DE3926956C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Entladungsanordnung in einem Laser mit einem Laserrohr, das das Lasermedium enthält, und das ein koaxial angeordnetes Außenrohr unter Bildung eines ringförmigen Zwischenraums umgibt, an dessen Stirnseiten scheibenförmige Zündelektroden angeordnet sind, und welcher Zwischenraum ein Entladungsmedium enthält, in dem ein Entladungsplasma erzeugbar ist, dessen Lichtemission das Lasermedium optisch pumpt.

Entladungsanordnungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 werden für Laser mit koaxialem Pumpsystem verwendet. Koaxiale Pumpsysteme werden zum optischen Pumpen von Festkörper-, Flüssigkeits- oder Gaslasern eingesetzt. Gegenüber linearen Blitzlampen zeichnen sich koaxiale Systeme durch eine hohe Pumpeffizienz aus, da das Lasermedium allseitig von der Pumpquelle bestrahlt wird. Mit koaxialen Blitzlampensystemen können kurze Pulsanstiegszeiten realisiert werden, die den Wirkungsgrad einiger Lasermedien deutlich verbessern. Koaxiale Blitzlampen eignen sich für Laser mit denen gepulste Laserstrahlung hoher Pulsenergie aber geringer Pulsrate erzeugt werden soll.

Ein typischer Aufbau einer Entladungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 für leistungsstarke Farbstofflaser ist aus dem Buch "Dye Lasers" von F. P. Schäfer, Springer-Verlag, 1973, S. 60-63, bekannt und weist mindestens zwei koaxial angeordnete Glasrohre auf, die einen ringförmigen Spalt mit einer Breite von typischerweise 0,5-10 mm bilden. Die Länge der Rohre liegt im Bereich von ca. 3-30 cm. Der Ringspalt ist am Ende der Glasrohre durch zwei ringförmige Elektroden abgeschlossen. Das abgeschlossene Volumen wird evakuiert und mit einem Edelgas, z.B. Xenon im Druckbereich von 30-300 mbar gefüllt. Das äußere Glasrohr ist von einem möglich dicht an der Glasoberfläche geführten Rückleiter umschlossen, um die Induktivität des Systems klein zu halten. An die Ringelektroden wird eine Kondensatorbank geschaltet, die sich impulsartig über die Koaxiallampe entlädt. Im Ringspalt zwischen den Rohren wird das Xenon durch die Entladung zu intensiver Lichtemission angeregt. Im Bereich der Symmetrieachse der Rohranordnung befindet sich das Lasermedium, das durch die Blitzlampe optisch gepumpt wird. Die Koaxiallampen werden so ausgeführt, daß das Entladungsplasma den Ringspalt vollständig ausfüllt. Die Breite des Ringspalts bestimmt die Stromdichte und damit die Leistungsdichte, die in die Entladung eingekoppelt wird.

Das vorstehend beschriebene herkömmliche koaxiale Pumpsystem für einen Laser weiset eine Reihe von Nachteilen auf:
Die Glaswände der Koaxiallampen werden duch das Entladungsplasma stark belastet, da das Plasma den Ringspalt vollständig ausfüllt. Die Glaswände werden beim Blitzlampenbetrieb verstärkt erodiert, wodurch die Lebensdauer der Lampe herabgesetzt wird.

Bei herkömmlichen Koaxiallampen wird eine bei der Zündung entstehende Schockwelle innerhalb kurzer Zeit auf das innere Glasrohr übertragen. Schließt sich innerhalb des inneren Glasrohrs das Lasermedium an, so läuft die Schockwelle ins Lasermedium. Hierdurch entstehen Dichtegradienten, die zu einer Erhöhung der Verluste im Lasermedium führen. Die optischen Eigenschaften des Lasermediums werden durch die Schockwellen räumlich und zeitlich inhomogen beeinflußt, so daß die Effizienz und die Strahlqualität des Lasers herabgesetzt werden.

