DE3607388A1 - Hochleistungslaser und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Description

GRÜNECKER. KINKELDEY STOCKMAIR & PARTNER

PATENTANWÄLTE

A GRUNECKER η :r, DR H KINKEi-DEv r»p_ ,^₁, DR W STOCKWAiR CVt*. is, DR K SCHUMANN. &.·>. ο-P H JAKOB :>-. -.0 DR G BEZOlD 0"i c-ew W MEISTER Γ.Γ-. ng H MiLGERS ^f nc. DR H MEYER-PlATh pn. DR M BOTT-SODEN DR U KINKElDEV γ·

LITTON SYSTEMS, INC. 36O North Crescent Drive Beverly Hills California 90210

BODO MÜNCHEN 22

P 20 Ο38

Hochleistungslaser und Verfahren zu dessen Herstellung

Hochleistungslaser und Verfahren zu dessen Herstellung Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ringlasers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Die Erfindung bezieht sich somit auf das Gebiet der Lasertechnologie und befaßt sich insbesondere mit der Verbesserung eines Lasers mit einer verbesserten Elektrode sowie mit einem Verfahren zur Anordnung einer solchen Elektrode an einem Laserkörper.

Bei Laserprozessen wirken die Laserelektroden, nämlich die Anode und die Kathode, so zusammen, daß sie einen Stromfluß durch ein lasendes Gas erzeugen, wobei diese Gase auf höhere Energieniveaus angeregt werden, die lasen können. Häufig werden die Elektroden in der Nähe der Laufkanalenden innerhalb des Laserkörpers, der geeignete Gase wie Helium und Neon umfassen kann, angeordnet.

Für gewöhnlich weist die Kathode eine im allgemeinen kuppeiförmige Metallform auf, während die metallische Anode verschiedene Formen annehmen kann, einschließlich Kuppel- oder Scheibenform. Die Anode ist im Betrieb von einer bestimmten Form weniger abhängig als die Kathode. Im Betrieb wird die Kathode auf einem negativen Potential gehalten, während die Anode positiv geladene Helium- und Neonionen hält. Die Kathode wirkt als Elektronenemitter, während die Anode als Elektronensammler dient.

3807388

Bei herkömmlichen Laseranwendungen, beispielsweise bei einem Ringlasergyroskop, sind hochpolierte Spiegel vorhanden, die an gegenüberliegenden Enden des Laserkörpers angebracht sind. Wenn ein solcher Laser als Teil eines Instrumentensystems verwendet wird, ist nur ein geringes Maß an Abstandsschwankungen zwischen den Spiegeln zulässig, weil die Entfernung die erzielbare Laserausgangsleistung beeinflußt. Das Aufrechterhalten eines vorbestimmten Abstandes - innerhalb der Toleranzgrenzen - wird insbesondere dann zu einem schwierigen technischen Problem, wenn der Laser bei relativ extremen thermischen Umgebungsbedingungen betrieben werden soll. Um dieses Problem zu lösen, wird der Laserkörper gemeinhin aus einem Material hergestellt, welches einen extrem niedrigen

Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Zu geeigneten Materialien gehören verschiedene Glaskeramikmaterialien, wie sie z.B. unter dem Warenzeichen "Zerodur" und "Cer-Vit" bekannt sind. Kathode und Anode schließen andererseits metallische Leiter ein, damit ein Stromfluß durch das lasende Gas erfolgen kann.

