DE2528174A1 - Laser mit wanderwellenanregung - Google Patents

Description

Dr.-Ing. Ernat Sommerfeld Dr. Dieter ν. Bezold 24. Juni 1975 Dip!..Ing. Peter Schütz 9655-75 Dr.v.B/E/Ba

Dipt.-Ing. Wolfgang Heiwtor • München θβ, Poetfach ΘΘΟΘΘ§

Dr. Hans SALZMANN

7 Stuttgart 1, Relenbergstraße 57

und

Dr. Herbert STROHWALD
7031 Holzgerlingen, Vogelsangstraße 12

Laser mit Wanderwellenanregung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser mit zwei Elektroden, die einander gegenüberliegend einen langgestreckten Spalt begrenzen, einem im Spalt befindlichen, stimulierbaren Medium und einer Anordnung zum elektrischen Anregen des im Spalt befindlichen stimulierbaren Mediums in einem Bereich, der sich nach Art einer Wanderwelle längs des Spaltes ausbreitet.

Unter einer Wanderwellenanregung eines Lasers versteht man ein Laser-Pumpverfahren, bei dem ein Zustand, in dem das stimulierbare, aktive Lasermedium die Laserstrahlung verstärkt, mit dem zu verstärkenden Laserstrahlungsimpuls mitgeführt wird. Eine Wanderwellenanregung ist vor allem zum effektiven Pumpen von Superstrahlungslasern wichtig, bei denen die Laufzeit des Laserstrahlungsimpulses durch das aktive Medium größer als die Dauer des emittierten Laserstrahlungsimpulses ist. Die Dauer des Laserstrahlungsimpulses nimmt in gasförmigen Medien mit zunehmendem Druck infolge von

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Stoßabregung des oberen Laserniveaus ab. So ist z.B. im Falle des Stickstofflasers (Wellenlänge 3371 8) bereits bei einem Fülldruck von 1 Atm die Impulsdauer mit <, 500 psec kurz gegen die Durchlaufzeit durch einen Laserkanal üblicher Länge_r die ca 50 cm beträgt (H. Salzmann, H. Strohwald, Optics Comm. 12 (1974), 370).

Bisher hat man versucht, die Wanderwellenanregung durch eine den Entladungselektroden zugeführte, durch Laufzeiteffekte erzeugte elektrische Wanderwelle zu erzwingen, siehe z.B. die oben erwähnte Veröffentlichung, ferner Appl. Phys. Lett. 10 (1967), 3; IEEE J. Quantum Electronics QE-IO(1974), 147; Opto-electronics A (1972), 43 und Appl. Phys. Lett. 25_ (1974) 703. Ein bei dieser Art der Wanderwellenanregung bisher noch nicht befriedigend gelöstes Problem besteht darin, daß es praktisch nicht möglich ist, den Anstieg der elektrischen Spannung zwischen den Elektroden so steil zu machen, daß die Zündverzugszeit klein genug wird, um elektrische Ausgleichsvorgänge längs der Elektroden in tragbaren Grenzen zu halten.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, bei einem Laser, insbesondere einem Gaslaser, eine wirkungsvolle Wanderwellenanregung trotz relativ langsamer Anstiegszeit der die Anregung bzw. Entladung bewirkenden, geschalteten elektrischen Hochspannung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Bei einem Laser gemäß der Erfindung nimmt also die elektrische Durchschlagsfestigkeit des Spaltes von einem Punkt minimaler Durchschlagsfestigkeit über mindestens ein

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Stück des Spaltes in Längsrichtung des Spaltes stetig und monoton zu. Dies wird vorzugsweise durch eine stetige Verbreiterung des Spaltes, ausgehend von einem Punkt minimaler Spaltbreite, bewirkt. Im einfachsten Falle ist der Spalt also keilförmig und durch zwei schwach divergierende, gerade Elektrodenränder begrenzt. Eine oder beide Elektrodenränder können auch voneinander weg gekrümmt sein. Die Entladung setzt dann am Funkt geringsten Abstandes ein und breitet sich in Richtung zunehmenden Elektrodenabstandes aus. Die Ränder können scharfkantig, spitz zulaufend oder auch abgerundet sein.

Die Änderung der Durchschlagsfestigkeit läßt sich jedoch auch durch andere Maßnahmen erreichen, z.B. durch einen Druckgradienten längs des Elektrodenspaltes oder durch stetige Zunahme des Krümmungsradius der sich gegenüberliegenden Elektrodenkanten, durch einen längs des Spaltes verlaufenden Gradienten der Durchschlagsfestigkeit des laseraktiven Mediums (der z.B. durch Zumischen eines Hilfsgases mit zunehmendem Anteil erreicht werden kann) u.a.m.

