Die Erfindung bezieht sich auf ein Betriebsverfahren ge¬ mäß dem Oberbegri f des Anspruchs 1. Eine solche Technik zur Erzeugung von Laserpulsen wird beispielsweise in Appl.Phys.Lett._10 (1967)3 beschrieben.

Die zitierte Publikation geht von einem Lasertyp folgen¬ der Bauweise aus: Ξine dielektrische Isolierplatte, vor- zugsweise eine Kunststoffolie, befindet sich zwischen zwei Metallplatten. Die obere Metallplatte dieser Band¬ leitung ist durch einen Spalt, in dem sich ein laserak¬ tives Gas (Stickstoff oder Neon) befindet, in zwei Teile getrennt. Beide Teile liegen auf einem positiven Poten- tial von einigen 10kV, während die untere Metallplatte geerdet ist. Im Betrieb des Lasers stellt man - mittels eines schnellen Hochleistungsschalters - zwischen dem einen Plattεnteil und der unteren Platte einen Kurzschluß her. Es entsteht eine kurze, steil ansteigende Ξntla- dungsstromwelle, die durch den Bandleiter zum Spalt läuft und dort eine Gasentladung auslöst. Dieses Plasma stellt dann die erforderliche Besetzungεinversion her, wobei die Verstärkung sohoch ist, daß auch ohne optische Rückkopp¬ lung ein recht intensiver Laserimpuls zustandekommt.

Um die Ausgangsleistung dieses Superstrahlers noch wei¬ ter zu steigern, kann man versuchen, den Gasdruck p und die Entladungsspannung U zu erhöhen und zugleich die Stromanstiegszeit-?' zu verkürzen. Der Spielraum ist hier allerdings relativ klein, und zwar vor allem deshalb, weil das Plasma mit wachsendem p und/oder U inhomogen wird und in wenig effektive Bogenentladungen übergeht.

Les 1 Lk/25.5.1984

Es gibt Möglichkeiten, das Auftreten solcher Plasmainsta- bilitäten zu erschweren. So hat man daran gedacht, die Ξntladungselektroden längs des Spaltes zu mäandrieren (DE-OS 243024 ), die Kathodenoberfläche mit einer Viel- zahl von scharfen Schneiden zu versehen und/oder das Gas vorzuionisieren (Rev.Sei.Instrum.55 (1984) 166). Alle diese Maßnahmen verbessern sicherlich die Qualität der Entladung, sind jedoch relativ aufwendig und beanspru¬ chen teilweise auch zusätzlich Raum.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für einen

Laser der eingangs genannten Art eine Anregungstechnik zu finden, die auch ohne besondere Vorkehrungen eine räum¬ lich gleichmäßige Besetzungsinversion ermöglicht und da- _ bei kein zusätzliches Bauvolumen verlangt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkma¬ len des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der vorgeschlagenen Methode wird die Lasertätigkeit nicht, wie bisher, durch eine freie Entladung zwischen Metallelektroden, sondern durch eine Oberflächenentla¬ dung längs der dielektrischen Platte bewirkt.

Die Oberflächenentladung, in der Literatur häufig auch als "Creeping Discharge" oder "Gleitentladung" bezeich¬ net, ist ein an sich wohlbekanntes Phänomen. Sie wird auch schon seit längerem auf dem Gaslasergebiet verwendet, allerdings ausschließlich als UV-Lichtquelle zur Einlei¬ tung einer freien Entladung (Appl.Phys.Lett.25 _, (1974)654, J.Phys.Ξ: Sei.Instrum.15 (1980)632). Auf den Gedanken, diesen Ξntladungstyp stattdessen selbst als Pumpquelle zu nutzen, ist man, soweit ersichtlich, bisher noch nicht gekommen.

Die physikalischen Vorgänge, unter denen die Oberflächen¬ entladung ausgelöst, weitergeleitet und aufrechterhalten wird, sind im einzelnen noch nicht geklärt. Tatsache ist aber, daß die Entladung in einer relativ dünnen, norme-

lerweise unter 100um dicken Schicht stattfindet, daß die dielektrische Oberfläche an der Entladung beteiligt ist und daß die Entladungsmechanismen von der Polarität der Spannung abhängen. Fungiert die eine Entladungselektrode gegenüber denbeiden anderen Elektroden als Kathode, so dürf¬ te das Plasma als eine rein dielektrische Entladung im Kathodenbereich beginnen und dann durch Erzeugung von Se¬ kundärelektronen in der Plattenoberfläche weiterwandern, bis die Gegeneiektrode einbezogen ist.

