DE3926956A1

DE3926956A1 - Laser with coaxial pump system - has discharge plasma which does not fill the entire laser discharge space

Info

Publication number: DE3926956A1
Application number: DE19893926956
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Noll; Claus Ruediger Dr Haas; Rolf Dipl Phys Kohnemann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1989-08-14
Filing date: 1989-08-14
Publication date: 1991-02-21
Also published as: DE3926956C2

Abstract

The laser comprises a laser tube (2) which contains the laser medium and which is surrounded by a coaxially arranged outer tube (1) forming an annular intermediate gap (6) at whose ends secondary electrodes (3,4) are disposed. The gap (6) contains a discharge medium in which a discharge plasma (14) can be produced, whose light emission optically pumps the laser medium. At least one secondary electrode (3) has annular points or ridge (8) which is directed inside the outer tube (1) towards the other secondary electrode (4). The width of the intermediate gap (6) is considerably bigger than the thickness of the discharge plasma (14). USE/ADVANTAGE - Reduced erosion of glass walls of laser by plasma. Improved efficiency and beam quality.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser mit einem La serrohr, das das Lasermedium enthält, und das ein zweites koaxial angeordnetes Außenrohr unter Bildung eines ring förmigen Zwischenraums umgibt, an dessen Stirnseiten Zün delektroden angeordnet sind, und der ein Entladungsmedium enthält, in den ein Entladungsplasma erzeugbar ist, dessen Lichtemission das Lasermedium optisch pumpt.The invention relates to a laser with a La serrohr, which contains the laser medium, and the second coaxially arranged outer tube to form a ring shaped space surrounds, on the end faces of the fence are arranged, and the discharge medium contains, in which a discharge plasma can be generated, the Light emission optically pumps the laser medium.

Laser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 werden auch als Laser mit koaxialen Pumpsystem bezeichnet. Ko axiale Pumpsysteme werden zum optischen Pumpen von Fest körper-, Flüssigkeits- oder Gaslasern eingesetzt. Gegen über linearen Blitzlampen zeichnen sich koaxiale Systeme durch eine hohe Pumpeffizienz aus, da das Lasermedium allseitig von der Pumpquelle bestrahlt wird. Mit koaxialen Blitzlampensystemen können kurze Pulsanstiegszeiten reali siert werden, die den Wirkungsgrad einiger Lasermedien deutlich verbessern. Koaxiale Blitzlampen eignen sich für Laser mit denen gepulste Laserstrahlung hoher Pulsenergie aber geringer Pulsrate erzeugt werden soll.Lasers according to the preamble of claim 1 also referred to as a laser with a coaxial pump system. Knockout axial pump systems are used for the optical pumping of fest body, liquid or gas lasers are used. Against Coaxial systems stand out above linear flash lamps characterized by a high pump efficiency, since the laser medium is irradiated on all sides by the pump source. With coaxial Flash lamp systems can realize short pulse rise times be based on the efficiency of some laser media improve significantly. Coaxial flash lamps are suitable for Lasers with which pulsed laser radiation with high pulse energy but low pulse rate should be generated.

Bei einem typischen Aufbau koaxialer Pumpsysteme, wie sie beispielsweise für Farbstofflaser vorgeschlagen worden sind, wird durch zwei koaxial angeordnete Glasrohre ein ringförmiger Spalt mit einer Breite von typischerweise 0,5 -10 mm gebildet. Die Länge der Rohre liegt im Bereich von ca. 3-30 cm. Der Ringspalt ist am Ende der Glasrohre durch zwei ringförmige Elektroden abgeschlossen. Das abge schlossene Volumen wird evakuiert und mit einem Edelgas, z.B. Xenon im Druckbereich von 30-300 mbar gefüllt. Das äußere Glasrohr ist von einem möglich dicht an der Glas oberfläche geführten Rückleiter umschlossen, um die Induk tivität des Systems klein zu halten. An die Ringelektroden wird eine Kondensatorbank geschaltet, die sich impulsartig über die Koaxiallampe entlädt. Im Ringspalt zwischen den Rohren wird das Xenon durch die Entladung zu intensiver Lichtemission angeregt. Im Bereich der Symmetrieachse der Rohranordnung befindet sich das Lasermedium, das durch die Blitzlampe optisch gepumpt wird.With a typical construction of coaxial pumping systems like the one below for example for dye lasers have been proposed are through two coaxially arranged glass tubes annular gap with a width of typically 0.5 -10 mm formed. The length of the pipes is in the range of approx. 3-30 cm. The annular gap is at the end of the glass tubes completed by two annular electrodes. The deal closed volume is evacuated and with an inert gas, e.g. Xenon filled in the pressure range of 30-300 mbar. The outer glass tube is possible from one close to the glass surface-guided return conductor enclosed to the induc system activity. To the ring electrodes a capacitor bank is switched, which is pulsed discharged via the coaxial lamp. In the annular gap between the The xenon becomes too intense due to the discharge Light emission stimulated. In the area of the axis of symmetry Pipe arrangement is the laser medium through which Flash lamp is pumped optically.