Ein wesentlicher Vorteil, der durch die Erfindung erzielt wird, besteht darin, daß sich ohne Verwendung extrem niederinduktiver Schalter (wie z.B. dielektrischer Funkenstrekken, die eine höhere Repetitionsrate ausschließen) eine Wanderwellenanregung längs eines Laserkanals üblicher Baulänge realisieren läßt. Durch eine Handerweilenanregung in Gasen, die unter höheren Drücken (p > 1 atm) stehen, können ultrakurze Laserstrahlungsimpulse hoher Leistung erzeugt werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei einem Laser, der eine Schaltfunkenstrecke zur Anlegung einer Hochspannung an die beiden Elektroden enthält, die Schaltfunkenstrecke mit den Elektroden

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in dasselbe bzw. ein kommunizierendes Druckgefäß eingebaut/ so daß zwischen den Elektroden des Lasers und zwischen den Elektroden der Sehaltfunkenstrecke stets im wesentlichen der gleiche Druck herrscht. Durch diese Maßnahme wird der Laserkanal bei Änderungen des Druckes jeweils mit gleichem E/p (E = elektrische Feldstärke, ρ = Fülldruck) betrieben, da die Durchschlagsspannung der Schaltfunkenstrecke linear mit dem Druck ansteigt. Der Laser kann somit ohne Veränderungen an der Schaltfunkenstrecke bei verschiedenen Fülldrücken betrieben werden, wodurch sich die Dauer des emittierten Laserstrahlungsimpulses einstellen läßt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Lasers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 2 eine Draufsicht in einer Schnittebene A-B der Fig. 1;

Der in Fig. 1 schematisch im Querschnitt dargestellte Laser enthält zwei Elektroden 10, 12 in Form langgestreckter Aluminiumgußplatten, die etwa 5mm dick, 30 mm breit und 500 mm lang sein können und jeweils eine keilförmig zulaufende Kante 14 bzw. 16 bilden. Die Kanten 14, 16 liegen sich in natem Abstand gegenüber und begrenzen zwischen sich einen Entladungs- oder Laserkanal 18. Unterhalb und oberhalb der in einer Ebene liegenden Elektroden 10 und 12 sind je eine dünne isolierende Folie 19 bzw. 20 angeordnet.

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Di-e Folien können z.B. aus Polyester bestehen und z.B. etwa 200 ym dick sein. An die Folien 19 und 20 schließen sich Gegenelektroden 21 bzw. 22 an, die sich über die ganze Breite und Länge beider Elektroden 10 und 12 erstrecken und mit jeder Elektrode 10 und 12 einen Kondensator bilden. Die Gegenelektroden 21, 22 können z.B. aus 5 mm dicken Aluminiumplatten bestehen und sind mit Masse verbunden. Die Elektroden 10 und 12 sind jeweils über einen Ladewiderstand 23, 24, dessen Widerstandwert in der Größenordnung von 10 0hm liegen kann, mit einer nicht näher dargestellten Quelle für eine Hochspannung +Uj. verbunden, die z.B. +8 bis +1OkV betragen kann.

Die Elektrode 12 ist außerdem über eine Schaltfunkenstrecke 26 mit Masse verbunden. Die Schaltfunkenstrecke 26 kann in bekannter Weise steuerbar sein oder hat eine Durchschlagsspannung, die kleiner ist als IL..

Die beschriebene Elektrodenanordnung und die

Schaltfunkenstrecke 26 sind in einem Gefäß 28 angeordnet, das ein stimulierbares Medium, insbesondere ein Gas, wie Stickstoff, enthält. Das Gefäß 28 kann entfallen, wenn als stimu-

ider Stickstoff von.
lierbares MediumiLutz unter Ätmosphärendruck verwendet wird. Das Gefäß 28 kann druckfest ausgebildet und mit einer nicht dargestellten Druckgasquelle verbunden sein. Die Druckgasquelle kann hinsichtlich des Betriebsdruckes einstellbar sein.

Bei dem beschriebenen Laser nimmt die Durchschlagsfestigkeit des Lasergases zwischen den Kanten 14 und 16 der Elektroden 10 und 12 vor dem in Fig. 2 unteren Ende dieser Elektroden bis zum oberen Ende stetig und monoton zu. Dies wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß der Abstand zwischen den geraden Elektrodenkanten 14 und 16 längs des Laserkanales 18 vom einen Ende der Kanten zum anderen hin stetig zunimmt. Bei der dargestellten Ausführungsform kann der Elektrodenabstand am unteren Ende

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30 ca 0,8 mm und am oberen Ende 32 ca 1,0 mm betragen.

