DE1589116A1

DE1589116A1 - Blitzroehre fuer Laser

Info

Publication number: DE1589116A1
Application number: DE19671589116
Authority: DE
Inventors: Roger Dumanchin; Roland Roux
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1966-10-07
Filing date: 1967-10-06
Publication date: 1970-03-12
Also published as: BE704687A; GB1156859A; NL6713599A; US3504217A; LU54621A1; CH464380A; FR1517778A

Description

dr. MÜLLER-BORE dipl.-ing. GRALFS 1 C p Q 1 1 R

DIPL.-PHYS. DR. MANITZ DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL ' ^ " " ' '
PATENTANWÄLTE

München, den 5. Oktober 1967

GOMPAGNIE GENERÄLE D'ELEGTRICITE
54 rue la Boetie, 75 Paris 8,
Frankreich

Blitzröhre für Laser

Zum optischen Pumpen von Festkörperlasern werden Quellen mit großer Lichtstärke und sehr hohem Lichtstrom benötigt. Derart große Lichtstärken und Lichtströme werden im allgemänen bei elektrischen Entladungen in einem Edelgas (üblicherweise Xenon) erhalten,und diese Quellen werden gewöhnlich Blitzröhren oder einfach Blitze genannt.

Von größter Bedeutung ist bei einer derartigen optischen
Pumpquelle der Wirkungsgrad, d.h. das Verhältnis der abgegebenen Lichtenergie zur zugeführten elektrischen Energie.

Dieser Faktor geht direkt in den energetischen Gesamtwirkungsgrad ein, der durch das Verhältnis von der Energie der aus dem Lasermaterial austretenden kohärenten Strahlung und der der Blitzröhre zugeführten elektrischen Energie festgelegt ist.

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BHAUNSCHWeiO. AM BÖHalRCAItK · * (Ol JKI «4 »7 SMONCHENZZ₁IIOUIIrKOCH-STK.! 9 >oait> 22 »I IO

Die Optimierung des Wirkungsgrads einer Blitzröhre für Stäbe mit großen Querschnitten führt insbesondere zu Aufbauten, bei denen das Lasermaterial in der Achse der quelle angeordnet ist. Dies ist der Fall bei der spiralförmigen Blitzröhre, der koaxialen Blitzröhre, den ringförmig angebrachten Linearbündeln und auch bei der Röhre mit Ringentladung, wobei die spiralförmige Blitzröhre aus einer das zu erregende Gas enthaltenden, schraubenförmig gewickelten Röhre aus Glas oder Siliziumdioxyd, die koaxiale Blitzröhre aus einem Gefäß, das von zwei Glas- oder Siliziumdioxydrohren, die verschiedene Durchmesser, aber die gleiche Achse aufweisen und ein zylindrisches, im Querschnitt ringförmiges Volumen festlegen, gebildet wird, und das Linearbündel aus einer Anordnung von geradlinigen, an zwei Ringen angebrachten Blitzröhren besteht,

Anhand von Untersuchungen wurde festgestellt, daß eine Blitzröhre eines optischen Senders oder Lasers zur Gewährleistung eines guten Wirkungsgrades folgende Bedingungen erfüllen muß:

a) Das Glas oder Siliziumdioxyd des Gefäßes muß den geringstmöglichen Teil des Gesamtvolumens der Lichtquelle einnehmenj

b) die «&e Dicke des Plasmas in Radialrichtung muß gering sein, da das erregte Gas die von ihm ausgesandte Strahlung vor allem dann absorbiert, wenn es sich um angepaßte Blitzröhren

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im Fall des Lasers handelt, dessen aktives Material ein Stab aus Neodymglas g ist;

^c) in elektrischer Hinsicht soll die durch die Entladung in dem Gas gebildete Impedanz nicht sehr gering sein, da sonst in der Anordnung sehr große Ströme fließen, welche eine schnelle Zerstörung der Elektroden bewirken und einen beträchtlichen Energieverlust in dem Eigenwiderstand des Generators zur Folge haben.

Durchgeführte Versuche und Berechnungen haben zu der Erkenntnis geführt, daß die koaxiale Quelle die Bedingungen a und b vollständig aber nicht die Bedingung c erfüllt, während die spiralförmige Quelle die BediiSingen a und b nicht und die Bedingung c nur unvollkommen erfüllt.

