175118. lajstromszámú szabadalom • Gázlézer, a lézer erősítésének és teljesítményének növelésére
3 175113 4 A gázlézerek másik lehetséges gerjesztési módja az üreges katód belsejében lejátszódó fénykeltési folyamatok kihasználása. Az üreges katódban létrejövő erős gerjesztés több előnnyel rendelkezik a pozitív-oszloppal szemben. Az üreges katódban mindenekelőtt olyan lézerátmenetek is gerjeszthetők, melyek a pozitív oszlopban vagy egyáltalán nem, vagy csak igen gyengén működnek. Emellett az üreges katódú lézer égési feszültsége igen alacsony, ami megkönnyíti az üzemeltetését az optimális gáznyomás pedig egy nagyságrenddel nagyobb, mint a pozitív-oszlop esetében, ami a lézer élettartama szempontjából kedvező. Az elektromos gázkisülésben résztvevő elektronok egy része a katód közelében fellépő néhányszáz-voltos katódfeszültségesés hatására az átlagosnál nagyobb energiára tesz szert, ennek következtében a katód belsejében — az üreges katódban — a nagy energiájú elektronok ionizáló ütközések révén sok iont hoznak létre. Az üreges katódban az ionok sűrűsége magasabb, mint a hagyományos gázkisülési csövek pozitív-oszlop tartományában. Ez a tény igen előnyös olyan folytonos működésű lézerek szerkesztésénél, ahol a lézersugárzás az ionspektrum vonalán jön létre. A katód feszültségesés, amely felgyorsítja az elektronokat, minden üreges katódban jelen van, így minden olyan gázlézer konstrukciónál, ahol a fényerősítő tartomány a katód belső terében helyezkedik el, magas ionsűrűség lép fel. Az üreges katódú lézerben általában He nemesgáz és fém, vagy más anyag gőzének keverékét használják fényerősítő közegként, ahol a gőz a He nemesgáznál sokkal kisebb koncentrációban van jelen. A lézersugárzás a kisebb koncentrációjú gőzanyag ionjainak spektrumvonalán jön létre. Ezen anyagok fényerősítő közegként való alkalmazása azzal az előnnyel jár a hagyományos nemesgáz-ion lézerekhez képest, hogy lényegesen alacsonyabb árammal működő lézerkonstrukciót tesznek lehetővé. A gőz-halmazállapotú anyagok alkalmazása a lézerekben több technikai probléma fellépésével jár együtt. Biztosítani kell a fém- illetve más szilárd anyag-elpárologtatását úgy, hogy az üreges katódban a lézerműködés szempontjából optimális gőzkoncentráció alakuljon ki homogén elosztásban. Emellett fontos, hogy a gázkisülés áramának hőhatása ezt ne befolyásolja. Ügyelni kell arra is, hogy a gőz a lézercsövet lezáró Brewster ablakra lecsapódva ne hiúsítsa meg a lézer működését. Az üreges katódú gázlézereknél az elektronok energiája nagyobb, de ez az érték is csak szűk határok között változtatható. A találmány tárgyát képező új típusú gázkisülési csövek lényege, hogy itt az elektronok energiáját széles tartományban változtatni tudjuk. A gázlézerek működési feltételei mellett a kisülés elektronjainak energiáját lényegében a kisülés töltéshordozóinak vesztesége szabja meg, elsősorban a töltött részek diffúziója a cső falához, ahol ezek közömbösítik egymást. A kisülés számára elvesztett ionokat és elektronokat pótolni kell, minél nagyobb a veszteség, annál nagyobb energiájú elektronok szükségesek, hogy a megfelelő mértékű ionizációt biztosítani tudják. Kísérleteinkben a töltések veszteségét a diffúzión túl segédkisüléssel tudtuk változtatni. Ezt úgy oldottuk meg, hogy a hagyományos pozitív oszlopra szuperponált keresztirányú kisülést hoztunk létre. A kisülés színképének vizsgálata egyértelműen mutatta, hogy a két áram arányának változtatásával a pozitív oszlopú kisülés és az üreges katódú kisülés — mint két határeset — között bármilyen elektron hőmérséklet elérhető. Ugyanakkor a kívánt elektronenergiát nagyobb csőátmérőben ill. nagyobb nyomáson is el lehetett érni. Az új típusú kisülési csövek által elérhető nagyobb teljesítmény valamennyi gázlézer alkalmazásánál előnyös, különösen ott, ahol rövid lézerre van szükség és a szükséges erősítést csak igen szűk átmérőben lehet létre hozni (frekvenciastabilizált lézerek). A találmány szerinti gázlézer kiviteli alakjait az ábrák szemléltetik : az 1. ábra a találmány szerinti gázlézert henger és gyűrű alakú segédelektródákkal, a 2. ábra a találmány szerinti gázlézert hasított segédkatód- és huzalalakú segédanód-elektródákkal, a 3. ábra a találmány szerinti fémion-gázlézert hasított segédkatód- és huzalalakú segédanódelektródákkal mutatja. A találmány szerinti gázlézer egyik kiviteli alakját az 1. ábra szemlélteti. Az 1 burkoló cső alsó részén két 2, 3 nyúlvány van és a cső két végét 4, 5 lezáró elemek zárják le. A 2 nyúlványban a 7 pozitív-, a 3 nyúlványban a 6 negatív elektróda van elhelyezve. Az 1 burkoló csőben a fényerősítő közeg He-Ne, He-Kr, vagy Ne-Xe nemesgázkeverék. Az 1 burkoló csőben az összes gáznyomás 2—50 torr, a gázkeverék második komponensének nyomása az elsőnek legfeljebb 30%-a. Az 1 burkoló cső hosszában hengeralakú katód és gyűrű alakú anód segédelektródák vannak elhelyezve, melyek váltakozva pozitív és negatív feszültségekre vannak kötve. Az egyes hengeralakú 8—38 segédkatódok és a gyűrűalakú 9—37 segédanódok közé 30—250 V feszültség van kapcsolva, attól függően, hogy mekkora a segédáram nagysága a pozitív oszlop áramához viszonyítva, amely a 6 negatív- és a 7 pozitív elektróda között jön létre. A segédkatódok felülete az egyenletes terhelés biztosítása érdekében sokkal nagyobb, mint a segédanódoké. A segédanód és a segédkatód között létrejövő segédkisülések áramkörei úgy vannak beállítva, hogy a segédkatódok a pozitív oszlopú plazma potenciálján legyenek, azaz az 1. ábrán feltüntetett jelölések esetén a növekvő számokhoz növekvő pozitív és negatív feszültségek tartoznak. A segédkatódok hossza nem lehet nagyobb, mint amekkora szakaszon a pozitív oszlop feszültsége megegyezik a katódeséssel. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy a segédkatód belső átmérőjének 3—20-szorosa lehet a segédka-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
