsgrad der Plasmaerzeugung stark erhöht.
Ein Dauerbetrieb kann dadurch erreicht werden, daß man sowohl die Lichtquelle als auch die Quelle für das
elektrische Feld so schnell pulst/ daß das Entstehen einer eingeschnürten Bogenentladung verhindert und das Plasmakollektiv
innerhalb einer Zeitspanne wieder aufgefüllt wird, die kleiner ist als die Lebensdauer des strahlenden Zustands des CCL·.
Die Erfindung läßt sich auch mit Vorteil für ·
das Erreichen sehr großer Pumpgeschwindigkeiten verwenden, also
Pumpgeschwindigkeiten, die größer sind als die Geschwindigkeit der Plasmaerzeugung, da das photoionisierte Plasma vor dem
Anlegen der Pumpspannung voll erzeugt werden kann.
Bei dem in Fig. 7 stark vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung findet die Photoionisation
in einer Kammer 170 statt und das inisierte Gas wird dann rasch durch eine Kammer 172 geleitet, in der die
Pumpspannung angelegt wird. Durch das überführen des Gases von der einen Kammer in die andere wird automatisch eine Verzögerung
zwischen der Ionisation und dem Pumpen und damit z.B. eine Diffusion im Anschluß an die Bestrahlung mit zur Flußdichteerhöhunj
fokussiertem Licht ermöglicht, Vorzugsweise wird in der Kammer 170 und im Kanal zwischen den Kammern eine schwache Spannung
angelegt, um Elektronenverluste durch Elektronenanlagerung zu verzögern. Ein Dauerbetrieb (CW-Betrieb) kann dadurch erreicht
werden, daß man das Gas so schnell, z.B. mit Überschallgeschwindigkeit, durch die Kammer 172 strömen läßt, daß sich kein
eingeschnürter Lichtbogen ausbilden kann.
Bei den verschiedenen Ausführungsformen, die
anhand der Fig. 4 bis 7 erläutert wurden, kann die Spannung
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ebenfalls unter der Durchbruchsspannung gehalten werden und
dann nur zur Erhitzung des (durch Photoionisation erzeugten) Plasmas auf das Laserniveau dienen und nicht zum Erzeugen
einer Lawinenentladung. In diesen Fällen wird das Anlegen der Spannung vorzugsweise verzögert, um die Diffusion eines anfänglich
nicht gleichförmigen Plasmas zu ermöglichen oder um ein schnelles Pumpen mit Zeiten, die kürzer sind als die der
Plasmaerzeugung zu gestatten.
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Claims (1)
- Patentansprüche1J Gaslaser mit einem Gasvolumen, das einen laserfähigen, stimulierbaren Bestandteil enthält, ferner mit einer eine Lichtquelle zur Photoionisation des Gases und eine elektrische Anordnung zum Anlegen einer Spannung an das Gas enthaltenden Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmas im Gas, dessen Temperatur ausreicht, um den stimulierbaren Bestandteil in den laseraktiven Zustand zu bringen, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Lichtquelle (32,34; 54, 56; 132,, 134; 154,'156) emittierte Strahlung ein effektives Photonenenergiespektrum hat, das unter der Ionisierungsenergie des laserfähigen Bestandteils liegt und so gewählt ist, daß mindestens ein Bestandteil des Gases vorwiegend durch einen mehrstufigen Prozess unter aufeinanderfolgender Absorption von Photonen photoionisiert wird, von denen mindestens das erste eine Photonenenergie hat, die kleiner ist als die Ionisierungsenergle des Bestandteils, der ionisiert wird.2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß die elektrische Anordnung (22, 24, 30, 31).ein elektrisches Feld liefert, das unterhalb der Durchbruchsfeldstärke des Gases liegt.3. Gaslaser nach Anspruch 1, gekennzeichnet- dvU r c h eine Steuervorrichtung (123, 125) zur Verzögerung des effektiven Anlegens der Spannung,bis die Photonen von der Lichtquelle mindestens bis zu einer mittleren Tiefe von 1 cm in das Gas eingedrungen sind.4. Gaslaser nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet,, daß die elektrische Anordnung eine Spannung an das Gas anzulegen gestattet, die für die Erzeugung eines Lawinendurchbruchs im Gas ausreicht.409818/09685.'Gaslaser nach Anspruch 3 gekennzeichnet durch eine optische Anordnung (50, 52, 58, 60; 150, 152, 158, 160) zum Erhöhen der Flußdichte des von der Lichtquelle (54, 56, 154, 156) erzeugten Lichtes, das begrenzte Zonen des Gasvolümens durchdringt, und daß die Steuervorrichtung (123, 125) das effektive Anlegen der Spannung solange verzögert, daß die in diesen Zonen durch Photoionisation erzeugten freien Elektronen durch das Gasvolumen diffundiert sind.6. Gaslaser nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsdauer mindestens eine Mikrosekunde beträgt.7. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine optische Vorrichtung (158, 160), die einen längs der optischen Achse des Lasers fortschreitenden Strahlengang für das Licht in dem Raum, in dem die Laserwirkung stattfindet, definiert, und durch einander entgegengesetzte Spiegel, die in dem Raum zur Erzeugung von Schwingungen angeordnet sind und von denen der eine (116') für das Licht von der Lichtquelle (154, 156), Txicht jedoch für das Licht der Laserfrequenz, durchlässig ist.8. Laser nach Anspruch 7, dadurchgekennzeichnet, daß der Spiegel aus dielektrischen Schichten auf Quarz besteht.9. Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung ausreicht, um im Gas einen Lawinendurchbruch zu erzeugen und daß die Steuervorrichtung so ausgebildet ist, daß die Photoionisation des Gases vor einer etwaigen, durch die Spannung verursachten eingeschnürten Lichtbogenentladung stattfindet.409818/0968OBiGlMALtNSPEGTED-Ιδ-ΙΟ. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle, die Photonen mit einem solchen Energiespektrum emittiert, daß die mittlere Eindringtiefe mindestens 1 Meter beträgt.11. Gaslaser nach Anspruch 4 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle so ausgebildet ist, daß die Emission von Licht auch noch nach dem effektiven Anlegen der Spannung fortdauert.12. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasvolumen ein Impfgas enthält, das im laserfähigen Bestandteil verteilt ist und ein niedrigeres Ionisationspotential als dieser hat.13. Ga-s laser nach Anspruch 12, dadurch gekenn ζ ei chn e t, daß das Impfgas einen niedrigeren Partialdruck hat als der laserfähige Bestandteil.14. Gaslaser nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung des Spektrums derart vorgegeben ist, daß das Impfgas vorwiegend durch einen mehrstufigen Prozess fotoionisiert wird, bei welchem eine aufeinanderfolgende Absorption von Photonen mitspielt, von denen zumindest das erste eine Photonenenergie hat, die kleiner ist als das Ionisationspotential des Impfgases.15. Gaslaser nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Impfgas Tri-n-propylamin, Tributylamin oder Tripentylamin ist.409818/0968 original inspected16. Gaslaser nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daßsich alle Energieniveaus des Impfgases vom oberen Laserniveau des laserfähigen Bestandteils um mehr als die mittlere thermische Energie eines Moleküles des Gases unterscheiden, so daß eine Entleerung des oberen Laserniveaus durch strahlungslose übergänge vermieden wird„17 ο Gaslaser nach Anspruch 15, dadurchgekennzeichnet, daß das Gasvolumen ein Gemisch aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium enthält»18. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß der Bestandteil, der ionisiert wird, der laserfähige Bestandteil ist.19. Gaslaser nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Schritt des mehrstufigen Prozesses ein sehwacher, erlaubter Obergang (erlaubter Obergang mit geringer Obergangswahrscheinlichkeit) verwendet wird.2Ö. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß dem Gasvolumen einander entgegengesetzte Spiegel (16,18; 116, 116', 118) zugeordnet sind, .die einen Schwingungsbetrieb ermöglichen.21 ο Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß das Gas zumindest unter Atmosphärendruck steht.22. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine9818/0968Vorrichtung (50, 52) zur Bündelung des Lichts von der Lichtquelle (54, 56) und durch Spiegel (58, 60), durch die das gebündelte Licht durch das Gasvolumen derart hin- und hergeworfen wird, daß eine gute Ausnutzung der hohen Eindringtiefe der plasmaerzeugenden Photonen gewährleistet ist.23. Gaslaser nach einem der vorhergehendenAnsprüche, gekennzeichnet durch eine optische Vorrichtung, die in dem Gasvolumen, in dem die Laseraktion stattfindet, einen optischen Strahlengang definiert, der in Richtung der optischen Achse des Lasers fortschreitet.24. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste Kammer (172), in der die Spannung an das Gas anlegbar ist, eine zweite Kammer, in der das Gas durch die Photonen ionisierbar ist und durch eine Vorrichtung zur überführung des ionisierten Gases von der zweiten in die erste Kammer.25. Gaslaser nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,, daß die Spannung ausreicht, um im Gas eine Lawinenentladung hervorzurufen und daß die Gasüberführungsvorrichtung in der ersten Kammer eine so hohe Strömungsgeschwindigkeit erzeugt, daß die Ausbildung einer eingeschnürten Bogenentladung verhindert wird.26. Gaslaser nach Anspruch 4, gekennzeichnet d urch eine Anordnung zum Impulsbetrieb der Lichtquelle und der elektrischen Anordnung zum Anlegen der Spannung mit einer solchen Impulsfrequenz, daß das Entstehen einer eingeschnürten Bogenentladung verhindert und das Plasmakollektiv innerhalb einer Zeitspanne, die kürzer ist als die Lebensdauer des strahlenden Sustandes des laseraktiven Bestandteils wieder aufgefüllt wird.409818/0968
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