Häufig werden Metall oder Metallegierungselektroden für Laser mit einer Reihe bekannter Verfahren, einschließlich Stanzverfahren und Zerspanungsbearbeitung hergestellt. Diese Verfahren erfordern intensive Reinigung und Vorbereitung der Innenflächen. In manchen Anwendungsfällen müssen die Elektroden auch dichtend am Laserkörper befestigt werden. Aufgrund der unterschiedlichen Materialien der Elektroden und des Laserkörpers werden gemeinhin Glas/Metalldichtungen verwirklicht. Als Dichtmaterial wird im allgemeinen Indium eingesetzt. Eine Indiumdichtung ist z.B. in der US-PS 4,273,282 von Norvell u.a. für "Glas oder Keramik auf Metall-Dichtungen¹¹ beschrieben. Die Metallelektroden oder

(ο

Metallegierungselektroden erlauben es, den notwendigen elektrischen Kontakt von außen her zum Innenraum des Lasers herzustellen und bilden somit eine Einrichtung, über die der Strom für den Laserprozeß eingebracht werden kann. Das Ausmaß ihrer Ausdehnungen, die sie jedoch unter thermischer Belastung erfahren, beeinträchtigt zwar nicht den Kurzzeitbetrieb des Lasers, jedoch wird im Langzeitbetrieb die Dichtung beeinträchtigt. Der große Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Metallelektroden und dem Glaskeramiklaserkörper führt zu beträchtlichen Belastungen bei einem solchen System. Die Diskrepanz der Wärmeausdehnungskoeffizienten beispielsweise von Aluminium und Zerodur engt die Lebenserwartung der Dichtung zwischen den Elektroden und dem Laserkörper ein, wenn beispielsweise zwischen -55 C und 125° C gefahren wird. Auch wird die Aluminium-zu-Glasdichtung, die gemeinhin Indium einschließt, auf den Schmelzpunkt von Indium, der bei 156° C liegt, eingeschränkt.

Die Belastung, die aufgrund der thermischen Beanspruchung eines Systems, welches einen Glaskeramiklaserkörper und damit verbundene Metallelektroden aufweist, mit sich bringt, kann zu einer Veränderung des Laserkörpers in geringem Ausmaß führen. Eine solche Veränderung kann jedoch die Leistungseigenschaften des Lasers bei Anwendungen z.B. als Ringlasergyroskop stark schwächen. Zu diesem physikalischen Störfaktor tritt noch hinzu, daß die Relativbewegung und der Kaltfluß des Indiumdichtungsmittels an der Zwischenschicht zwischen Laserkörper und Elektrode zu Undichtigkeiten führen. Obwohl sog. "Hartglasdichtungen¹· vorhanden sind, sind sie aufgrund der unterschiedlichen

Wärmeausdehnungskoeffizienten ungeeignet. Diese Belastungen können tatsächlich zum Glasbruch des

Laserkörpers führen.

Die oben beschriebenen Schwierigkeiten bringen eine Beschränkung hinsichtlich wirkungsvoller und geeigneter Herstellungsverfahren mit sich, insbesondere bei Anwendungsfällen wie z.B. bei einem Ringlasergyroskop, bei denen es für eine bestmögliche Herstellungsqualität und Geräteleistung wesentlich ist, daß keine Verunreinigungen vorhanden sind. Bei der Herstellung von solchen Präzisionsgeräten wird normalerweise mit Wärme gearbeitet, um herumfliegende Teilchen, wie Wasser, Alkohole oder Plastikteile zu entfernen.

Nach dem Zusammenbau eines Ringlasergyroskops einschließlich des Laserkörpers, der Spiegel und der Elektroden wird das Gerät auf einem Füllstand angeordnet und "gebacken", um ungewünschte Verunreinigungen zu entfernen. Dieser Ausheizprozeß und die daraus resultierende Reinheit des Lasers sind in ihrer Wirksamkeit auf den oben erwähnten Wert von 156° C aufgrund des Schmelzpunktes der Indiumdichtung begrenzt. (Andernfalls könnte die Vorrichtung noch mit einer um etwa 100° C höheren Temperatur ausgeheizt werden. Diese Temperatur ist durch die Belastbarkeit der Spiegel im Gerät begrenzt.) Auch dadurch wird zusätzlich zu den nachteiligen Auswirkungen durch unterschiedliche thermische Belastungen die Effektivität im Betrieb und die einfache Herstellung einer herkömmlichen Laseranordnung beschränkt, die metallische Elektroden und einen keramischen, dielektrischen Laserkörper unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten sowie eine Indiumdichtung zur Verbindung von Elektroden und Laserkörper aufweist.

f-j Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung

und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welche diese Nachteile vermeiden.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der im Anspruch 1 gekennzeichneten Art sowie mit einem Verfahren der im Anspruch 6 gekennzeichneten Art gelöst.

