TRANSVERSELY EXCITED GAS LASER

Abstract: 1. Gas laser with transverse excitation at atmospheric pressure, comprising a discharge chamber (5) in which is arranged an electrode system (10, 11, 37) over which gas flows, said electrode system having a middle electrode (37) which is situated symmetrically about the longitudinal axis of the discharge chamber, which serves for the main discharge and which is connected to a high voltage lead (22) extending out of the discharge chamber, said middle electrode (37) having surfaces (37', 37") for the purpose of electric discharge, each of these discharge surfaces (37', 37") being situated opposite an outer electrode (10, 11) spaced apart from the middle electrode to form an electrode-free space, further comprising a folded resonator chamber which, when the apparatus is used as a laser energy transmitter, is bounded by a totally reflective mirror (38) and by a partially transmittent mirror (41) connected to the totally reflective mirror (38) by spacer elements which provide mechanical stability, both these mirrors being arranged on the same, first end face, each in registry with a free space between the middle electrode and an outer electrode, and which resonator chamber, when the apparatus is used as laser amplifier, is bounded by windows transmitting the laser beam instead of by the mirrors (38, 41), and further comprising means (39, 40) for deflecting the beam, which means are so arranged that inside the resonator chamber, the laser beam travels successively through each of the electrode-free spaces, characterized in that the middle electrode (37) has at least two surfaces (37', 37") serving for discharge, in that the gas discharge chamber (5), which coincides spatially with the resonator chamber (5), is enclosed by an overall housing (2), in that the means for beam deflection (39, 40) are arranged at that end face of the gas discharge chamber (5) which is situated opposite the mirrors (38, 41) and inside the gas discharge chamber, and in that the overall housing (2) encloses a chamber (2') for an electronic circuit (27, 27') adjacent to the gas discharge chamber (5) on the side having the deflecting means.

Description: Gaslaser mit trans+ersaler Anregung Die Erfindung betrifft einen Gaslaser mit transversaler Anregung bei Atmosphärendruck, bestehend aus einem Gehäuse mit einem die Entladung aufnehmenden Resonatorraum (5),der ein von einem Gasfluss umströmtes Elektrodensystem enthält, dessen der Hauptentladung dienende Elektrode mit einer nach aussen führenden Hochspannungsleitung verbunden ist und der bei Laserbetrieb an seiner geschlossenen Stirnseite einen den Laserstrahl total reflektierenden Spiegel aufweist, der über die mechanische Stabilität gewährlei- stende Distanzelemente mit einem weiteren, teildurchlässigen Spiegel verbunden ist, und der bei Verstärkerbetrieb anstelle der Spiegel je ein die verstärkte Laserstrahlung durchlassendes Abschlussfenster besitzt, wobei sowohl die Spiegel als auch die Abschlussfenster in der Höhe des Freiraums zwischen den Elektroden angeordnet sind. Insoweit entspricht diese Anmeldung der früheren Anmeldung z8 710 002.3. Die Aufgabe der Erfindung wird in der Entwicklung eines gattungsgemässen Laser-Verstärkers gesehen, der bei vorgegebener niedriger Schusszahl mit möglichst geringen induktiven Widerständen behaftet ist sowie kompakt und nahezu beliebig kurz gestaltet werden kann. Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Elektrodensystem in eine Mittelelektrode mit wenigstens zwei der elektrischen Entladung dienende OBerf3ächen und in diesen Flächen gegenüberliegende Aussenelektroden aufgegliedert ist, und dass das Elektrodensystem dergestalt symmetrisch ausgebildet und mit den es umgebenden optischen und mechanischen Komponenten innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, dass bei der Entladung eine sonmetri- sche Entladestromverteilung entsteht. Auf diese Weise wird es möglich, mit kürzeren Eelektroden und demzufolge auch mit einem kürzeren Gehäuse auszukommen, ohne dass an der erbrachten Leistung setwas verloren geht. Wenn hierbei die Elektroden z. B. auf die Hälfte verkürzt werden, muss ihre konstruktive Aufgliederung dergestalt erfolgen, dass der Laserstrahl den Resonatorraum in zwei zueinander parallelen Strahlengängen - eta nach Art einer Mä.ander- schleife - zweimal (hin und zurück) durchläuft, wenn dieselbe Leistung wie bei der ungekürzten Elektrode erbracht werden soll. Diese Massnahme wirkt sich auf die Baulänge der gesamten Vorrichtung günstig aus, weil dieselbe dann nurmehr etwa 60% der herkömmlichen Ausführungsformen beträgt. Die symmetrische Bauform erbringt sodann den Vorteil, dass sich die in den Leitungen fliessenden Ströme weitgehend aufheben und keine w-irksa- men Induktivitäten mehr übrigbleiben. Letztere verringern sich vielmehr um den Faktor 4 bis 5, so dass aucfi auf eine Vorionisation verzichtet erden kann. Da sich die Verkürzung des Elektrodensystems bzw. seine Auffächerung sowie die damit zusammenhängende Anzahl der Durchläufe des Laserstrahls ebenso wi e die Symrietri erung der Bauformen und Anordnungen praktisch unbegrenzt fortsetzen lässt, ist es vor allam eine Frage der Wirtschaft lich@eit, ei@er. brau@@ba@@n @ @@@n@s h@@sachilich Fa@- länge und Symmetrie bzw. wirksamer Induktivität auf der einen und dem damit verbundenen Arbeitsaufwand auf der anderen Seite zu erzielen. Die Praxis hat erwiesen, dass ein optimaler Kompromis bei zwei bis maximal vier Durchlaufen und einer entsprechenden Halhierung bis Viertclung der Baulänge erreicht wird. Was die konstruktive Ausgestaltung der aussichtsreichstern Ausführungsform mit zwei Durchlaufen anbetrifft, so muss hierfür die Mittelelektrode in der Längsachse des Gehäuses liegen und mit wenigstens zwei an einander gegenüberliegenden Seiten angeordneten Entiadungsflächen ausgerüstet sein, während die diesen Entladungsflächen gegenüberliegonden Aussenelektroden im Bereich der inneren Gehäusewand angeordnet sind. Zweckmässig ist es ausserdem, wenn wenigstens die Entladungsflächen der Mittel- elekrode oder der Aussenelektroden ein Rogowski-Profil besitzen. Denkbar ist es allerdings auch, dass die Mittelelektrode in ihrem Querschnitt ein regelmässiges Polgon darstellt, wobei jeder dieser Polygonflächen im Wandbereich des Gehäuses eine Aussenelektrode gegenüberliegt. Was die Anordnung und Ausbildung der Aussenelektroden anbetrifft, so kann es von Vorteil sein, wenn dieselben in ihrem Bereich die eigentliche Gehäusewand ersetzen. Durch die Einbeziehung von Elektrodenteilen in die Gehäusewand können auch in