Bei umgekehrtem Spannungsvorzeichen läßt sich die Natur der Entladung nicht ohne weiteres deuten; es ist noch nicht einmal sicher, ob das Plasma überhaupt an einer der beiden Entladungselektroden einsetzt. Feststeht je- doch, daß hier eine homogene Oberflächenentladung außer¬ ordentlich begünstigt wird. Versuche haben gezeigt, daß das Plasma über die längste Zeit seines Bestehens und im größten Teil seines Volumens homogen ist, wenn namentlich der Entladungsspannungsimpuls rasch - etwa um 5kV/nsec - ansteigt und nach kurzer Zeit, beispielsweise 10nsec, wieder abklingt. Die Ξntladungsgeometrie (Plattendicke, Elektrodenabstand, Ξlektrodenprofil) ist dabei relativ unkritisch. Auch der Gasdruck und die Ladespannung lassen sich in relativ weiten Grenzen variieren. Weiche Werte man diesen Parametern im Einzelfall gibt, hängt nicht zu¬ letzt auch von der Art des laseraktiven Gases ab. Für Stickstoff werden weiter unten Zahlenbeispiele und mögli¬ che Wertebereiche genannt.

Ein Spannungsanstieg von 5kV/nsec verlangt einen Ξntla- dungskreis mit einer Eigeninduktivität in der Größenord¬ nung von 1nH und einen Schalter, der hohe Leistungen in einer Schaltzeit um 1nsec bewältigt. Diese Anforderungen lassen sich relativ einfach erfüllen, beispielsweise mi- einem Hochspannungsgenerator auf Bandleiterbasis ("Ξlü - lein-Generator") und einer (mechanisch getriggerten) Cl- funkenstrecke.

Im Ergebnis erhält man eine billige, kompakte Kurzzeit¬ lichtquelle, die intensive Lichtpulse mit guter Richt¬ charakteristik abgibt. Sie läßt sich beispielsweise in der Kurzzeitphotographie, bei Entfernungsmessungen, als Pumpquelle für Farbstofflaser, für spektroskopische Un¬ tersuchungen, zum Triggern von Halbleiterschaltern oder als Landehilfe für Flugzeuge einsetzen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

DerLösungsvorschlag soll nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 einen erfindungs emäßen N2-Laser, in einem sche¬ matisch gehaltenen Seitenschnitt; Fig. 2 den vom Hochspannungsgenerator gelieferten Strom J als Funktion der Zeit t; Fig. 3 den zeitlichen Verlauf des Laserpulses, bei vorge- gebenen Druck- und Ladespannungswerten p bzw. U; Fig. 4 die Laserleistung L ls Funktion der Ladespannung und der Polarität sowie Fig. 5 die Laserleistung, aufgetragen gegen den Druck und die Polarität, bei einer bestimmten Ladespan- nun .

Der Laser der Fig. 1 enthält einen Hochspannungsgenerator 1 sowie einen Laserkopf 2. Der Generator 1 ist ein gefalte¬ ter Blümleingenerator. Er besteht aus zwei je 40cm langen, 5cm breiten und 0,15cm dicken Ξpoxidhar∑folien 3, 4, die beidseitig jeweils mit einer Kupferfolie kaschiert und flach aufeinandergelegt sind. Die äußeren Kupferfolien 5, 6 dieser Doppelbandleitung sind über Induktivitäten 7, 8 mit Masse verbunden, während die innere Kupferfolie 9 über einen Widerstand 10 an einer 10kV-Sparιnungsquelle 11 liegt. An dem einen Bandleiterendε befindet sich ein Schalter, der die Folien 5 und 9 miteinander verbindet und im vor¬ liegenden Beispiel durch eine mechanisch getriggerte Cl-

funkenstrecke realisiert ist. In der Figur wird dieser Schalter durch ein Gehäuse 12 mit einer verschiebbaren Kentaktbrücke 13 S2/mbolisiert.

Der gesamte Entladungskreis hat eine Kapazität von etwa 1,8nF und eine Grenzfrequenz >200MHz. Die Doppelbandlei¬ tung hat einen Wellenwiderstand von 4,3Ω, und die öl un¬ kenstrecke verfügt über eine Schaltzeit von etwa 1,5nsec.

An seinem vom Schalter abgewandten Ende geht der Bandlei¬ ter in den Laserkopf über. Diese Einheit enthält eine mit 200mbar Stickstoff gefüllte Kammer 14 und eine etwa 1 m dicke Glasplatte 15. Der Figur entnimmt man, daß die Glas¬ platte die Epoxidharzfolien fortsetzt und auf der Plat- tenoberseite einen Ξntladungskanal 16 definiert ist. Die¬ ser Kanal wird dadurch gebildet, daß die Außenfolie 6 um die εchalterabgewandte Schmalseite der Platte 15 herumge¬ führt ist und zur Außenfolie 5 einen Abstand von ca. er¬ hält. Der gesamte Laserkopf hat eine Induktivität vor. 0,5nK.