Die Erfindung löst somit diese Nachteile, indem sie einen Laser vorschlägt, der einen dielektrischen Körper aus einem Material aufweist, welches einen vorbestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, wobei wenigstens eine Elektrode fest damit verbunden ist und der sich dadurch auszeichnet, daß die Elektrode ein vorbestimmtes dielektrisches Material umfaßt, welches Wärmeausdehnungseigenschaften hat, im wesentlichen denen des Laserkörpers entsprechen und wobei die Elektrode an dem dielektrischen Körper mit Feldunterstützung verbunden ist.

Die Erfindung schlägt außerdem ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Ringlasergyroskops vor. Dieses verbesserte Verfahren umfaßt die Schritte der Herstellung einer Laserelektrode teilweise aus einem vorbestimmten dielektrischen Material, welches

Wärmeausdehnungseigenschaften hat, die denjenigen des Laserkörpers nahe kommen. Danach wird die Elektrode mit Feldunterstützung am Laserkörper befestigt. Schließlich wird der Körper mit der daran befestigten Elektrode auf eine Temperatur oberhalb von 156 C ausgeheizt.

ρ Die vorgenannten und weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Die Zeichnung ist eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Lasers.

In der seitlichen Schnittansicht ist in der Figur 1 der erfindungsgemäße Laser dargestellt und mit 10 bezeichnet. Der Laser 10 schließt einen Laserkörper 12 ein, der vorzugsweise aus Keramikglas, wie z.B. Cer-Vit oder Zerodur hergestellt ist. Ein Laserhohlraum 14 ist innerhalb des Laserkörpers 12 ausgebildet. Der Laserhohlraum ist durch die an den gegenüberliegenden Enden angeordneten hochpolierten Spiegeln 15 und 18 begrenzt. Die Anode 20 und eine Kathode 22 stehen mit aufrechtverlaufenden Bohrungen 24 und 26, die zum Laserhohlraum 14 führen, in Verbindung.

Die Kathode 22 besitzt eine im wesentlichen Halbkugelform und umfaßt eine äußere Schale 28 aus Glas, Quarzglas oder Keramikglas sowie eine dünne Filmschicht 30 aus Aluminium oder eine Aluminiumlegierung an der Innenseite. Die Schale 28 kann mit jedem beliebigen Herstellungsverfahren, das im Gebiet der Glas- und Quarzglastechnik bekannt ist, hergestellt werden. Diese Verfahren schließen z.B. das Glasblasen oder Schmelzverfahren mit ein. Außerdem kann die Schale 28 auch aus einer Glaskeramik wie Zerodur, Cer-Vit oder einem dotierten Glas, das unter dem Warenzeichen "UIe" bekannt ist, maschinell hergestellt werden. Geeignete Verfahren zum Überziehen der Innenfläche der Schale 28 zur Ausbildung der Schicht 30 schließen Dampfabscheidung, Sprühauftragen und Galvanisierungsverfahren mit Aluminium oder Alluminiumlegierungen ein. Eine Querschnittsdarstellung der Anode 20 würde auch für die Anode 20 den im wesentlichen identischen Aufbau zeigen. Bei der Anode kann z.B. Kupfer oder eine Kupferlegierung die dünne Filmschicht bilden. Es gibt aber viele andere geeignete

: : 3607389 ίο"

Materialien, wie Nickel, Chrom, Bisen, Titan, Wolfram, Aluminium und Gold.