Es ist eine aus einem Stück gefertigte Blitzröhre bekannt, die an im Dauerbetrieb arbeitende Laser angepaßt ist und aus einem Hohlkern aus Siliziumdioxyd besteht, in dessen Außenfläche ein schraubenförmiger Kanal mit ebenem Boden und rechteckigem Querschnitt eingeschliffen ist. Die Stärke der zwei aufeinanderfolgende Windungen trennenden Wand ist dabei in der gleichen Größenordnung wie die Seitenlänge des Schnittes des Kanals.

Der Kern ist von einer Außenhülse aus Siliziumdioxyd umgeben,

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welche mit dem Kern eine schraubenförmige Höhre festlegt, deren Enden mit Elektroden bildenden Ausgangsrohren verbunden sind, die senkrecht zur Achse der Hülse angeordnet sind. Die gesamte Anordnung ist in einer Kühlvorrichtung angeordnet, wobei die Kühlung dtirch Wasser erreicht wird, das durch das Innere des Kernes und um die Außenseite der Hülse zirkuliert. Die Leistung dieser bekannten Blitzröhre ist reell im Fall von Dauerbetriebslasern und hängt im wesentlichen von der Querschnittsfläche des schraubenförmigen Kanals, die vergrößert werden muß, und von der Anzahl der Windungen, die verringert werden muß, und auch von der Wirksamkeit des Kühlsystems ab. Es wurde festgestellt, daß diese aus einem Stück gefertigte Blitzröhre an Laser, die im Impulsbetrieb arbeiten, schlecht anpaßbar ist, da diese Laser etwas andere Probleme als Dauerbetriebslaser aufwerfen. Für im Impulsbetrieb arbeitende Laser erhalten die vorstehend unter a und b angeführten Bedingungen sehr große Bedeutung, und die Bedeutung der Bedingung c wird in dem Maße überwiegend, in dem die Entladung der Speisekreise im wesentlichen von der elektrischen Impedanz der Röhre abhängt. Andere Bedingungen wirken sich in der Weise aus, daß es erforderlich ist, die Konzentration elektrischer Energie pro Einheitsvolumen der Blitzröhre zu begrenzen, da die Bohre sonst explodieren oder sehr schnell zerstört

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werden kann. Andererseits tritt das Problem der Kühlung der Röhre aufgrund der relativ großen thermischen Trägheit der Röhre nicht mehr auf. Es wird jedoch erforderlich, den Laserstab zu kühlen, um optische Störungen zu vermeiden, die aufgrund der Aufheizung des Stabes durch die Blitznhre auftreten können.

Es ist somit klar, daß die bekannte, von dem Hohlkanal in

dioxyd
einem Siliziuiacern gebildete Röhre für im Impulsbetrieb arbeitende Laser nicht geeignet ist.

Gegenstand der Erfindung ist eine Blitzröhre, die in Form einer schraubenförmigen, in Richtung des Radius durch zwei zusammenhängende zylindrische Flächen begrenzte Leitung ausgebildet ist, wobei die Windungen durch eine mit den zwei zylindrischen Flächen zusammentreffende schraubenförmige Wand begrenzt sind. Ziel der Erfindung ist es, diese Blitzröhren an Laser anzupassen, die im Impulsbetrieb arbeiten.

Die erfindungegemäße Blitzröhre ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der zwei aufeinanderfolgende Windungen begrenzenden Wand und die radiale Dicke der schraubenförmigen Leitung im wesentlichen geringer sind, als die Abmessung der Leitung parallel zur Achse der zylindrischen Flächen. Gemäß einer weiteren Besonderheit der Er-

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findung besteht die Wand aus einem im Querschnitt rechteckigen Teil aus Siliziumdioxyd oder Glas, das spiralförmig um einen Mittelkern gewickelt und auf seiner ganzen Länge an die Außenfläche dieses Hittelkernes und an die Innenfläche einer Außenhülse geschweißt ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der .Erfindung ist die Blitzröhre an den beiden Enden durch zwei ringförmige «iuerplatten verschlossen, diejar-. die Außenhülse und an den Innenkern angeschweißt sind, wobei die elektrischen Verbindungen der Röhre parallel zur gemeinsamen Achse von Kern und Hülse durch die Ringe geführt sind.

Gemäß einer weiteren Besonderheit der Erfindung ist die Außenfläche der Außenhülse mit einer Schicht aus streuendem Material, beispielsweise Magnesiumoxyd, bedeckt, und diese Schicht kann vorteilhafterweise eine Dicke in der Größenordnung der Dicke der Hülse besitzen.

einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Querschnitt der schraubenförmigen Leitung aus einem Rechteck, dessen größere Seite parallel zur gemeinsamen Achse von Kern und Hülse und wenigstens dreimal so groß wie die kleine Seite ist.

