DE102011017140A1

DE102011017140A1 - Kurzimpuls - Stickstofflaser

Info

Publication number: DE102011017140A1
Application number: DE201110017140
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2012-10-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit kleinen Abmessungen und geringem Gewicht zur Erzeugung von Laserimpulsen im Pikosekundenbereich mit geringem zeitlichen Jitter und konstanter Amplitude. Eine derartige Kurzimpulslichtquelle mit einer Wellenlänge von 337,1 nm ist vorzugsweise für spektroskopische Anwendungen in tragbaren Geräten geeignet. Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem zylindrischen Gasentladungsrohr mit speziell ausgebildeten Elektroden, das mit Stickstoff im Druckbereich über 1 bar gefüllt und breitflächig an eine niederohmige Bandleitung angeschlossen ist. Über diese hochspannungsfeste Bandleitung werden steil ansteigende Hochspannungsimpulse zur Laseranregung zugeführt. Die Elektroden sind im Entladungsbereich so abgerundet, dass sie sich bei einem Abstand von größenordnungsmäßig 0,1 mm in einem nahezu homogenen elektrischen Feld gegenüber stehen. Dabei besteht die Oberfläche der geerdeten Elektrode aus Platin oder Aluminium.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit kleinen Abmessungen und geringem Gewicht zur Erzeugung von Laserimpulsen im Pikosekundenbereich. Eine derartige Kurzimpulslichtquelle mit einer Wellenlänge von 337,1 nm ist vorzugsweise für spektroskopische Anwendungen in tragbaren Geräten geeignet.
Stickstoffimpulgaslaser sind seit vielen Jahren bekannt. Bereits 1972 wurde in DD 97520 eine sehr induktivitätsarme Bandleitungsanordnung zur Erzeugung von Laserimpulsen mit hoher Impulsleistung vorgeschlagen. In dieser Patentschrift waren bereits technische Merkmale für die Erzeugung kurzer Laserimpulse vorweg genommen, die auch in der Offenlegungsschrift DE 4408041 vom 10.03.1994 herangezogen werden. Diese kommt der vorliegenden Erfindung hinsichtlich des kompakten Aufbaus und der Schalteranordnung am nächsten. Die in DE 4408041 gezeigte Elektrodenanordnung im Laserrohr, bei der sich Elektroden aus Kupfer oder Messing mit kleinem Krümmungsradius, d. h. mit inhomogenem Feldverlauf gegenüber stehen, bedingt jedoch ein ungünstiges Betriebsverhalten. Aus Untersuchungen zum Durchschlagsverhalten von Elektroden aus Kupfer oder Messing bei Stickstofffüllung in der Entladungskammer ist bekannt, dass die Elektronenemission nach mehreren Tausend Entladungen drastisch abnimmt und damit die Lasertätigkeit instabil wird. Der beschriebene kompakte mechanische Aufbau hat ferner ein beträchtliches Gewicht und ist deshalb für den Einbau in tragbare Gesäte nicht geeignet.
Aufgabe der Erfinudung ist es deshalb, einen vorzugsweise in tragbare Geräte einbaubaren Stickstofflaser mit günstigeren Entladungsbedingungen für eine effektivere Laseranregung zur dauerhaften Erzeugung von sehr gut reproduzierbaren Pikosekundenimpulsen bei kleinen Abmessungen sowie geringem Gewicht zu schaffen.
Die Aufgabe wird mit einer Anordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Anordnung weist ein mit Stickstoff gefülltes zylindrisches Gasentladungsrohr auf, das an beiden Stirnseiten durch Planglasfenster abgeschlossen ist, in dem Druck von über 1 bar herrscht. Das eine Fenster, durch den die Lichtimpulse austreten, besteht aus Quarz. Die Elektroden sind in ihrer Längsausdehnung an die Breite der angeschlossenen Bandleitung angepasst, über welche die steil ansteigenden Hochspannungsimpulse an die Elektroden zur Anregung der Lasertätigkeit herangeführt werden. Die Elektroden sind im Entladungsbereich abgerundet und stehen sich bei homogenem elektrischem Feldverlauf frontal in einem sehr geringen Abstand von ca. 0,1 mm gegenüber. Dabei besteht die abgerundete entladungsseitige Oberfläche der geerdeten Elektrode (Kathode) vorteilhafterweise aus Platin oder Aluminium. Bei Voruntersuchungen zum Gasentladungsgeschehen bei steilem Anstieg der angelegten Hochspannungsimpulse hatte sich nämlich gezeigt, dass zwischen Elektroden mit homogenem Feldverlauf im Entladungsraum der Durchschlag schneller und über die Entladungslänge gleichmäßiger erfolgt als bei inhomogenem Feldverlauf (wie bei Anordnungen Spitze – Spitze oder Spitze – Platte). Ferner wurde festgestellt, dass Elektroden aus Platin oder Aluminium ein günstigeres Elektronenemissionsverhalten zeigten als z. B. solche aus Kupfer.
Die beiden Elektroden des Gasentladungsrohres sind jeweils an den äußeren Enden formschlüsssig an die Rohrwand angepasst und stehen über mehrere gasdicht in die Wand eingebundene parallele Durchführungsgewindebolzen, über die die Hochspannungsimpulse für die Laseranregung zugeführt werden, jeweils mit einem der zugeordneten Metallbeläge einer Bandleitung zur breitflächigen Stromeinspeisung in elektrischem Kontakt. Die Bandleitung besteht aus einem schmaleren oberen Metallbelag, dessen Ränder umgekröpft sind, einem aus mehreren Lagen Isolierfolie aufgebauten Dünnschichtdielektrikum sowie einem breiteren unteren Metallbelag. Der hochspannungsseitige Belag der Bandleitung, der direkt mit dem Laserrohr verbunden ist, steht über einen triggerbaren Festkörperschalter mit der Hochspannungsseite eines Speicherelementes in Verbindung, das wiederum eine Bandleitung oder ein induktivitätsarmer Kondensator sein kann.
Das Gasentladungsrohr sowie der Festköperschalter ist von der Bandleitungsanordnung wickelförmig umschlossen, wodurch der Stickstoffimpulgaslaser kleinräumig ausgeführt werden kann Auf der Austrittsseite der Laserimpulse ist anstelle der Planquarzglasscheibe eine plankonvexe Quarzlinse mit einer für die spezielle Anwendung geeigneten Brennweite aufgebracht. Auf der Planglasscheibe, die der Austrittsseite für die Laserimpulse gegenüber liegt, ist im zentralen Bereich, wo Lichtquanten aus der Gasentladung auftreffen, eine reflektierende Metallschicht aufgebracht.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen erläutert:
Dabei zeigt
1 ein Gasentladungsrohr für die Erzeugung von kurzen Laserimpulsen in Längs- und Querschnitt.
2 die elektrotechnische Anordnung für den Betrieb des Impulsgaslasers.
3 eine Platz sparende Anordnung von Bandleitungen, Schalter und Laserrohr.
Die 1 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau des Laserrohres. Dieses wird von einem Gasentladungsrohr 1 mit Sickstofffüllung im Druckbereich von 1 bis 2 bar gebildet. Es besteht aus einem Zylinderrohr, z. B. mit einem Durchmesser von 20 mm bei einer Länge von 80 mm, dessen Wandung 10 aus einem elektrischen Isolierstoff, wie z. B. Glas, gebildet wird und an den Stirnseiten gasdicht aufgebrachte Planglasscheiben 2a und 2b trägt. In Längsrichtung sind, wie 1, Schnitt A-A' zeigt, parallele, zu den Stirnseiten hin abgerundete Elektroden 3a und 3b angeordnet, die sich in einem geringen Abstand in der Größenordnung von ca. 0,1 mm gegenüber stehen.
Die Elektroden bestehen im gewählten Beispiel im Entladungsbereich aus Platin besitzen hier einen möglichst großen Krümmungsradius, der hier größer ist als der Radius des verwendeten Zylinderrohres, um im Entladungsbereich einen möglichst homogenen Verlauf des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden zu gewährleisten.
Die Elektroden werden mittels Durchführungsgewindebolzen 4a bis 4e bzw. 5a bis 5e befestigt, die gasdicht, z. B. durch Einkleben, in die Zylinderwandung eingebracht wurden. Diese Durchführungsbolzen gewährleisten gleichzeitig eine breitflächige Stromeinspeisung von den Bandleitungsbelägen 6b bzw. 15 in die Elektroden 3b bzw. 3a. Dadurch wird ein gleichmäßiger und schneller Stromanstieg im Entladungsraum zwischen den Elektroden 3a und 3b erzielt. Dieser schnelle Stromanstieg wiederum ist erforderlich, um die im Entladungsraum befindlichen Stickstoffmoleküle zur Lasertätigkeit anzuregen.
In 2a ist eine elektrotechnische Anordnung für den Betrieb des Impulsgaslasers skizziert. Links ist das Gasentladungsgefäß 1 im Querschnitt, rechts das Hochspannungsgerät 11 für die Erzeugung einer Gleichspannung bis zu 5 kV dargestellt, zwischen denen hochspannungsseitig eine leitende Verbindung über den Ladewiderstand 12, den Metallbelag des Bandleitungsabschnitts 13 der Bandleitung 8, den Hochspannungsschalter 14 und den Metallbelag des Bandleitungsabschnitts 15 besteht, während auf der geerdeten Masseseite eine durchgehende niederohmige Verbindung 6b zwischen dem Hochspannungsgerät 11 und dem Gasentladungsgefäß 1 vorhanden ist. Die beiden Elektroden 3a und 3b des Gasentladungsgefäßes 1 sind zum Potentialausgleich zwischen den Entladungsimpulsen über eine Induktivität 16 verbunden. Als Hochspannungsschalter 14 dient ein Halbleiterschalter, der von einem Triggergenerator 17 ausgelöst wird.
Die 2b zeigt einen Querschnitt durch die niederohmige Bandleitung 8 im Abschnitt 13 oder 15. Mit 6a ist der Hochspannung führende Metallbelag bezeichnet ist, der, wie dargestellt, beidseitig zur Herabsetzung der Randfeldstärke umgebördelt ist Mit 6b ist der geerdete Metallbelag bezeichnet, der in seiner Breitenausdehnung auf beiden Seiten der Bandleitung 8 wesentlich, d. h. mindestens 10 mm, über die Breite des Hochspannung führenden Belages 6a hinausragt. Mit 7 ist das aus einem Stapel dünner Isolierstofffolien bestehende Dielektrikum bezeichnet. Wie aus der Hochspannungstechnik bekannt ist, besitzt ein aus mehreren hochspannungsfesten dünnen Einzelfolien bestehendes Dielektrikum eine höhere Lebensdauer als ein gleich dickes Dilektrikum aus dem gleichen Isoliermaterial.
3 zeigt skizzenhaft eine erfindungsgemäße, Platz sparende Konstruktion, bei der die Bandleitung 8 mit den beiden Bandleitungsabschnitten 13 und 14 als Wickel um das Laserrohr angebracht ist und dabei der Festkörperschalter 14 in den Wickel einbezogen ist. Die einzelnen Wickellagen sind durch eine Isolierstoffbahn 9 von einander getrennt.
Bezugszeichenliste

