METHOD FOR DRIVING AN ELECTRICALLY EXCITED GAS LASER

Abstract: A method for driving an electrically excited gas laser having a closed housing, a resonator chamber, if required a catalyst and/or a chamber which is connected to the resonator chamber and has gas-emitting surfaces, in which method even the respectively first laser pulses are reproduced evenly and smoothly, to avoid damage to the laser, after lengthy periods out of use and temperature changes. This is achieved by means of admixtures of good pre-ionising and non-attaching atoms or molecules, which can also be generated in the laser itself.

Description: Beschreibung Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines elektrisch angeregten Gaslasers Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektrisch angeregten Gaslasers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein Laser dieser Art ist aus der DE-OS 31 48 570 bekannt. Bei diesem Laser liegt das Hauptaugenmerk auf dem Gleichgewicht der Gaszusammensetzung, das mit Hilfe von speziell ausgebildeten Oberflächenstrukturen der Laserinnenwände, die auch Träger von Katalysatoren sein können, erzielt wird. Ein solcher Katalysator sollte - da es sich um ein geschlossenes System handelt - eine hohe Effizienz und grosse Lebensdauer besitzen. In der Praxis hat es sich ledoch bei diesen ansonsten durchaus brauchbaren Lasern hoher Leistung als nachteilig erwiesen, dass die Entladung noch Pausen und/oder Temperaturänderungen in Pulsleistung und -form schwonkt. Auch kann die Dissoziation der Moleküle unerwünscht grosse Werte annehmen. Ferner können die durch lonisierung oder Elektronenanlagerung entstehenden Radikale, lonen oder Komplexe oder neuen Moleküle auf die Entladung (Pumpvorgang) und/oder auf die Emission des Lasers (Laservorgang) negativ einwirken. Zusammenfassend kann man sagen, dass Dissoziationen, Umsetzungen, Adsorptionen und Desorptionen an inneren Oberflächen des Lasers die Gaszusammensetzung in Abhängigkeit von Katalysator, Zeit, Temperatur, Druck und Mischungsverhältnis ändern. Dies gilt auch für niederiosierende Moleküle, wie z.B. Xylole oder Amine, wie sie etwa "Sealed multiatmosphere CO2 TEA laser: seed-gas compatible system using unheated catalyst" by R.R. Gibson et al in Appl. Phys. Lett. Vol. 32 cm 7), 1.6.78, zu entnehmen sind. Lange Lagerzeiten und Temperaturschwankungen bewirken z.B., dass Moleküle aus gasen bzw. ganz verschwinden. In der Folge führt dies, insbesondere bei hohen Schusszahlen unter extremen Temperdturen, zu dem bisher noch nicht erkannten Anlauf-Phänomen, dass der jeweils erste Laserschuss gar nicht vorhanden oder zumindest mangelhaft ausgebildet ist; häufig betrifft dies auch noch eine ganze Anzahl von auf den ersten Schuss folgenden Schüssen. Bei tiefen Temperaturen, hohem Druck und einem hochaktiven Katalysator kann dies durchgehend und sogar für ganze Pulsserien zutreffen, insbesondere, wenn nur kleine Pulsfolgefrequenzen eingestellt sind. Ein Ausfall oder eine Degeneration der ersten Schüsse durch schlechte elektrische Entladung führt aber mitunter auch zu erheblichen Schäden an den optischen und mechanischen Teilen sowie zu unerwünschten Effekten hinsichtlich der lonisierung u.a., so dass insgesamt die Lebensdauer eines solchen Lasers beeinträchtigt wird. Zum Stand der Technik sei auf folgende Fachoufsätze hingewiesen: In "Ultraminiature high-power gos discharge lasers" von V. Hasson und H.M. von Bergmann, in Rev. Sci. Instrum., 50 (1), Jan, 1979, S. 59-63, werden Material probleme, Lebensdauer, Leistung und elektrische Parameter von sehr kleinen, im Sealed-off-Betrieb arbeitenden N2-Lasern untersucht. In "Gas-Chromatographic Studies of the Products in a Sealed TE-C02 Laser Discharche" von Dhruba J. Bis was und U.K. Chatterlee, in IEEE Journal of Quantum Electronics, VOL. QE-17, No. 9, Sep. 1981, S. 1964-1966, finden Untersuchungen der Dissoziation der Gaschemie, insbesondere des Laser gas es, statt. In Miniatur, sealed TEA-CO2 lasers with integral semiconductive preionization" von Paul Pace, Pierre Mathieu und James Cruickshank, in Rev. Sci. Instrum. 