Eine Entladungsanordnung in einem Laser anderer Gattung ist aus der US-PS 46 94 463 bekannt, bei der eine Elektrode einen das Entladungsrohr umgebenden ringförmigen Ansatz aufweist, darüber hinaus weisen beide Elektroden in den Entladungsraum reichende, koaxiale, zylindrische Ansätze auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Entladungsanordnung in einem Laser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, derart weiterzubilden, daß es bei geringem technischem Aufwand hohe Pumpenergien ermöglicht, ohne daß eine nicht tolerierbare Abnutzung des Lasers auftritt.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben:
Wenigstens eine Zündelektrode im Bereich des Außenrohres weist einen als ringförmige Spitze ausgebildeten Ansatz auf, der auf die jeweils andere Zündelektrode gerichtet ist. Ferner beträgt der Durchmesser des ringförmigen Zwischenraums mindestens den fünffachen Wert des Durchmessers des erzeugten Entladungsplasmas.

Aufgrund dieser ringförmigen Spitze entsteht nach dem Schließen des Schalters einer in bekannter Weise ausgebildeten Kondensatorbank, d.h. bei Beginn der Entladung eine rotationssymmetrische Gleitentladung an der Innenseite des Außenrohrs. Mit zunehmendem Entladungsstron entsteht in Wandnähe ein hohlzylindrisches Plasma, das aufgrund magnetischer Kräfte von der Wand des zweiten Rohrs abgehoben wird. Der Plasmazylinder bewegt sich in Richtung Symmetrieachse bis er das Laserrohr erreicht. Während der Bewegung in Richtung auf das Laserrohr emittiert die Plasmaschicht intensive Linien- und Kontinuumstrahlung, die zum Pumpen des Lasermediums, das sich innerhalb des Laserrohres befindet, eingesetzt werden kann.

Dabei ist das Verhältnis der Rohrdurchmesser des Laserrohrs und des zweiten koaxial angeordneten Außenrohrs so bemessen, daß die induktive Impedanz eines hohlzylindrischen Plasmas an der Innenwand des Außenrohrs deutlich geringer ist als die eines hohlzylindrischen Plasmas an der Außenwand des Laserrohres. Die Zündbedingungen sind daher an der Innenwand des Außenrohres günstiger als an der Außenwand des Laserrohres.

Der erfindungsgemäße Laser hat damit eine Reihe von Vorteilen:
Da der Abstand zwischen dem Laserrohr und dem Außenrohr wenigstens fünfmal so groß ist wie die Dicke der Entladungsschicht, füllt das gezündete Plasma den Zwischenraum im Gegensatz zu herkömmlichen Koaxiallampen nicht vollständig aus. Die Glaswände stehen damit nur zeitweise in Kontakt mit dem Plasma, so daß die Glaserosion vermindert wird. Ferner ergibt sich eine bessere Entkoppelung zwischen Schockwellen und Lasermedium, die durch ein drittes Rohr, das den Entladungsraum begrenzt, und das das Laserrohr umgibt, weiter verbessert werden kann.

Das hohlzylindrische Plasma wird von der Innenwand des Außenrohres magnetisch abgehoben und bewegt sich während der Entladung in radialer Richtung auf die Symmetrieachse zu. Die Plasmaansatzbereiche verschieben sich fortlaufend auf den Elektrodenoberflächen. Die Plasmabelastung wird so auf eine größere Fläche verteilt und damit die Elektrodenerosion herabgesetzt. Die entstehende Verlustwärme kann über die Elektrodenflächen, die wesentlich größer sind als bei herkömmlichen Koaxiallampen, leicht abgeführt werden. Dabei ist es von besonderem Vorteil, daß die Zündelektroden eine im wesentlichen scheibenförmige Grundform haben, da hierdurch die Verlustwärme besonders effektiv abgeführt werden kann.

Auch tritt bei dem erfindungsgemäßen Laser keine Abschattung durch Elektroden im Entladeraum auf.

Weiterhin weist der erfindungsgemäße Laser durch die ringförmige Spitze eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Exzentritäten zwischen Außenrohr und Laserrohr als herkömmliche Laser nit koaxialem Pumpsystem auf, so daß auch bei größeren Herstelltoleranzen der beiden Rohre eine symmetrische Plasmazündung erfolgt.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Pumpsystem kann zum optischen Pumpen von beliebigen festen, flüssigen oder gasförmigen Lasermedien sowie von Farbstofflasern verwendet werden. Dabei ist es insbesondere möglich, größere Stromdichten als 7 kA/cm² zu verwenden und die Explosionsenergie-Grenze von 500 J/cm herkömmlicher Systeme zu überschreiten.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Lasers können problemlos Laserpulsenergien in Bereich von 5-100 J erzeugt werden. Die in die Koaxiallampe einkoppelbaren Energien betragen 1-50 kJ pro Entladung.