Die Koaxiallampen werden so ausgeführt, daß das Entladungs plasma den Ringspalt vollständig ausfüllt. Die Breite des Ringspalts bestimmt die Stromdichte und damit die Lei stungsdichte, die in die Entladung eingekoppelt wird. The coaxial lamps are designed so that the discharge plasma completely fills the annular gap. The width of the Annular gaps determine the current density and thus the lei density, which is coupled into the discharge.

Die vorstehend beschriebenen herkömmlichen koaxialen Pump systeme für Laser weisen eine Reihe von Nachteilen auf: Die Glaswände der Koaxiallampen werden duch das Entla dungsplasma stark belastet, da das Plasma den Ringspalt vollständig ausfüllt. Die Glaswände werden bein Blitzlam penbetrieb verstärkt erodiert, wodurch die Lebensdauer der Lampe herabgesetzt wird.The conventional coaxial pump described above systems for lasers have a number of disadvantages: The glass walls of the coaxial lamps are dungsplasma heavily burdened, because the plasma the annular gap completely filled out. The glass walls become Blitzlam pen operation increasingly eroded, which increases the life of the Lamp is lowered.

Bei herkömmlichen Koaxiallampen wird eine bei der Zündung entstehende Schockwelle innerhalb kurzer Zeit auf das innere Glasrohr übertragen. Schließt sich innerhalb des inneren Glasrohrs das Lasermedium an, so läuft die Schock welle ins Lasermedium. Hierdurch entstehen Dichtegradien ten, die zu einer Erhöhung der Verluste im Lasermedium führen. Die optischen Eigenschaften des Lasermediums wer den durch die Schockwellen räumlich und zeitlich inhomogen beeinflußt, so daß die Effizienz und die Strahlqualität des Lasers herabgesetzt werden.With conventional coaxial lamps, one is used for ignition resulting shock wave on the within a short time inner glass tube transferred. Closes within the on the inner glass tube, the shock runs wave into the laser medium. This creates density levels that lead to an increase in losses in the laser medium to lead. The optical properties of the laser medium which is spatially and temporally inhomogeneous due to the shock waves influenced, so that the efficiency and the beam quality of the laser can be reduced.

Zur Lösung des vorstehend beschriebenen Problems werden beispielsweise Anordnungen mit zusätzlichen koaxialen Rohren oder mit einer Reihe von Scheibenelektroden (Ap plied Optics, Vol. 19, S.3343 ff. verwendet. Die zusätzli chen Ringspalte dienen u.a. der Entkoppelung des Laserme diums von der im Entladungsspalt erzeugten Schockwelle. Derartige Anordnungen erfordern jedoch naturgemäß einen entsprechend höheren technischen Aufwand.To solve the problem described above for example arrangements with additional coaxial Tubes or with a series of disc electrodes (Ap plied Optics, vol. 19, p.3343 ff. The additional Chen annular gaps serve among other things the decoupling of the laser diums from the shock wave generated in the discharge gap. However, such arrangements naturally require one correspondingly higher technical effort.

Ferner ist die Abnutzung der Koaxialblitzlampen umso grö ßer, je höher die Stromdichte ist. Bei Werten von mehr als 7.5 kA/cm² erodieren die Quarzglaswände und Elektroden besonders stark, da sie sich in unmittelbarer Nachbar schaft zum stromführenden Kanal befinden. Desweiteren ist die maximal mögliche Eingangsenergie der Blitzlampen bei einer Entladezeit von 1 ms auf ca. 500 J/cm begrenzt (Ap plied Optics, Vol. 19, S.3343 ff). Diese Streckenenergie wird noch geringer bei kürzeren Entladezeiten. Bein Über schreiten der maximal zulässigen Streckenenergie explo diert die Lampe.Furthermore, the higher the current density, the greater the wear of the coaxial flash lamps. At values of more than 7.5 kA / cm ^2, the quartz glass walls and electrodes erode particularly strongly because they are in the immediate vicinity of the current-carrying channel. Furthermore, the maximum possible input energy of the flash lamps with a discharge time of 1 ms is limited to approx. 500 J / cm (Applied Optics, Vol. 19, p.3343 ff). This distance energy is even lower with shorter discharge times. The lamp will explode if the maximum permissible track energy is exceeded.

Untersuchungen des Zündverhaltens von herkömmlichen Ko axiallampen zeigen, daß die Zündung asymmetrisch über einen lokalisierten Streamerkanal erfolgt. Erst im wei teren Verlauf der Entladung wird der Ringspalt vom Entla dungsplasma vollständig ausgefüllt. Die Asymmetrien bei der Zündung führen zu hohen lokalen Wandbelastungen, die die Lebensdauer der Blitzlampe herabsetzen. Darüberhinaus wird das Lasermedium nicht symmetrisch gepumpt, so daß die Effizienz der Pumpanordnung und die Qualität des Laser strahls herabgesetzt werden.Investigations of the ignition behavior of conventional Ko Axial lamps show that the ignition is asymmetrical a localized streamer channel takes place. Only in the white tere course of the discharge, the annular gap from the discharge dungsplasma completely filled. The asymmetries at the ignition lead to high local wall loads that reduce the life of the flash lamp. Furthermore the laser medium is not pumped symmetrically, so that the Efficiency of the pump arrangement and the quality of the laser be reduced.