Im Betrieb werden die Elektroden 10 und 12 über die Widerstände 23 und 24 durch die Spannung +ü_L aufgeladen. Wenn die Schaltfunkenstrecke 26 zündet oder gezündet wird, entlädt sich zunächst der durch die Elektrode 12 einerseits und die Gegenelektroden 21, 22 andererseits gebildete Kondensator. Die Spannung zwischen den Elektroden 10 und 12 steigt dadurch verhältnismäßig rasch an. Wegen des ungleichmäßigen Abstandes zwischen den Kanten 14 und 16 der Elektroden zündet die Entladung jedoch immer an der engsten Stelle am Ende 30 und läuft dann in Richtung des Pfeiles durch den Laserkanal 18. Die geometrische Lage des Anschlußpunktes der Schaltfunkenstrecke 26 an der Elektrode 12 ist wegen des relativ langsamen Spannungsanstiegs beim Entladen des Kondensators 12-21,22 ohne Bedeutung. Die in Pfeilrichtung durch den Laserkanal 18 laufende Entladung bewirkt eine Wanderwellenanregung, durch die das stimulierbare Medium zur Emission von Superstrahlung veranlaßt wird. Die Laserstrahlung wird in erster Linie in Pfeilrichtung emittiert und ist in dieser Richtung wegen der Wanderwellenanregung um ein Vielfaches intensiver als in der Gegenrichtung. Gleichzeitig wird durch die keilförmige Ausbildung des Elektrodenspaltes gewährleistet, daß nur ein einziger Laserstrahlungsimpuls pro Entladung emittiert wird.

Die Dauer des emittierten Laserstrahlungsimpulses beträgt bei dem beschriebenen AusfUhrungsbeispiel mit Luft unter Atmosphärendruck als stimulierbares Medium etwa 300 psec, die Durchlauf zeit der Entladung durch den 500 mm langen Laserkanal 18 betrug ca 1,7 nsec. Man sieht, daß bereits bei einem Wert 5 des Verhältnisses dieser beiden für die Wanderwellenanregung charakteristischen Zeiten eine erhebliche Leistungssteigerung bewirkt wird.

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Die beschriebene Ausführungsform läßt sich z.B. dadurch abwandeln, daß man mindestens eine der Kanten 14,16 nicht gerade sondern etwas gekrümmt ausbildet. Wichtig ist jedoch immer, daß die Breite des Spaltes und dadurch die Durchschlagsfestigkeit von einem Punkt minimalen Wertes längs des Laserkanals über mindestens ein Stück der Kanten zunimmt.

Die gewünschte Änderung der Durchschlagsfestigkeit längs des Laserkanals 18 kann anstelle des zunehmenden Elektrodenabstandes oder zusätzlich zu dieser Maßn ahme auch noch durch andere Maßnahmen bewirkt werden, z.B. durch einen Druckgradienten längs des Laserkanals, der z.B. durch eine Strömung längs des Laserkanals erzeugt werden kann, durch ein zusätzliches elektrisches und/Gäer magnetisches Feld, durch Änderung der Dielektrizitätskonstante, durch Zumischung eines Fremdgases, die Änderung des Krümmungsradius der einander gegenüberliegenden Elektrodenränder längs des Kanals, und damit des Feldstärkegradienten (die Elektrodenränder können also etwa die Form eines Teiles eines Kegelmantels haben).

Die Abstandsänderung der Kanten (Keilwinkel) ist selbstverständlich nicht auf den angegebenen Wert beschränkt, sie kann leicht empirisch eingestellt sowie optimiert werden und z.B. zwischen etwa 0,04 und 0,1% betragen.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   ί 1)JLaser mit zwei Elektroden, die einander gegenüberliegend einen langgestreckten Spalt begrenzen, einen im Spalt befindlichen stimulierbaren Medium und einer Anordnung zum elektrischen Anregen des zwischen den Kanten befindlichen stimulierbaren Mediums unter Erzeugung einer Besetzungsinversion in einem Bereich, der sich nach Art einer Wanderwelle längs des Spaltes ausbreitet, dadurch gekennzeichnet, daß eich die Durchschlagsfestigkeit des Spaltes (18) längs mindestens eines Stückes der Kanten (14,16) der beiden Elektroden (10,12) ändert.
2. 2) Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschlagsfestigkeit von einem Bereich (30) minimalen Wertes zwischen den Kanten längs eines angrenzenden Stückes der Kanten stetig und monoton zunimmt.
3. 3) Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschlagsfestigkeit vom einen Ende (30) des Spalts bis zum anderen Ende (32) stetig und monoton zunimmt.
4. 4) Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand von einander gegenüberliegenden Rändern oder Kanten (14,16) der Elektroden (10,12) längs mindestens eines Teiles des Laserkanals (18) zunimmt.
5. 5) Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Spalt begrenzenden Ränder der Elektroden und eine Schaltfunkenstrecke zur Erzeugung der Entladung in miteinander in Verbindung stehenden Raumbereichen angeordnet sind.

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6. 6) Laser nach Anspruch 1,2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Voirichtung zum Erzeugen einer Strömung des stimulierbaren Mediums längs des Spaltes.
7. 7) Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium ein Gas, insbesondere Luft, ist.

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   L e e r s e i t e