1: Gasentladungsrohr
2a: Planglasscheibe
2b: Planglasscheibe
3a: Hochspannungs-Elektrode
3b: geerdete Elektrode
4a...4e: Durchführungsgewindebolzen
5a...5e: Durchführungsgewindebolzen
6a: Spannung führender Bandleitungsbelag
6b: geerdeter Bandleitungsbelag
7: Dielektrikum
8: Bandleitung
9: Isolierstoffbahn
10: Wandung des Gasentladungsrohres
11: Hochspannungsgerät
12: Ladewiderstand
13: Bandleitungsabschnitt
14: Hochspannungsschalter
15: Bandleitungsabschnitt
16: Induktivität
17: Triggergenerator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DD 97520 [0002]
DE 4408041 A [0002]
DE 4408041 [0002]

Claims

Anordnung zur Erzeugung von Stickstofflaserimpulsen im Pikosekundenbereich mit geringem zeitlichen Jitter und konstanter Amplitude, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Stickstoff im Druckbereich über 1 bar gefülltes, zylindrisches Gasentladungsrohr, das an beiden Stirnseiten durch Planglasfenster abgeschlossen ist, wobei das eine Fenster für den Austritt der Lichtimpulse aus Quarz besteht, und im Entladungsbereich abgerundete Elektroden besitzt, die in ihrer Längsausdehnung an die Breite der angeschlossenen Bandleitung angepasst sind, über welche steil ansteigende Hochspannungsimpulse an die Elektroden zur Anregung der Lasertätigkeit herangeführt werden, und die Elektroden sich bei homogenem elektrischem Feldverlauf frontal in einem sehr geringen Abstand in der Größenordnung von 0,1 mm gegenüberstehen, wobei die abgerundete entladungsseitige Oberfläche der geerdeten Elektrode (Kathode) aus Platin oder Aluminium besteht.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden des Gasentladungsrohres jeweils außen formschlüsssig an die Rohrwand angepasst sind und über mehrere gasdicht in die Wand eingebundene parallele Durchführungsgewindebolzen jeweils mit einem der zugeordneten Metallbeläge einer Bandleitung zur breitflächigen Stromeinspeisung in elektrischem Kontakt stehen, über die die Hochspannungsimpulse für die Laseranregung zugeführt werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandleitung aus einem schmaleren oberen Metallbelag, dessen Ränder umgekröpft sind, einem aus mehreren Lagen Isolierfolie aufgebauten Dünnschichtdielektrikum und einem breiterenunteren Metallbelag besteht.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hochspannungsseitige Belag der Bandleitung, der direkt mit dem Laserrohr verbunden ist, über einen triggerbaren Festkörperschalter mit der Hochspannungsseite eines Speicherelementes in Verbindung steht, das wiederum eine Bandleitung oder ein induktivitätsarmer Kondensator sein kann
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Raumersparnis das Gasentladungsrohr ebenso wie der Festköperschalter von der Bandleitungsanordnung wickelförmig umschlossen wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Austrittsseite der Laserimpulse statt der Planquarzglasscheibe eine plankonvexe Quarzlinse mit für die spezielle Anwendung geeigneter Brennweite aufgebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Planglasscheibe, die der Austrittsseite für die Laserimpulse gegenüber liegt, im zentralen Bereich, wo Lichtquanten aus der Gasentladung auftreffen, eine reflektierende Metallschicht aufgebracht ist.