DD240101A1

DD240101A1 - TRANSVERSAL ATTACHED PULSE GAS LASER

Info

Publication number: DD240101A1
Application number: DD27757985A
Authority: DD
Inventors: Matthias Scholz
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1985-06-20
Filing date: 1985-06-20
Publication date: 1986-10-15
Also published as: GB8614985D0; DE3619354A1; GB2177846A; GB2177846B

Abstract

Ein Impulsgaslaser nach der Erfindung ist anwendbar als Anregungslichtquelle in der zeitaufgeloesten Fluoreszenzspektroskopie sowie fuer intensitaetsabhaengige Absorptions- und Fluoreszenzuntersuchungen, als Pumplichtquelle fuer Farbstofflaser, als Werkzeug in der Material- und Mikromaterialbearbeitung sowie als Impulslichtquelle zur Testung elektronischer Elemente und Baugruppen. Ziel und Aufgabe bestehen darin, mit geringem baulichem Aufwand einen TE-Impulsgaslaser mit hohem Wirkungsgrad zu realisieren, der Laserimpulse grosser Energie mit geringer Impulshalbwertsbreite und geringer Strahldivergenz erzeugt. Es wird eine mehrere Elektrodenpaare aufweisende Laseranordnung vorgeschlagen, bei der erfindungsgemaess alle Elektrodenpaare eine gemeinsame ueber die Laenge des Laserkanals durchgehend sich erstreckende ortsfeste Elektrode besitzen, der mindestens zwei transversal verstellbare Gegenelektroden zugeordnet sind. Durch Justierung der Abstaende der Gegenelektroden zur durchgehenden Elektrode kann der Zeitpunkt der Emission bezueglich der Triggerung zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren variiert werden. Hierdurch ist es moeglich, einzelne Elektrodenpaare so einzustellen, dass sie wahlweise als Sender, Verstaerker oder Absorber arbeiten. Fig. 1A pulsed gas laser according to the invention can be used as an excitation light source in time-resolved fluorescence spectroscopy as well as for intensity-dependent absorption and fluorescence studies, as a pump light source for dye lasers, as a tool in material and micro material processing and as a pulsed light source for testing electronic elements and assemblies. Goal and task are to realize a TE-pulse gas laser with high efficiency, which generates large-energy laser pulses with low pulse width half-width and low beam divergence with low structural complexity. A laser arrangement having a plurality of electrode pairs is proposed, in which, according to the invention, all electrode pairs have a common stationary electrode extending over the length of the laser channel, which is assigned at least two transversely adjustable counterelectrodes. By adjusting the distances of the counter electrodes to the continuous electrode, the time of emission with respect to the triggering between the individual electrode pairs can be varied. This makes it possible to set individual electrode pairs so that they work either as a transmitter, amplifier or absorber. Fig. 1

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen transversal angeregten Impulsgaslaser, insbesondere TEA-Stickstofflaser. Derartige Laser besitzen ein sehr breites Anwendungsgebiet. Sie werden eingesetzt als Anregungslichtquelle in der zeitaufgelösten Fluoreszenzspektroskopie des Nano- und Subnanosekundenbereiches sowie für intensitätsabhängige Absorptions- und Fluoreszenzuntersuchungen, als Pumplichtquelle für Farbstofflaser, als Werkzeug in der Material- und Mikromaterialbearbeitung sowie als Impulslichtquelle zur Testung elektronischer Elemente und Baugruppen.The invention relates to a transversely excited pulse gas laser, in particular TEA nitrogen laser. Such lasers have a very broad field of application. They are used as an excitation light source in time-resolved fluorescence spectroscopy of the nano- and subnanosecond range as well as for intensity-dependent absorption and fluorescence investigations, as a pump light source for dye lasers, as a tool in material and micro material processing and as a pulsed light source for testing electronic elements and assemblies.

