DE3313811A1

DE3313811A1 - Transversal angeregter gaslaser

Info

Publication number: DE3313811A1
Application number: DE19833313811
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr.rer.nat. Dr. 8088 Eching Brumme; Ludger Dipl.-Ing. 8031 Eichenau Grage; Hinrich Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. Dr. 8032 Gräfelfing Heynisch; Erwin Dr.rer.nat. Dr. 8018 Grafing Hübner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-04-15
Filing date: 1983-04-15
Publication date: 1984-10-18
Also published as: NO169146C; CA1231424A; EP0122597A3; DE3484112D1; JPS59200480A; NO169146B; EP0122597A2; US4613971A; NO841491L; JPH0460356B2; EP0122597B1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München _ _ VPA 33 ρ 1 2 8 3 DE

Transversal angeregter Gaslaser

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gaslaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Laser ist aus der DE-OS 30 35 730 bekannt.

TE(transversly exited)-Laser erreichen bekanntlich nur dann ihre volle Leistung, wenn zwischen den beiden parallel zur optischen Achse erstreckten Elektroden eine großvolumige, homogene Entladung zustandekommt.

Dementsprechend muß man vor allem dafür sorgen, daß sich im Entladungsraum keine Feldkonzentrationen bilden können und daß vor jeder Entladung bereits genügend freie Elektroden vorhanden sind.

Um diese Bedingungen zu erfüllen, wird in der eingangs zitierten Literaturstelle u.a. folgendes Elektrodensystem vorgeschlagen: Zwei langgestreckte, massive Hauptelektroden sind zur jeweiligen Gegenelektrode hin vorgewölbt und an ihren Außenflanken jeweils mit einer stabförmigen, dielektrisch umhüllten Hilfselektrode versehen. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß im Betrieb des Lasers zunächst zwischen den Hauptelektroden und den ihnen zugeordneten Hilfselektroden eine Koronaentladung stattfindet. Diese Entladung erzeugt UV-Licht, das seinerseits die Gasfüllung ionisiert und dadurch die Hauptentladung einleitet. Eine solche Elektrodenkonfiguration läßt sich relativ einfach realisieren, verlangt allerdings, daß zusammengehörige Elektroden in Form und Lage exakt aufeinander abgestimmt sind.

Es hat sich außerdem gezeigt, daß der Ionisierungseffekt

Les 1 Gae / 13.04.1983

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nicht immer ausreichend ist, um auch "bei erhöhten Gasdrücken und relativ geringen Spannungen eine Bogenentladung sicher ausschließen zu können.

Die Ionisierungswirkung ließe sich durch Modifikationen in der Elektrodengeometrie wohl noch verbessern. So könnte man, wie dies in der US-PS 42 40044 diskutiert wird, die Hilfselektrode näher an den Scheitelpunkt der gekrümmten Hauptelektrodenfläche heranrücken und zusätzlich in eine muldenförmige Vertiefung der Hauptelektrode einlassen. Diesen Versuchen sind allerdings enge Grenzen gesetzt, denn es dürfen die Bedingungen für die Hauptentladung selbst nicht wesentlich verschlechtert werden.

Gute Resultate erhält man mit Hilfselektroden in Form von Platten, die die beiden offenen Seiten des von den Hauptelektroden definierten Raums (Hauptentladungsraum) abschließen und innenseitig durch eine weitere isolierende Platte abgedeckt werden (Optics Communications 44 (1982) 125). Bei richtiger Dimensionierung überzieht eine Koronaentladung die gesamte Plattenoberfläche und bildet somit eine großflächige UV-Quelle. Unbefriedigend ist allerdings, daß die optimale Plattendicke empfindlich von der Geometrie der Hauptelektroden und überdies auch von der Art und dem Druck des Gases abhängt. Ist die Platte zu dünn, so entstehen Gleitfunken längs des Isolators, und bei zu dicker Platte verringert sich die in die Koronaentladung übertragbare Energie, d.h. die Ionisation ist nicht ausreichend. Insofern kommt man auch hier nicht umhin, eine Reihe von Laserparametern genau aufeinander abzustimmen. Weitere Schwierigkeiten sind zu erwarten, wenn der Laser mit einer abgeschlossenen Entladungskammer arbeitet ("Sealed-off-Laser"),

