Ionenlaser produzieren viele starke Wellenlängen, die vom Ultraviolett, durch das sichtbare, in den nahen Infrarotteil des Lichtspektrums reichen. Ionenlaser sind für die Menge von Laser Energie heute relativ groß und schwer, die sie im Verhältnis zu anderen Arten sichtbare Laser z.B. DPSS erzeugen.
Fast alle kommerziellen Ionenlaser, die heute hergestellt werden, sind Dauerstrich (CW) Argon-, Krypton oder Mischgaslaser.
Argonlaser Eigenschaften
Argon-Ionlaser produzieren die höchsten sichtbaren Energie Niveaus und haben bis 10 gleichzeitig emittierende Wellenlängen im blauen und grünen Teil des Spektrums. Hinzu kommen noch 2 starke UV Linien mit speziellen UV Optiken.
Das Diagramm folgend zeigt die typischen Wellenlängen und relativen Energie Niveaus, die von einem eine 4 Watt Argonlaser jeweils im Single-Line-Betrieb erreichbar sind.
Argonlaser werden normalerweise durch den Energielevel eingestuft, der durch die sechs gleichzeitig emittierten Wellenlängen von 457,9 Nanometer bis 514,5 Nanometer produziert wird.
Die zwei hervorstehendsten und meisten verwendetsten Wellenlängen des Argonlasers sind die 514.5nm grüne Linie und die 488.0nm blaue Linie. Die Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Bereiches, einschließlich einer leistungsstarken Infrarotlinie bei 1090 Nanometer, werden selektiert indem man die Spiegel ändern, dabei spricht man von UV-Optiken und IR-Optiken.
Die UV-Wellenlängen werden aus doppelt ionisierten Übergängen produziert, die höhere Röhrenströme als für normale Visible-Multiline-Laser verträglich erfordern. Zusätzlich werden diese nur von den größren Modellen erreicht, dabei konkurrieren die sichtbaren Wellenlängen so massiv, dass UV-Optiken eingesetzt werden müssen.
Kryptonlaser Eigenschaften
Krypton-Ionlaser sind im Aufbau, in der Zuverlässigkeit und in der Lebensdauer zu den Argonlasern fast identisch.
Mit sogenannten Weißlicht-Optiken können Kryptonlaser Wellenlängen über dem vollen sichtbaren Spektrum mit Linien das Rote, das gelb, grün und im Blau produzieren, jedoch ist die Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu Argon-Krypton Lasern bedeutend schlechter. Im Mischgaslasern werden von beiden Gasen nur die stärksten Linien begünstigt, was beim richtigen Mischungsverhältnis ein einigermaßen gutes Leistungsniveau zwischen Rot Grün und Blau entsteht, siehe Bild. Die 647.1nm und 676.4nm roten Linien sind die stärksten Linien.
Weißlichtlaser(Argon-Krypton) SP2020
Kryptonlaser werden normalerweise durch das Energie Niveau dominiert, das 647.1nm produziert. Diese Wellenlänge wird sehr häufig verwendet, weil sie starkes, gut sichtbares rotes Laserlicht bedeutet, wie sie bis vor kurzem nicht von andere Laserarten erreicht werden konnten.
Der grundlegende Multiline-Laser
In seiner einfachsten Konfiguration ist ein Ionenlaser ein Multiline-Laser, der eine Anzahl von gleichzeitig emittierter Wellenlängen produziert. Die Abbildung zeigt die optische Konfiguration eines grundlegenden Multiline-Argonlasers. Die Spiegelanordnung besteht aus einem hinteren High-Reflektor kurz HR und aus einem Output-Coupler kurz OC, die zueinander und mit dem Bore (Bohrung im BeO Rohr) ausgerichtet sind.
Mit Standardverspiegelungen besteht der Ausgang Lichtstrahl eines Argonlasers aus 6 bis 8(manchmal bei sehr leistungsstarken laser noch mehr) getrennten Wellenlängen im Bereich 457-528nm. Sie können in ihre Einzelwellenlängen getrennt werden, indem sie im einfachsten Fall durch externes Dispersions-Prisma schickt. