CH652244A5 - Wellenleiter-gaslaser. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Weüenleiter-Gasla-ser mit HF-Anregung.

Es sei auf US-PS 4 169 251 hingewiesen, wo einer der Inhaber einen Wellenleiterlaser beschrieben hat, der mittels einer Transversalentladung mit Hochfrequenz im Bereich von ungefähr 30 MHz bis ungefähr 3 GHz erregt wird, und wobei ein Lasergas in einer langgestreckten Kammer angeordnet ist, und die Entladung im Gas mittels eines elektrischen Wechselfeldes aufgebaut wird, welches an die Kammer längs einer Richtung transversal zu deren Länge angelegt wird. Die überlegene Leistungsfähigkeit eines derartigen HF-transversal angeregten Wellenleiterlasers, wie auch seine verminderte Grösse und Kompliziertheit, verglichen mit bekannten Lasern gemäss US-PS 3 772 611 und 3 815 047 sind in der eingangs genannten US-PS erläutert.

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, zusätzlich aber noch Schwierigkeiten und Einschränkungen überwinden, die bei dem Laser gemäss der eingangs genannten US-PS auftreten können. Die erfindungsgemässe Verbesserung ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1. Sie erlaubt eine longitudinale Anregung, welche von Auswahl der Wel-lenleiterbohrungsgrösse und der Elektrodentrennung unabhängige Parameter ergibt und auf diese Weise die Optimierung der HF-Frequenzauswahl unabhängig von der Boh-rungsgrösse ermöglicht.

Eine weitere Verbesserung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegenüber dem eingangs erwähnten HF-angeregten Gaswellenleiterlaser besteht in neuen Mitteln zum Eliminieren eines ersten und einschränkenden Nachteils der eingangs genannten Vorrichtung, nämlich der Bildung von Nichtgleichförmigkeiten oder «heissen Flecken», die sich offenbar durch die bistabile Entladungsimpedanzcharakteri5

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stiken ergeben. Derartige heisse Flecken haben die Tendenz, die Verstärkung, den Wirkungsgrad und die Ausgangsleistung des Lasers zu vermindern. Um diesen Nachteil bei der bekannten Vorrichtung zu überwinden, sieht diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung strukturelle und schal-tungsmässige Verbesserungen vor, und zwar einschliesslich der Verwendung einer serienmässigen kapazitiven Ballastbildung, wodurch sich neue Verbesserungen hinsichtlich der Wellenleiterstruktur ergeben. Eine weitere Verbesserung wird mittels einer einzigartigen Treiberschaltung erreicht, die dazu verwendet wird, um das Auftreten der eine niedrige Impedanz besitzenden heissen Flecken festzustellen, und um die Eingangsleistung dementsprechend einzustellen, um so die andernfalls nicht gleichförmigen negativen Impedanzcharakteristiken zu minimieren. Eine weitere Verbesserung besteht in der Verwendung einer total homogenen Struktur, welche das Heissfleckproblem weiter verbessert und einen kompakteren Wellenleiterlaser ergibt, der stabiler ist hinsichtlich der Gaszusammensetzung und zuverlässiger ist als dies für den transversalen, HF-angeregten Wellenleiterlaser gemäss der eingangs genannten US-PS gilt.

Demgemäss haben diese Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sämtliche Vorteile des Wellenleiterlasers gemäss der eingangs genannten US-PS, und zwar wird ein Hochfrequenz-Transversal-Anregungs-Wellenleiterlaser vorgesehen, wobei aber zusätzlich die Schwierigkeiten und Einschränkungen des Hochfrequenz-Transversal-Anregungsver-fahrens überwunden werden. Der Hauptvorteil der longitudi-nalen HF-Anregung gegenüber der transversalen HF-Anregung besteht in der sich ergebenden Impedanz bei der Auswahl der aktiven Bohrungsgrösse der Laserkammer und des Elektrodentrennungsabstandes für die Anregungsmittel. Alternativ besteht der Vorteil darin, die HF-Treiberfrequenz unabhängig von der Bohrungsgrösse zu optimieren.

In der eingangs genannten US-PS wird gelehrt, dass effiziente Laser mit HF-Anregung eine HF-Treiberfrequenz benötigen, die hinreichend hoch liegt, so dass die Elektronen nur über einen vernachlässigbaren Abstand bezüglich der Elektrodenspalttrennung während eines Halbzyklus des elektrischen Wechselfeldes driften. Andernfalls bilden sich Raumladungszonen in der Nähe der Elektroden aus, was ein höheres elektrisches Feld am Elektrodenspalt und somit höhere Elektronentemperaturen zur Folge hat. Es ist ferner bekannt, dass auf dem Gebiet der Molekulargaslaserphysik die optimale Elektronentemperatur für die Maximierung des Laserkopfwirkungsgrades die Tendenz hat, beträchtlich niedriger zu liegen als die Elektronentemperatur in selbst-auf-rechterhaltenden Entladungen. Ferner führen höhere Elektronentemperaturen zu grösseren CCh-Dissoziationsraten, was zu einer geringeren Röhrenlebensdauer führt. Bei selbst-auf-rechterhaltenden Entladungen ist es daher zweckmässig, die Elektronentemperatur zu minimieren und daher auch die zur Aufrechterhaltung der Entladung erforderliche Elektronen-feldintensität zu minimieren. Demgemäss gibt es für HF-Entladungen eine minimale HF-Treiberfrequenz für die Maximierung des Laserkopfwirkungsgrades für eine gegebene Elektrodenspalttrennung.

In einem Transversal-HF-angeregten Wellenleiterlaser gemäss der eingangs genannten US-PS sind Laserbohrungs-grösse und Elektrodenspalttrennung von Natur aus das gleiche. Demgemäss diktiert die Bohrungsgrösse die minimale HF-Treiberfrequenz, und wenn die HF-Treiberfrequenz erhöht wird, so wird der Kopplungswirkungsgrad zwischen der HF-Energiequelle und der Entladung vermindert, und es wird zunehmend schwierig, effiziente HF-Treiberquellen zu îrhalten. Somit leidet der Gesamtlaserwirkungsgrad für die :ransversale HF-Entladung der eingangs genannten US-PS nfolge des niedrigen Laserkopfwirkungsgrades, wenn die

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HF-Treiberfrequenz unterhalb des erwünschten Minimums liegt. Wenn andererseits die HF-Treiberfrequenz zu hoch liegt, so leidet der Wirkungsgrad wegen der Absenkung des Kopplungswirkungsgrades zwischen der HF-Quelle und der Entladung.

Die oben erwähnten oberen und unteren HF-Frequenzbegrenzungen werden dann besonders problematisch, wenn die Bohrungsgrösse klein ist und daher eine relativ hohe HF-Treiberfrequenz im Hinblick auf den Laserkopfwirkungsgrad erforderlich ist. Unglücklicherweise hat eine solche hohe HF-Treiberfrequenz eine geringere Kopplung und einen niedrigeren Leistungsversorgungswirkungsgrad zur Folge, wodurch sich eine paradoxe Situation ergibt. Durch die longitudinale HF-Anregung der vorliegenden Erfindung und die sich daraus ergebende Unabhängigkeit zwischen Elektrodenspalttrennung und Bohrungsgrösse ist es nun jedoch möglich, zum ersten Male die HF-Treiberfrequenz für hohen Kopplungsund Leistungsversorgungs-Wirkungsgrad auszuwählen und sodann gesondert die Elektrodenspalttrennung für optimalen Laserkopfwirkungsgrad auszuwählen.

Die vorliegende Erfindung, entsprechend dem kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1, sieht durch die longitudinale H F-Anregung eine Wellenleiterlaservorrichtung vor, welche einen höheren Gesamtwirkungsgrad als die oben erwähnte transversale HF-Anregung ergibt. Ferner wird durch das Ausmass der Wirkungsgradverbesserung, erhalten durch Verwendung der longitudinalen anstelle der transversalen HF-Anregung, der zusätzliche Vorteil hinsichtlich höherer HF-Treiberfrequenzen erreicht, die andernfalls für eine kleinere Bohrung aufweisende Vorrichtungen erforderlich wären, welche die transversale Anregungskonfiguration verwenden.

