DE2124431A1

DE2124431A1 - Gaslaseranordnung

Info

Publication number: DE2124431A1
Application number: DE19712124431
Authority: DE
Inventors: Barton Livermore Calif. Krawetz (V.StA.)
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1970-05-25
Filing date: 1971-05-17
Publication date: 1971-12-09
Also published as: GB1289655A; US3641454A; FR2090266A1; FR2090266B1

Description

Anmelderin: United States Atomic Energy Commission Washington D. G., USA

Gaslaseranordnung

Die Erfindung betrifft eine Gaslaseranordnung, in der das Lasermittel durch eine vermittels Elektronenstrahlen ausgelöste elektrische Entladung stimuliert wird.

Gaslaser sind in hohem Energiebereich besonders günstig, weil das Lasermittel durch den intensiven Lichtstrahl nicht beschädigt wird. Es ist aber sehr schwierig oder unmöglich, in dem für den Lasereffekt erforderlichen Energiezustand des Lasermittels eine grosse Besetzungsinversion zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.

Optische Pumpen, z. B. Blitzlichtlampen, können die hierfür erforderliche hohe Energie in dem erforderlichen kurzen Zeit-

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raum nicht übertragen. Für die Stimulierung des Lasermittels wird daher eine elektrische Entladung verwendet. Diese stimuliert das Lasergas unmittelbar durch Elektronenkollision und indirekt durch Resonanzübertragung von einem zweiten, durch Elektronenkollision unmittelbar stimulierten Gas. Da eine gleichmässige, stabile elektrische Ladung aber nur bei sehr niedrigem Druck bzw. im Vakuum zu erreichen war, blieb die Energiedichte der bekannten Gaslasersysteme auf sehr niedrigem Niveau.

Die Erfindung hat eine Gaslaseranordnung mit hohem Gasdruck und grosser, gleichmässiger Energieleistung bei sehr kleiner, freier ElektroneEverdii'ängung und sehr kurzer Impulsdauer zur Aufgabe.

Die Aufgabe wird durch die Gaslaseranordnung der Erfindung ^ mit einer durch Elektronenstrahlen ausgelösten elektrischen

Entladung gelöst, in der ein wenigstens ein Paar gegenüberliegende Elektroden enthaltender optischer Resonator ein unter hohem Druck stehendes, gasförmiges Lasermittel enthält, eine Spannungsquelle an die Elektroden eine etwas unter der Durchschlagsspannung des Lasermittels liegende Spannung legt, und ein Elektronenbeschleuniger über einen die Elektronenimpulse desselben auf die Querschnittsfläche des optischen

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Resonators bringenden Elektronenstreuer an den Resonator angeschlossen ist.

Infolge der sehr kurzen Zeitdauer und grossen Gleichmässigkeit der Impulse geladener Teilchen und der ausgelösten Entladung wird das Lasermittel bei sehr geringer freier Elektronenverdrängung mit sehr hohen und gleichmässigen Energiemengen beaufschlagt.

Die Zeichnung zeigt die erfindungsgemässe Gaslaseranordnung in einer Oszillatorschaltung.

Die Gaslaseranordnung in Oszillatorschaltung 10 mit einer durch Elektronenstrahlung ausgelösten elektrischen Entladung enthält einen Elektronenimpulsbesehleimiger 12 und ein Druckgefäss oder -gehäuse 15- Dieses wird durch die beiden Plattenelektroden mit grosser Wirkfläche 14-, die gegenüberliegenden, isolierenden Seitenwände 15 z. B. aus Natriumchlorid, die gegenüberliegenden, für Elektronen hoher Energie durchlässigen Endwände 16, z. B. aus einer druckfesten Metallfolie wie Aluminium, gebildet· Das Gehäuse 13 enthält ein unter hohem Druck stehendes, gasförmiges Lasermittel 11 wie z. B. eine OOp-Np-He-Mischung. Ein Paar Spiegel 17 ist in der gezeigten Ausbildung zu beiden Seiten des Gehäuses im Abstand von den Seitenwänden 15 angeordnet und begrenzt mit den

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Elektroden 14 einen optischen Hohlraum oder Resonator. Die Spiegel können auch in dem Gehäuse einstückig mit diesem ausgebildet oder aussen an den Gehäusewänden befestigt werden. Der eine Spiegel hat z. B. eine 100%ige Reflektivität, während die Reflektivität des anderen Spiegels für eine maximale Laserleist\ing eingestellt ist.

Das Gehäuse wird in dem durch die Pfeile 18 angedeuteten Strah lengang eines Beschleunigers 12 angeordnet. Zwischen den Beschleuniger und das Gehäuse wird z. B. mit Magnetfeldern oder streuenden Filmschichten arbeitender Elektronenverteiler 19 geschaltet. Dieser streut den Elektronenstrahl, so dass er den gleichen Querschnitt wie das Gehäuse 15 annimmt. Hierzu kann auch noch ein verjüngter Zwischenteil 20 vorgesehen werden. Eine Kondensatorenbank 21 ist über die Leitungen ·&£-, mit den Plattenelektroden 14 verbunden und kann durch die ^ über die Leitung 25 angeschlossene Kraftquelle 24 aufgeladen werden.