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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert; in dieser zeigt:

Pig. 1 eine im Axialschnitt dargestellte Teilansicht einer Blitzröhre gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Axialschnitt einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Eöhre, und die

Figuren 3, 4- und 5 schematisch dargestellte Axial schnitte einer Spiralröhre, einer Koaxialröhre und einer erfindungsgemäfien Eöhre, welche eine bessere Unterscheidung der jedem Eöhrentyp eigenen Besonderheiten ermöglichen.

Nach Fig. 1 ist ein Hauptkern 11 mit einer Mittelbohrung 11a versehen, in der das aktive Lasermaterial (in den Figuren nicht dargestellt) angeordnet ist. Die Außenfläche des Kernes H

spiralist mit einem Örmigen Kanal <2 mit ebenem Boden versehen, der durch eine Wand 13 begrenzt ist. Im Fällte der Fig. 1 wurde der Kanal 12 durch Schleifen erhalten, wobei an den Enden des Kernes 1« Schultern wie 19 stehengelassen wurden. In diesen Schultern eiefe sind Durchlässe zum Anschluß einer Pumpröhre wie 18 oder von Ausgangsrohren 17-20

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der Elektroden angebracht. Alle diese Rohre sind im wesentlichen parallel zur Achse des Kernes 11. Schließlich ist eine Außenhülse 16 vorgesehen, die die gesamte Anordnung bedeckt und mit ihrer Innenfläche an die schraubenförmige Wand 13 und die Schultern wie 19 angeschweißt ist.

Die in Figur 2 im Längsschnitt dargestellte Blitzröhre sieht von außen ähnlich aus wie die in Figur 1 dargestellte Röhre. Die Röhre nach Figur 2 unterscheidet sich gemäß der Erfindung von der in Figur 1 dargestellten Röhre dadurch, daß die Abmessung derart gewählt ist, daß die Dicke "d" der schraubenförmigen Leitung wesentlich geringer als die Breite "1-" und vorzugsweise geringer oder gleich 1^/3 ist. In diesem Falle wird die schraubenfömige Leitung 12 nicht durch Schleifen oder Hartlöten eines Kernes erhalten, sondern durch spiralförmiges Aufwickeln eines im Querschnitt im wesentlichen rechteckigen Glas- oder Quarzstabes 13' auf diesen Kern, wobei der Stab eine Dicke "e" aufweist, die wesentlich geringer als I^ und vorzugsweise im wesentlichen kleiner als "d" ist. Dieser spiralförmige Stab wird entlang seines Randes mit der Fläche des Kernes 11 verschweißt und diese Anordnung wird dann in die Hülse 16 eingeschoben, deren Innenfläche mit dem Rand der Spirale 13' durch von außen erfolgendes Aufheizen verschlißt wird. Die Röhre ist durch zwei Endringe wie abgeschlossen, welche an den Kern 11 und ad|die Hülse 16

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angeschweißt sind. Die Außenfläche der Hülse 16 ist mit einer Schicht I5 aus einem das Licht streuenden Material beispielsweise Magnesiumoxyd, überzogen.

Die anhand der Figuren 1 und 2 beschriebene Röhre erfüllt die vorstehend unter a und b angeführten Bedingungen vollkommen.

Es soll nunmehr gezeigt werden, daß mit diesen Bedingungen im Gegensatz zum Fall der spiralförmigen und der koaxialen Röhre auf einfache Weise die Anpassung der Impedanz erreicht werden kann.

Die Berechnung der Impedanz kann erfolgen, indem die Beziehung R=l*w verwendet wird.

Von den einzelnen Symbolen bezeichnet 1 die Länge des elektrischen Bogens, L die Längsabmessung der Röhre,

D den mittleren Durchmesser der Röhre, d die Dicke des Plasmas,

η die Anzahl der Windungen und

T den spezifischen Widerstand des Plasmas.