Die vorliegende Erfindung schafft in verschiedenen Aus-führungsbeispielen durch Verwendung der longitudinalen Anregung eine zusätzliche Gesamtwirkungsgradverbesserung, verglichen mit der transversalen Anregung, entweder weil die Elektrodentrennung grösser ist oder weil die Elektrodenfläche kleiner ist als dies für entsprechende Elektroden bei der transversalen Anregungsvorrichtung gilt. Infolgedessen wird die Kapazität der sich ergebenden Wellenleiterstruktur abgesenkt, und dies ergibt ein niedriger belastetes «Q» für die Wellenleiterstruktur. Der Ausdruck belastetes «Q» wird als das «Q» während der Entladungszündung bezeichnet. Ein niedriger belastetes «Q» ergibt einen grösseren Kopplungswirkungsgrad wegen der verminderten Zirkulationsleistung und der verminderten Verlustleistung in anderen Schaltungselementen. Die Zulässigkeit einer niedrigeren HF-Treiberfrequenz für eine gegebene Bohrungsgrösse vermindert weiter die Zirkulationsleistung, wobei der gleiche Laserkopfwirkungsgrad aufrechterhalten bleibt, wodurch sich ein noch höherer Gesamtwirkungsgrad ergibt.

Der typische Aufbau des erwähnten Transversal-Entla-dungs-Wellenleiterlasers weist einen Transversal-Entladerab-schnitt auf, und zwar gekoppelt mit einer 50 Ohm Übertra-gungsleitungsschaltung und angepasst durch eine Resonanz-pi-Schaltung. Es wird dabei ein Transformator mit einer Shunt-Induktivität am Entladeabschnitt verwendet, um die Reaktanz abzustimmen. Der Entladeabschnitt wird in einer Gleichgewichtsbetriebsart verwendet. Die Transformator/ Shunt-Induktivität-Struktur gestattet die enge Kopplung des HF-Treibers an die Entladung und auch die unabhängige Einstellung der Impedanzanpassung hinsichtlich der Reaktanzabstimmung. Die erwähnte, sich im Gleichgewicht befindliche Struktur der Erfindung minimiert die gespeicherte Ladung, wobei die Spannung gegenüber Erde an jeder Elektrode gleich der Hälfte der gesamten Spaltspannung ist.

Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist eine Anzahl von neuen Verbesserungen vorgesehen, um die durch heisse Flecken hervorgerufenen Probleme auszu-

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schliessen oder zu vermindern, die andernfalls die Leistungsfähigkeit des Wellenleiterlasers ernsthaft verschlechtern würden. Gemäss einem Ausführungsbeispiel ist eine neue und erfinderische Abwandlung im Grundaufbau des Lasers vorgesehen. Transversal angeregte HF-Laser sind typischerweise in der üblichen Sandwichkonstruktion hergestellt, die aus zwei Metallstreifen besteht, welche sandwichartig zwischen zwei Aluminiumoxidblöcken vorgesehen sind. Die zwischen den Metallstreifen und den Aluminiumoxidblöcken ausgebildete Wellenleiterbohrung hat typischerweise 1 bis 3 mm2. Diese Konstruktion liefert grössenordnungsmässig ein halbes Watt pro Zoll Laserlänge bei einem CCh-Wellenleiterlaser.

Wenn die Laserlänge erhöht wird, so wird bei annähernd 8" Länge und ungefähr 5 bis 10 Watt/Zoll Leistungsbelastung der Punkt erreicht, wo die Laserentladung bistabil wird und die zuvor erwähnten heissen Flecken der Entladung sich entwickeln. Experimentell wurde festgestellt, dass rohe Aluminiumelektroden ein bevorzugtes Material sind, weil dieses Material gegenüber Zersprühen beständiger ist als die meisten üblichen Materialien. Ein bei der Verwendung roher Aluminiumelektroden auftretendes Problem besteht jedoch darin, dass eine Elektrodenoxidation auftritt, die von recht ernsthafter Natur ist und die Langzeitstabilität der Gaszusammensetzung beeinflusst. Das Oxidationsproblem wurde beispielsweise mittels eines harten Anodisierungsüberzugs auf den Aluminiumelektroden gelöst. Dieser Aluminiumoxidüberzug bildet eine Isolierschicht auf dem Metall. Um auch das oben erwähnte Problem der heissen Flecken zu lösen, und zwar insbesondere bei höherer Leistungsbelastung, werden vorzugsweise Mittel vorgesehen, um einen strukturellen dielektrischen Ballast für den longitudinal angeregten HF-Wel-lenieiterlaser vorzusehen. Diese Struktur besteht aus zwei Aluminiumoxidstreifen von 1 bis 3 mm Dicke, und zwar sandwichartig angeordnet zwischen zwei Aluminiumoxid-Flächenelementen. Die dadurch gebildete Wellenleiterbohrung hat 1 bis 3 mm2, und die Aluminiumoxid-Flächenelemente sind zwischen Vz bis 2 mm dick. Die Elektroden liegen ausserhalb der Entladungs-Wellenleiterstruktur. Die sich ergebende Struktur ist ein vollständig homogenes Aluminiumoxid und kann daher lötabgedichtet werden, und das Gas kann sodann allein auf die Bohrung beschränkt sein. Dies steht im Gegensatz zu dem erwähnten, transversal angeregten Laser, der vollständig in einem gasgefüllten Hohlraum angeordnet ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Elektroden vollständig von der Entladung isoliert sind und daher mit der Zeit nicht so schnell degradieren, wie dies bei bekannten Vorrichtungen der Fall ist.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde die Tendenz bekannter Vorrichtungen zur Erzeugung örtlicher heisser Flecken weiter durch die Verwendung einer neuen Treiberschaltungskonstruktion vermindert. Wenn ein angeregter Wellenleiter-Entladungslaserabschnitt ordnungsgemäss angeregt ist, so ist die Impedanzkennlinie positiv, und die Entladung erfolgt gleichförmig über die Länge der Vorrichtung hinweg. In dieser Betriebsart oder Mode wird bei heraus-abgestimmter Reaktanz die Entladungsimpedanz ohmisch erscheinen und wird auf 50 Ohm abgestimmt durch einen eng gekoppelten Ferrit-Transformator. Wenn die Entladung heisse Flecken entwickelt, so haben Messungen gezeigt, dass die Gesamtspannung und die Entladungsimpedanz ungefähr 20 bis 40% abnehmen. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung haben die Anmelder eine Treiberschaltung vorgesehen, um augenblicklich die Eingangsleistung dann zu reduzieren, wenn eine Absenkung der Impedanz abgefüllt wird. Infolgedessen kann der Entladungsabschnitt nicht in einer instabilen oder «Heissfleck»-Mode arbeiten, und man erhält eine kontinuierliche ordnungsgemässe Anregung der Entladung.

In einem Ausführungsbeispiel besteht eine derartige Treiberschaltung aus einer Viertelwellenlängen-Übertragungsleitung mit einer höhere Impedanz als die 50-Ohm-Laserkopf angepasste Impedanz. Beispielsweise kann ein Viertelwellenlängenabschnitt eines 75 Ohm Kabels als eine ordnungsgemässe Treiberschaltung ausgewählt werden, weil ein Viertelwellenlängenabschnitt die Eigenschaft besitzt, Impedanzänderungen um seinen charakteristischen Wert herum umzuwandeln. Wenn eine 75 Ohm Last an den Abschnitt angelegt wird, so ergibt sich am Kabeleingang eine Realimpedanz von 75 Ohm. Wenn eine 50 Ohm Last an einem Ende angelegt wird, so existiert am anderen Ende eine Realimpedanz von 112'/2 Ohm. Wenn alternativ die Last auf 25 Ohm abfällt, was für die Heissfleckmode typisch ist, so steigt die Eingangsimpedanz auf 225 Ohm an. Wenn ein solcher Viertelwellenlängenabschnitt zwischen 50 Ohm Laserkopf und einer Quelle verwendet wird, die auf 50 Ohm für maximale Leistung ange-passt ist, so würde die gelieferte Leistung nahezu augenblicklich abfallen, was zu einem Auslöschen der Heissfleckbe-triebsart oder Mode führt.

Das Hauptziel der Erfindung besteht gemäss kennzeichnendem Teil von Patentanspruch 1 darin, einen Wellenleiterlaser vorzusehen mit einer HF-Longitudinalanregung, um die Auswahl der Wellenleiterbohrungsgrösse unabhängig von der Auswahl der HF-Frequenz des Anregungssignals zu gestatten, auf welche Weise die Auswahl der Parameter für eine effizientere Laservorrichtung gestattet ist. Ein weiteres Ziel einer Ausführungsform der Erfindung besteht darin, einen Wellenleiterlaser vorzusehen, der die Hochfrequenzanregung verwendet und bei dem die Ballastbildung ein Mittel vorsieht, um Heissfleckprobleme im wesentlichen zu reduzieren oder zu eliminieren, welch letzteres sich durch eine instabile Entladung ergeben, und zwar hervorgerufen durch Betrieb in bistabilen Impedanzzonen. Ein weiteres Ziel einer Ausführungsform der Erfindung besteht darin, eine neue Struktur für eine HF-angeregte Wellenleiterlaservorrichtung anzugeben, wobei diese Struktur eine verlängerte Lebensdauer besitzt, eine verminderte Grösse aufweist und einen zuverlässigeren und effizienteren Betrieb gestattet, und zwar verglichen mit bekannten, HF-angeregten Wellenleiterlasern. Ein weiteres Ziel einer Ausführungsform der Erfindung besteht darin, eine Treiberschaltung vorzusehen, für die Anpassung einer HF-Quelle mit einem Laserkopf, um so automatisch die Eingangs-HF-Lei-stung zu reduzieren, wenn das Auftreten einer niedrigen Impedanz infolge Heissfleckbetriebs festgestellt wird, der ansonsten bei konstanten höheren Leistungsniveaus auftreten würde.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen teilweise schematischen Querschnitt eines Transversal-Entladungs-Wellenleiter-Gaslasers gemäss dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine isometrische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Longitudinal-Entladungs-Anregungsanordnung für Wellenleitergaslaser;

Fig. 3 eine querschnittsjnässige Draufsicht auf die Elektrodenkonfiguration des Wellenleiter-Gaslasers, und zwar längs Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 eine Vorderansicht eines homogenen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen longitudinalen Entladungs-Konfiguration;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der bistabilen Impedanz-Kennlinie, die gewisse Probleme sowohl bei Transversal- als auch bei Longitudinal-Anregungswellenleitergasla-sern hervorruft, die aber überwunden oder wesentlich reduziert werden können;

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Fig. 6 eine Querschnittsendansicht eines Transversal-Ent-Iadungs-Wellenleitergaslasers, bei dem die kapazitive Ballastbildung verwendet wird, um das erwähnte bistabile Impedanzproblem zu überwinden;

Fig. 7 eine schematische Darstellung der äquivalenten Schaltung (Ersatzschaltung) der Fig. 6;

Fig. 8 eine Querschnittsendansicht des ebenfalls kapazitiven Ballast verwendenden Longitudinal-Entladungsanre-gungs-Wellenleitergaslasers ;

Fig. 9 eine zusätzliche Darstellung des longitudinalen Wellenleitergaslasers mit kapazitiver Ballastbildung, wobei aber die Seite des Wellenleiters dargestellt ist, um dessen Struktur besser zu veranschaulichen;

Fig. 10 eine schematische Darstellung der Ersatzschaltung des mit kapazitivem Ballast arbeitenden Longitudinal-Anre-gungs-Gaswellenleiterlasers der Fig. 8 und 9;

Fig. 11 eine schematische Schaltungszeichnung zur Erläuterung einer neuen Treiberschaltung gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 12 eine graphische Darstellung einer Leistungsanre-gungs/Zeit-Kennlinie, verwendet in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zur weiteren Verminderung der Wahrscheinlichkeit schädlicher Effekte der in Fig. 5 gezeigten bistabilen Impedanzkennlinie;

Fig. 13 eine dreidimensionale Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Longitudinal-Anregungs-Wellenleitergaslasers;

Fig. 14 und 15 Beispiele von zwei alternativen Ausführungsbeispielen von Laserkopfkonfigurationen zur Verkörperung des Wellenleiters der Fig. 13;

Fig. 16 eine elektrische Schaltung, welche die Art und Weise darstellt, wie der Wellenleiter der Fig. 13 mit einer geeigneten Treiberschaltung und einer HF-Spannungsquelle für die Laseranregung verbunden ist.

Die Erfindung sei nunmehr im einzelnen beschrieben.

Aus der folgenden detaillierten Offenbarung der Erfindung einschliesslich verschiedener Ausführungsbeispiele derselben ergeben sich Verbesserungen von Wellenleitergasla-sern, einschliesslich einer im folgenden als Longitudinalanre-gung bezeichneten HF-Energieanregung. Eine Anzahl zusätzlicher Verbesserungen, die sowohl bei transversalen als auch longitudinalen Anregungs-Wellenleitergaslasern verwendet werden können, werden ebenfalls beschrieben. Diese zusätzlichen Verbesserungen sollen die Leistungsfähigkeit noch weiter erhöhen und eine bistabile Impedanzcharakteristik überwinden, die beiden Formen der Anregungs-Wellenleitergasla-ser eigen ist, was im folgenden noch im einzelnen beschrieben werden wird.

Zum vollständigen Verständnis der Verbesserungen der Wellenleitergaslasertechnologie sei kurz auf das bereits eingangs genannte US-Patent 4 169 251 eingegangen. Fig. 1 stellt die Grundkonfiguration eines Transversalentladungs-Wellen-leitergaslasers gemäss diesem genannten US-Patent dar,

wobei der Wellenleiterlaser 10 ein Paar von entgegengesetzt liegenden langgestreckten, elektrisch leitenden Elektrodengliedern 12 und 14 aufweist, die zwischen einem Paar von entgegengesetzt liegenden langgestreckten dielektrischen Gliedern 16 und 18 in der Weise angeordnet sind, dass eine langgestreckte Kammer 20 definiert wird, in der eine Laseranregungsentladung erzeugt werden muss. Die Kammer 20 kann aus Gründen der Darstellung eine Länge von ungefähr 20 cm besitzen und ferner einen quadratischen Querschnitt aufweisen, wobei die Seiten 2 mm lang sind. Die Elektrodenglieder 12 und 14 bestehen aus Metall, wie beispielsweise Aluminium, während die dielektrischen Glieder 16 und 18 aus einem Material, wie beispielsweise Berylliumoxid, Aluminiumoxid oder Glas bestehen können. Die Wellenleiterstruktur kann auf einem aus einem Material mit hoher thermische

Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt im Block 22, ruhen, um so während des Betriebs Wärme von der Wellenleiteranordnung abzuführen. Die Entladungskammer 20 ist mit einem gewünschten Lasergas, wie beispielsweise einer 5 Standard-CO^Lasergasmischung gefüllt.

Eine HF-Leistungsquelle Vs ist zwischen die Elektrodenglieder 12 und 14 geschaltet, um die entsprechende Entladungsanregung zu erzeugen, welche eine elektrische Entladung in dem Lasergas aufbaut, und zwar ausreichend zur io Populationsinversion des Energieniveaus des gewünschten Laserübergangs. Eine pi-Kopplungsschaltung mit einstellbaren Kondensatoren Cv und Induktivität «L» arbeitet als ein Impedanzanpassungsnetzwerk, um die reaktive Impedanz der die Entladungskammer definierenden Struktur auszulöschen 15 und die Anpassung an die in typischer Weise ungefähr 50 Ohm betragenden Realteil der Eingangsimpedanz vorzusehen.

Ein wichtiger Unterschied zwischen einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und der Vorrichtung gemäss Fig. 1 20 besteht darin, dass das elektrische Feld, erzeugt für Entladungszwecke an der Kammer 20, in Vertikalrichtung zwischen den Elektroden 12 und 14 verläuft und somit transversal zur Longitudinalachse der Kammer 20. Es ist klar, dass der Elektrodentrennabstand in inhärenter Weise der gleiche 25 ist, wie die Kammer-Vertikalspalttrennung. Somit diktiert die Wellenleiterbohrungsgrösse die minimale HF-Treiberfrequenz, und es ergeben sich die oben erwähnten Begrenzungen hinsichtlich des Gesamtlaserwirkungsgrades.

Erfindungsgemäss haben die Inhaber Mittel entdeckt, 30 durch welche die elektrische Feldanregung parallel zur Longitudinalachse der Wellenleiterbohrung angelegt wird. Ein spezielles Ausführungsbeispiel, welches die Longitudinalan-regung vorsieht, ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt, und ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Longitudinalstruktur 35 der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt.

Wie in Fig. 2 gezeigt, weist die erfindungsgemässe Laserkonfiguration ein Paar von Keramikblöcken 30 und 32 im wesentlichen parallel zueinander auf, und zwar getrennt voneinander durch ein Paar von dielektrischen Blöcken 34 und 40 3 6, die ihrerseits mit Abstand voneinander angeordnet sind, um eine Wellenleiterbohrung 38 zu bilden, die die Entladungszone des Wellenleiterlasers bildet.

Die Elektroden für den Wellenleiterlaser im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 sind auf den entsprechenden Innensei-45 ten der Keramikblöcke 30 und 32 vorgesehen, d.h. auf den Oberflächen, die angrenzend an die dielektrischen Blocks 34 und 36 liegen, und welche die Wellenleiterbohrung oder -kammer 38 definieren. Die Elektrodenkonfiguration ist am besten in Fig. 3 dargestellt, wo die Innenoberfläche des Kera-50 mikblocks 32 gezeigt ist. Wie in Fig. 3 gezeigt, gibt es eine Elektrode 40 mit erster Polarität und eine Elektrode 42 mit zweiter Polarität. Die Elektroden 40 und 42 sind längs der Kante des Keramikblocks 32 angeordnet und verlaufen im wesentlichen parallel zur Wellenleiterbohrung 38. Jede Elek-55 trode hat eine Reihe von im allgemeinen senkrechten Teilen 41 bzw. 43, die sich transversal über die Wellenleiterkammer 38 überlappend erstrecken.

Es ist ein weiteres Paar von Elektroden mit identischer Konfiguration auf der entsprechenden Innenoberfläche des 60 oberen Keramikblocks 30 vorgesehen. Elektroden 40 und 42 sind jeweils mit einer Lötkugel 39 ausgestattet, um die im folgenden zu beschreibende elektrische Verbindung zu gestatten. Speziell ist die Elektrode 40 elektrisch mit der entsprechenden Elektrode verbunden, die unmittelbar darüber und paral-65 lei dazu längs der Oberseite des oberen Keramikblocks 30 liegt. In gleicher Weise ist die Elektrode 42 elektrisch mit der entsprechenden Elektrode verbunden, die unmittelbar darüber und parallel dazu ebenfalls auf dem oberen Keramiki

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block 30 liegt. Die Elektroden 40 und 42 und die entsprechenden Elektroden am oberen Keramikblock 30, mit dem sie verbunden sind, sind jeweils elektrisch verbunden mit den entgegengesetzt liegenden Phasenverbindungen einer HF-Spannungsquelle, wie beispielsweise der in Fig. 1 bei Vs schematisch dargestellten, und zwar erfolgt die Verbindung über eine weiter unten noch zu beschreibende geeignete Treiberschaltung. Infolge der erwähnten elektrischen Verbindung und Geometrie der Elektroden gemäss der Erfindung wird ein elektrisches HF-Feld in einer Richtung parallel zur Longitu-dinalachse der Kammer 38 induziert, wobei deren Innenwände bezüglich der Elektroden derart positioniert sind, wie dies durch die gestrichelten Linien in Fig. 3 dargestellt ist.

Der Abstand «A» zwischen den Mittellinien der senkrechten überlappenden Teile 41 und 43 der Elektroden 40 und 42 kann als eine Funktion der Hochfrequenz der angelegten Quelle verändert werden, und wie zuvor erwähnt, erfolgt die Veränderung unabhängig von den Abmessungen der Wellenleiterbohrung oder -kammer 38, im Gegensatz zur Konfiguration gemäss Fig. 1. Typischerweise erfolgt der Betrieb mit einer Abmessung «A» im Bereich von annähernd 5 bis 13 mm, wobei ein entsprechendes Spannungsdifferential zwischen annähernd 500 V und 1000 V auftritt. Es wird ins Auge gefasst, die Elektroden an der Oberfläche der Keramikblöcke durch ein Metallisierungsverfahren zu befestigen, beispielsweise durch ein Aufsprühverfahren. Es ist jedoch irgendeines der Verfahren geeignet, die zum Abscheiden eines dünnen Films (Schicht) aus Metall mit hoher Leitfähigkeit auf einem Keramiksubstrat bekannt sind. Die Dimension «B», entsprechend der typischen Breite der Teile 41 und 43, beträgt ungefähr 5 mm.

Fig. 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Lon-gitudinalanregungs-Wellenleitergaslasers der Erfindung. Die bevorzugte Konfiguration der Erfindung gemäss Fig. 4 besitzt eine Anzahl von zusätzlichen Vorteilen gegenüber dem Wellenleitergaslaser der Fig. 1. Experimentell wurde nachgewiesen, dass eine hohe oder reine Aluminiumelektrode eine bevorzugte Auswahl für das Elektrodenmaterial darstellt, da Aluminium gegenüber den Effekten der Laserentladung beständiger zu sein scheint. Wenn jedoch die Laserlänge ver-grössert wird, so wird bei ungefähr 20 cm ein Punkt erreicht, wo die Leistungsbelastung in der Nähe von 2 bis 4 Watt/cm liegt, und wobei die Laserentladung eine bistabile Impedanzcharakteristik zeigt, die zu dem oben erwähnten Heissfleck-problem führt. Zudem oxidieren Aluminiumelektroden schnell, und eine nach nur wenigen Betriebsstunden auftretende ernsthafte Oxidation wird stark genug, um die Wandleitfähigkeit zu vermindern und eine Verschlechterung der Laserleistungsfähigkeit hervorzurufen. Eine starke Oxidation wird wahrscheinlich durch den in der Entladung gebildeten Säuredampf hervorgerufen. Die erfindungsgemässe neue Konfiguration gemäss Fig. 4 löst das Elektrodenoxidations-problem, hat die Tendenz das Heissfleckproblem zu vermindern und sieht darüber hinaus ausserordentlich vorteilhafte strukturelle Verbesserungen vor, die eine kompaktere und zuverlässigere Laservorrichtung ergeben.