Characteristic of the known technical solutions

Transversal angeregte Impulsgaslaser, insbesondere TEA-Stickstofflaser, sind seit Mitte der 70er Jahre bekannt. Der Laserkanal derartiger Laser besteht zumeist aus zwei sich parallel gegenüberstehenden Elektroden mit Baulängen von etwa 1 cm [V. Hasson and H. M. von Bergmann, Ultraminiatur high-power gas discharge lasers. Rev. Sei. Instrum., 50 (1) Jan. 1979, S. 59-63] bis einigen 10 cm (H. M. von Bergmann, V. Hasson and D. Preussler, Pulsed corona excitation of high-power UV nitrogen lasers at pressures of 0-3 bar, Applied Physics Letters, Vol. 37, No. 10, 15. Nov. 1975, S. 553-555). Kurze Baulängen sind technisch relativ leicht zu realisieren, haben aber eine verhältnismäßig hohe Strahldivergenz zur Folge. Solche Laser sind deshalb als Pumplichtquelle und für die Mikro-Materialbearbeitung ungeeignet. Bekannt sind auch Anordnungen mit zueinander leicht geneigten Elektroden. Diese Maßnahme soll die Laserabstrahlung zugunsten einer Richtung verbessern und die zeitliche Impuishalbwertsbreite verringern [Gary W. Scott, Stanley Gao-Zhi Shen and A. J. Cox, Tunable subnanosecond pulses from short cavity dye laser systems pumped with a nitrogen-TEA laser, Rev. Sei. Instrum., 35 (3) March 1984, S. 358-364]. Hierdurch ergeben sich jedoch bezüglich der Entladung im Laserkänal Vorzugspunkte. Dies wirkt sich negativ auf die Stabilität der Entladung und somit der Laserstrahlung sowie auf die Betriebslebensdauer der Elektroden aus.Transversely excited pulsed gas lasers, in particular TEA nitrogen lasers, have been known since the mid-1970s. The laser channel of such lasers usually consists of two parallel electrodes with lengths of about 1 cm [V. Hasson and H.M. von Bergmann, Ultraminiature high-power gas discharge lasers. Rev. Sei. Instrum., 50 (1) Jan. 1979, pp. 59-63] to a few 10 cm (HM von Bergmann, V. Hasson and D. Preussler, Pulsed corona excitation of high-power UV nitrogen lasers at pressures of 0-3 Bar, Applied Physics Letters, Vol. 37, No. 10, Nov. 15, 1975, pp. 553-555). Short lengths are technically relatively easy to implement, but have a relatively high beam divergence result. Such lasers are therefore unsuitable as a pumping light source and for micro-material processing. Also known arrangements with slightly inclined electrodes. This measure is intended to improve one-directional laser radiation and reduce the pulse width half-time [Gary W. Scott, Stanley Gao-Zhi Shen and A. J. Cox, Tunable subnanosecond pulses from short cavity dye laser system pumped with a nitrogen TEA laser, Rev. Sei. Instrum., 35 (3) March 1984, pp. 358-364]. However, this results in respect of the discharge in Laserkänal Vorzugspunkte. This has a negative effect on the stability of the discharge and thus the laser radiation and on the service life of the electrodes.

Um die Impulsenergie der Laserstrahlung zu erhöhen und gleichzeitig die Strahldivergenz zu verringern, werden auch zwei- bzw. dreistufige Anordnungen verwendet. Zwischen den einzelnen Stufen, zumeist im Winkel von 90° bzw. 180° zueinander angeordnet, wird die Laserstrahlung mit Spiegeln umgelenkt und ihre Strahlgeometrie mit Linsen und Blenden verbessert. Hierdurch wird die Impulsenergie der Sendestufe vor Eintritt in den Verstärker deutlich verringert und somit der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung herabgesetzt. Die zeitliche Synchronisation zwischen den einzelnen Stufen erfolgt bei gemeinsamer Triggerung entweder über die Variierung des Elektrodenabstandes (Wei Edwin Wu, Studies of the nitrogen laser and nitrogen-pumped dye lasers, Dissertation 1980, University of Utah, USA, printed 1983 by University Microfilm International, Ann Arbor, Michigan, USA) oder bei konstanten Elektrodenabständen über unterschiedlichen Gasdruck in den Laserkanälen (K. Kagawa, M. Tani, N. Shibata, R. Ueno and M. Ueda, A high-power polarised coherent TE N₂ laser, J. Phys. E.: Sei. Instrum., VoI, 15, 1982, S. 1192-1197).In order to increase the pulse energy of the laser radiation and at the same time to reduce the beam divergence, two- or three-stage arrangements are also used. Between the individual stages, usually arranged at an angle of 90 ° or 180 ° to each other, the laser radiation is deflected with mirrors and their beam geometry improved with lenses and diaphragms. As a result, the pulse energy of the transmission stage before entering the amplifier is significantly reduced and thus reduces the efficiency of the overall arrangement. The temporal synchronization between the individual stages takes place by triggering either by varying the electrode spacing (Wei Edwin Wu, Studies of the nitrogen laser and nitrogen-pumped dye laser, Dissertation 1980, University of Utah, USA, printed 1983 by University Microfilm International, Ann Arbor, Michigan, USA) or at constant electrode spacings across different gas pressures in the laser channels (K. Kagawa, M. Tani, N. Shibata, R. Ueno and M. Ueda, A high power polarized coherent TE N ₂ laser, J Phys. E .: Sei. Instrum., VoI, 15, 1982, pp. 1192-1197).

Der Wirkungsgrad dieser baulich sehr aufwendigen Anordnungen liegt bei Verwendung von Stickstoff als aktives Medium zwischen 1 · 10~⁴ und 5 10"⁴, wobei bei größerem Wirkungsgrad auch die Strahldivergenz größer ist.The efficiency of these structurally very complicated arrangements is the use of nitrogen as the active medium between 1 x 10 ^-4 and 5 10 ^"4, wherein at greater efficiency, the beam divergence is larger.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, bei einem TE-Impulsgaslaser mit geringem baulichem Aufwand einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.The aim of the invention is to achieve a high efficiency in a TE pulse gas laser with little construction effort.

Darlegung des Wesens der Erfindung ·Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen TE-Impulsgaslaser zu schaffen, der Laserimpulse großer Energie mit geringer Impulshalbwertsbreite und geringer Strahldivergenz erzeugt. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Laseranordnung mit mehreren Elektrodenpaaren, bei der erfindungsgemäß alle Elektrodenpaare eine gemeinsame über die Länge des Laserkanals durchgehend sich erstreckende ortsfeste Elektrode besitzen, der mindestens zwei transversal verstellbare Gegenelektroden zugeordnet sind.The invention has for its object to provide a TE pulse gas laser that generates high-energy laser pulses with low pulse width half-width and low beam divergence. The object is achieved by a laser arrangement having a plurality of electrode pairs, in which, according to the invention, all pairs of electrodes have a common stationary electrode extending continuously over the length of the laser channel and associated with at least two transversely adjustable counterelectrodes.

Durch Justierung der Elektrodenabstände zur durchgehenden Elektrode kann der Zeitpunkt der Emission bezüglich der Triggerung zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren variiert werden.By adjusting the electrode distances to the continuous electrode, the timing of the emission can be varied with respect to the triggering between the individual electrode pairs.

Hierdurch ist es möglich, einzelne Elektrodenpaare so einzustellen, daß sie wahlweise als Sender, Verstärker oder Absorber arbeiten. Da hierbei die Funktionsstufen in einer Achse liegen, sind zusätzliche Umlenkelemente, wie Spiegel und Prisma, nicht erforderlich.This makes it possible to set individual pairs of electrodes so that they work either as a transmitter, amplifier or absorber. Since the function stages are located in one axis, additional deflection elements, such as mirrors and prisms, are not required.

Auch ist es möglich, ein Sendeelektrodenpaar zwischen zwei Verstärkerelektrodenpaaren so einzustellen, daß die Laserstrahlung in einem ersten Verstärker verstärkt wird und nach Reflexion über einen Spiegel ein zweites Mal den Kanal des Sendeelektrodenpaares durchläuft. Bei geeigneter Justierung wird hier die einfallende Laserstrahlung zeitlich zunehmend absorbiert und führt zu einer Impulsverkürzung. Der so veränderte Laserimpuls durchläuft dann den Kanal eines zweiten Verstärkers.It is also possible to set a pair of transmitting electrodes between two amplifier electrode pairs in such a way that the laser radiation is amplified in a first amplifier and, after reflection through a mirror, passes through the channel of the transmitting electrode pair a second time. With suitable adjustment, the incident laser radiation is increasingly absorbed in time and leads to a pulse shortening. The thus changed laser pulse then passes through the channel of a second amplifier.

Weiterhin ist es möglich, zwei Elektrodenpaare so einzustellen, daß sie zeitlich nacheinander als Sender arbeiten und anschließend einen gemeinsamen Verstärker durchlaufen. Hierdurch können zeitliche Impulsverbreiterungen erzielt werden.Furthermore, it is possible to set two pairs of electrodes so that they work in chronological succession as a transmitter and then go through a common amplifier. As a result, temporal pulse broadening can be achieved.