Schon geringfügige Exzentritäten zwischen dem äußeren und dem inneren Glasrohr führen zu großen relativen Ände rungen der Spaltbreite über dem Umfang. Die Folge sind asymmetrische Zündbedingungen und Wandbelastungen, welche die Lebensdauer der Lampe stark herabsetzen.Even slight eccentricities between the outer and the inner glass tube lead to large relative changes gap width over the circumference. The result is asymmetrical ignition conditions and wall loads, which greatly reduce the life of the lamp.

Neben Koaxiallampen werden auch hypozykloidale Pinchanord nungen zum Pumpen von Lasern eingesetzt (J. Appl. Phys. 54, S. 6199-6212). Die Nachteile derartiger Anordnungen sind: Im Entladungsraum befinden sich Elektroden, die die Plas maemission teilweise abschatten, so daß die Pumpeffizienz herabgesetzt wird. Desweiteren ist die axiale Lichtvertei lung inhomogen entsprechend der modularen Struktur der Pinchanordnung sowie der nichtzylindrischen Pinchgeometrie. In addition to coaxial lamps, hypocycloidal pinchords are also used used for pumping lasers (J. Appl. Phys. 54, Pp. 6199-6212). The disadvantages of such arrangements are: There are electrodes in the discharge space that hold the plas Partially shade the emission so that the pumping efficiency is reduced. Furthermore, the axial light distribution inhomogeneous according to the modular structure of the Pinch arrangement and the non-cylindrical pinch geometry.

Die Lichtemission der Pinche erfolgt nicht gleichmäßig über den Umfang, sondern es treten einzelne Filamente auf. Das Lasermedium wird damit inhomogen gepumpt.The light emission from the pinche is not uniform about the scope, but there are individual filaments. The laser medium is thus pumped inhomogeneously.

Es ist nicht möglich Lichtreflektoren anzubringen, um die Pumpeffizienz zu erhöhen.It is not possible to attach light reflectors to to increase pump efficiency.

Die Anlagen werden so abgestimmt, daß zum Pinchzeitpunkt das Strommaxium auftritt. Dadurch wird das zentrale Glas rohr, das das Lasermedium enthält, stark belastet.The systems are tuned so that at the time of pinching the current max occurs. This will make the central glass tube containing the laser medium is heavily loaded.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pumpsystem für Laser anzugeben, das bei geringem technischem Aufwand hohe Pumpenergien ermöglicht, ohne daß eine nicht tole rierbare Abnutzung des Lasers auftritt.The invention has for its object a pump system to specify for lasers, with little technical effort high pump energies enabled without a not tole erable wear of the laser occurs.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patent anspruch 1 angegeben.An inventive solution to this problem is in the patent Claim 1 specified.

Erfindungsgemäß weist wenigstens eine Zündelektrode im Bereich des zweiten Rohrs eine ringförmige Spitze bzw. Schneide auf, die auf die zweite Zündelektrode gerichtet ist, und daß die Breite des ringförmigen Zwischenraums wesentlich größer ist als die Dicke des erzeugten Entla dungsplasmas.According to the invention, at least one ignition electrode in the Area of the second tube an annular tip or Cut open on the second ignition electrode and that the width of the annular space is much greater than the thickness of the discharge produced plasmas.

Aufgrund dieser Spitze bzw. Schneide entsteht nach dem Schließen des Schalters einer in bekannter Weise ausgebil deten Kondensatorbank, d.h. bei Beginn der Entladung eine rotationssymetrische Gleitentladung an der Innenseite des zweiten Rohrs. Mit zunehmenden Entladungsstron entsteht in Wandnähe ein Plasmahohlzylinder, der aufgrund magnetischer Kräfte von der Wand des zweiten Rohrs abgehoben wird. Der Plasmazylinder bewegt sich in Richtung Symmetrieachse bis er das Laserrohr erreicht. Während der Bewegung in Rich tung auf das Laserrohr emittiert die Plasmaschicht inte nsive Linien- und Kontinuumstrahlung, die zum Pumpen des Lasermediums, das sich innerhalb des Laserrohres befindet, eingesetzt werden kann.Because of this tip or cutting edge, after the Close the switch in a known manner the capacitor bank, i.e. at the start of the discharge one rotationally symmetrical sliding discharge on the inside of the second tube. With increasing discharge current arises in A plasma hollow cylinder near the wall, which is due to magnetic Forces are lifted from the wall of the second tube. The Plasma cylinder moves in the direction of the axis of symmetry he reached the laser tube. During the move in Rich The plasma layer emits light onto the laser tube nsive line and continuum radiation used to pump the Laser medium, which is located inside the laser tube, can be used.

Dabei ist das Verhältnis der Rohrdurchmesser des Laser rohrs und des zweiten koaxial angeordneten Rohrs so bemes sen, daß die induktive Impedanz eines Plasmahohlzylinders an der Innenwand des zweiten Rohrs deutlich geringer ist als die eines Plasmahohlzylinders an der Außenwand des Laserrohres. Die Zündbedingungen sind daher an der In nenwand des zweiten Rohres günstiger als an der Außenwand des Laserrohres.The ratio is the tube diameter of the laser tube and the second coaxially arranged tube so dimensioned sen that the inductive impedance of a plasma hollow cylinder on the inner wall of the second tube is significantly lower than that of a plasma hollow cylinder on the outer wall of the Laser tube. The ignition conditions are therefore at the In nenwand of the second tube cheaper than on the outer wall of the laser tube.