Speziell weist der Longitudinal-Wellenleitergaslaser gemäss Fig. 4 ein Paar von Aluminiumoxidflächenelementen 50 und 52 auf, zwischen denen sandwichartig zwei Aluminiumoxidstreifen 54 und 56 zur Definition der Wellenleiterkammer 55 angeordnet sind. Zudem wird eine Dünnschichtmetallisierung auf die Aluminiumoxidsubstrate aufgebracht, um die Anregungselektroden auf den Aussenoberflächen 58 bzw. 60 der Flächenelemente 50 bzw. 52 zu bilden. Es ist klar zu erkennen, dass die Oberflächen 58 und 60 von der Entladungskammer 55 des Wellenleiters isoliert sind. Die Elektroden auf den entgegengesetzt liegenden Seiten der Wellenleiterstruktur sind miteinander durch elektrische Leiter 62 und

64 verbunden, die auch den elektrischen Zugriff zu einer Treiberschaltung vorsehen. Typischerweise sind die Aluminiumoxidstreifen 50 und 52 zwischen 0,5 und 2 mm dick, und zwar gemessen längs der Dimension «C», und die Aluminiumoxidstreifen 54 und 56 sind typischerweise von 1 bis 3 mm dick, und zwar gemessen längs der Dimension «D». Die Bohrung oder Kammer 55 ist typischerweise von quadratischem Querschnitt mit 1 bis 3 mm langen Seiten.

Die Struktur des Ausführungsbeispiels der Fig. 4 ist vollständig homogen insoferne als sämtliche Interface-Oberflä-chen und auch alle Oberflächen der Wände der Kammer 55 aus Aluminiumoxid bestehen, d.h. AI2O3, was sich durch die Hartanodisierung von Aluminium ergibt. Diese Struktur kann lötabgedichtet werden, so dass nur die Kammer 55 mit Gas für den Laserbetrieb gefüllt werden muss. Dies steht im Gegensatz zu der Laserkonfiguration gemäss Fig. 1 ; dort besteht die Schwierigkeit der Abdichtung unähnlicher Materialien, die die entsprechenden Seiten der Kammer 20 des transversal angeregten Wellenleitergaslasers der Fig. 1 bilden, so dass es erforderlich ist, dass die ganze Struktur in einem gasgefüllten Hohlraum oder Gehäuse angeordnet wird, was die Grösse der Gesamtstruktur erhöht. Demgemäss ist bei der Erfindung die Struktur kompakter, und weil die Elektroden von der Gasentladung isoliert sind, ist der erfindungsgemässe Laser zuverlässiger und dauerhafter als bekannte Vorrichtungen.

Das oben erwähnte, bistabile Impedanzproblem tritt bei Gaswellenleiterlasern unabhängig davon auf, ob sie eine longitudinale oder transversale Elektrodenkonfiguration besitzen, wobei in jedem Falle die Leistungsfähigkeit dieses Lasers vermindert wird. Demgemäss sind die zusätzlichen, im folgenden beschriebenen Verbesserungen, die sich auf Mittel zur Eliminierung oder zur beträchtlichen Verminderung der Schwierigkeiten hinsichtlich der Arbeitsfähigkeit und des Wirkungsgrades infolge des erwähnten bistabilen Impedanzproblems beziehen, sowohl bei Wellenleitergaslasern mit transversaler als auch mit longitudinaler Elektrodenkonfiguration anwendbar. Speziell haben die Erfinder erkannt, dass durch das Vorsehen kapazitiven Ballasts, eine neue Treiberschaltung und eine neuartige gesteuerte Einschaltung die bistabilen Impedanzprobleme vermieden werden können, und zwar bei entweder individueller oder kombinierter Verwendung der genannten Massnahmen.

Der Grund für das erwähnte Heissfleckproblem wird durch die graphische Darstellung der Fig. 5 repräsentiert, wo der begrenzte Eingangsleistungsbereich dargestellt ist, über den hinweg die HF-angeregte Entladung stabil und räumlich gleichförmig ist. Bei hinreichend niedrigen Eingangsleistungen bricht die Entladung auf. Im Falle des bekannten transversalen Entladungswellenleitergaslasers wird während instabilen Betriebs die Entladung gezündet, und zwar nur längs begrenzter Teile der Wellenleiterlänge, und die Entladungslänge und auch die Entladungssteile erscheinen zufällig. Ein ähnlicher Effekt tritt bei longitudinalen Wellenleitergaslasern gemäss der Erfindung auf, wo sich nicht alle Entladungssegmente zur Bildung einer kontinuierlichen stabilen Laserentladung vereinigen und die verschiedenen Entladungssegmente anscheinend zufällig zünden und löschen. Bei höherer Eingangsleistung wird die gleiche Art von Nichtgleichförmigkeit sowohl bei transversalen als auch longitudinalen Vorrichtungen beobachtet.

Es wird angenommen, dass die an beiden Enden des Leistungsbereichs auftretenden Instabilitäten sich aus der bistabilen Entladungsimpedanzcharakteristik ergeben. Die Effekte einer solchen bistabilen Impedanzcharakteristik können dadurch abgemildert werden, dass man eine höhere HF-Treiberfrequenz verwendet oder aber eine grössere Bohrungsgrösse oder eine Impedanzballastanordnung. Die Stabilisie5

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rung der Entladung mittels Ballastbildung wird am zweck-mässigsten erachtet, weil dies nicht die Verwendbarkeit des Wellenleiters hinsichtlich der Hochfrequenz oder der Bohrungsgrösse beeinflusst. Die bevorzugte Lösung ist daher die Ballastbildung, d.h. die Hinzufügung einer Serienimpedanz, die den Effekt der Impedanzänderung in der Wellenleiterentladung als eine Funktion der Eingangsleistung minimiert. Am besten verwendet man einen Serienballastkondensator, verglichen mit beispielsweise einem Serienballastwiderstand, weil keine Leistung im Ballastelement verbraucht wird. Darüber hinaus ist ein Serienkondensator in Wellenleiterstrukturen leicht zu realisieren, was in Verbindung mit Fig. 6 bis 10 im folgenden erläutert wird.

Im Falle der transversalen Entladungskonfiguration der bekannten Art wird die kapazitive Ballastbildung, wie in Fig. 6 gezeigt, erreicht, wo die Wellenleiterbohrung oder -kammer 70 gegenüber der Mitte des Keramikblocks 72 versetzt ist, der die zwei Elektroden 74 und 76 trennt. Im Beispiel gemäss Fig. 6 ist eine Wellenleiterbohrung mit einer Höhe «a» gegenüber beiden Elektroden durch Keramikblöcke mit einer Dielektrizitätskonstante r> um einen Abstand «d» versetzt. Die Ersatzschaltung ist in Fig. 7 gezeigt, wobei man erkennt, dass die äquivalente oder Ersatzimpedanz der Entladung, repräsentiert durch die Parallelbeziehung der Entladungskapazität C2 und der Entladungsleitfähigkeit G2 in Serie zum Ballastkondensator C1 liegt. Wie durch die partiellen Differentialgleichungen der Fig. 7 gezeigt, kann die Veränderung der Wellenleiterlänge «X» der entsprechenden Kapazität definiert werden als die Breite des Querschnitts der Wellenleiterstruktur «W», multipliziert mit der Dielektrizitätskonstante e und dividiert durch den Abstand «d». Die Änderung der Entladungskapazität C2 bezüglich der Wellenleiterlänge kann in ähnlicher Weise definiert werden als die Breite «W», multipliziert mit der Dielektrizitätskonstante e und dividiert durch die Höhe der Wellenleiterbohrung «a». Es ist somit klar, dass durch Änderung der Dimension «d» bezüglich der Dimension «a» es möglich ist, eine stabile grosse Kapazität in Serie mit dem Entladungskondensator einzufügen, was eine stabilisiertere Impedanzcharakteristik ergibt, die die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von heissen Flecken in der Entladung für einen Wellenleiterlaser mit Transversalanregung von irgendeiner Länge vermeidet oder wesentlich reduziert.

