DE1564977A1 - Steuervorrichtung fuer Gaslaser - Google Patents

Description

United Aircraft Cprporation, UOO Main Street, East Hartford,

Connecticut, U.S.A. betreffend

Steuervorrichtung für Gaslaser

Priorität: 16, Juli 1965 - U.S.A.

Die Erfindung bezieht sich auf Gaslaser und betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vergrößern und Steuern der Liohtausseridung eines Gaslasers durch Anwendung eines
quergerichteten magnetischen Feldes bei dem Laser.

Gaslaser weisen manche Vorteile gegenüber anderen Laserarten auf. Die Lichtaussendung bei einem Gaslaser weist ein hohes Maß an räumlicher und zeitlicher Kohärenz auf, und bei richtiger Be messung kann die Langzeit-Frequenzstabilität sehr groß gehalten werden. Der Gaslaser laßt sich auch kontinuierlich betreiben,

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ohne daß übermäßig große Kühlejnrichtuugen verwendet werden müssen. Die Lichtausgangsleistumj tines Gaslasers bei kontinuierlichem Betrieb ist jedoch auf Milliwatt begrenzt. Um die mit dem Gaslaser verbundenen Vorteile voll ausnutzen zu können, ist es wünschenswert, eine höhere Ausgangsleistung zu erzielen.

Es wurde festgestellt, daß ein quergerichtetes Magnetfeld, das an einen Gleichspannungsentladungs-Gaslaser angelegt wird, die Elektronentemperatur und damit den Wirkungsgrad der Anregung des oberen Laserniveaus erhöht, so daß auch die Lichtleistung bei einer gegebenen Größe des Gaslasers zunimmt. Durch Verändern des quergerichteten Magnetfeldes läßt sich auch die Intensität des ausgesandten Lichtes unabhängig von der Gleichspannungserregung steuern, so daß dadurch das ausgesandte Licht moduliert werden kann. Die gleichzeitige Verwendung eines axialen und eines transversalen Magnetfeldes ergibt eine "push-pull"-Modulationsart, die eine Lichfcintensit-Ttsmodulation darstellt, welche weniger Leistung erfordert als bei Verwendung eines axialen oder transversalen Magnatfelda.j fiiir sich allein, da die gleiche Hodulationstiefe sich dadurch erweichen läßt, daß jedes der Felder nur halb so stark geändert wird wie bei Verwendung eines einzigen Magnetfeldes, wobei zu bedenken ist, daß die in den Erregorspulen verbrauchte Laist mg dem Quadrat der magnetischen Feldstärke proportional ist.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhöhen der Lichtausgangsleistung und zum Modulieren des Lichtes eines Gaslasers zu schaffen.

Die Erfindung macht Gebrauch von einer push-pull-Modulation eines Gaslasers unter Verwendung eines transversalen Magnetfeldes zum Steuern desselben.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.

Figur 1 zeigt einen üblichen Gleichspannungsgaslaser mit einem angelegten transversalen Magnetfeld;

Figur 2 zeigt eine Stirnansicht des Gaslasers von Figur 1;

Figur 3 zeigt die Schaltung des Gaslasers unter Verwendung der push-pull-Modulationsvorrichtung.

Ein wesentlicher Nachteil des Gaslasers ist seine geringe Ausgangsleistung. Um bei der Entladung eine möglichst grofte optische Ausbeute zu erzielen, ist es wünschenswert, monoenergetische Elektronen zur Verfugung zu haben, deren Energie so groß ist, daß sie vorzugsweise das obere Laserniveau anregen. In der positiven Säule des gleichspannungserregten Lasers ist jedoch die Energie der Elektronen weit gestreut. Die mittlere Energie ist

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wesentlich niedriger als die gewünschte Energie der Elektronen. Eine Erhöhung der Besetzung mit einer entsprechenden Erhöhung der Lichtausgangsleistung tritt ein, wenn die mittlere Energie der Elektronen erhöht wird, da dies den Prozentsatz der Elektronen mit dem gewünschten Energieniveau erhöht.