Der erfindungsgemäße Laser hat damit eine Reihe von Vor teilen: Da der Abstand zwischen den Laserrrohr und dem zweiten Rohr wesentlich größer als die Dicke der Plasmaschicht ist - bei einer bevorzugten Ausführung ist der Abstand wenig stens fünfmal so groß wie die Dicke der Entladungsschicht (Anspruch 5) - , füllt das gezündete Plasma den Zwischen raum in Gegensatz zu herkömmlichen Koaxiallampen nicht vollständig aus. Die Glaswände stehen damit nur zeitweise in Kontakt mit den Plasma, so daß die Glaserosion vermin dert wird. Ferner ergibt sich eine bessere Entkoppelung zwischen Schockwellen und Lasermedium, die durch ein drit tes Rohr, das den Entladungsraum begrenzt, und das das La serrohr umgibt, weiter verbessert werden kann (Anspruch 9).The laser according to the invention thus has a number of advantages share: Because the distance between the laser tube and the second Pipe is much larger than the thickness of the plasma layer - In a preferred embodiment, the distance is little at least five times the thickness of the discharge layer (Claim 5) -, the ignited plasma fills the intermediate unlike conventional coaxial lamps completely out. The glass walls are only temporarily in contact with the plasma so that the glass erosion min is changed. There is also better decoupling between shock waves and laser medium through a third t pipe that delimits the discharge space and that the La surrounds serrohr, can be further improved (claim 9).

Der Plasmahohlzylinder wird von der Innenwand des zweiten Rohres magnetisch abgehoben und bewegt sich während der Entladung in radialer Richtung auf die Symmetrieachse zu. Die Plasmaansatzbereiche verschieben sich fortlaufend auf den Elektrodenoberflächen. Die Plasmabelastung wird so auf eine größere Fläche verteilt und damit die Elektroden erosion herabgesetzt. Die entstehende Verlustwärme kann über die Elektrodenflächen, die wesentlich größer sind als bei herkömmlichen Koaxiallampen, leicht abgeführt werden. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Entla dungselektroden eine im wesentlichen scheibenförmige Grundform haben (Anspruch 8), da dann die Verlustwärme besonders effektiv abgeführt werden kann.The plasma hollow cylinder is from the inner wall of the second Tube magnetically lifted and moves during the Discharge in the radial direction towards the axis of symmetry. The plasma batch areas are continuously shifting the electrode surfaces. The plasma load is like this spread over a larger area and thus the electrodes erosion reduced. The resulting heat loss can over the electrode areas, which are much larger than conventional coaxial lamps, easily dissipated will. It is particularly preferred if the discharge a substantially disc-shaped Have basic shape (claim 8), because then the heat loss can be dissipated particularly effectively.

Auch tritt bei dem erfindungsgemäßen Laser keine Ab schattung durch Elektroden im Entladeraum auf.There is also no loss in the laser according to the invention shading by electrodes in the unloading room.

Weiterhin weist der erfindungsgemäße Laser durch die Spit ze bzw. Schneide eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Exzentritäten zwischen äußeren und innerem Rohr als her kömmliche Laser nit koaxialem Pumpsystem auf, so daß auch bei größeren Herstelltoleranzen der beiden Rohre eine sym metrische Plasmazündung erfolgt.Furthermore, the laser according to the invention points through the spit or cutting edge is less sensitive to Eccentricities between outer and inner tube as ago conventional laser nit coaxial pump system, so that too with larger manufacturing tolerances of the two pipes a sym metric plasma ignition occurs.

Das erfindungsgemäß ausgebildete Pumpsystem kann zum opti schen Pumpen von beliebigen festen, flüssigen oder gasför migen Lasermedien sowie von Farbstofflasern verwendet wer den. Dabei ist es insbesondere möglich, größere Stromdich ten als 7 kA/cm² zu verwenden (Anspruch 6) und die Explo sionsenergie-Grenze von 500 J/cm herkömmlicher System zu überschreiten (Anspruch 7).The pump system designed according to the invention can be used for optically pumping any solid, liquid or gaseous laser media as well as dye lasers. It is particularly possible to use current densities greater than 7 kA / cm ² (claim 6) and to exceed the explosion energy limit of 500 J / cm of conventional systems (claim 7).