Die Erfinder haben herausgefunden, daß durch die Verwendung von Elektroden mit einer Schale, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der dicht an den des Laserkörpers 12 herankommt, zu einer starken Verminderung der Belastungen führt, denen die Dichtungen ausgesetzt sind, mit denen die Elektroden am Laserkörper befestigt sind, so daß die Leistung und die Lebensdauer des Lasers gesteigert wird. Es wurde ebenfalls herausgefunden, daß geeignete metallische dünne Filmschichten keine so hohe Massen aufweisen, daß sie zu bemerkenswerten Belastungen der Dichtung führen können. Solange die Metallschicht ausreichend dick ist, um die Elektrode gleichförmig leitend zu halten, ist die Funktion der Elektroden vollständig gleich und äquivalent wie diejenigen von Elektroden, die nur aus Metall oder Metallegierungen hergestellt sind.

Die Dichtung 32 wird bevorzugt in einem feldunterstützten Verbindungsverfahren, wie beispielsweise dem bekannten Mallory-Verfahren, hergestellt. Bei einem solchen Verfahren wird die Glaselektrode und der Laserkörper auf einem Temperatur von 3-400° C aufgeheizt, während zwischen der Elektrode und dem Laserkörper ein Spannungspotential angelegt wird. Wenn sich die Anordnung dann erwärmt, steigt ihre elektrische Leitfähigkeit, so daß ein elektrischer Strom durch die Zwischenschicht zwischen Elektrode und Laserkörper fließt. Dieser Strom hat zur Folge, daß Metall aus der dünnen Filmschicht in das Glas difundiert. Als Ergebnis davon wird eine feste, permanente Verbindung gebildet, die nicht mit herkömmlichen Schwachstellen einhergeben, die bekannte Glas-zu-Metallverbindungen alt sich bringen, wie z.B.

360738

diese, die sich aus der Schmelztemperatur von Indium ergeben.

Durch die Wahl einander im wesentlichen gleicher Warmeausdehnungseigenscbaften für den Laserkörper 12, die Anode 20 und die Kathode 22 ist es möglich, das feldunterstützte Verbindungsverfahren einzusetzen. Solche Verfahren führen zu Verbindungen hoher Belastbarkeit (die Verbindungsstärke kann hier Belastungen von einigen

ρ
10kg/cm (einige 1000 p.s.i.) aushalten, im Vergleich zu

2 Indiumdichtungen, die nur weniger als 10 kg/cm (einige

p.s.i.) aushalten können). Wie zuvor erwähnt, erlaubt es die hohe Verbindungsstärke einer solchen Verbindung, die zerstörenden thermischen Belastungen zwischen dem Laserkörper und einer Elektrode mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zu umgehen. Wenn der Laserkörper und die Elektrode aus ähnlichen Materialien mit Hilfe eines feldunterstützten Verbindungsverfahrens miteinander verbunden werden, führt der Zusammenbau beispielsweise eines Ringlasergyroskops zu großen vorteilhaften Herstellungsverfahren, die die Qualität und die Leistung des erhaltenen Instrumentes stark verbessern. Die Beseitigung der aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem relativ geringen Schmelzpunkt von Indiumdichtungen sich ergebenen Zwangsumstände erlauben es, die Anordnung (einschließlich der dort angeschmelzten Elektroden) bei niederem Druck und bei Temperaturen auszuheizen, die ungefähr 100° höher als der Schmelzpunkt von Indium betragen. (Beim Beispiel eines Ringlasergyroskops kann das Ausbacken des Gerätes auf dem Füllstand mit Temperaturen erfolgen, die nahezu 250° C betragen und nur durch die Belastbarkeit der Spiegel in der Anordnung begrenzt sind, Demgegenüber ist man bei Indiumdichtungen auf den Schmelzpunkt von Indium von ca* 150° C beschränkt. Als sehr vorteilhaftes Ergebnis des

•J : 3607389

Als sehr vorteilhaftes Ergebnis des Ausbackens mit diesen erhöhten Temperaturen erhält man vorteilhafte Eigenschaften des Vakuums. Das Ausbacken mit einer um 100° erhöhten Ausheiztemperatur führt zu einer Dampfdruckerhöhung von mehr als 2 Dekaden, was eine Steigerung von mehr als dem lOOfachen bedeutet. Da die Reinheit der Vorrichtung eine Funktion der Differenz zwischen dem Dampfdruck und dem Umgebungsdruck ist, folgt hieraus, daß man um einen bestimmten Grad an Reinheit zu erhalten, mit einer um den Faktor 100 geringeren Pumpzeit auskommt. Das wiederum hat zur Folge, daß die erfindungsgemäße Herstellung billiger und die Leistungsqualität sowie die erzielbare Lebensdauer langer wird.

Es ist zu erkennen, daß durch die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren und ein Gerät für die Laserherstellung beschrieben worden ist. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Lehre kann man Lasergeräte von verbesserter Widerstandsfähigkeit bei der Benutzung in Wärmeumgebungen erhalten, die andernfalls die Leistungsfähigkeit stark herabsetzen wurden. Weiterhin wird durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre die Möglichkeit eröffnet, ein vorteilhaftes Verbindungsverfahren einzusetzen, das im Stand der Technik zur Erzielung der genannten Vorteile nioht anwendbar war.

Dieses Verbindungsverfahren zusammen mit der Ausgestaltung der Laserelektroden führt zu einer Laseranordnung, die eine verbesserte Qualität und geringere Herstellungskosten mit sich bringt.

IN

SPECTED

Claims (8)

1. Hochleistungslaser und Verfahren zu dessen Herstellung

   Patentansprüche

   , Laser mit einem dielektrischen Körper aus einem Material, welches vorbestimmte Wärmeausdehnungseigenschaften hat und mit wenigstens einer Elektrode, die daran befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) das die wenigstens eine Elektrode (20, 22) ein vorbestimmtes, dielektrisches Material (28) umfaßt, dessen Wärmeausdehnungseigenschaften nahezu denjenigen des Körpers (12) entsprechen und

   b) das die wenigstens eine Elektrode (20, 22) feldunterstützt mit dem dielektrischen Körper (12) verbunden ist.
2. 2. Laser nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (20, 22) einen metallischen Überzug (30) aufweist.
3. 3. Laser nach Anspruch 2,

   dadurch gekennzeichnet, daß

   a) die Elektrode (20, 22) eine hohle, im wesentlichen halbkugelföreige Form aufweist und daß

   b) die metallische Oberzugsschicht im Inneren der im wesentlichen halbkugeligen Form (28) angeordnet ict.
4. 4. Laser nach Anspruch 3,

   dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Elektrode (22) eine Kathode ist.
5. 5. Laser nach Anspruch 4,

   dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Elektrode zusätzlich wenigstens eine Anode (20) umfaßt.
6. 6. Verfahren zur Herstellung eines Ringlasergyroskopes, bei dem ein Laserkörper aus einem Material mit vorbestimmten Wärmeeigenschaften vorbereitet wird, und wobei dann wenigstens eine Elektrode mit dem Körper verbunden wird,

   dadurch gekennzeichnet, daß

   a) die Elektrode (20, 22) teilweise aus einem vorbestimmten dielektrischen Material (28) hergestellt wird, dessen Wärmeausdehnungseigenschaften etwa denjenigen des Körpers (12) entsprechen, daß dann

   b) die Elektrode (20, 22) mit dem Körper (12) feldunterstützt verbunden wird, und daß dann

   c) der Körper (12) mit der daran befestigten Elektrode (20, 22) mit einer Temperatur von über 156 C ausgeheizt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (20, 22) mit einem Metall beschichtet wird.
8. 8. Ringlasergyroskop,

   dadurch gekennzeichnet, daß es durch ein Verfahren nach Anspruch 7 hergestellt

   ORIGINAL IWSPECTEO