Die Fig. 8 und 9 zeigen eine analoge Form der kapazitiven Ballastbildung für den Longitudinal-Anregungswellenleiter-gaslaser in einem Ausführungsbeispiel, in dem mindestens ein Satz der Elektroden gegenüber der Wellenleiterkammer um eine Dicke «t» aus dielektrischem Material, wie beispielsweise einem Keramikmaterial oder Aluminiumoxid, versetzt ist. Die überlappenden Elektrodenteile, entsprechend den Teilen 41 bzw. 43 in der Fig. 3, sind, wie in Fig. 9 gezeigt, voneinander um einen Abstand «ds» versetzt, und sie sind ihrerseits vertikal gegenüber der Kammer 82 um eine Dicke des Dielektrikums 80 versetzt.

Fig. 10 ist eine Äquivalentschaltung, welche die verschiedenen Kapazitäten der Wellenleiterkonfiguration der Fig. 8 und 9 darstellt, wobei angenommen ist, dass der untere dielektrische Block 84 mit elektrischer Erde beispielsweise dadurch verbunden ist, dass er auf einer Erdebene sitzt. Die Versetzung der Elektroden gegenüber der Kammerwand durch das Dielektrikum 80 über eine Dicke «t» hinweg,

erhöht die Ballastkapazität Cb zwischen der Entladungskapazität Cd und jeder Elektrode. Zudem gibt es eine Kapazität zwischen jeder Seite der Entladung und der Erde über den unteren dielektrischen Block 84. Wie in Fig. 10 gezeigt, ist der Wert der Ballastkapazität Cb zwischen jeder Elektrode und der Entladungsleitfähigkeit Gd annähernd gleich dem Abstand zwischen den Elektroden «ds», und zwar multipliziert mit der Dielektrizitätskonstante e des dielektrischen Blocks 80 und geteilt durch das Vierfache der Dicke «t» des dielektrischen Blocks 80. Man erkennt nunmehr, dass die einzigartige Position der Elektroden, nämlich auf der Oberseite der Wellenleiterstruktur mit Abstand angeordnet durch ein dielektrisches Medium von der Wellenleiterkammer, doppelt vorteilhaft ist insofern, als zusätzlich zur Isolation der Elektroden gegenüber ansonsten verschlechternden Effekten, hervorgerufen durch direkte Berührung mit der Entladung innerhalb der Wellenleiterkammer, auch eine Ballastkapazität vorgesehen wird, welche die Effekte der bistabilen Impedanzcharakteristik der Entladung minimiert.

Es sei nunmehr auf die Fig. 11 und 12 Bezug genommen, um weitere Mittel zu erläutern, die zur Überwindung oder zur beträchtlichen Verminderung von schädlichen Effekten der bistabilen Impedanzcharakteristik dienen.

In Fig. 11 ist die Entladungskapazität Cd mit einem Spannungsgenerator Vs über eine Koaxialleitung 90 mit einer vorbestimmten Länge «1», ausgedrückt in Wellenlängen mit einem Wellenwiderstand Zo, sowie über einen Transformator «T» mit einem Wicklungsverhältnis «N» verbunden. Zudem ist eine abstimmbare Spule Lp parallel zur Entladungskapazität geschaltet und derart eingestellt, dass die Kapazität für die Anregungsfrequenz resonanzmässig hervorgehoben ist.

Wenn es sich bei der Koaxialleitung 90 um eine Viertelwellenlängenleitung handelt, so gilt folgendes:

Eingangsspannung und Strom sind gegeben durch:

Vjn=jZoIo (1)

Iin=jZo-'Vo dabei ist Io = IdN und Vo = Vd/N und Id und Vd sind der Entladungsstrom und die Entladungsspannung (unter Annahme von Resonanz).

Vin und Iin stehen wie folgt in Beziehung:

Vin = Vs-Rslin (2)

Durch Substitution von Vd und Id ergibt sich:

~jVs = ZoNId+ -A-V, (3)

Diese Gleichung ist die Gleichung einer Belastungsleitung. Die einzige Signifikanz von «j» besteht darin, dass Ent-ladestrom und Spannung um 90° ausser Phase bezüglich der Quelle sind. Die effektive Quellenimpedanz ist daher wie folgt gegeben:

(D \ Z°2N2

(Rs)eff= ^ (4)

Die Stabilität wird dadurch erhalten, dass man sicherstellt, dass:

+ (Rs)err> 0

(weil die Nettoimpedanz positiv ist)

Somit kann durch Verwendung einer charakteristischen Impedanz, die wesentlich grösser ist als die Quellenimpedanz, die effektive Quellenimpedanz dramatisch erhöht werden. Dies gestattet die Bedingung der Gleichung (5) einzuhalten.

Eine alternative Möglichkeit für eine Betrachtung dieses Zustands besteht darin, die Viertelwellenlängenleitung als

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

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8

einen Impedanzinverter anzusehen. Wenn die Entladung zu zünden beginnt, so fällt die Entladungsimpedanz ab. Am Eingang der Viertelwellenlängenleitung fängt die Impedanz an anzusteigen. Im allgemeinen hat dies zur Folge, dass weniger Leistung an die Last geliefert wird, was wiederum die Zündung (den Bogen) unterbricht.

Wenn die Koaxialleitung 90 eine Halbwellenleitung ist, so gilt folgendes:

Die Lastleitungsgleichung in diesem Falle ist die folgende:

Vs = RsIdN + Vd/N

Die effektive Quellenimpedanz ist daher: (Rs)efr= RsN2

Die Entladungsstabilität wird garantiert durch:

cVd eh

+ R,N2>0

(6)

(7)

(8)

Z,„ = Zo

Zi +jZo tan kl jZi tankl + Zo

(9)

dabei ist Z die Impedanz beim Hineinblicken in den Transformator und kl ist 27t/A.m (wobei Àm die Wellenlänge ist). Die Spannung Vin wird gegeben durch:

V- =V

vin v.s

Rs + Z;n

= V+eik, + V-e-Jkl

(10)

dabei bezeichnen V+ und V- die vorwärts und rückwärts laufende Welle, wobei sich die Lösung für V+ wie folgt ergibt:

V,

7.

v+ = -

Rs + Z;r eikl +

Z.-Zo Zi + Zo

-jkl

Die Spannung am Eingang des Transformators ist gegeben durch :

Vo = V++V-=V+(l+ ——— ) Zi + Zo

(12)

Zur Auswertung von Zi kann leicht gezeigt werden, dass dies wie folgt gegeben ist:

Z,=

Qu

N2(COC)

dabei ist Qu das nicht belastete Q und N ist das Windungsverhältnis. In einem typischen Beispiel mit C = 40 pf, f=40 MHz und N = 4 sowie Qu s 100 ergibt sich folgendes :

Z,=

100

16x2xitx40x 10"12 x 40 x 106

Nimmt man an, dass Zi > Zo, so ergibt sich

Vo^2 V+

>600 Q (14)

(15)

Betrachtet man die beiden speziellen Fälle der Viertelwellen- und Halbwellen-Leitungen, so ergibt sich für die viertel-wellenlange Leitung (d.h. 1 =X/4) folgendes:

Anders als im Fall der Viertelwellenlänge ist die effektive Quellenimpedanz gerade diejenige der Quelle und hat die Tendenz, viel kleiner zu sein. Für eine 25 Ohm Quellenimpedanz und ein 25 Ohm Kabel beträgt die effektive Quellenimpedanz (dividiert durch N2) 225 Ohm für einen Viertelwellenabschnitt und nur 25 Ohm für einen Halbwellenabschnitt.

Wie in Fig. 11 gezeigt, weist die Konfiguration gemäss der Erfindung, verwendet zur Erregung von HF-Lasern, einen HF-Generator Vs auf, und zwar verbunden mit einem Koaxialkabel der Länge 1 und dem Wellenwiderstand (charakteristische Impedanz) Zo, wobei letzteres wiederum mit der Primärseite des Transformators T in Verbindung steht. Die Sekundärseite des Transformators liegt am Entladungsabschnitt, in dem die Kapazität Cd durch eine Parallelspule Lp resonanzmässig beeinflusst ist.