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Lasers können problemlos Laserpulsenergien in Bereich von 5-100 J erzeugt werden. Die in die Koaxiallampe einkoppelbaren Energien betragen 1-50 kJ pro Entladung. The inventive design of the laser can easily laser pulse energies in the range of 5-100 J be generated. Those that can be coupled into the coaxial lamp Energies are 1-50 kJ per discharge.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben:Further developments of the invention are in the subclaims specified:

Gemäß Anspruch 2 ist die ringförmige Spitze bzw. Schneide lediglich an einer Zündelektrode vorgesehen. Die andere Zündelektrode weist außerhalb des zweiten Rohres einen ringförmigen Vorsprung auf, der das zweite Rohr umgibt und bis in den Bereich der ersten Zündelektrode ragt. Diese Ausbildung verringert nicht nur die Induktivität des Sy stems, sondern verbessert auch die Zündbedingungen im Bereich des zweiten Rohres verglichen mit den Bedingungen in Bereich des Laserrohres.According to claim 2, the annular tip or cutting edge only provided on an ignition electrode. The other Ignition electrode has one outside of the second tube annular projection that surrounds the second tube and extends into the area of the first ignition electrode. These Training not only reduces the inductance of the Sy stems, but also improves the ignition conditions in the Area of the second pipe compared to the conditions in the area of the laser tube.

Darüberhinaus ist es von Vorteil, wenn der ringförmige Vorsprung an seiner Innenseite verspiegelt ist (Anspruch 3), da dann die Lichtausbeute erhöht wird.In addition, it is advantageous if the annular Projection is mirrored on its inside (claim 3), because then the light output is increased.

Im Anspruch 4 ist gekennzeichnet, daß wenigstens die Zün delektrode, an der die ringförmige Spitze vorgesehen ist, in Bereich des Laserrohres derart abgerundet ist, daß der Abstand der beiden Elektroden in diesen Bereich den größ ten Wert hat. Hierdurch wird die induktive Impedanz an der Außenseite des Laserrohrs gegenüber der induktiven Impe danz an der Innenseite der zweiten Rohres nochmals erhöht. Damit trägt diese Ausbildung weiter dazu bei, daß eine nicht erwünschte Zündung des Plasmas entlang der Außenflä che des Laserrohres verhindert wird.In claim 4 is characterized in that at least the Zün the electrode on which the annular tip is provided, is so rounded in the area of the laser tube that the Distance between the two electrodes in this area the largest has th value. As a result, the inductive impedance at the Outside of the laser tube opposite the inductive impe danz on the inside of the second tube increased again. This training further contributes to the fact that a undesired ignition of the plasma along the outer surface surface of the laser tube is prevented.

Dies erfindungsgemäße Ausbildung kann selbstverständlich nit koaxialen Rohren aus beliebigen Materialien realisiert werden, solange diese nur ein optisches Pumpen erlauben. Die geringe Erosion, die aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung auftritt, erlaubt jedoch bereits die Verwendung von vergleichsweise kostengünstigen Materialien und insbe sondere normalem Quarzglas (Anspruch 10).This training according to the invention can of course with coaxial pipes made of any material as long as they only allow optical pumping. The slight erosion due to the invention Training occurs, but already allows use of comparatively inexpensive materials and esp special normal quartz glass (claim 10).

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller in Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:The invention is hereinafter without limitation of all general inventive idea based on execution play exemplary with reference to the drawing to the rest of the disclosure all of the invention not explained in detail in the text Details are expressly referred to. Show it:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungs beispiels, Fig. 1 shows the basic structure of a first execution example,

Fig. 2A-2C die Bewegung des Entladungsplasmas, FIGS. 2A-2C, the motion of the discharge plasma,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel. Fig. 3 shows a second embodiment.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines ersten Aus führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasers. Der Laser weist ein Außenrohr (1) auf, das koaxial zu dem eigentlichen Laserrohr (2), in den sich ein Lasermedium befindet, angeordnet ist. Bei den gezeigten Ausführungs beispiel bestehen die Rohre (1) und (2) aus einem Glas, beispielsweise Quarzglas. Der Raum (6) zwischen den Rohren (1) und (2) wird von zwei Elektroden (3) und (4) begrenzt, die eine scheibenförmige Grundform haben. Fig. 1 shows the basic structure of a first exemplary embodiment from a laser according to the invention. The laser has an outer tube ( 1 ) which is arranged coaxially with the actual laser tube ( 2 ) in which a laser medium is located. In the embodiment shown, the tubes ( 1 ) and ( 2 ) consist of a glass, for example quartz glass. The space ( 6 ) between the tubes ( 1 ) and ( 2 ) is delimited by two electrodes ( 3 ) and ( 4 ), which have a disk-shaped basic shape.

Das Entladungsvolumen (6) hat damit eine rotationssymme trische hohlzylinderförmige Geometrie. Über Öffnungen (5) in den Elektroden (3) oder (4) kann das Entladungsvolumen (6) evakuiert und mit einem Entladegas gefüllt werden.The discharge volume ( 6 ) thus has a rotationally symmetrical hollow cylindrical geometry. The discharge volume ( 6 ) can be evacuated via openings ( 5 ) in the electrodes ( 3 ) or ( 4 ) and filled with a discharge gas.

Als Entladegas kommen Edelgase, Wasserstoff, Stickstoff und/oder Kohlendioxid sowie Gasgemische in Frage. Typische Fülldrücke betragen 0,1-500 mbar. Noble gases, hydrogen and nitrogen come as discharge gases and / or carbon dioxide and gas mixtures in question. Typical Filling pressures are 0.1-500 mbar.