53 (12), Dez. 1982, S. 1861-1863, wird angestrebt, die Lebensdauer und die Pulsfolgefrequenz durch spezielle Vorionisierung zu verbessern. Und schliesslich in "Compact Sealed TEA-C02 Lasers with Corona-Discharge Preionization", von R. Marchetti, E. Penco und G. Salvetti, in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-19, Nov. 10, Okt. 1983, S. 1488-1492, werden die Eigenschaften eines kleinen Lasers im Hinblick auf Leistung und Puls form optimiert. Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Aufgabe zugrunde, den gottungsgcz massen Laser so auszubilden und zu betreiben, dass nach (mehr oder iveniger langen) Standzeiten und Temperaturänderungen auch die jeweils ersten Laser- schüsse gleichmässig souber reproduziert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genonnten Merkmale gelöst. Unter gut vorionisierten Atomen und Molekülen werden hierbei solche verstanden, die mit niederer Energie und hohem Wirkungsquerschnitt ionisieren und etwa einem Tabellen werk, z.B. dem "Taschenbuch für Chemiker und Physiker" von D'ANS LAX zu entnehmen sind. Die Eigenschaft einer mehr oder minder guten Anlagerung lässt sich dagegen aus der Molekülstruktur ableiten. Beispielsweise lagern asymmetrisch gebaute oder mit einem Dipolmoment ausgestattete oder auch chemisch aktive Moleküle relativ stärker an Oberflächen an und scheiden daher für eine Anwendung wie die vorliegende aus. Dies ist z.B. aus "Solid surfaces and heterogeneous Catalysis" von D.A. King et al ersichtlich. Für die praktische Handhabung kann es hierbei von Vorteil sein, wenn mittels des in Anspruch 2 angegebenen Verfahrens als Substanzklassen z.B. Benzol, Tulol oder Naphthalin stobilisiert werden. Auf diese Weise kann man die für eine homogenisierende Vorianisotion und Hauptentladung im Resonatorraum erforderlichen, im allgemeinen niederionisierenden oder selektiv die lonisierung des Gases fördernden oder auch in zu niederer Konzentrotion vorhandenen Beimischungen erzeugen bzw. stabilisieren. Dadurch wiederum lassen sich die chemisch- physikalischen Vorgänge innerhalb eines solchen Lasers, der ein CO?-, CO-, N2-, Eximer-, Ammoniak- oder Metalldampf-Laser sein ka;: beherrschen, so dass auch die oft gar nicht oder zumindest mangeI gebildeten ersten Laserschüsse sowie die zumeist nur mit 80-90 9 EF vorhandenen Zweitschüsse optimal ausgebildet werden. Weiterbildungen der Erfindung sehen die Ansprüche 4 und 12 vor, nach denen sich zwei Möglichkeiten des Vorgehens anbieten: Zum einen wäre es denkbar, dass ein Laser ständig konditionisiert wird, zun c; auch, dass das Gesamtsystem mit einer Logik ausgestattet wirt Zeit und/oder Schussfolge die Konditionierung über eine vom Lo, Einrichtung schaltet. Von besonderer Bedeutung sind auch die Weiterbildungen der Ansprüche 5 und 6, die ouf eine bei dem bislang generell nicht beachteten Erstschussproblem eines Lasers bedeutsame Konditionierung vo r dem Laserpuls hin weisen. Die elektrische Anpassung von Pulser und angekoppeltem Laser gemäss Anspruch 8 erbringt den Vorteil, dass