Auch ist es möglich, zwischen einem Sendeelektrodenpaar und einem Verstärkerelektrodenpaar als Elektrodenpaar so einzustellen, daß ein durchlaufender Laserimpuls zeitlich zunehmend absorbiert und in seinem Strahlquerschnitt eingeengt wird. Dies führt zu einer Impulsverkürzung und zu einer Verringerung der Strahldivergenz. Die einzelnen Einstellungen der Elektrodenpaare lassen sich besonders einfach dadurch realisieren, daß die durchgehende Elektrode fest angeordnet ist und die Gegenelektroden in ihrem Abstand zu derselben von außen, auch während des Betriebes, verstellbar sind. Hierdurch kann ein optimales Betreiben der Elektrodenpaare in ihrer mehrfachen Funktion erreicht werden.It is also possible to adjust between a pair of transmitting electrodes and an amplifier electrode pair as a pair of electrodes so that a continuous laser pulse is increasingly absorbed in time and concentrated in its beam cross-section. This leads to a pulse shortening and a reduction of the beam divergence. The individual settings of the electrode pairs can be realized particularly simply by the fact that the continuous electrode is fixed and the counter electrodes in their distance from the same from the outside, even during operation, are adjustable. In this way, an optimal operation of the electrode pairs can be achieved in their multiple function.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen Fig. 1: die schematische Darstellung des Laserkopfes eines TEA-Stickstofflasers nach der Erfindung, Fig. 2: den Schnitt A-A nach Fig. 1.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. 1 shows the schematic illustration of the laser head of a TEA nitrogen laser according to the invention, FIG. 2 shows the section A-A according to FIG. 1.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind auf einer Grundplatte 12 vier Bandleiterkondensatoren 8, 9,10 und 11 angeordnet. Der Kondensator enthält eine triggerbare Funkenkammer 1. Auf den Kondensatoren sind innenseitig zur Strahlungsachse 7 der Laserkanäle die Elektroden 3, 4, 5 und 6 angeordnet. Während die durchgehende Elektrode 3 fest fixiert ist, können die Gegenelektroden 4, 5 und 6 von außen über die Verstellelemente 13, 14 und 15 bezüglich ihres Abstandes zur Elektrode 3 justiert werden.As can be seen from FIG. 1, four ribbon conductor capacitors 8, 9, 10 and 11 are arranged on a base plate 12. The capacitor contains a triggerable spark chamber 1. On the inside of the capacitors to the radiation axis 7 of the laser channels, the electrodes 3, 4, 5 and 6 are arranged. While the continuous electrode 3 is firmly fixed, the counterelectrodes 4, 5 and 6 can be adjusted from the outside via the adjusting elements 13, 14 and 15 with respect to their distance from the electrode 3.

Die Kondensatoren, die untereinander induktiv entkoppelt sind, werden über ein Hochspannungsteil auf eine Betriebsspannung von 8,3 kV aufgeladen. Die Gesamtkapazität der Kondensatoren beträgt 8 nF. Die durchgehende Elektrode 3 besitzt eine Länge von 39 cm. Alle Elektroden bestehen auf einer Seite zum Laserkanal aus Wolfram und sind hier mit einem Radius von 2,5 mm versehen (Fig. 2). Die Abstände der.Gegenelektroden 4, 5 und 6 zur Elektrode 3 sind unterschiedlich und liegen im Bereich zwischen 1,2 mm und 1,5 mm. Zuerst wird die Elektrode 5 so eingestellt, daß am Ort des Reflexionsspiegels 2 eine maximale Energie auftritt. Anschließend wird die Elektrode 4 justiert. Sie wird so eingestellt, daß die Strahlung aus dem Kanal zwischen den Elektroden 5 und maximal verstärkt wird. Anschließend wird die Elektrode 6 auf eine maximale Verstärkung eingestellt. Mit einer solchen Anordnung wurden folgende Parameter der Ausgangsstrahlung erhalten:The capacitors, which are inductively decoupled from each other, are charged via a high-voltage section to an operating voltage of 8.3 kV. The total capacitance of the capacitors is 8 nF. The continuous electrode 3 has a length of 39 cm. All electrodes consist of tungsten on one side to the laser channel and are here provided with a radius of 2.5 mm (Fig. 2). The distances of the counterelectrodes 4, 5 and 6 to the electrode 3 are different and are in the range between 1.2 mm and 1.5 mm. First, the electrode 5 is adjusted so that maximum energy occurs at the location of the reflecting mirror 2. Subsequently, the electrode 4 is adjusted. It is adjusted so that the radiation is amplified from the channel between the electrodes 5 and maximum. Subsequently, the electrode 6 is set to a maximum gain. With such an arrangement, the following parameters of the output radiation were obtained:

Impulshalbwertsbreite: < 500 psPulse half width: <500 ps

Impulsenergie » 300 mJPulse energy »300 mJ

Impulsleistung = 600 kWPulse power = 600 kW

Ganzstrahldivergenz: 0,8 mrad x 2 mradFull-beam divergence: 0.8 mrad x 2 mrad

Wirkungsgrad: = 1,1 χ 10~³ Efficiency: = 1.1 χ 10 ~ ³

Wird bei der so justierten Anordnung der Abstand zwischen den Elektroden 5 und 3 vergrößert, so arbeitet das Elektrodenpaar 4, 3 als Sender und das Elektrodenpaar 5, 3 zeitlich verzögert ebenfalls als Sender.If, in the arrangement thus adjusted, the distance between the electrodes 5 and 3 is increased, then the pair of electrodes 4, 3 as transmitter and the pair of electrodes 5, 3 also operate with a time delay as transmitter.

Auf diese Weise wird die zeitliche Impulshalbwertsbreite auf etwa 900 ps erhöht bei nahezu konstanter Impulsenergie. Wird jedoch der Abstand der ursprünglich justierten Anordnung zwischen den Elektroden 5 und 3 weiter verringert, so arbeitet das Elektrodenpaar 4, 3 als Sender und das Elektrodenpaar 5, 3 absorbiert zeitlich zunehmend. Auf diese Weise wird bei nahezu konstanter Impulsleistung eine Verringerung der Strahldivergenz erreicht.In this way, the temporal pulse width half width is increased to about 900 ps with nearly constant pulse energy. However, if the distance of the originally adjusted arrangement between the electrodes 5 and 3 is further reduced, then the electrode pair 4, 3 operates as a transmitter and the electrode pair 5, 3 increasingly absorbs in time. In this way, a reduction of the beam divergence is achieved with almost constant pulse power.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Impulsgaslaser weist gegenüber vergleichbaren bekannten Lösungen wesentliche Vorteile auf.An inventively designed pulse gas laser has significant advantages over comparable known solutions.

Die Anordnung der Elektrodenpaare mit kurzen Abständen zueinander bei gemeinsamer gestreckter Strahlungsachse erübrigt sowohl optische Umlenkelemente zwischen den Funktionsstufen als auch strahlschwächende zusätzliche Elemente im Laserkanal. Die hier vorgeschlagene Konfiguration des Laserkopfes mit extrem kurzer Bauform vermeidet weitgehend Strahlungsverluste, woraus ein hoher Wirkungsgrad resultiert. Das System arbeitet äußerst stabil und hat eine hohe Lebensdauer. Der einfache Aufbau wirkt sich günstig auf Materialeinsatz und Herstellungstechnologie und damit auf die Kosten aus. Mit einem transversal angeregten Impulsgaslaser nach der Erfindung lassen sich Laserimpulse großer Energie mit geringer Impulshalbwertsbreite und geringer Strahldivergenz erzeugen, wodurch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten gegeben sind.The arrangement of the pairs of electrodes with short distances from each other with a common elongated radiation axis eliminates both optical deflecting elements between the functional stages and also beam-weakening additional elements in the laser channel. The here proposed configuration of the laser head with extremely short design largely avoids radiation losses, resulting in a high efficiency. The system is extremely stable and has a long service life. The simple design has a favorable effect on material usage and manufacturing technology and thus on the costs. With a transversely excited pulsed gas laser according to the invention, laser pulses of high energy can be generated with low pulse width half width and low beam divergence, whereby a variety of applications are possible.

Claims

Invention claim:

1. transversely excited pulse gas laser, in particular TEA nitrogen laser, with a plurality of electrode pairs, characterized in that all the electrode pairs have a common over the length of the laser channel continuously extending stationary electrode, which are associated with at least two transversely adjustable counter electrodes.

2. pulse gas laser according to item 1, characterized in that of the counter electrodes at least one works as a transmitting electrode and at least one as an amplifier electrode.

3. pulsed gas laser according to item 1 and 2, characterized in that the continuous electrode are associated with three counter electrodes, of which the middle work as a transmitting electrode and the two adjacent amplifier electrodes, wherein the transmitting electrode also serves as an absorber electrode for the amplified and reflected laser beam.

4. pulse gas laser according to item 1 and 2, characterized in that two adjacent counter electrodes operate sequentially as transmitting electrodes and at least one further counter electrode works as an amplifier electrode.

-5. Pulse gas laser according to point fund 2, characterized in that the continuous electrode are associated with at least three counter electrodes, one of which operates as an absorber electrode.

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