Querschnittsrichtung Raumeinsparungen erzielt werden. Die Gehäusewand kann aber auch als regelmässiges Polygon oder als rotati onssymmetrischer Körper mit rundem oder eckigem Querschnitt ausgebildet sein. in konstruktiver und funktioneller Hinsicht ist es von Bedeutung, dass der Resollatorl-aum an seinen Stirnseiten innerhalb des zylindrischen Gchauses von zwei zueinander parallelen und in zur Längsachse senkrechten Ebenen ver- laufenden Wänden begrenzt wird, di e zwecks Halterung der wirhsamen Elkemente als Isolatoren, z. B. aus H@ramil oder @uar@gut, geicrtigt sind. Vorteilhaft ist es ferner, dass der Entladungskreis von der Mittelelektrode nach den Aussenelektroden über einen aufgeladenen Kondensator sowie ein ihm vorgeschaltetes Thyratron oder eine ihm vorgeschaltete Funkenstrecke geschlossen wird und zwischen Mittelelektrode und Kondensator ein anderenends an Nasse liegender Koppelwiderstand geschaltet ist. Fiir mittlere bis hohe Puisfolgefrequenzen ist es darüberhinaus inner sinnvoll, wenn der Resonatorraum entweder von einem Kiihler-Lüfterraum umgeben ist oder über wenigstens je eine im Bereich der Zwischenräume der Elektro- den in einer der seitlichen Längswände vorgesehene Ausnehmung mit dem Kühler-Lüfterraum verbunden ist. In vorstehendem Zusammenhang ist es dabei von Vorteil, wenn im Bereich der Zwischenräume der Elektroden die einander gegenüberliegenden seitlichen Längswände des Resonatorraums wenigstens eine der Gasströmung dienende Ausnehmung aufweisen und zwischen den beiden Ausnehmungen wenigstens der gaseinströmenden Seite ein Strömungsblech vorgesehen ist. Im folgenden werden an Hand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszeichen aufweisen. Es zeigt Fig. 1 den Längsschnitt durch eine weitgehend symmetrisch ausgebildete Laserbauform, Fig. 2 den Resonatorraum eines Lasers Gemäss Fig. 1 mit in der Gehäusewand eingelassenen, rogowskiförmig ausgebildeten Aussenelektroden, Fig. 3 den sommetrischen Stromfluss bei Las±rbau- formen gemäss Fig. 1 und 2, Fig. 4 eine Mittelelektrode mit vier Entladeflächen und ihnen gegenilberliegenden Ausscnelektroden - alle Elektroden mit RogowskiProfil, Fig. 5 eine fiSittelelektrode mit einem regelmässigen Polygon als Querschnitt und den Polgonflä- chen gegenüberliegenden Aussenelektroden mit Rogowski-Profil, Fig. 6 einen lediglich hinsichtlich der Gehäuseform unsymmetrischen Laser, Fig. 7 einen Querschnitt durch die Laserbauform gemäss Fig. 6 mit einem um den Resonatorraum herumgelegten Kühler-Lüfterraum und Fig. 8 einen Querschnitt durch die Laserbauform Gemäss Fig. 1 mit einem seitlich befestigten Kühl er-Lüfterraum. Fig. 1 zeigt die Prinzipskizze eines Gas-Lasers 1, dessen Gehäuse 2 aus einem symmetrischen Hohlkörper mit rundem oder eckigem Querschnitt besteht. Der Innenraum des Gehäuses ist in zwei Hälften unterteilt, deren eine einen Resonator- oder Entladungsraum 5 enthält, der von zwei zueinander parallelen und in zur Längsachse senkrechten Ebenen verlaufenden Wänden 29 und 30 aus Keramik oder Quarzgut begrenzt wird, die vornehmlich der Halterung der Spiegel 38 bzw. 41 dienen. Der totalreflektierend ausgebildete Spiegel 38 ist dabei an der das Gehäuse abschliessenden Isolatorwand 29 innenseitig dergestalt befestigt oder in dieser Wand eingelassen, dass der von ihm reflektierte