In einer positiven Entladungssäule ist die Elektronentemperatur im wesentlichen durch das Produkt PD bestimmt, worin P der Gasdruck und D der Durchmesser des Laserrohres ist. Die Elektronentemperatur T ist umgekehrt proportional zu dem Produkt PD, so daß ein kleiner Wert dieses Produktes erforderlich ist, um eine hohe Elektronentemperatur zu erreichen. Jedoch ist ein hoher Gasdruck P vorteilhaft, um eine hohe Dichte der in den Laser angeregten Atome zu ergeben. Um trotzdem einen kleinen Wert des Produktes PD bei hohem Druck zu erzielen, muß der Durchmesser D des Laserrohres klein sein. Hierfür ergibt sich jedoch eine untere Grenze, die durch die Brechungsverluste in dem Laser bedingt ist. Diese Zusammenhänge zwischen Gasdruck und Durchmesser des Laserrohres bestimmen einen optimalen Wert des Produktes PD für eine maximale Lichtausgangeleistung bei einem gegebenen Lasermaterial.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, dig Elektronentemperatur eines Gaslasers von gegebenem Durchmesser und gegebene« Betriebsdruck zu erhöhen oder anders herum ausgedrückt dieselbte Temperatur bei einem höheren Gasdruck zu erzielen, indem ein transversales Magnetfeld an den Gleichspannungsentladungs-Gaslaser angelegt wird. Figur 1 zeigt einen üblichen Gleichspannungsentla- dunge-Gaslaser mit einem langen, geschlossenen Glasrohr 10, das

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mit einem Gas gefüllt ist, etwa einer Helium-Neonraischung, mit Argon oder mit Krypton. Die Enden des Rohres 10 sind in dem Brewster'sehen Winkel abgeschrägt. Nahe den Enden des Glasrohres 10 sind reflektierende Spiegel 12, II angeordnet, wobei der eine Spiegel einen geringeren Reflexionsgrad aufweist ale der andere. Dem Gas wird aus einer Gleichstromquelle 16 über die Anode 18 und die Kathode 20 Energie zugeführt, um eine Glimmentladung in dem Gas zu erzeugen. Das Ergebnis ist eine ebene Welle als Ausgangssignal, welche durch den weniger reflektierenden Spiegel hindurchtritt. Die Betriebsweise dieser Laserart ist an sich bekannt und ist deshalb nicht im einzelnen beschrieben.

Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, ist an den £aser ein transversales Hagnetfeld angelegt mittels eines C-förmigen Eisen kernes 22, dessen Polstücke 24 und 26 an gegenüberliegenden Seiten des Laserrohres 10 liegen. An die Erregerspule 30 des Kernes 22 ist eine Gleichspannungsquelle angeschlossen, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld durchquert das gasgefüllte Rohr 10 längs den Linien B. Die Anode 18 ist in Figur 2 der Klarheit halber um 90° verdreht gezeichnet.

Die durch den Strom in dem Gas der Röhre 10 erzeugte Entladung bewirkt die Bildung eines Plasmas, in dem die Atome ionisiert und Elektronen frei sind.Das transversale Magnetfeld erhöht den Verlust von Elektronen an die Rohrw&ndung, wodurch sich eine Erhöhung des axialen elektrischen Feldes ergibt, um das Energiegleichgewicht in der Entladung aufrechtzuerhalten. Diese Erhöhung

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des axialen elektrischen Feldes und das dementsprechend erhöhte Verhältnis von elektrischer Feldstärke zu Gasdruck ergibt eine höhere Elektronentemperatur. Dabei ist keine Verringerung des Gasdruckes erforderlich. Bei höherem Druck ergibt sich ein· gleich· Elektronentemperatur, so daß die Ausgangsleistung steigt. Es wurde festgestellt, daß der Leistungszuwachs bis zu 100 % betrug.

Das transversale Magnetfeld ermöglicht eine unabhängige Steuerung der Lichtaussendung in einem Gleichspannungsentladungs-Gaslaser. Durch Modulieren der magnetischen Feldstärke läßt sich dl« Lichtaussendung beeinflussen. Hierfür kann jedes an sich bekannt· Verfahren zum Verändern der magnetischen Feldstärke verwandet warden, etwa das Verändern der von der Spannungsqualle 2· abgegebenen Leistung. ■ .