Es ist vorteilhaft, daß der als ringförmige Spitze ausgebildete Ansatz lediglich an einer Zündelektrode vorgesehen ist. Die andere Zündelektrode weist dann als Ansatz einen außerhalb des Außenrohres angeordneten ringförmigen Vorsprung auf, der das Außenrohr umgibt und bis in den Bereich der ersten Zündelektrode ragt. Diese Ausbildung verringert nicht nur die Induktivität des Systems, sondern verbessert auch die Zündbedingungen im Bereich des Außenrohres verglichen mit den Bedingungen im Bereich des Laserrohres.

Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn der ringförmige Vorsprung an seiner Innenseite verspiegelt ist, da dann die Lichtausbeute erhöht wird.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn wenigstens die Zündelektrode, an der die ringförmige Spitze vorgesehen ist, im Bereich des Laserrohres derart abgerundet ist, und wenn der Abstand der beiden Zündelektroden in diesem Bereich den größten Wert hat. Hierdurch wird die induktive Impedanz an der Außenseite des Laserrohrs gegenüber der induktiven Impedanz an der Innenseite des Außenrohres nochmals erhöht. Damit trägt diese Ausbildung weiter dazu bei, daß eine nicht erwünschte Zündung des Plasmas entlang der Außenfläche des Laserrohres verhindert wird.

Diese erfindungsgemäße Ausbildung kann selbstverständlich nit koaxialen Rohren aus beliebigen Materialien realisiert werden, solange diese nur ein optisches Pumpen erlauben. Die geringe Erosion, die aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung auftritt, erlaubt jedoch bereits die Verwendung von vergleichsweise kostengünstigen Materialien und insbesondere normalem Quarzglas

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2A-2C die Bewegung des Entladungsplasmas,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der Entladungsanordnung in einem Laser. Der Laser weist ein Außenrohr (1) auf, das koaxial zu dem eigentlichen Laserrohr (2), in dem sich ein Lasermedium befindet, angeordnet ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen Außenrohr (1) und Laserrohr (2) aus einem Glas, beispielsweise Quarzglas. Der Zwischenraum (6) zwischen Außenrohr (1) und Laserrohr (2) wird von zwei Zündelektroden (3) und (4) begrenzt, die eine scheibenförmige Grundform haben.

Der als Entladungsvolumen dienende Zwischenraum (6) hat damit eine rotationssymmetrische hohlzylinderförmige Geometrie. Über Öffnungen (5) in den Zündelektroden (3) oder (4) kann das Entladungsvolumen evakuiert und mit einem Entladegas gefüllt werden.

Als Entladegas kommen Edelgase, Wasserstoff, Stickstoff und/oder Kohlendioxid sowie Gasgemische in Frage. Typische Fülldrücke betragen 0,1-500 mbar.

Mit der Zündelektrode (4) ist ein zylinderförmiger, als Rückleiter dienender Vorsprung (7) verbunden, der das Außenrohr (1) möglichst eng um­ schließt, um eine niedrige Induktivität der Anordnung zu erreichen.

Erfindungsgemäß besitzt die Zündelektrode (3) eine ringförmige Spitze (8), die am äußeren Rand der Zündelektrode (3) ange­ ordnet ist.

Die Zündelektroden (3) und (4) sind über einen Schalter (9) mit einem elektrischen Treiber (10) verbunden. Treiber und Schalter sind niederinduktiv ausgeführt, so daß kurzzeitig Ströme bis in den Megaamperebereich erzeugt werden können. Der elektrische Treiber (10) ist in der Regel eine Konden­ satorbank, die so aufgeladen wird, daß nach dem Schließen des Schalters (9) die Zündelektrode (3) ein negatives Poten­ tial gegenüber der Zündelektrode (4) und dem damit verbundenen Vorsprung (7) annimmt. Der Vorsprung (7) reicht in sei­ ner Längsausdehnung mindestens bis zum Bereich (11), d.h. der inneren Begrenzungswand der scheibenförmigen Grund­ form, so daß sich eine elektrische Feldverteilung nach dem Schließen des Schalters einstellt, die den bekannten Glei­ tentladungsmechanismus in Gang setzt. Mit dem Bezugszeichen (12) sind die Resonatorspiegel des Lasers bezeichnet.

