DE2364528C3

DE2364528C3 - Gaslaser

Info

Publication number: DE2364528C3
Application number: DE2364528A
Authority: DE
Inventors: Gerald C. Palo Alto Barker; William A. Portola Valley Shull
Original assignee: Coherent Inc Palo Alto Calif (vsta)
Current assignee: Coherent Inc Palo Alto Calif (vsta)
Priority date: 1973-01-02
Filing date: 1973-12-24
Publication date: 1978-12-07
Also published as: DE2364528A1; GB1451975A; US3851272A; JPS49102294A; DE2364528B2; JPS5240199B2

Description

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Die Erfindung betrifft einen Gaslaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein Gaslaser dieser Art ist aus der DE-OS 20 42 350 bekannt. Bei diesem Gaslaser besteht das gesamte Kathodengefäß aus einem vakuumdichten, gut lötbaren Kathodenmaterial, insbesondere « Tantal.

Bei Gaslasern der hier betrachteten Art ist vor allem eine Stabilität gegen thermisches Verziehen wichtig. Die Hauptquelle für das thermische Verziehen ist dabei die Laserentladung selbst Bei dem vorliegenden so symmetrischen Aufbau ergibt sich ein thermisches Verziehen aus dem ungleichmäßigen Wärmefluß durch die symmetrischen Teile des Resonators, beispielsweise infolge von Konvektionskühlung.

Es war deshalb bisher üblich, die Spiegel auf dem Kapillarrohr zu montieren (DE-OS 2042 350) oder unabhängig vom Lasergefäß, wie bei Metalldampflasern üblich (US-PS 34 78 279; 35 62 662). Bei einer solchen Montage würden die Spiegel auch bei höheren Betriebstemperaturen ihren richtigen Abstand beibehalten. Überraschenderweise wurde jedoch festgestellt, daß für einen zuverlässigen Betrieb die Winkelstabilität erheblich wichtiger ist als die durch die bekannten Montagearten erzielbare Längsstabilität.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gaslaser der ^h5 eingangs genannten Art verfügbar zu machen, der stabil ist und insbesondere gegen Wärmegradienten weniger errmfindlich ist als die bekannten Gaslaser.

Bei der Untersuchung der Winkelstabilität hat sich ergeben, daß es gar nicht so sehr der thermische Dehnungskoeffizient des Resonatorträgers ist, der für die Stabilität ausschlaggebend ist, sondern vielmehr das Verhältnis des thermischen Dehnungskoeffizienten des Werkstoffes zu seiner thermischen Leitfähigkeit Es wurde festgestellt daß das kleinste winkelmäßige Verziehen, und damit die beste Stabilität erreicht wird, wenn das Verhältnis des thermischen Dehnungskoeffizienten zur Wärmeleitfähigkeit am kleinsten ist

Ausgehend von einem Gaslaser der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art wird deshalb die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst Überraschenderweise ergibt sich damit eine Verbesserung der Winkelstabilität um den Faktor 35 gegenüber der bekannten Montage der Resonatorspiegel am Kapillarrohr.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Zur Bestimmung des Transversalmodus ist es bekannt, den Innendurchmesser des Kapillarrohrs oder einer Einschnürung desselben zu verwenden (DE-OS 19 62 201).

Ausfühi'ungsbeispiele der Erfindung sollen anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Gaslaser,

Fig.2 einen Querschnitt durch das Kapillarrohr entsprechend der Linie 3-3 in F i g. 1,

F i g. 3 eine Stirnansicht des Lasers nach F i g. 1,

F i g. 4A und 4B eine Seitenansicht bzw. Aufsicht auf den Halter für das Kapillarrohr nach F i g. 1 und

F i g. 5 eine weitere Anodenanordnung für den Laser nach Fig. 1.

F i g. 1 zeigt einen Gaslaser. Ein Gas oder eine Mischung von Gasen ist in das Lasergefäß 10 eingeschlossen. Das Gasmedium wird in einem Entladungskanal 11 eines eine Entladung einschränkenden Kapillarrohrs 12 in bekannter Weise angeregt. Das Kapillarrohr 12 besteht aus einem geeigneten, nicht elektrisch leitenden Material wie hitzebeständiges Glas oder Quarz.