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denn in diesem Fall ändern sich mit der Zeit die Partialdrücke der einzelnen Gasbestandteile absolut und relativ. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Platten den für eine hohe Impulsfolge erforderlichen Gasaustausch zwischen dem Hauptentladungsraum und seiner Umgebung stark behindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gaslaser der eingangs genannten Art mit einer Vorionisierungseinrichtung auszustatten, die sich rationell fertigen und einbauen läßt, eine relativ freie Wahl bei den Hauptelektroden, dem Gasdruck, der Gasbeschaffenheit und der Spannung läßt und sich nicht zuletzt auch für Sealed-off-Laser mit rascher Pulsfolge eignet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Laserausführung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Hilfselektrodenteil eines erfindungsgemäßen Lasers arbeitet weitgehend autonom, weil die Koronaentladung erstmals nicht zu einer der Häuptelektroden hin brennt, sondern direkt zwischen den Hilfselektroden stattfindet. Die Hilfselektrodenpaare lassen sich dabei so plazieren, daß es in allen wesentlichen Bereichen des Hauptentladungsraumes zu einer kräftigen Ionisierung kommt und die anschließende Hauptentladung homogen erfolgen kann. Das gilt vor allem dann, wenn mehrere Hilfselektroden-• paare zu beiden Seiten der optischen Achse, und zwar außerhalb des Hauptentladungsraumes, vorgesehen sind. In diesem Fall wird nämlich das UV-Licht in ausgedehnten, günstig positionierten Bereichen erzeugt und darüberhinaus auch noch das elektrische Feld an den Rändern der Hauptentladungsstrecke positiv beeinflußt. Die Hilfselektroden, die sich jeweils auf einer Seite des Hauptentladungsraumes befinden, lassen sich baulich zu einem einzigen, leicht zu montierenden Teil zusammenfassen und könnten bei Bedarf auch ohne weiteres in

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die Gefäßwandung integriert werden. Auch der Schaltungsaufwand ist denkbar gering: Die Energieversorgung für die Haupt- und Hilfselektrode!! erfolgt aus einer Quelle, wobei es im allgemeinen ausreicht, die Hilfselektroden parallel zu den Hauptelektroden zu schalten. Der Energieinhalt der Koronaentladung wird dabei allein durch die Auslegung der Hilfselektrodenpaare bestimmt. Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Sealed-off-Laser zeigt eine relativ konstante Ausgangsleistung und ermöglicht überdies eine hohe Pulsfolgefrequenz, da der Entladungsraum auf seiner ganzen Länge großflächig mit dem Ballastraum kommunizieren kann und so für eine rasche Regeneration des Gases der Entladungsstrecke - eine wesentliche Voraussetzung für kurze Pulsabstände - sorgt-

Der vorliegende Gaslaser bietet sich vor allem für Laserentfernungsmeßgeräte im mobilen Einsatz an.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche. -

Der Lösungsvorschlag soll nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, ^n den Figuren sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in einem Querschnitt,
Fig. 2 von diesem Beispiel die Betriebsschaltung,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel, in der gleichen Darstellungsweise wie Fig. 1, und

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel, ebenfalls im Querschnitt.

VPA 83 P 1 2 8 3 DE

Die Figuren sind der Übersicht halber sehr schematisch gehalten. Für ein Verständnis der Erfindung nicht unbedingt erforderliche Einzelteile, beispielsweise die optischen Abschlußelemente, sind nicht dargestellt.

Der Laser der Fig. 1 ist ein gepulster TE-Gaslaser, der beispielsweise zur Entfernungsmessung eingesetzt werden könnte. Er enthält ein zylindrisches Entladungsgefäß 1, das an seinen beiden Stirnseiten durch (nicht eingezeichnete) Resonatorspiegel abgeschlossen ist. Beide Spiegel definieren die optische Achse des Lasers, die in der Figur durch den Punkt 2 symbolisiert wird. Oberhalb und unterhalb dieser Achse sind Elektroden (Hauptkathode 3, Hauptanode 4) angeordnet. Diese Elektroden nehmen fast die gesamte Länge des Laserrohres ein und verlaufen - mit vorgegebenem Abstand zueinander parallel. Die Elektrodenoberflächen sind in an sich bekannter Weise vorgewölbt, so daß im Raum zwischen den Elektroden möglichst keine FeId-Inhomogenitäten auftreten. Durch die Gefäßwand geführte Zuleitungen 5, 6 verbinden die Elektroden mit einem (nicht dargestellten) Stromkreis. Links und rechts der Achse 2 befinden sich jeweils eine Hilfskathode 7 bzw. 8 sowie eine Hilfsanode 9 bzw. 10. Jede.dieser Hilfselektroden besteht aus einem parallel zur Achse 2 sich erstreckendem dielektrischen Hohlzylinder 11, dessen Innenwandung von einem elektrischen Leiter 12 ausgekleidet ist. Der vom Entladungsgefäß 1 umschlossene Hohlraum ist mit einer Lasergasmischung gefüllt.