Die scheibenförmigen Zündelektroden (3) und (4) sind im Bereich des Laserrohres (2) derart abgerundet, daß der (axiale) Ab­ stand der beiden Zündelektroden (3, 4) in diesem Bereich seinen größten Wert hat. Damit ist die induktive Impedanz im laserrohrnahen Bereich größer als im außenrohrnahen Bereich.

Die Funktionsweise des in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels wird im folgenden anhand von Fig. 2 näher erläutert:
Aufgrund der besonderen Ausbildung des Ausführungsbeispiels, durch die die induktive Impedanz im Außenrohrnahen Bereich ihren klein­ sten Wert hat, entsteht nach dem Schließen des Schalters (9) ein Entladungsplasma (14) in Form einer rotationssymmetrischen Gleitentladung an der Innenseite des Außenrohrs (1). Dies ist schematisch im Teilbild A von Fig. 2 dargestellt.

In Wandnähe entsteht mit zunehmendem Strom ein hohlzylinderförmiges Plasma, das aufgrund magnetischer Kräfte von der Wand abgehoben wird (Fig. 2B) .

Das hohlzylinderförmige Plasma bewegt sich aufgrund der magne­ tischen Kraftwirkung weiter in Richtung Symmetrieachse, bis er das Laserrohr (2) erreicht (Fig. 2C).

In den in den Teilfiguren A, B und C dargestellten Phasen emittiert das Entladungsplasma (14) intensive Linien- und Kontinuumstrahlung, die zum Pumpen des Lasermediums, das sich innerhalb des Laserrohres (2) befindet, eingesetzt wird.

Eine nicht erwünschte Zündung des Plasmas entlang der Außenfläche des Laserrohres (2) wird durch die im folgen­ den näher beschriebenen Maßnahmen verhindert, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel kumulativ verwirklicht sind, die jedoch zum Erzielen des erfindungsgemäßen Erfolgs nicht vollständig vorhanden sein müssen.

Die Zündelektrode (3) mit der Spitze (8) und dem Vorsprung (7) begünstigen eine Gleitentladung an der Innenwand des Außenrohres (1). Weiterhin sind die Zündelektroden (3) und (4) in Bereich der Durchführung des Laserrohres (2) abgerundet.

Das Verhältnis der Rohrdurchmesser von Außen- (1) und Laserrohr (2) ist so bemessen, daß die induktive Impedanz eines Plasma­ hohlzylinders an der Innenwand des Außenrohrs (1) deutlich geringer ist als die eines Plasmahohlzylinders an der Außenwand des Laserrohres (2). Die Zündbedingungen sind daher an der Innenwand von Außenrohr (1) günstiger als an der Außenwand vom Laserrohr (2).

Typische Anlagenparameter bei dem gezeigten Ausführungs­ beispiel sind:
Das Verhältnis des Innendurchmessers des Außenrohrs (1) zum Abstand zwischen den Zündelektroden (3) und (4) liegt im Be­ reich zwischen 1 : 1,5 und 1 : 4.

Die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Außenrohrs (1) und dem Außendurchmesser des Laserrohrs (2) ist größer als 20 mm.

Die gespeicherte Kondensatorbankenergie liegt im Bereich von 1-50 kJ Die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Außenrohrs (1) und dem Außendurchmesser des Laserrohrs (2) beträgt dabei bevor­ zugt das 5- bis 20fache der Dicke des Entladungsplasmas.

Da die radiale Ausdehnung des Zwischenraums (6) die 5- bis 20fache der Dicke des Entladungsplasmas beträgt, füllt das gezündete Plasma den Zwischenraum (6) im Gegensatz zu den herkömm­ lichen Koaxiallampen nicht vollständig aus. Die Begren­ zungswände stehen somit nur zeitweise in Kontakt mit dem Entladungsplasma, so daß insbesondere die Glaserosion vermindert wird.