Für die spiralförmige Blitzröhre (Figur 5)ergibt sich! R »TI 1 = n^D S = *"d²

COS »ü

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2y d cosflk/ d cos

d cos

Für die koaxiale Blitzröhre (Figur 4) gilt:

I=L S »'ϊ (D + d)² - (D - d)² »OtDd R »T L

Für den neuartigen Aufbau (Figur 5) erhält man

1 - n^XD S = I₁ χ d I₁ * L cos Gk ' n+T

L cos

Zur Definition der Abmessungen werden folgende Verhältnisse vorgegeben:

L = oD d ⁼ D L ^a 3o d η ■

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Unter diesen Bedingungen erhält man für das Verhältnis des Widerstandes der spiralförmigen Quelle zum Widerstand der koaxialen Quelle folgenden Ausdruck:

d2cos* = %iü² fl"d » 4x18xf L TT^ZZIZ cos a/ ^COSIV

Da cosw/ /O^ 1 ist erhält man schließlich für R- // 225,

daraus folgt, daß diese zwei Arten von quellen hinsichtlich ihrer Impedanz sehr unterschiedlich sind und an den beiden Enden der Skala liegen, wobei die Impedanz der einen (koaxial) zu gering und der anderen (spiralförmig) zu hoch ist.

Zahlenbeispiel:

Es wird L = 500 mm D = 50 mm und d = 8 mm gewählt, womit ein Laserstab von 250 mm Länge und 32 mm Durchmesser gepumpt werden kann, und es wird für T = 2,8 · 10 Q/cm angenommen, was einer Stromdichte J von 2500 A/cm entspricht. Als Wert für R_TI . , damit erhalten:

^RH " ^r^nP = 2,8 * 1O~² χ 4-x 18 χ 5 = 15,7 Π d² cos * «

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Für R ergibt sich:

_L_ =■ 2,8 . ΙΟ"²

Im Fall der Quelle nach dem neuartigen Aufbau erhält man mit L = 300 mm, einer Schrittweite von 32 mm (d.h. einem Nutzwert von 30 ram pro Windung), und η » 8 Windungen unter gleichen Bedingungen für den Widerstand folgenden Wert:

T * 2,8--iO~²iI cm 1 = n^D tg */ - £0 T « 1?°75

COS tu <

damit erhält man für

^{1 β} 8 χ 3.14 χ 5 = 132,5 cm S » d χ L·, - 0,8 χ 3 » 2,4- cm² §4

damit ergibt sich der Widerstand zu

R_M„ = 2,8 ΊΟ"² χ 132,5 = 1,55 Λ

2,4

Dieser Widerstandswert liegt sehr nahe an dem der kritischen Dämpfung bei einer Entladung entsprechenden Wert, wenn für L und G übliche Werte verwendet werden. Wird beispielsweise

ver
L = 250/uH und C =» 400,u F/wendet, so beträgt die kritische

Impedanz 0,8IX, d.h. die Hälfte des für RH erhaltenen Wertes.

Dieser Widerstand RH ist ausreichend hoch, um zu gewährIeist«n,

daß die gesamte von dem E
die Eöhre abgeführt wird.

oo daß die gesamte von dem Entladekreis LC abgegeben· Bnergi· in

Claims

Patentansprüche

( 1.;Blitzröhre mit einer spiralförmigen Leitung, die in Richtung des Radius durch zwei ununterbrochene zylindrische Flächen begrenzt ist und deren Windungen durch eine mit den zwei zylindrischen flächen zusammentreffende spiralförmige Wand begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der zwei aufeinanderfolgende Windungen begrenzenden Wand und die Dicke der spiralförmigen Leitung in Radialrichtung wesentlich geringer als die Abmessung der Leitung parallel zur Achse der zylindrischen Flächen ist.

2. Blitzröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wand aus einem Teil aus lichtdurchlässigem Material mit rechteckigem Querschnitt besteht, das spiralförmig um einen Mittelkern gewickelt und auf seiner ganzen Länge an die Außenfläche dieses Mittelkernes und an die Innenfläche einer Außenhülse geschweißt ist.

5. Blitzröhre nach Anspruch.1, dadurch gekennzeichnet , daß sie an beiden Enden durch zwei ringförmige Querplatten verschlossen ist, die an die Außenhülse und an den Innenkern geschweißt sind, wobei die elektrischen Verbindungen der Röhre durch diese Ringe parallel zur gemeinsamen Achse von Kern und Hülse geführt sind.

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4. Blitzröhre nach Anspruch '", dadurch gekennzeichnet , daß die Außenfläche der Außenhülse :ait einer Schicht aus streuendem Material, wie Magnesiumoxyd, bedeckt ist.

5· Blitzröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die spiralförmige Leitung einen rechteckigen querschnitt aufweist, dessen längere Seite parallel zur gemeinsamen Achse der zylindrischen Flächen und wenigstens dreimal so groß wie die kleinere Seite ist.

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