Figur 3 zeigt eine neuartige Anordnung sua Modulieren des ausgesandten Lichtes. Bei dieser-Anordnung wird ein transversales Magnetfeld in Verbindung mit einem axialen Magnetfeld verwendet, um eine "push-pull"-Modulation zu erreichen* Es sind ein Paar Solenoide 32 und 3t nahe dem gefüllten Gasrohr 10 angeordnet, wobei eines diametral zu dem anderen quer zu dem Rohr 10 angeordnet ist, so daß ein transversales Magnetfeld durch die Röhre 10 beim Erregen der Solenoide 32 und 3H erzeugt wird. Ό» das Rohr 10 sind ferner eine Anzahl Windungen in Form einer axialen Spule 36 gelegt, wodurch ein axiales Magnetfeld durch die Röhre 10 beim Erregen der Spule 36 erzeugt wird. Die Solenoide 32 und 3U sind an den einen Ausgang eines push-pull-Treiberveretärkera 38

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angeschlossen, während die Spule 36 an den anderen Ausgang desselben angeschaltet ist. Die Spannungsquelle HO ist Ober einen Modulator U2 an den Treiberverstarker 38 angeschaltet und steuert diesen push-pullartig in Abhängigkeit von de» Modulationssignal. Die Herstellung des axialen Hagnetfeldea durch die Spule 36 verringert die Elektronentenperatur T. und verringert die Lichtausgangsleistung. Die Anwendung des transversalen Magnetfeldes durch die Solenoide 32 und 34 erhöht die Elektronentemperatur T und damit die Lichtausgangsleistung. Um dieselbe Modulationetiefe zu erreichen, brauchen das axiale sowie das transversale Magnetfeld lediglich halb so stark geändert xu werden wie bei Anwendung eines einzigen Magnetfeldes. Daraus ergibt sich der Vorteil, da» für eine gleiche Modulation weniger Energie erforderlich ist, da die Energiespeicherung und die ohnschen Energieverluste in den Solenoiden und der Spule proportional zu» Quadrat der magnetischen Feldstärke sind.

Im Betrieb wird durch das am Modulator 42 liegende Modulationssignal das Steuersignal des Treiberverstärkers 38 entsprechend verändert. Der Treiberverstärker 38 treibt abwechselnd die Soleniode 32 und 34 und die Spule 36 in Abhängigkeit von des Steuerparameter, so daß dadurch abwechselnd die Lichtausgangsleistung des Lasers erhöht und erniedrigt wird. Auf diese Weise wird die Intensität des Laserstrahles moduliert als,Funktion des Modulationseignais, indem die Feldstärken der magnetischen Felder geändert werden.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zum Erhöhen der Lichtausgangsleistung eines Gaslasere und zum Modulieren des Laserstrahles, unter Verwendung eineβ gasgefüllten Laserrohres, an dessen beiden Enden je ein reflektierender Spiegel angeordnet ist, wobei an eine Anode und eine Kathode des Laserrohres eine Gleichspannung zum Erzeugen einer Entladung in denselben anschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet , daft ein transversales Magnetfeld an das Laserrohr angelegt wird, um die Elektronentemperatur und damit den Wirkungsgrad der Anregung des oberen Laserniveaus zu erhöhen ,und daft das Nagnetfeld verändert wird, um die Intensität des Laserstrahls unabhängig von der Gleichstromerregung zu Andern.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daft axiale und transversale Magnetfelder gemeinsam verwendet werden, um eine "push-pull"-Modulation der Lichtintensität herbeizuführen .

   3. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromquelle über einen Modulator an einen push-pull-Treiber angeschaltet ist und diesen in Abhängigkeit von einem Modulationssignal steuert.

   H. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daft der push-pull-Treiber eine in Längsrichtung um das Laserro gelegt·

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   Spule speist, um ein axiales Magnetfeld lange des Laserrohres zu erzeugen, und daß zwei Solenoide in Querrichtung zum Rohr dianetral gegenüberliegend nahe diesem angebracht sind« um ein transversales Magnetfeld in dem Laserrohr su erzeugen.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und H₉ dadurch gekennzeichnet, daß der Treiberverstärker an die Solenoide sowie an die Spule angeschlossen ist, so daß sowohl die Intensität des axialen wie die des transversalen Magnetfeldes verändert wird.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung selektiv die Intensität des axialen und des transversalen Magnetfeldes ändert.

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