Der Laser wird folgendermaßen betrieben:

Schließt man den Schalter, so breitet sich zwischen den

Folien 5 und 9 ein Stromimpuls aus. Dieser Impuls hat we- gen der guten Impedanzanpassung einen nahezu rechteckfer- igen Verlauf. Fig. 2 zeigt, daß der Strom mit 0,75kA/nsec auf etwa 1 ,5kA ansteigt und ca. 10nsec dauert. Wenn der Strom den Entladungskanal erreicht, löst er dort eine Ober¬ flächenentladung aus, die sich innerhalb kürzester Zeit homogenisiert und etwa 15nsec anhält. Mit einer Verzöge¬ rung von etwa 7nsec entsteht - ohne Verwendung eines op¬ tischen Resonators - ein Laserimpuls mit einer Haibwerts- breite von 1,5nsec (FWHM) und einer maximalen Leistungvon 5kW (Fig.3). Die Pulsenergie beträgt etwa 22,5u*- ^~ . und die spezifische Leistung hat einen Wert von ungefähr 420kW/cm- . Die laseraktive Schichtdicke, die man aus de" Strahlquer¬ schnitt unter Berücksichtigung der beugungεbedingten

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Die geschilderte Laserausführung ist noch nicht optimiert. Man kann auch mit anderen Konfigurationen ähnliche oder gar bessere Kenndaten erzielen. Einzelne Ξinflußgrößen lassen sich dabei innerhalb großer Bandbreiten verändern, wie aus folgenden Daten hervorgeht.

So könnte man die Dicke d der dielektrischen Platte ohne weiteres zwischen 0,3mm und 3mm variieren. ^" Wesentliches Kriterium für die Dickenbemessung ist lediglich, daß einerseits eine genügend intensive Oberflächenentladung zustandekommt und andererseits der Hochspannungsgenerator elektrisch angepaßt bleibt. Der Elektrodenabstand a könn¬ te einen Wert zwischen 2mm und 20mm haben. Dieser große Wertebereich ist möglich, weil es im Grunde nur darauf ankommt, eine freie Entladung zu verhindern und einen günstigen Ξ/p-Wert (Ξ=Feldstärke im Spalt, p =Gasdruck) zu ermöglichen. Auch der Gasdruck und die Ladespannung sind, wie die Figuren 4 und 5 zeigen, relativ unkritische Größen. Auε erELg.4, in der die Laserleiεtung L gegen p bei einer Ladespannung U von 12,5kV aufgetragen ist, geht hervor, daß esbei Drücksi zwiscten lOQribarund400mbar zu einer Laseraktivität kommt (Kurve 17). Und der Fig. 5 entnimmt man, daß die Laserleiεtung bei einem Druck von 200mbar mit 8kV einsetzt, mit zunehmenden U- erten anstεig- und zumindest bei 16I-:V noch keine Sättigung zeigt (Kurve 13).

In die Figuren 4 und 5 sind zum Vergleich auch noch die L-Werte eingezeichnet, die man bei umgekehrter ( "nega¬ tiver") Spannungspolerität erhält (Kurven 19 bzw. 20). Die Vergleichskurven zeigen eine deutlich schlechtere

LeistungsCharakteristik: Bei einer LadεSpannungvon 12,5k wird das Leistungsmaxi um nahezu halbiert, und bei einem Gasdruck von 200mbar setzt die Laseraktivität erst mit einer LadeSpannung von 101-:V ein und erbringt zumindest bis 16I:V noch nicht einmal die halbe Leistung. Diese

Unterschiede sind darauf zurückzuführen, daß die Cbεrflä- chenentladung bei positiver Polarität in Form einer homo¬ genen Glimmentladung vonεtattεr.irεh- und bei negativer

Polarität zu einem Bündel von fadεnartigen Bogenentla- dungen entartet.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestεllte Ausführungs- beispiel und die angegebenεn Modifikationsmöglichlieiten beschränkt. So kommen neben Stickstoff auch anderε (im Ultraviolεtten emittierendε) Lasergase in Frage, etwa Luft, Wasserstoff oder Ξxcimere; einige dieser Gase benö¬ tigen dann einεn optischεn Resonator. Davon abgesehen könnte man den Hochspannungsgenerator auch auf andere

Weise, etwa mit Koaxialleitern, realisieren. Wichtig ist dabei allerdings, daß der Wellenwiderstand klein bleibt, damit man dem Gas mit einer Spannung unterhalb der Durch¬ schlagsspannung eine ausreichende Energiemenge zuführen kann. Im übrigen könnte die Clfunkenstrecke auch durch andere schnelle Hochleistungεschaltεr, beispielsweise Thyratrons, ersetzt v/erden.

14 Patentansprüche 5 Figuren