Das hohlzylindrische Plasma wird von der Innenwand des Außen­ rohres (1) magnetisch abgehoben und bewegt sich während der Entladung in radialer Richtung auf die Symmetrieachse zu. Die Plasmaansatzbereiche verschieben sich fortlaufend auf den Zündelektrodenoberflächen. Die Plasmabelastung wird so auf eine größere Fläche verteilt und damit die Elektroden­ erosion herabgesetzt. Die entstehende Verlustwärme kann über die Elektrodenflächen, die wesentlich größer sind als bei herkömmlichen Koaxiallampen, leicht weggekühlt werden.

Das hohlzylindrische Entladungsplasma wird an der Innenseite des Außenroh­ res (1) mit einer Gleitentladung gezündet. Damit wird eine störungsfreie rotationssymmetrische Entladung gewährlei­ stet. Die Dicke der erzeugten Plasmaschicht beträgt 1 mm-1 cm, je nach Wahl der Entladeparameter.

Der Füllgasdruck des Entladegefäßes, die Entladegeometrie und die Parameter des Treibers werden so abgestimmt, daß die radiale Bewegung des Plasmahohlzylinders nach einer Beschleunigungsphase sich wieder verlangsamt und beim Erreichen der Außenwand des Laserrohres (2) verschwindet. Da­ durch wird die Belastung des glasförmigen Laserrohres (2) vermindert.

Der Vorsprung (7) kann auf seiner Innenseite verspiegelt sein, so daß die nach außen laufende Lichtemission des Plasmas für den Pumpprozeß genutzt werden kann.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Entladungsanordnung in einem Laser.

Dieses Ausführungsbeispiel weist ein weiteres koaxiales Rohr (15) auf, das das Laserrohr (2) umgibt und die innere Begrenzung des Zwischenraums (6) bildet. Das Rohr (15) kann zur optischen Filterung der vom Plasma emittierten Strahlung oder/und zur Kühlung der koaxialen Pumpeinheit dienen.

Vor allem aber hält das Rohr (15) die bereits sehr geringen, von dem Plasma erzeugten Schockwellen vollständig vom Laserrohr (2) fern. Dieses Rohr besteht bei dem beschriebenen Aus­ führungsbeispiel ebenfalls aus Quarzglas.

Claims (5)

1. Entladungsanordnung in einem Laser mit einem Laserrohr (2), das das Lasermedium enthält, und das ein koaxial angeordnetes Außenrohr (1) unter Bildung eines ringförmigen Zwischenraums (6) umgibt, an dessen Stirnseiten scheibenförmige Zündelektroden (3, 4) angeordnet sind, und welcher Zwischenraum (6) ein Entladungsmedium enthält, in dem ein Entladungsplasma (14) erzeugbar ist, dessen Lichtemission das Lasermedium optisch pumpt, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens eine Zündelektrode (3) im Bereich des Außenrohres (1) einen als ringförmige Spitze (8) ausgebildeten Ansatz aufweist, der auf die zweite Zündelektrode (4) gerichtet ist, und
daß der Durchmesser des ringförmigen Zwischenraums mindestens den fünffachen Wert des Durchmessers des erzeugten Entladungsplasmas beträgt.

2. Entladungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als ringförmige Spitze (8) ausgebildete Ansatz lediglich an einer Zündelektrode (3) vorgesehen ist, und daß die andere Zündelektrode (4) als Ansatz einen außerhalb des Außenrohres (1) angeordneten ringförmigen Vorsprung (7) aufweist, der das Außenrohr (1) umgibt und bis in den Bereich (11) der Spitze der ersten Zündelektrode (3) ragt.

3. Entladungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Vorsprung (7) an seiner Innenseite verspiegelt ist.

4. Entladungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Zündelektrode (3), an der die ringförmige Spitze (8) vorgesehen ist, im Bereich des Laserrohres (2) derart abgerundet ist, daß der (axiale) Abstand der beiden Zündelektroden (3, 4) in diesem Bereich seinen größten Wert hat.

5. Entladungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes koaxiales Rohr (15) vorgesehen ist, das den Entladungsraum (6) begrenzt, und das das Laserrohr (2) umgibt.