Mit der Elektrode (4) ist ein zylinderförmiger Rückleiter (7) verbunden, der das Außenrohr (1) möglichst eng um schließt, um eine niedrige Induktivität der Anordnung zu erreichen.A cylindrical return conductor ( 7 ) is connected to the electrode ( 4 ), which closes the outer tube ( 1 ) as tightly as possible in order to achieve a low inductance of the arrangement.

Erfindungsgemäß besitzt die Elektrode (3) eine ringförmige Schneide (8), die an äußeren Rand der Elektrode (3) ange ordnet ist.According to the electrode ( 3 ) has an annular cutting edge ( 8 ) which is arranged on the outer edge of the electrode ( 3 ).

Die Elektroden (3) und (4) sind über einen Schalter (9) mit einem elektrischen Treiber (10) verbunden. Treiber und Schalter sind niederinduktiv ausgeführt, so daß kurzzeitig Ströme bis in den Megaamperebereich erzeugt werden können. Der elektrische Treiber (10) ist in der Regel eine Konden satorbank, die so aufgeladen wird, daß nach dem Schließen des Schalters (9) die Elektrode (3) ein negatives Poten tial gegenüber der Elektrode (4) und den damit verbundenen Rückleiter (7) annimmt. Der Rückleiter (7) reicht in sei ner Längsausdehnung mindestens bis zur Ebene (11), d.h. der inneren Begrenzungswand der scheibenförmigen Grund form, so daß sich eine elektrische Feldverteilung nach dem Schließen des Schalters einstellt, die den bekannten Glei tentladungsmechanismus in Gang setzt. Mit (12) sind die Resonatorspiegel des Lasers bezeichnet.The electrodes ( 3 ) and ( 4 ) are connected to an electrical driver ( 10 ) via a switch ( 9 ). Drivers and switches are designed to be low-inductance, so that currents up to the mega-amp range can be generated for a short time. The electric driver ( 10 ) is usually a capacitor bank that is charged so that after closing the switch ( 9 ) the electrode ( 3 ) has a negative potential against the electrode ( 4 ) and the associated return conductor ( 7th ) assumes. The return conductor ( 7 ) extends in its longitudinal extent at least to the level ( 11 ), ie the inner boundary wall of the disk-shaped basic shape, so that an electrical field distribution is established after the switch is closed, which sets the known sliding charge mechanism in motion. The resonator mirrors of the laser are designated by ( 12 ).

Die Elektrodenscheiben (3) und (4) sind im Bereich des Laserrohres (2) derart abgerundet, daß der (axiale) Ab stand der beiden Elektroden (3, 4) in diesem Bereich seinen größten Wert hat. Damit ist die induktive Impedanz in Laserrohr-nahen Bereich größer als in Außenrohr-nahen Bereich.The electrode discs ( 3 ) and ( 4 ) are rounded off in the area of the laser tube ( 2 ) in such a way that the (axial) position of the two electrodes ( 3 , 4 ) has its greatest value in this area. The inductive impedance is therefore greater in the area near the laser tube than in the area near the outer tube.

Die Funktionsweise des in Fig. 1 dargestellten Ausfüh rungsbeispiels wird in folgenden anhand von Fig. 2 näher beschrieben:
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung, durch die die induktive Impedanz in Außenrohr-nahen Bereich ihren klein sten Wert hat, entsteht nach dem Schließen des Schalters (9) eine rotationssymmetrische Gleitentladung (14) an der Innenseite des Außenrohrs (1). Dies ist schematisch in Teilbild A von Fig. 2 dargestellt.The mode of operation of the exemplary embodiment shown in FIG. 1 is described in more detail below with reference to FIG. 2:
Due to the design according to the invention, by means of which the inductive impedance in the area near the outer tube has its smallest value, a rotationally symmetrical sliding discharge ( 14 ) is formed on the inside of the outer tube ( 1 ) after the switch ( 9 ) is closed. This is shown schematically in partial image A in FIG. 2.

In Wandnähe entsteht mit zunehmenden Strom ein Plasmahohl zylinder (14), der aufgrund magnetischer Kräfte von der Wand abgehoben wird (Fig. 2B) .Near the wall, a plasma hollow cylinder ( 14 ) is created with increasing current, which is lifted off the wall due to magnetic forces ( FIG. 2B).

Der Plasmazylinder (14) bewegt sich aufgrund der magne tischen Kraftwirkung weiter in Richtung Symmetrieachse, bis er das Laserrohr (2) erreicht (Fig. 2C).The plasma cylinder ( 14 ) moves due to the magnetic force effect in the direction of the axis of symmetry until it reaches the laser tube ( 2 ) ( Fig. 2C).

In den in den Teilfiguren A, B und C dargestellten Phasen emittiert die Plasmaschicht (14) intensive Linien- und Kontinuumstrahlung, die zum Pumpen des Lasermediums, das sich innerhalb des Laserrohres (2) befindet, eingesetzt werden kann.In the phases shown in the partial figures A, B and C, the plasma layer ( 14 ) emits intense line and continuum radiation, which can be used to pump the laser medium, which is located within the laser tube ( 2 ).