Für die einzelnen Laserteile sind folgende Materialien und Abmessungen vorgesehen:

VPA 83 P 1 2 8 3 DE - /ο"

Das Gefäß 1 besteht aus AIpO,, hat eine Länge von etwa 25 cm und einen Innendurchmesser von ca. 10 cm. Die beiden Hauptelektroden sind aus CrNi-Stahl gefertigt. Die Hilfselektroden 7, 8, 9 und 10 bestehen z.B. aus innen metallisierten ΑΙρΟ,-Profilen. Die Gasbestandteile für einen CO₅-Gaslaser sind z.B. COp, N₉ und He, gemischt im Verhältnis 15:15:70 und mit einem Gesamtdruck von 1000 mbar.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie die Betriebsschaltung für den Laser in einem besonders einfachen Fall aussehen kann: Ein Kondensator 13 ist über eine triggerbare Funkenstrecke 15 mit den Hauptelektroden 3 und 4 verbunden. Die Hilfselektroden liegen parallel zu den Hauptelektroden. Ein Widerstand 14 dient zur Potentialverbindung.

Mit einer erfindungsgemäßen Anordnung wurden bereits Wirkungsgrade über 10 % erreicht.

Die Figuren 3 und 4 zeigen abgewandelte Ausführungsformen. Der Laser der Fig. 3 unterscheidet sich von dem Beispiel der Fig. 1 vor allem darin, daß zu beiden Seiten der optischen Achse jeweils zwei Hilfseiektrodenpaare angeordnet sind, daß die beiden Paare jeweils eine gemeinsame dielektrische Hülle 16,17 haben und daß Gefäß und Hüllen zusammen ein Formstück 18 bilden. Benachbarte Hilfselektroden stehen abwechselndomit. der Hauptkathode bzw. der Hauptanode in Kontakt, und zwar so, daß die beiden obersten Leiter auf die untere Hauptelektrode und die beiden untersten Leiter auf die obere Hauptelektrode geführt sind.

VPA 83 P 1 2 8 3 DE

Der Laser der Fig. 4 hat eine einmal gefaltete optische Achse (2', 2")· In der Figur erkennt man zwei nebeneinanderliegende, durch eine Zwischenwand voneinander getrennte Hauptelektrodenpaare (3¹, 4'; 3", V¹). In die Zwischenwand sowie in die beiden gegenüberliegenden Außenwände der Entladungskammern sind je zwei Hilfselektrodenpaare integriert. Die Hilfseiektroden der Zwischenwand erzeugen an beiden Wandseiten Koronaentladungen.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Da es in erster Linie nur darauf ankommt, im Hilfselektrodenteil brauchbare Koronaentladungen zustande zu bringen, bleibt vor allem in konstruktiver Hinsicht noch ein erheblicher Spielraum. So ist es etwa ohne weiteres möglich, den Hauptelektroden andere Profile zu geben, die Hilfselektroden massiv auszubilden, für das Entladungsgefäß ein elektrisch leitendes Material zu verwenden oder in die Anordnung Asymmetrien hineinzubringen. Davon abgesehen bleibt es dem Fachmann unbenommen, den Entladungsschaltkreis mit einfachen Mitteln - etwa einem LC-Glied - so zu erweitern, daß die Hauptentladung gegenüber der vorausgehenden Koronaentladung definiert verzögert wird.

Im übrigen kommen auch andere Lasertypen, beispielsweise Excimer-Laser, in Frage.