Nahe einem Ende des Kapillarrohrs 12 befindet sich eine Anode 14, die in einer Anodenvertiefung 16 sitzt, die einen Teil des Kapillarrohrs 12 bildet. In der dargestellten Ausführungsform ist nur eine solche Anode vorgesehen, zusätzliche Anoden können jedoch auch an anderen Stellen längs des Kapillarrohrs 12 verwendet werden.

Eine längliche, zylindrische Kathode 18 ist koaxial mit dem Kapillarrohr 12 angeordnet, mit diesem ausgefluchtet und umgibt dieses auf eine merkliche Länge. Es existiert also ein elektrischer Entladungsweg, der an der Anode 14 beginnt und durch und längs des Entladungsrohrkanals 11 durch eine Austrittsöffnung 20 in dem Kapillarrohr 12, am Außenumfang eines Schirms 22 vorbei und schließlich zur Kathode 18 führt. Der Zweck des Schirms 22 besteht darin, den elektrischen Entladungsstrom daran zu hindern, auf nur eine einzige Fläche der Kathode nahe einem Ende derselben aufzutreffen.

Zwei optische Resonatorspiegel 24 und 26 sind axial mit dem Kapillarrohr 12 ausgefluchtet. Die Spiegel 24 und 26 bilden einen Teil des Lasergefäßes 10. Das heißt, die Spiegel 24 und 26 stehen in direkter Verbindung mit dem gasförmigen Medium innerhalb des Lasergefäßes 10. Dementsprechend ist das Lasergefäß 10 selbst ein Plasmaentladungsrohr, und die Spiegel 24 und 26 bilden einen Teil des Kolbens desselben.

Der Spiegel 26 ist direkt auf ein Ende des Kapillarrohrs 12 montiert Vor der Montage wird das Ende des Rohres 12 flach und normal zur Längsachse geschliffen. Der Spiegel 26 wird auf das Ende des Kapillarrohrs 12 mit einem organischen Dichtmittel, beispielsweise einem Epoxid, montiert

Die Kaltkathode 18 bildet einen Teil des Lasergefäßes, das, wie noch erläutert wird, zusätzlich die Funktion eines Trägers für den optischen Resonator des Laserrohrs 10 bildet ι ο

Die Kajaode 18 besteht aus einem geeigneten Kathodenmaterial, wie Aluminium.

Aluminium ist besonders gut geeignet, weil es kräftig und dauerhaft und weiterhin leicht ist Eine allgemein zylindrische Schüssel oder Abdeckung 30 reicht von einem Ende 32 der Kathode zum Kapillarrohr 12, mit dem es bei 32 verbunden ist Die Abdeckung 30 bildet auch einen Teil des Plasmarohrkolbens. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Abdeckung 30 aus einem Stück mit dem Kapillarrohr 12 htrgestellt.

Um einen zusätzlichen Teil des Entladungsrohrkolbens zu bilden und den Spiegel 24 abzustützen, ist eine Kappe 36 vorgesehen. Die Kappe 36 weist eine Zentralbohrung 38 auf, die axial mit Entladungskanal 11 des Kapillarrohrs 12 ausgefluchtet ist Der Umfangs- oder Flanschteil 40 der Kappe 36 ist so befestigt, daß er eine vakuumdichte Abdichtung mit der Kathode 18 bildet Bei der dargestellten Ausführungsform besteht die Kappe 36 ebenfalls aus Aluminium und ist in üblicher Weise an die Aluminiumkathode 18 angeschweißt

Damit der Laser richtig arbeiten kann, müssen die optischen Resonatorspiegel 24 und 26 parallel zueinander sein. Um kleinen Fehlern bei der Bearbeitung und Herstellung Rechnung zu tragen, ist der Spiegel 24 justierbar. Eine Spiegeltragplatte oder Scheibe 42 bildet einen Teil der Kappe 36. Sie befindet sich im Abstand vom Flanschteil 40 der Kappe 36 und ist im allgemeinen parallel zu diesem. Der Spiegel 24 ist auf die Platte 42 mit einem organischen Dichtmittel montiert, beispielsweise dem oben erwähnten Epoxid. Der Spiegel 24 *o deckt die Mittelöffnung 38 ab und vervollständigt den Plasmarohrkolben.