Eine nicht erwünschte Zündung des Plasmas entlang der Außenfläche des Laserrohres (2) wird durch die im folgen den näher beschriebenen Maßnahmen verhindert, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel kumulativ verwirklicht sind, die jedoch zum Erzielen des erfindungsgemäßen Erfolgs nicht vollständig vorhanden sein müssen.An undesired ignition of the plasma along the outer surface of the laser tube ( 2 ) is prevented by the measures described in more detail below, which are implemented cumulatively in the exemplary embodiment shown, but which do not have to be completely present in order to achieve the success according to the invention.

Die Elektrode (3) mit der Schneide (8) und dem Rückleiter (7) begünstigen eine Gleitentladung an der Innenwand des Außenrohres (1). Weiterhin sind die Elektroden (3) und (4) in Bereich der Durchführung des Rohres (2) abgerundet. The electrode ( 3 ) with the cutting edge ( 8 ) and the return conductor ( 7 ) promote a sliding discharge on the inner wall of the outer tube ( 1 ). Furthermore, the electrodes ( 3 ) and ( 4 ) are rounded off in the area of the passage of the tube ( 2 ).

Das Verhältnis der Rohrdurchmesser der Rohre (1) und (2) ist so bemessen, daß die induktive Impedanz eines Plasma hohlzylinders an der Innenwand des Glasrohrs (1) deutlich geringer ist als die eines Plasmahohlzylinders an der Außenwand des Glasrohres (2). Die Zündbedingungen sind daher an der Innenwand von Rohr (1) günstiger als an der Außenwand von Rohr (2).The ratio of the tube diameters of the tubes ( 1 ) and ( 2 ) is such that the inductive impedance of a plasma hollow cylinder on the inner wall of the glass tube ( 1 ) is significantly lower than that of a plasma hollow cylinder on the outer wall of the glass tube ( 2 ). The ignition conditions on the inner wall of tube ( 1 ) are therefore more favorable than on the outer wall of tube ( 2 ).

Typische Anlagenparameter bei dem gezeigten Ausführungs beispiel sind:
Das Verhältnis des Innendurchmessers des Rohrs (1) zum Abstand zwischen den Elektroden (3) und (4) liegt im Be reich zwischen 1 : 1,5 und 1 : 4.Typical system parameters in the embodiment shown are:
The ratio of the inner diameter of the tube ( 1 ) to the distance between the electrodes ( 3 ) and ( 4 ) is in the range between 1: 1.5 and 1: 4.

Die Differenz zwischen dem Innendurchmesser von Rohr (1) und dem Außendurchmesser von Rohr (2) ist größer als 20 mm.The difference between the inside diameter of tube ( 1 ) and the outside diameter of tube ( 2 ) is greater than 20 mm.

Gespeicherte Kondensatorbankenergie: 1-50 kJ Die Differenz zwischen dem Innendurchmesser von Rohr (1) und dem Außendurchmesser von Rohr (2) beträgt dabei bevor zugt das 5- bis 20fache der Dicke der Plasmaschicht.Stored capacitor bank energy: 1-50 kJ The difference between the inside diameter of tube ( 1 ) and the outside diameter of tube ( 2 ) is preferably 5 to 20 times the thickness of the plasma layer.

Da die radiale Ausdehnung des Entladeraums (6) 5- bis 20fache der Dicke der Plasmaschicht beträgt, füllt das gezündete Plasma den Raum (6) im Gegensatz zu den herkömm lichen Koaxiallampen nicht vollständig aus. Die Begren zungswände stehen somit nur zeitweise in Kontakt mit dem Plasma, so daß insbesondere die Glaserosion vermindert wird. Since the radial extent of the discharge space ( 6 ) is 5 to 20 times the thickness of the plasma layer, the ignited plasma does not completely fill the space ( 6 ) in contrast to the conventional coaxial lamps. The limita tion walls are thus only temporarily in contact with the plasma, so that in particular the glass erosion is reduced.

Der Plasmahohlzylinder wird von der Innenwand des Außen rohres (i) magnetisch abgehoben und bewegt sich während der Entladung in radialer Richtung auf die Symmetrieachse zu. Die Plasmaansatzbereiche verschieben sich fortlaufend auf den Elektrodenoberflächen. Die Plasmabelastung wird so auf eine größere Fläche verteilt und damit die Elektroden erosion herabgesetzt. Die entstehende Verlustwärme kann über die Elektrodenflächen, die wesentlich größer sind als bei herkömmlichen Koaxiallampen, leicht weggekühlt werden.The plasma hollow cylinder is from the inside wall of the outside tube (i) is magnetically lifted and moves while the discharge in the radial direction on the axis of symmetry to. The plasma deposits are continuously shifting on the electrode surfaces. The plasma load is like this spread over a larger area and thus the electrodes erosion reduced. The resulting heat loss can over the electrode areas, which are much larger than with conventional coaxial lamps, can be easily cooled away.

Der Plasmahohlzylinder wird an der Innenseite des Glasroh res (1) mit einer Gleitentladung gezündet. Damit wird eine störungsfreie rotationssymmetrische Entladung gewährlei stet. Die Dicke der erzeugten Plasmaschicht beträgt 1 mm-1 cm, je nach Wahl der Entladeparameter.The plasma hollow cylinder is ignited on the inside of the glass tube ( 1 ) with a sliding discharge. This ensures trouble-free, rotationally symmetrical discharge. The thickness of the plasma layer generated is 1 mm-1 cm, depending on the choice of the discharge parameters.