- Leerseite -

Claims

$ VPA 83 P 1 2 8 3 DE Patentansprüche Transversal angeregter Gaslaser, insbesondere TEA-Laser, enthaltend

1) eine langgestreckte, gasgefüllte Entladungskammer mit

a) zwei optischen Elementen, die sich an den beiden Kammerstirnseiten befinden und auf einer gemeinsamen Achse (optische Achse) liegen,

b) zwei im Kammerinneren plazierte Elektroden (Hauptkathode, Hauptanode), die sich längs der optischen Achse erstrecken, und zwar derart, daß diese Achse in dem Raum (Hauptentladungsraum) zwischen der Hauptkathode und Hauptanode verläuft,

c) mindestens zwei weiteren, im Kammerinneren angeordneten Elektroden (Hilfselektroden), die sich im Bereich einer der beiden offenen Seiten des Hauptentladungspaumes parallel zur optischen Achse erstrecken, jeweils aus einem von einem dielektrischen Mantel umgebenen Leiter bestehen" und zu allen übrigen Elektroden einen Überschlagsabstand einhalten;

2) eine Ansteuereinh it, mit der im Betrieb des Gaslasers

a) die Hauptkathode und die Hauptanode auf derart unterschiedliche Potentiale gelegt werden, daß zwischen ihnen eine elektrische Entladung (Hauptentiadung) erfolgt,

b) die Hilfselektroden auf derartige Potentiale gelegt werden, daß von ihnen eine das Gas des Hauptentladungsraumes vorionisierende Koronaentladung ausgeht;

dadurch gekennzeichnet, daß

3) die zwei Hilfselektrodenpaare (7, 9 und 8, 10) einander derart angenähert sind und im Betrieb des Gaslasers auf voneinander derart verschiedene

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Potentiale gelegt werden, daß die-Koronaentladung zwischen diesen beiden Elektroden stattfindet.

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch g e kenn, zei c.h net, daß die Hilfselektroden(7, 8) mit der einen und die Hilfsanoden (9» 10) mit der anderen der beiden Häuptelektroden (3, 4) elektrisch verbunden ist.

3· Gaslaser nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch, gekennzeichnet, daß die der Hauptkathode (3) zugewandten Hilfselektroden die Hilfs-' anöden (9, 10) und die der Hauptanode (4) zugewandten Hilfselektroden die Hilfskathoden (7, 8) sind.

4. Gaslaser nach Anspruch; 3, dadurch g e kennzeichnet, daß der Abstand der Hauptelektrode (3, 4) zu den ihnen jeweils zugewandten Hilfselektroden (9, 10 bzw. 7, 8) derart gering ist, daß auch zwischen der Hauptkathode (3) und der Hilfsanode (9, 10) sowie zwischen der Hauptanode (4) und der Hilfskathode (7-'* 8) jeweils eine Koronaentladung stattfindet.

5· Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzei c\-h net, daß sich im Bereich der beiden offenen Seiten des Hauptentladungsraunjs jeweils mindestens ein aus einer Hilfsanode (9,10) und einer Hilfskathode (7, 8 ) gebildetes Hilfselektrodenpaar befindet.

6. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektroden (7 bis 10) außerhalb des Hauptentladungsraumes liegen.

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7. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,,daß zumindest die auf einer der beiden offenen Seiten des Hauptentladungsraumes befindlichen Hilfselektroden (7, 9 und 8, 10) einen gemeinsamen dielektrischen Mantel (16, 17.) haben.

8. Gaslaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame dielektrische Mantel (16, 17) auf seiner dem Hauptentladungsraum zugewandten Seite ein konkaves Profil hat.

9· Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektroden (7, 8, 9, 10) in die Seitenwand der Entladungskammer (1) integriert sind.

10. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a . durch gekennzeichnet, daß dann, wenn im Bereich einer der beiden offenen Seiten des Hauptentladungsraums mehrere Hilfselektrodenpaare vorhanden sind, die einzelnen Hilfselektroden (7, 9, 8, 10) alternierend als Hilfskathode bzw. Hilfsanode dienen.

11. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektroden (7, 8j 9, 10) jeweils mit einer der Hauptelektroden (3, 4) elektrisch direkt verbunden sind.

12. Gefalteter Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit mindestens zwei nebeneinanderliegenden Häuptelektrodenpaaren, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei benachbarten Hauptelektrodenpaaren (3', 4· und 3", 4") jeweils mindestens ein Hilfselektrodenpaar angeordnet ist

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und dieses Paar zur Vorionisation des Gases beider Hauptentladungsräume dient.

13. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektroden (3, 4) bezüglich einer ersten Ebene spiegelsymmetrisch zueinander und die Hilfselektroden (7, 8, 9, 10) bezüglich einer zweiten, auf der ersten Ebene senkrecht stehenden Ebene spiegelsymmetrisch zueinander geformt und angeordnet sind.