Wie ebenfalls in Fig. 11 gezeigt ist, ergibt sich die Impedanz, hineinblickend in die Leitung, wie folgt:

20

25

Zn = Zo2/Zl

Zo/Zi

V- =v

* in » ç

oder

Rs + ZoVZi — 2j Zo/Zi jVs

2

Rs + Zo2/Zi

(16)

(17)

Vir

A

2

Zo

R,

für Rs§> ZoVZi

(18)

Die Spannung am Entladungsabschnitt ist daher wie folgt gegeben:

Vd = VSN2 -f2

Ks

(19)

40

Für die halbwellenlange Leitung (d.h. 1 =X/2) ergibt sich folgendes:

Z;n

45

50

7.

^in

V

V+ — —-i-

2 Rs + Zit

2

(20) (21)

Die Spannung am Entladungsabschnitt ist daher Vd = 2V+N2=N2Vs (22)

Nimmt man eine Quellenimpedanz von 50 Ohm und eine charakteristische Impedanz (Wellenwiderstand) von 50 Ohm 55 an, so sind die beiden Fälle (A./4 oder X/2 für die Leitungslänge) äquivalent. Beim Halbwellenfall ist jedoch die Spannung unabhängig (bis zur ersten Ordnung) von sowohl der Quellenimpedanz als auch der Kabelimpedanz, wohingegen im Viertelwellenfall ein Spannungsanstieg bewirkt werden 60 kann durch Verwendung eines Kabels mit grösserer Impedanz als der Quellenimpedanz. Beispielsweise ergeben eine 75 Ohm Leitung und eine 50 Ohm Quellenimpedanz einen 50% Spannungsanstieg.

Man erkennt somit, dass durch die Verwendung der 65 neuen Treiberschaltung, bestehend aus einer Koaxialleitung oder einen anderen geeigneten Übertragungspfad, abhängig von der Betriebsfrequenz, wobei die Leitungslänge gleich einer Viertelwellenlänge und der Wellenwiderstand gleich

9

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oder grösser als 1,5 Rs ist, die Entladungsstabilität sichergestellt wird und sich ein beträchtlicher Anstieg der Entladungsspannung, verglichen mit der Quellenspannung, ergibt.

Fig. 12 zeigt weitere Mittel, durch welche das Problem der heissen Flecken, hervorgerufen durch die bistabile Impedanzcharakteristik der Laserentladung sowohl bei der transversalen als auch bei der longitudinalen Anregungskonfiguration beträchtlich vermindert oder eliminiert werden kann. Diese zusätzlichen Mittel bestehen in der gesteuerten Anlegung von Leistung an die Anregungselektroden, wie dies graphisch in Fig. 12 dargesellt ist, nämlich das nahezu augenblickliche Anlegen von hinreichend viel Leistung zur Hervorrufung eines Zusammenbruchs, und sodann ein allmählicher Leistungsanstieg über eine Zeitperiode hinweg die gleich ist oder ein Minimum von 1 ms übersteigt, und zwar solange, bis die maximale Anregungs- oder Erregungsleistung erreicht ist. Beispielsweise beträgt Pb 20 W und Pmax 80 W für die unter Bezugnahme auf Fig. 11 erwähnten Parameter. Es wird angenommen, dass die verbesserte Stabilität sich durch die allmähliche Anlegung der Erregungsleistung ergibt, was, wie in Fig. 12 gezeigt, auf die Tendenz der Entladung zurückzuführen ist, längs ihrer stabileren Impedanzkurve der zwei, eine positive Neigung besitzenden Kurventeile der Impedanz zu arbeiten, wobei diese Kurventeile die erwähnte, bistabile Kennlinie bilden. Das Vorsehen von automatischen Mitteln zur allmählichen Anlegung der Erregungsleistung kann ohne weiteres mittels einer geeigneten kapazitiven Schaltung am HF-Spannungsgenerator realisiert werden, wobei diese Schaltung bekannt ist und hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden braucht.

Fig. 13 ist eine dreidimensionale Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Longitudinal-Anregungs-Wel-lenleiters 100 der Erfindung, wobei die Wellenleiterbohrung 102 gebildet wird durch ein Paar von Aluminiumoxidseiten-blöcken 104 und 106, die ihrerseits sandwichartig zwischen zwei Keramikplatten 108 und 110 angeordnet sind. Jede derartige Keramikplatte ist längs ihrer Aussenoberfläche, wie in Fig. 13 für die obere Platte 108 gezeigt, durch langgestreckte Elektroden überzogen, wie dies zuvor diskutiert wurde, wobei diese derart geformt sind, dass ein longitudinal gerichtetes elektrisches Fe.ld innerhalb der Wellenleiterbohrung 102 vorgesehen wird. Insbesondere ist Elektrode 112 und ihre senkrechten Teile, wie beispielsweise Teil 114, in jedem Zeitpunkt von entgegengesetzter Polarität bezüglich der entsprechenden Elektrode 116, einschliesslich deren senkrechter Teile, wie beispielsweise des Teils 118.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fig. 13 ist die Grösse «F» typischerweise 5 mm, die Grösse «G» ist typischerweise 1 mm und die Grösse «H» ist typischerweise 6,4 mm. Zudem ist die Wellenleiterbohrung 102 im Querschnitt quadratisch, wobei Wände von 2 mm Länge die Kammer definieren.

Die Fig. 14 und 15 veranschaulichen zwei alternative Laserkopfkonfigurationen unter Verwendung des Wellenleiters 100 der Fig. 13. Wie in Fig. 14 gezeigt, besteht eine derartige Konfiguration aus der Anordnung des Laserwellenleiters 100 aus einem Metall-HF-Abschirmtopf 120 mit rechteckigem Querschnitt. Der Wellenleiter ist darinnen mittels eines Ständers 122 zentriert. Der Ständer 122 weist eine Kammer 124 mit rechteckigem Querschnitt auf und dient als ein Gasreservoir für die Wellenleiterstruktur. Kammern 102 des Wellenleiters 100 und 124 des Ständers 122 liegen beide auf einem geeigneten subatmosphärischen Druck für den Laserbetrieb. Das verbleibende Innenvolumen des HF-Abschirmtopfes 120 befindet sich auf Umgebungsdruck und sieht einen umschlossenen Kanal für die zwangsweise Luftkühlung des Wellenleiters 100 vor.

Bei der alternativen Laserkopfkonfiguration gemäss Fig. 15 ist eine Wellenleiterstruktur 100 innerhalb eines Metalltopfes angeordnet, der geeignet ist für die Erzeugung einer HF-Abschirmung und zur Aufrechterhaltung eines sub-5 stantiellen Vakuums. Die Wellenleiterstruktur ist zwischen Keramikblöcken 132 und 134 angeordnet, welche die Entladung ausserhalb der Wellenleiterbohrung 102 verhindern.

Das verbleibende Volumen zwischen den Wänden des HF-Topfes 130 und der Wellenleiterstruktur ist ebenfalls mit io einem Lasergas angefüllt, um als ein Reservoir zu dienen, wobei sich das Gas auf dem gleichen subatmosphärischen Druck wie das Lasergas innerhalb der Wellenleiterbohrung 102 befindet.

Fig. 16 stellt schematisch das elektrische System Interface 15 eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung dar, wobei die verschiedenen Mittel verwendet werden, die zur Verminderung oder Eliminierung der Heissfleckprobleme dienen. Beispielsweise verwendet der Wellenleiter 100 Elektroden, wie in Fig. 13 gezeigt, d.h. in der Form einer dünnen 20 Filmmetallisierung, aufgebracht auf die oberen und unteren Oberflächen der Keramikplatten 108 bzw. 110. Der Abstand der Elektroden gegenüber der Kammer durch die Platten 108 und 110 liefert die erwähnte Ballastkapazität. Eine Resonanzinduktivität (Induktor) Lr liegt an den Elektroden, und die 25 oberen und unteren Elektrodenpaare gleicher Polarität sind miteinander durch Leiter 140 bzw. 142 verbunden, und diese sehen auch die elektrische Verbindung zum Transformator 144 vor. Der Transformator liegt an einer geeigneten Spannungsquelle Vs über die neue Treiberschaltung, bestehend aus 30 einer Viertelwellenlängenleitung 146 mit einem Wellenwiderstand gleich oder grösser dem l,5fachen der Quellenimpedanz. In Fig. 16 wird angenommen, dass die Quellenimpedanz 50 Ohm beträgt, und dass die charakteristische Impedanz (Wellenwiderstand) der Leitung 146 gleich oder grösser 35 als 75 Ohm ist, und zwar entsprechend der oben beschriebenen Verbesserung. Zudem ist die verzögerte Anregungslei-stungskennlinie, dargestellt in Verbindung mit Fig. 12, repräsentiert in Fig. 16 durch das Vorhandensein einer geeigneten Generatorsteuervorrichtung 148, wobei deren Einzelheiten 40 dem Fachmann bekannt sind.

Vorstehend wurde ein Wellenleitergaslaser offenbart, der überlegene Eigenschaften hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit aufweist. Eine erfindungsgemässe Verbesserung besteht darin, dass die 45 longitudinale Anregung der Laserentladung innerhalb einer geeigneten Lasergas enthaltenden Wellenleiterkammer erfolgt. Die longitudinale Anregung macht die Abstandsgeometrie der Elektroden variabel, unabhängig von der Wellenleiterkammergeometrie, was einen erhöhten Leistungsfähig-50 keits-Wirkungsgrad ergibt. Man erkennt, dass die Ausführungsformen der Erfindung eine Anzahl von signifikanten Verbesserungen vorsehen, die die Probleme der heissen Flek-ken wesentlich reduzieren oder eliminieren, wobei diese heissen Flecken üblicherweise in Wellenleitergaslasern sowohl in 55 der Transversal- als auch Longitudinal-Anregungskonfigura-tion auftreten. Diese heissen Flecken würden bei ihrer Nicht-beseitigung die Leistungsfähigkeit des Lasers verschlechtern. Zu den erfindungsgemässen Verbesserungen gehören beispielsweise die folgenden: Die kapazitive Belastung (Ballast-60 bildung), erreicht durch neue bauliche Konfigurationen, einschliesslich der Isolation der Elektroden gegenüber der Wellenleiterkammer durch ein geeignetes dielektrisches Abstandsmedium, wie beispielsweise Keramik oder Aluminiumoxid: eine neue Treiberschaltung mit vorgewählter Länge 65 und mit vorgewähltem Wellenwiderstand; die gesteuerte Anlage der Anregungsleistung über eine minimale Zeitperiode hinweg.

2 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

1. 652 244

   2

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Wellenleitergaslaser mit HF-Anregung, gekennzeichnet durch Mittel, welche eine langgestreckte Kammer mit Querschnittsabmessungen definieren, die für das Führen von Laserlicht geeignet sind, ein in der Kammer angeordnetes Lasergas, und Mittel zum Aufbau eines elektrischen Wechselfelds in der Kammer entlang einer Richtung parallel zur Länge derselben zum Aufbau der Laseranregungsentladung in dem Lasergas.
2. 2. Wellenleitergaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das elektrische Feld aufbauenden Mittel eine Mehrzahl erste und zweite elektrisch leitende Elemente umfassen, die ineinandergreifend und transversal zur Kammerlänge längs mindestens einer ersten langgestreckten Wand der Kammer angeordnet sind.
3. 3. Wellenleitergaslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten elektrisch leitenden Elemente jeweils mit Punkten entgegengesetzter Polarität eines elektrischen Wechselfeldgenerators verbunden sind.
4. 4. Wellenleitergaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die das elektrische Feld aufbauenden Mittel ferner eine Mehrzahl dritte und vierte elektrisch leitende Elemente aufweisen, die ineinandergreifend und transversal zur Kammerlänge längs einer zweiten langgestreckten Wand der Kammer angeordnet sind, wobei die zweite langgestreckte Wand im wesentlichen parallel zu und an der Seite der Kammer entgegengesetzt zur ersten Wand angeordnet ist.
5. 5. Wellenleitergaslaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten und vierten elektrisch leitenden Elemente jeweils mit den erwähnten Punkten entgegengesetzter Polarität des elektrischen Wechselfeldgenerators verbunden sind.
6. 6. Wellenleitergaslaser nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten leitenden Elemente in einer gemeinsamen Ebene im wesentlichen parallel zur Länge der Kammer liegen und mit gleichem Abstand gegenüber der Kammer angeordnet sind, und zwar getrennt durch ein Material mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit.
7. 7. Wellenleitergaslaser nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten und vierten leitenden Elemente in einer gemeinsamen Ebene liegen, und zwar im wesentlichen parallel zur Länge der Kammer und mit gleichem Abstand angeordnet gegenüber der Kammer, getrennt durch ein Material von niedriger elektrischer Leitfähigkeit.
8. 8. Wellenleitergaslaser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ballastkapazität in Serie mit der Impedanz der Entladung.
9. 9. Wellenleitergaslaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die das elektrische Wechselfeld aufbauenden Mittel mindestens zwei Elektroden aufweisen, und wobei die Ballastkapazität durch ein dielektrisches Medium zwischen den Elektroden und der Kammer vorgesehen wird.
10. 10. Wellenleitergaslaser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Abfühlen einer Abnahme der elektrischen Impedanz der Entladung und für die augenblickliche Reduzierung der Grösse der angelegten Leistung in der Kammer infolge der erwähnten Impedanzreduktion.
11. 11. Wellenleitergaslaser nach Anspruch 10, bei welchem die das elektrische Feld aufbauenden Mittel mindestens zwei Elektroden von entgegengesetzter Polarität aufweisen, die im wesentlichen in der Nähe der Kammer angeordnet sind und elektrisch sich in Resonanz befinden, und wobei ein Hochfrequenzspannungsgenerator mit bekannter angepasster Impedanz vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfühl- und Reduziermittel einen elektrischen Leiter aufweisen, der in der Lage ist, eine laufende Welle darinnen zu tragen, und zwar mit einer Frequenz gleich der Frequenz des

    HF-Generators, und mit einer elektrischen Länge, im wesentlichen gleich einem ungeradzahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge der Frequenz, und wobei der elektrische Leiter ferner einen Wellenwiderstand, grösser als die Lastimpedanz besitzt.
12. 12. Wellenleitergaslaser, nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens zwei Elektroden von entgegengesetzter Polarität, angeordnet in dichter Beziehung zur Kammer zum Aufbau des elektrischen Wechselfeldes in der Kammer,

    wobei die Elektroden elektrisch über eine geeignete Treiberschaltung mit einem HF-Spannungsgenerator verbunden sind, und wobei schliesslich eine Zeitverzögerungsschaltung an den Generator angeschaltet ist, um im wesentlichen augenblicklich eine Anregungsleistung an die Elektroden anzulegen, die ausreicht, um eine Entladung im Lasergas hervorzurufen, und um daraufhin über eine minimale Zeitperiode von

    1 ms eine ansteigende Anregungsleistung anzulegen, und um daraufhin eine im wesentlichen konstante maximale Leistung anzulegen.
13. 13. Wellenleitergaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das elektrische Feld aufbauenden Mittel eine ausgeglichene, d.h. sich in Balance befindliche, elektrische Verbindungsvorrichtung aufweisen, die einen elektrischen Wechselfeldgenerator mit mindestens einem Paar von Elektroden verbindet, die auf dem Laser in der Nähe der Kammer angeordnet sind.
14. 14. Wellenleiterlaser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgeglichene elektrische Verbindungsvorrichtung einen Transformator umfasst, wobei eine Wicklung in Serie mit dem Generator Hegt, während eine andere Wicklung parallel mit einem Induktor liegt, der in Shunt-Bezie-hung zu den Elektroden geschaltet ist.