Laserstrahl im Freiraum. zwischen den noch zu besprechenden Elektroden 10 und 37 nach der gegenüber liegenden Wand 30 abgcstrahlt wird, wo der totalreflek- tierende Spiegel 39 unter 45 zur Gehauselängsachse bcfestigt ist. An dieser Stelle wird der Strahlen@ um 900 auf den dem Spiegel 39 diametral gegenüberliegenden, ebenfalls unter 45 zur Gehäuselängsachse befestigten totalreflektierenden Spiegel 40 umgelenkt, der den Strah lenvcrlauf seinerseits umlenkt, und zwar nochmals um 900, so dass der Strahlenverlauf wider in Richtung der Haupt- achse des Gerätes, diesmal im Freiraum zwischen den Elektroden 37 und 11, verläuft und auf den in einer Ausnehmung der Wand 29 eingelassenen teildurchlässigen Spiegel 41 trifft bzw. in Pfeilrichtung 25' durch diesen hindurch nach aussen gelangt. Die Spiegel 39 und 40 sind an der innenseitigen Schrägfläche des ringes 42 befestigt, der in die von dem Gehäuse 2 und der Wand 30 gebildeten Ecke eingepasst ist. In dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 sind Ring und Spiegel durch 450-Prismen 39', 40' ersetzt, die direkt an der Wand 30 befestigt wurden. Das Elektrodensystem 10, 11, 37 besteht aus der in der optischen Achse des Gehäuses 2 angeordneten Mittelelektrode 37, die an ihrer Aussenkontur zwei in entgegengesetzte Richtungen weisende Rogowski-Profile 37' und 37" besitzt. Letztere erzeugen jeweils mit der ihnen im Bereich der inneren Gehäusewand gegenüberliegenden Seite ren Rogowski-Elektrode 10 bzw. 11 eine Entladung, durch die hindurch die Laserstrahlung geleitet wird. Die Elektroden 10 und 11 können hierbei entweder an der Gehäuseinnenwand befestigt sein oder aber - wie im Falle der Fig. 2 - die Gehäusewand in diesem Bereich ersetzen. In letzterem Fallc sind in dcr Gehäusewand der Grösse dieser Elektroden entsprechende Ausnehmungen vorgese- hen, in denen die Elektroden durch Löten, Schweissen oder Tiefziehen des Gehäuses befestigt werden. Ausser dem Resonatorraum 5 umschliesst das Gehäuse 2 auch noch den Raum 2' (Fig. 1 und 6), der die elektronische Schaltung 27, 27' enthält. Mit der Bezugszahl 27' ist das die Mittelelektrode 37 zündende, ihr vorgeschaltete Thyratron bezeichnet, das bei einem anderen Ausfüiirungs beispiel auch eine Funkenstrecke sein kann. Thyratron bzw. Funkenstrecke sind über einen Kondensator 27 und durch die Ausnehmung 43 in der Wand 30 mit der Nittel- elektrode 37 verbunden, wobei zwischen Mittelelektrode und Kondensator der anderenends an Masse 34 liegende Koppelwiderstand 23 geschaltet ist (Fig. 3). Zwischen dem Kondensator und dem Thyratron bzw. der Funkenstrecke liegt die von aussen über den Isolator 15 in das Gehäuseinnere geführte Hochspannungsleitung 22 an. Aus Fig. 3 ist darüberhinaus ersichtlich, dass die symmetrische Bauform auch einen symmetrischen Stromfluss zulässt. Die in dem Leitungssystem angedeuteten Ströme heben sich Seite gehend auf, so dass die wirksamen induktiven Wider stände X1 = & gt;. = . L nahezu gegen Null gehen. Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei der vielen weiteren Möglichkeiten, wie svmmetrische Elektrodensysteme für den vorliegenden Zweck gestaltet sein können: Während bei der Kreuzform der Fig. 4 alle Elektrodenflächen ein Rogowski Profil besitzen, ist es bei einem anderen, zeichnerissch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel auch denkbar, dass nur die Mittel- oder nur die Aussenelektroden diese Art von Profil besitzen, während die jeweilige Gegenelektrode eine plane Oberfläche aufweiset. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 besitzt die polygonförmige Mittelelek- trode dagegen plane Oberflächen, während die jeweiligen Gegenelektroden ein Rogowski-Profil besitzen, Bei einem anderen, zeichnerisch gieichfalls nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wäre auch hier der umgekehrte Fall denkbar, dass die Polygonflächen Rogowski-Profile besitzen, während die jeweilige Gegenelektrode eine plane lonisataensfläche aufwoist oder al@r auch, daf säntlache Ionisationsflächen mit Rogowski-Profilen bestückt sind. Darüberhinaus gibt es selbstverständlich noch eine grosse Anzahl ähnlicher Varianten, die sich allesamt in symmetrisch oder auch unsymmetrisch ausgebildete Gchäuseformen einbauen lassen und die deshalb, auch ohne explizit beschrieben zu sein, von dem Rahmen dieser Erfindung mitumfasst werden. In den Fig. 6 und 7 ist sodann ein Resonatorraum 5 und ein Elektrodensystem 10, 11, 37 dargestellt, die in allen Einzelheiten FiS. 1 entsprechen. Lediglich der die elektronischen Baueinheiten 27 und 27' sowie die Hochspannungszuführung enthaltende Gehäuseteil ist in Blickrichtung gesehen - an die Unterseite des Reo- natorraums 5 verlegt. Insofern ist die Gehäusekonzep- tion leicht unsymmetrisch und weist daher auch geringfügig höhere Induktivitätswerte als die zuvor besprochenen Ausführungsbeispiele auf. Ausserdem sind in Fig. 7 die Aussenseiten des Resonatorraums 5 von einem Sühler- Lüfterraum 6 umgeben. Die funktionelle Verbindung dieser beiden Räume erfolgt dabei über je eine Ausnehmung 7 bis 7"', die in den einander gegenüberliegenden seitlichen Längswänden des Resonatorraums jeweils im Bereich der Elektrodenzwischenräume vorgesehen sind. Zwischen den beiden Ausnehmungen 7" und 7"' ist ein Strömungsblech 36 befestigt, das sowohl in den Kühler-Lüfterraum als auch in den Resonatorraum hineinragt. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 ist der Kühler- Lüfterraum 6 seitlich des Resonatorraums 5 angeordnet. Es handelt sich hierbei entweder um eine einzisc, ent sprechend unterteilte Gehäuseeinheit oder aber um zkei Gehäuseeinheiten, die nachträglich aneinandergeflanscht wurden. Die funktionelle Verbindung erfolgt auch hier über zkei Ausnehmungen 7" und 7''' in einer der seitlichen Langswände. die jeweils im Bereich der Elcktrodenzwischen ra@me angeordnct sind. In dem dargestellten Ausführungs @@@p e@ @@th@lt der @@@@er-: @@ @@@@@@ @ @i@@@ von Kühlrippen 24 umgebenen Gasumwälzer 25. Bei einem anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können auch mehrere Gasumwälzer vorgesehen sein. Auch ist es denkbar, dass die Frischgaszufuhr ohne Kühlrippen nur mit Hilfe eines oder mehrerer Gasumwälzer erfolgt. Insgesamt gesehen handelt es sich hierbei um einen her stellungstechnisch leicht zu realisierenden, wenig stör anfälligen und hinsichtlich seincs Wirkungsgrades ausgcsprochen günstigen Gaslaser1 der als Sender und als Ver- stärker Verwendung finden kann. Bei der Verwendung als Verstärker müssen lediglich die Spiegel 38 und 41 durch Abschlussfenster ersetzt werden1 die die verstärkte Laserstrahlung hindurchlassen.