Wie speziell in Fig.3 erkennbar ist, sind vier Justierschrauben 44 vorgesehen, die durch am Umfang befindliche Bohrungen 46 in der Scheibe 42 reichen und *5 an der Kappe 36 angreifen.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist der optische Resonator ein hemisphärischer Resonator. Der Spiegel 26 bildet einen flachen Reflektor, der im wesentlichen vollständig reflektierend ausgebildet ist. Der Spiegel 24 ist ein sphärischer Spiegel mit 30 cm Krümmungsradius. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Position dieser Spiegel vertauschbar ist, d. h., der flache Reflektor 26 könnte mit dem sphärischen Spiegel 24 ausgetauscht werden.

Damit der Laser zuverlässig im niedrigsten Transverse-Order-Modus schwingt, muß die begrenzende Apertur der Entladung innerhalb des optischen Resonators präzise kontrolliert sein. Die Zentralöffnung 38 der Kathode 36 kann dazu verwendet werden, die Modusbegrenzungsapertur zu definieren. Das hat den Vorteil, daß das Kapillarrohr 12 ein handelsübliches Kapillarrohr sein kann, statt daß es hinsichtlich des Innendurchmessers eng toleriert sein muß, um die Begrenzungsapertur zu definieren. <"

Eine alternative Anodenanordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Die in der Vertiefung 16 nach Fig. 1 angeordnete Anode 14 ist durch eine zylindrische Anode 48 mit einer Zentralöffnung 50 ersetzt Die Anode 48 ist axial mit dem Kapillarrohr 12 ausgefluchtet und bei 52 und 54 durch geeignete Bindemittel verbunden, beispielsweise mit einem organischen Dichtmittel, beispielsweise einem Expoxid. Wieder kann der Durchmesser der Mittelöffnung 50 dazu verwendet werden, den Transversalmodus des Lasers 10 zu bestimmen. Diese Anordnung ist also eine Alternative zur Verwendung der öffnung 38 der Kappe 36 zur Definition der Grenzapertur.

Das zwischen den Spiegeln 24 und 26 reflektierte Licht bildet einen allgemein kegelförmigen Lichtkonus, wobei der größte Durchmesser sich in der Nähe des sphärischen Spiegels befindet und der kleinste Durchmesser am flachen Spiegel. Praktischerweise ist es also am besten, den sphärischen Spiegel nahe der Anode, Kathode oder dem Teil des Kapillarrohrs 12 anzuordnen, der die Grenzapertur definiert

Die Kappe 36, in Kombination mit der Kathode 18, die beide aus Aluminium bestehen, hat einen anderen thermischen Dehnungskoeffizienten als das Kapillarrohr 12, das aus Glas besteht Dementsprechend müssen Vorkehrungen getroffen werden, damit eine Relativbewegung zwischen diesen beiden Teilen stattfinden kann. Das Ende 50 des Kapillarrohrs 12 paßt in eine Aufnahmehöhlung 52 in der Kappe 36. Das Ende 50 kann sich axial frei relativ zur Kappe 36 bewegen.

