DE3619354A1 - Transversal angeregter impulsgaslaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen transversal angeregten Impulsgaslaser, insbesondere TEA-Stickstofflaser. Derartige Laser besitzen ein sehr breites Anwendungsgebiet. Sie werden eingesetzt als Anregungslichtquelle in der zeitaufgelösten Fluoreszenzspektroskopie des Nano- und Subnanosekundenbereiches sowie für intensitätsabhängige Absorptions- und Fluoreszenzuntersuchungen, als Pumplichtquelle für Farbstofflaser, als Werkzeug in der Material- und Mikromaterialbearbeitung sowie als Impulslichtquelle zur Testung elektronischer Elemente und Baugruppen.

Transversal angeregte Impulsgaslaser, insbesondere TEA- Stickstofflaser sind seit Mitte der 70er Jahre bekannt. Der Laserkanal derartiger Laser besteht zumeist aus zwei sich parallel gegenüberstehenden Elektroden mit Baulängen von ca 1 cm (V. Hasson and H.M. von Bergmann, Ultraminiatur high-power gas discharge lasers, Rev.Sci. Instrum., 50 (1) Jan. 1979, S. 59-63) bis einigen 10 cm (H.M. von Bergmann, V. Hasson and D. Preussler, Pulsed corona excitation of high-power UV nitrogen lasers at pressures of 0 - 3 bar, Applied Physics Letters, Vol. 27, No. 10, 15. Nov. 1975, S. 553-555). Kurze Baulängen sind technisch relativ leicht zu realisieren, haben aber eine verhältnismäßig hohe Strahldivergenz zur Folge. Solche Laser sind deshalb als Pumplichtquelle und für die Mikro-Materialbearbeitung ungeeignet. Bekannt sind auch Anordnungen mit zueinander leicht geneigten Elektroden. Diese Maßnahme soll die Laserabstrahlung zugunsten einer Richtung verbessern und die zeitliche Impulshalbwertsbreite verringern (Gary W, Scott, Stanley Gao-Zhi Shen and A.J. Cox, Tunable subnanosecond pulses from short cavity dye laser systems pumped with a nitrogen-TEA laser, Rev.Sci.Instrum., 55 (3) March 1984, S.358-364). Hierdurch ergeben sich jedoch bezüglich der Entladung im Laserkanal Vorzugspunkte. Dies wirkt sich negativ auf die Stabilität der Entladung und somit der Laserstrahlung sowie auf die Betriebslebensdauer der Elektroden aus.

Um die Impulsenergie der Laserstrahlung zu erhöhen und gleichzeitig die Strahldivergenz zu verringern, werden auch zwei- bzw. dreistufige Anordnungen verwendet. Zwischen den einzelnen Stufen, zumeist im Winkel von 90° bzw. 180° zueinander angeordnet, wird die Laserstrahlung mit Spiegeln umgelenkt und ihre Strahlgeometrie mit Linsen und Blenden verbessert. Hierdurch wird die Impulsenergie der Sendestufe vor Eintritt in den Verstärker deutlich verringert und somit der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung herabgesetzt. Die zeitliche Synchronisation zwischen den einzelnen Stufen erfolgt bei gemeinsamer Triggerung entweder über die Variierung des Elektrodenabstandes (Wei Edwin Wu, Studies of the nitrogen laser and nitrogen-pumped dye lasers, Dissertation 1980, University of Utah, USA, printed 1983 by Univerity Microfilm International, Ann Arbor, Michigan,USA) oder bei konstanten Elektrodenabständen über unterschiedlichen Gasdruck in den Laserkanälen (K. Kagawa, M. Tani, N. Shibata, R. Ueno and M.Usda, A high-power polarised coherent TE N₂ laser, J. Phys. E. Sci. Instrum., Vol. 15, 1982, S. 1192-1197). Der Wirkungsgrad dieser baulich sehr aufwendigen Anordnungen liegt bei Verwendung von Stickstoff als aktives Medium zwischen 1 · 10^-4 wobei bei größerem Wirkungsgrad auch die Strahldivergenz größer ist.

Ziel der Erfindung ist es, bei einem TE-Impulsgaslaser mit geringem baulichen Aufwand einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen TE-Impulsgaslaser zu schaffen, der Laserimpulse großer Energie mit geringer Impulshalbwertsbreite und geringer Strahldivergenz erzeugt. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Laseranordnung mit mehreren Elektrodenpaaren, bei der erfindungsgemäß alle Elektrodenpaare eine gemeinsame über die Länge des Laserkanals durchgehend sich erstreckende ortsfeste Elektrode besitzen, der mindestens zwei transversal verstellbare Gegenelektroden zugeordnet sind. Durch Justierung der Elektrodenabstände zur durchgehenden Elektrode kann der Zeitpunkt der Emission bezüglich der Triggerung zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren variiert werden. Hierdurch ist es möglich, einzelne Elektrodenpaare so einzustellen, daß sie wahlweise als Sender, Verstärker oder Absorber arbeiten. Da hierbei die Funktionsstufen in einer Achse liegen, sind zusätzliche Umlenkelemente, wie Spiegel und Prisma, nicht erforderlich. Auch ist es möglich, ein Senderelektrodenpaar zwischen zwei Verstärkerelektrodenpaaren so einzustellen, daß die Laserstrahlung in einem ersten Verstärker verstärkt wird und nach Reflexion über einen Spiegel ein zweites Mal den Kanal des Sendeelektrodenpaares durchläuft. Bei geeigneter Justierung wird hier die einfallende Laserstrahlung zeitlich zunehmend absorbiert und führt zu einer Impulsverkürzung. Der so veränderte Laserimpuls durchläuft dann den Kanal eines zweiten Verstärkers. Weiterhin ist es möglich, zwei Elektrodenpaare so einzustellen, daß sie zeitlich nacheinander als Sender arbeiten und anschließend einen gemeinsamen Verstärker durchlaufen. Hierdurch können zeitliche Impulsverbreiterungen erzielt werden. Auch ist es möglich, zwischen einem Sendeelektrodenpaar und einem Verstärkerelektrodenpaar ein Elektrodenpaar so einzustellen, daß ein durchlaufender Laserimpuls zeitlich zunehmend absorbiert und in seinem Strahlquerschnitt eingeengt wird. Dies führt zu einer Impulsverkürzung und zu einer Verringerung der Strahldivergenz. Die einzelnen Einstellungen der Elektrodenpaare lassen sich besonders einfach dadurch realisieren, daß die durchgehende Elektrode fest angeordnet ist und die Gegenelektroden in ihrem Abstand zu derselben von außen, auch während des Betriebes, verstellbar sind. Hierdurch kann ein optimales Betreiben der Elektrodenpaare in ihrer mehrfachen Funktion erreicht werden.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 die schematische Darstellung des Laserkopfes eines TEA-Stickstofflasers nach der Erfindung,

Fig. 2 den Schnitt A-A nach Fig. 1.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind auf einer Grundplatte 12 vier Bandleiterkondensatoren 8, 9, 10 und 11 angeordnet. Der Kondensator 8 enthält eine triggerbare Funkenkammer 1. Auf den Kondensatoren sind innenseitig zur Strahlungsachse 7 der Laserkanäle die Elektroden 3, 4, 5 und 6 angeordnet. Während die durchgehende Elektrode 3 fest fixiert ist, können die Gegenelektroden 4, 5 und 6 von außen über die Verstellelemente 13, 14 und 15 bezüglich ihres Abstandes zur Elektrode 3 justiert werden.

Die Kondensatoren, die untereinander induktiv entkoppelt sind, werden über ein Hochspannungsteil auf eine Betriebsspannung von 8.3 kV aufgeladen. Die Gesamtkapazität der Kondensatoren beträgt 8nF. Die durchgehende Elektrode 3 besitzt eine Länge von 39 cm.

Alle Elektroden bestehen auf der Seite zum Laserkanal aus Wolfram und sind hier mit einem Radius von 2,5 mm versehen (Fig. 2). Die Abstände der Gegenelektroden 4, 5 und 6 zur Elektrode 3 sind unterschiedlich und liegen im Bereich zwischen 1,2 mm und 1,5 mm. Zuerst wird die Elektrode 5 so eingestellt, daß am Ort des Reflexionsspiegels 2 eine maximale Energie auftritt. Anschließend wird die Elektrode 4 justiert. Sie wird so eingestellt, daß die Strahlung aus dem Kanal zwischen den Elektroden 5 und 3 maximal verstärkt wird. Anschließend wird die Elektrode 6 auf maximale Verstärkung eingestellt. Mit einer solchen Anordnung wurden folgende Parameter der Ausgangsstrahlung erhalten:

Impulshalbwertsbreite: 500 ps
Impulsenergie: ≈ 300 µJ
Impulsleistung: ≈ 600 kW
Ganzstrahldivergenz: 0,8 mrad × 2 mrad
Wirkungsgrad: ≈ 1,1 × 10^-3

Wird bei der so justierten Anordnung der Abstand zwischen den Elektroden 5 und 3 vergrößert, so arbeitet das Elektrodenpaar 4, 3 als Sender und das Elektrodenpaar 5, 3 zeitlich verzögert ebenfalls als Sender. Auf diese Weise wird die zeitliche Impulshalbwertsbreite auf ca 900 ps erhöht bei nahezu konstanter Impulsenergie. Wird jedoch der Abstand der ursprünglich justierten Anordnung zwischen den Elektroden 5 und 3 weiter verringert, so arbeitet das Elektrodenpaar 4, 3 als Sender und das Elektrodenpaar 5, 3 absorbiert zeitlich zunehmend. Auf diese Weise wird bei nahezu konstanter Impulsleistung eine Verringerung der Strahldivergenz erreicht.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Impulsgaslaser weist gegenüber vergleichbaren bekannten Lösungen wesentliche Vorteile auf. Die Anordnung der Elektrodenpaare mit kurzen Abständen zueinander bei gemeinsamer gestreckter Strahlungsachse erübrigt sowohl optische Umlenkelemente zwischen den Funktionsstufen als auch strahlschwächende zusätzliche Elemente im Laserkanal. Die hier vorgeschlagene Konfiguration des Laserkopfes mit extrem kurzer Bauform vermeidet weitgehend Strahlungsverluste, woraus ein hoher Wirkungsgrad resultiert. Das System arbeitet äußerst stabil und hat eine hohe Lebensdauer.

Der einfache Aufbau wirkt sich günstig auf Materialeinsatz und Herstellungstechnologie und damit auf die Kosten aus.

Mit einem transversal angeregten Impulsgaslaser nach der Erfindung lassen sich Laserimpulse großer Energie mit geringer Impulshalbwertsbreite und geringer Strahldivergenz erzeugen, wodurch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten gegeben sind.

Claims (5)

1. Transversal angeregter Impulsgaslaser, insbesondere TEA-Stickstofflaser, mit mehreren Elektrodenpaaren, gekennzeichnet dadurch, daß alle Elektrodenpaare eine gemeinsame über die Länge des Laserkanals durchgehend sich erstreckende ortsfeste Elektrode besitzen, der mindestens zwei transversal verstellbare Gegenelektroden zugeordnet sind.

2. Impulsgaslaser nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß von den Gegenelektroden mindestens eine als Sendeelektrode und mindestens eine als Verstärkerelektrode arbeitet.

3. Impulsgaslaser nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der durchgehenden Elektrode drei Gegenelektroden zugeordnet sind, von denen die mittlere als Sendeelektrode und die beiden benachbarten als Verstärkerelektroden arbeiten, wobei die Sendeelektrode auch als Absorberelektrode für den verstärkten und reflektierten Laserstrahl dient.

4. Impulsgaslaser nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß zwei benachbarte Gegenelektroden zeitlich nacheinander als Sendeelektroden arbeiten und mindestens eine weitere Gegenelektrode als Verstärkerelektrode arbeitet.

5. Impulsgaslaser nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der durchgehenden Elektrode mindestens drei Gegenelektroden zugeordnet sind, von denen eine als Absorberelektrode arbeitet.