Die Arbeitsweise der Anordnung ist wie folgt: Zunächst wird die Kondensatorenbank 21 aufgeladen, bis die an die Elektroden 14 gelegte Spannung etwas unter der Durchschlagsspannung des gasförmigen Lasermittels 11 in dem Gehäuse 13 liegt. Der Beschleuniger 12 erzeugt einen kurzen Elektronenimpuls oder -strahl hoher Energie (etwa der Energie-

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stufe der Elektronenruheenergie entsprechend). Dieser durchdringt annähernd mit Lichtgeschwindigkeit das gasförmige Lasermittel 11, ionisiert es dabei leicht durch Elektronenkollision und löst zwischen den Plattenelektroden 14 eine starke aber gleichmässige elektrische En13adung aus. Der Elektronenimpuls 18 und die elektrische Entladung stimulieren das Lasermittel und erzeugen eine grosse Besetzungsinversion. Diese verläuft in einer aus GO₂-N₂-He bestehenden Lasermischung (beispielsweise 40% GO₂, 50% N₂ und 10% He, Jeweils in Volumen-%) etwa in der Weise, dass das stimulierte N₂ durch Resonanz Energie auf das unstimulierte CO₂ überträgt, wodurch der Energiezustand der GOp Moleküle eine Besetzungsinversion erfährt. Die spontane Emission des stimulierten CO₂ löst den Lasereffekt aus. Das von den Kondensatoren zwischen den Elektroden aufgebaute elektrische leid besitzt z.B. eine Spannung von 5 KV/cm und die Impulsenergie des Beschleunigers beträgt etwa 300 Joule. Es lassen sich hierdurch Laserimpulse mit einem Gesamtenergiegehalt von etwa 20.000 Joule erzeugen, die in etwa 0,5 /u-Sek. mit einer Nennleistung von ca. 10 Megawatt abgegeben werden.

Im Gegensatz zu bekannten Gaslasersystemen ist in der erfindungsgemässen durch Elektronenstrahlen bzw. -impulse ausgelösten Anordnung das das Lasermittel bildende Hochdruckgas zwischen Plattenelektroden angeordnet und wird durch Auslösen

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einer gleiohmässigen Entladung durch den Elektronenstrahlimpuls hoher Energie gepumpt. Infolgedessen ist die Laserenergie pro Impuls um wenigstens 3 Grössenordnungen höher als in bekannten Lasersystemen.

Der in der erläuterten Ausbildung senkrecht zum optischen Strahlengang zwischen den Spiegeln verlaufende Elektronenstrahl kann auch stattdessen parallel zu diesem geführt werden.

Anstelle flacher Elektrodenplatten können auch an Ballast gelegte, miteinander verbundene Feldemissxonsspxtzen verwendet werden.

Die als Oszillator gezeigte Anordnung kann auch unter Fortfall der Spiegel als Verstärker verwendet werden. Das Licht wird dann durch die durchsichtigen Wände 15 und das Lasermittel 11 geführt. Bei Auftreten eines Energiezuwachses wird ein äusserer Oszillatorinipuls durch das Lasermittel geführt und dadurch verstärkt.

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Claims

Pat ent an spräche

flJ Gaslaseranordnung mit einer durch Elektronenstrahlen ausgelösten elektrischen Entladung, dadurch gekennzeichnet, dass ein wenigstens ein Paar gegenüberliegende Elektroden enthaltender optischer Resonator ein unter hohem Druck stehendes, gasförmiges Lasermittel enthält, eine Spannungsquelle an die Elektroden eine etwas unter der Durchschlagespannung des Lasermittels liegende Spannung legt, und ein Elektronenbeschleuniger (12) über einen die Elektronenimpulse desselben auf die Querschnittsfläche des optischen Resonators bringenden Elektronenstreuer (19) an den Resonator angeschlossen ist.
2. Gaslaseranordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Elektroden (M) mit lichtdurchlässigen, isolierenden, gegenüberliegenden Seitenwänden (15) und für Elektronen hoher Energie durchlässigen Endwänden (16) ein das Lasermittel enthaltendes Gehäuse (13) bilden, an dessen Seitenwänden die mit den Elektroden den optischen Resonator begrenzenden Spiegel (1?) vorgesehen sind·
3. Gaslaseranordnung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden aus Kupfer, die Seitenwände aus NaOl und die Endwände aus einer geeigneten Metallfolie bestehen.

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4. Gaslaseranordmrng gemäss Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spiegel eine Eeflektivität von 100% hat und die Reflektivität eines weiteren Spiegels für eine maximale Laserleistung eingestellt ist.
5. Gaslaseranordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstreuer Magnetfelder oder streuende Filmschichten enthält.
6. Gaslaseranordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ßpannungsquelle aus einer Kondensatorenbank (21) besteht.
7. Gaslaseranordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasermittel aus einer Hischung von GOg, IU und He besteht.
8. Gaslaseranordnung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden aus Platten mit grosser Wirkfläche bestehen.

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