Der Füllgasdruck des Entladegefäßes, die Entladegeometrie und die Parameter des Treibers werden so abgestimmt, daß die radiale Bewegung des Plasmahohlzylinders nach einer Beschleunigungsphase sich wieder verlangsamt und beim Erreichen der Außenwand des Rohres (2) verschwindet. Da durch wird die Belastung des Glasrohres (2) vermindert.The filling gas pressure of the discharge vessel, the discharge geometry and the parameters of the driver are adjusted in such a way that the radial movement of the hollow plasma cylinder slows down again after an acceleration phase and disappears when the outer wall of the tube ( 2 ) is reached. Since the load on the glass tube ( 2 ) is reduced.

Der Rückleiter (7) kann auf seiner Innenseite verspiegelt sein, so daß die nach außen laufende Lichtemission des Plasmas für den Pumpprozeß genutzt werden kann.The return conductor ( 7 ) can be mirrored on its inside so that the light emission of the plasma running outwards can be used for the pumping process.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin dung, bei dem gleiche Teile wie bei dem ersten Ausfüh rungsbeispiel mit den selben Bezugszeichen versehen sind, so daß auf deren erneute Beschreibung verzichtet wird. Fig. 3 shows another embodiment of the inven tion, in which the same parts as in the first embodiment are provided with the same reference numerals, so that the description thereof is omitted.

Dieses Ausführungsbeispiel weist ein weiteres koaxiales Rohr (15) auf, das das Laserrohr (2) umgibt und die innere Begrenzung des Entladungsraums (6) bildet. Das Rohr (15) kann zur optischen Filterung der vom Plasma emittierten Strahlung oder/und zur Kühlung der koaxialen Pumpeinheit dienen.This exemplary embodiment has a further coaxial tube ( 15 ) which surrounds the laser tube ( 2 ) and forms the inner boundary of the discharge space ( 6 ). The tube ( 15 ) can be used for optical filtering of the radiation emitted by the plasma and / or for cooling the coaxial pump unit.

Vor allem aber hält das Rohr (15) die - aufgrund der er findungsgemäßen Ausbildung bereits sehr geringen - von den Plasma erzeugten Schockwellen vollständig vom Laserrohr (2) fern. Dieses Rohr besteht bei dem beschriebenen Aus führungsbeispiel ebenfalls aus Quarzglas.Above all, however, the tube ( 15 ) keeps the shock waves generated by the plasma completely away from the laser tube ( 2 ) due to the design according to the invention which is very low. In the described exemplary embodiment, this tube also consists of quartz glass.

Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan kens beschrieben worden. Insbesondere sind die gemachten Zahlenangaben nicht einschränkend auszulegen.The invention is based on exemplary embodiments play without limiting the general inventive concept kens. In particular, those are made Numbers should not be interpreted restrictively.

Claims

1. Laser with a laser tube ( 2 ), which contains the laser medium, and which surrounds a coaxially arranged outer tube ( 1 ) to form an annular space ( 6 ), on the front sides of which ignition electrodes ( 3, 4 ) are arranged, and which is a discharge medium contains, in which a discharge plasma ( 14 ) can be generated, the light emission of which optically pumps the laser medium, characterized in that at least one ignition electrode ( 3 ) in the region of the outer tube ( 1 ) has an annular tip (cutting edge 8 ) which points to the second ignition electrode ( 4 ), and that the width of the annular space is substantially larger than the thickness of the discharge plasma generated.

2. Laser according to claim 1, characterized in that the annular tip ( 8 ) is provided only on an ignition electrode ( 3 ), and that the other ignition electrode ( 4 ) outside the outer tube ( 1 ) has an annular projection ( 7 ) the outer tube ( 1 ) surrounds and extends into the area ( 11 ) of the most ignition electrode ( 3 ).

3. Laser according to claim 2, characterized in that the annular projection ( 7 ) is mirrored on its inside.

4. Laser according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least the ignition electrode ( 3 ), on which the annular tip or cutting edge ( 8 ) is seen before, is rounded in the area of the laser tube ( 2 ) in such a way that the (axial) distance between the two electrodes ( 3, 4 ) has its greatest value in this area.

5. Laser according to one of claims 1 to 4, characterized in that the width of the annular space between the two tubes ( 1, 2 ) is at least five times the value of the thickness of the discharge plasma ( 14 ).

6. Laser according to one of claims 1 to 5, characterized in that the discharge current density reaches values greater than 7 kA / cm ² .

7. Laser according to one of claims 1 to 6, characterized in that the discharge energy of the Ent Charge plasma values greater than 500 J / cm reached.

8. Laser according to one of claims 1 to 7, characterized in that the discharge electrodes a have essentially disc-shaped basic shape.

9. Laser according to one of claims 1 to 8, characterized in that a third coaxial tube ( 15 ) is provided which delimits the discharge space ( 6 ) and which surrounds the laser tube ( 2 ).

10. Laser according to one of claims 1 to 9, characterized in that the laser tube ( 2 ), the outer tube ( 1 ) and optionally the third tube ( 15 ) consist of quartz glass.