wenig elektrische Energie reflektiert, d.h. ein guter Wirkungsgrad erzielt und damit ein für die homogene Entladung erforderlicher kurzer elektrischer Puls geeigneter Form erzeugt wird. Das Zurückhalten bzw. Durchlassen von Molekülen nach Anspruch 9 erfolgt mit dem Anwendungsfall angepassten Mitteln, die ein Trenne,n der Moleküle erlauben, beispielsweise mit Membranen, Molekularsieben oder Katalysatoren. Als eines von vielen Beispielen sei etwa das Molekularsieb 4 A mit nomi o nalem Porendurchmesser von 4 A zur Trennung von Molekülen mit Ab o messungen kleiner und grösser als 4 A herousgegriffen. Auch die restlichen Unteransprüche enthalten Weiterbildungen der Erfindung. Der Betrieb abgeschlossener Gaslaser (= Sealed-off-Betrieb) mit höheren Gasdrücken von z.B. einigen Atmosphären sowie bei hoher und tiefer Temperatur und langen Standzeiten, mit grossen Konzentrationen aktiver Moleküle, wie dies z.B. bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt häufig erforderlich ist, gestaltet sich vergleichsweise schwierig. Dabei entastet" die elektrische Entladung der ersten Schüsse leicht zur Bogen- und Funkenentladung. Dies wiederum zieht oft die Folge einer gefährlichen Aufheizung einzelner Bereiche im Laserinneren, wie z.B. der Elektroden, nach sich oder führt zu Sputterraten, das heisst Materialabtrag durch Feld- und Plasmaeffekte, die die Lebensdauer der Elektroden und Spiegel reduzieren. Die im Resonatorraum befindlichen Moleküle werden dann in grosser Zahl ionisiert und auch dissoziiert sowie eventuell in Radikale, Ionen und neue Moleküle umgewan delt. Das Gasgemisch befindet sich darum nicht mehr im Gleichgewicht. Laserleitung, Puls form, Entladung und Lebensdauer des Lasers werden negativ beeinflusst. Diese Schwierigkeiten können durch die vorgeschlogenen Massnahmen der Beeinflussung von im Gasraum befindlichen Atomen und Molekülen oder der Oberflächen des Laserinneren weitgehend behoben werden.

Claims: Method for driving an electrically energised, pulsed gas laser with an enclosed gas chamber at low temperatures, high pressure and using a highly radioactive catalyst, characterised in that atoms or molecules, which pre-ionise to a satisfactory degree and do not accumulate on the surfaces of the catalyst and the interior of the laser, are mixed with the laser gas; and in that before the laser pulse is ignited, and without laser pulses being produced in this connection, electrical charges with reduced voltage are produced which lead to the desorption of the low ionising atoms or molecules from the surfaces of the catalyst and the laser interior. Method according to Claim 1, characterised in that a pulse generator, which is adapted to the geometry with respect to inductance and capacitance, is selected for suitable pulse shapes. Method according to Claim 1 or 2, characterised in that the molecules which are required for a homogeneous discharge, are retained by means of selective walls in the laser interior, and other molecules which are to be converted, cleaned and regenerated, are filtered by means of these walls and/or by means of other walls. Method according to one of Claims 1 to 3, characterised in that mixing occurs continuously or in an interrupted manner. Method according to Claim 2, characterised in that the pulse generator operates according to timing logic and determines the amplitude and pulse shape.

Inventors: KARNING, HEINRICH, PREIN, FRANZ, DIPL.-PHYS.
Applicants: ELTRO GMBH GESELLSCHAFT FUER STRAHLUNGSTECHNIK
Application year: 1985
Main classification: H01S3
IPC codes: H01S3