Claims: PATENTANSPRÜCHE Gaslaser mit transversaler Anregung bei Atmosphärendruck, bestehend aus einem Gehäuse (2) mit einem die Entladung aufnehmenden Resonatorraum (5), der ein von einem Gasfluss umströmtes Elektrodensystem (10, 11, 37) enthält, dessen der Hauptentladung dienende Elektrode (37)mit einer nach aussen führenden Hochspannungsleitung (22) verbunden ist und der bei Laserbetrieb an seiner geschlossenen Stirnseite (29) einen den Laserstrahl total reflektierenden Spiegel (38) aufweist, der über die mechanische Stabilität gewährleistende Distanzelemente (2, 29, 30) mit einem weiteren, teildurchlässigen Spiegel (41) verbunden ist, und der bei Verstär- kehrbetrieb anstelle der Spiegel (38, 41) je ein die erstärkte Laserstrahlung durchlassendes Abschlussfenster besitzt, wobei sowohl die Spiegel (38, 41) als auch die Abschlussfenster in der Höhe des Freiraums zwischen den Elektroden (10, 11, 37) angeordnet sind, d a d u r.c h g e k e n n z e i c h n L t , dass das Elck- trodensystem (10, 11, 37) in eine Misttelelektrode (37) mit wenigstens zwei der elektrischen Entladung dienende Oberflächen (37'; 37") und in diesen Flachen gegenüberliegende Aussenelektroden (10; 11) aufgegliedert ist, und dass das Elektrodensystem dergestalt symmetrisch ausgebildet und mit den es umgebenden optischen und mechanischen Komponenten (38 bis 42) innerhalb eines Gesamtgehäuses (2) angeordnet ist, dan bei der Ent ladung eine symmetrische Entladestromverteilung ent steht. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mittelelektrode (37) in der Langsachse des Gehauses (2) liegt, mit wenigstens zwei an einander gegenüber] iegenden Sei ten angeordneten Entladungsflächen (37'; ; 37") aus- gerüstet ist und die diesen Entladungsfiachen ge genüberliegenden AuPeneleRtroden (10; 11) im Bereich der inneren Gehäusewand angeordnet sind (Fig. 1 bis 8). 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenig- stens die Entladungsflächen der filittelelektrode (37) oder der Aussenelektrode (10; 11) ein Rogowski-Profil besitzen (Fig. 1 bis 8). 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Mit telelektrode (37) in ihrem Querschnitt ein regelmässi ges Polygon darstellt (Fig. 5). 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Aussen elektroden (10 bzw. 11) in ihrem Bereich die Gehäuse wand ersetzen (Fig. 2). 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ge häuscwand als regelmassiges Polygon oder als rotations synunetrischer Körper mit rundem oder eckiges Querschnitt ausgebildet ist. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Resonatorraum (5) an seinen Stirnseiten innerhalb des zylindrischen Gehäuses (2) von zwei zueinander parallelen und in zur Längsachse senkrechten Ebenen verlaufenden Wänden (29; 30) begrenzt wird, die vor zugsweise als der Halterung der wirksamen Elemente (38; 39; 40) dienende Isolatoren, z. B. aus Keramik oder Quarzgut, gefertigt sind (Fig. 1 und 2). 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Ent ladungskreis von der Mittelelektrode (37) nach den Aussenelektroden (10; 11) über einen aufgeladenen Kon densator (27) sowie ein ihm vorgeschaltetes Thyratron oder eine ihm orgeschaltete Funkenstrecke (27') ge schlossen wird und zwischen Mittelelektrode und Kon- densator ein anderenends an Nasse (34) liegender Sop- pelwiderstand (23) geschaltet ist (Fig. 3 und 6). 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Re sonatorraum (5) entweder von einem Kühler-Lüfterraum (5) umgeben ist oder über wenigstens je eine im Bereich der Zwischenräume der Elektroden (10 und 37 bzw. 37 und 11) in einer der seitlichen Längswände vorgesehene Ausnehmung (7" bzw. 7"') mit dem Kühler-Lüfterraum verbunden ist (Fig. 7 bzw. 8). 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Be reich der Zwischenräume der Elektroden (10 und 3 bzw. 37 und 11) die einander gegenüberliegenden seitlichen Längswände des Rcsor.at orraums (5) venig- stens eine der Gasstromung dienende Ausnehmung (7 bis 7"') aufweisen und zwischen den beiden Ausnehmungen wenigstens der gaseinströnenden Seite ein Strömungs blech (36) vorgesehen ist (Fag. 7).

Inventors: KARNING, HEINRICH
Applicants: ELTRO GMBH GESELLSCHAFT FUR STRAHLUNGSTECHNIK
Application year: 1979
Main classification: H01S3
IPC codes: H01S3