Um das Kapillarrohr 12 in richtiger axialer Ausfluchtung mit der Zentralöffnung 38 zu halten, ist ein Halteelement 54 vorgesehen (vgl. auch F i g. 2, 4A und 4B). Die Halterung 54 besteht aus einem flachen rechteckigen Stück 56 aus rostfreiem Stahl. Längs des rechteckigen Stückes 56 sind eine Reihe von Vorsprüngen angeordnet Jeder zweite Vorsprung 58 ragt in einer Richtung von der Platte 56 weg, und die übrigen Vorsprünge 60 stehen in der entgegengesetzten Richtung vor. Die Halterung 54 wird zylinderförmig gemacht, indem die Platte 56 gebogen wird, bis zwei Enden der Platte zusammenstoßen, so daß eine Naht 62 gebildet wird. Die komplette Halterung 54 wird dann um das Ende 50 des Kapillarrohrs 12 gesetzt, ehe dieses in die Kappe 36 eingesetzt wird.

Bei einer tatsächlichen Ausführungsform des Lasers 10 ist die Länge des Kapillarrohrs 12 256 mm, der Außendurchinesser des Kapillarrohrs 12 7 mm, und wenn das Kapillarrohr 12 die Grenzapertur für Zwecke der Modusbestimmung definiert beträgt sein Innendurchmesser 1,52 mm. In diesem Laser ist das Gasmedium eine Kombination von Helium und Neon unter Drucken von 3,1 Torr (=410 Pa) bzw. 0,4 Torr (=53 Pa). Die Ausgangswellenlänge des Lasers liegt bei 6328 Ä ( = 632,8 nm).

Wenn vom Laser 10 ein polarisierter Strahl gewünscht wird, können Brewster-Winkel-Fenster leicht in die vorliegende Konstruktion eingebaut werden. Der Spiegel 24 kann beispielsweise durch ein längliches Aluminiumrohr ersetzt sein, das auf die Kappe 36 aufgeschweißt ist.

Eine Glasplatte unter dem Brewsterschen Winkel wird in das Rohr montiert und der Spiegel 24 wird an einem Ende der Aluminiumrohrverlängerung befestigt.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist nur ein einziger Reflektor von der Kathode 18 abgestützt. Wenn jedoch eine größere Stabilität gewünscht oder gefordert wird, können beide Resonatoi retlektoren von der Kathode 18 abgestützt sein.

Da die Kathode 18 nicht mit einem Glaskolben isoliert ist, wie das in bekannten Laserkonstruktionen

der Fall ist, ist es aus Sicherheitsgründen erwünscht, daß die Kathode auf Erdpotential arbeitet, und die Anode auf einem positiven Potential.

Das hier beschriebene Laserrohr arbeitet mit nur einer einzigen Anode, gewünschtenfalls können jedoch zusätzliche Anoden längs des Kapillarrohrs vorgesehen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gaslaser mit einem als Kaltkathode dienenden zylindrischen Gefäß aus Aluminium oder einem s Werkstoff, der ein ähnlich hohes Verhältnis von Wärmeleitfähigkeit zu Wärmedehnung aufweist, und mit einem koaxial zum Kathodengefäß und zur Achse des optischen Resonators angeordneten Kapillarrohr, das mit einem Ende in das Kathoden- to gefäß hineinragt und dessen beide Enden mit je einem Resonatorspiegel ausgefluchtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der mit dem in das Kathodengefäß hineinragenden Ende ausgefluchtete Resonatorspiegel (24) an dem Katho- »5 dengefäß befestigt ist, daß der in das Kathodengefäß ragende Teil des Kapillarrohre (12) eine merkliche Länge aufweist und daß dessen Ende in der Nähe des damit ausgefluchteten Resonatorspiegels (24) am Kathodengefäß abgestützt ist M

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodengefäß eine Kappe (36) mit einer Zentralbohrung (38) aufweist, in der das Kapillarrohr (12) abgestützt ist, und daß der am Kathodengefäß abgestützte Resonatorspiegel (24) so auf der Außenseite der Kappe (36) angebracht ist, daß er die Zentralbohrung (38) abdeckt.

3. Gaslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Zentralbohrung (38) so eng ist, daß er den Transversalmodus der Laserschwingung bestimmt

4. Gaslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser einer in das Kapillarrohr (12) eingesetzten zylindrischen Anode (48) so eng ist, daß er den Transversalmodus der Laserschwingung bestimmt.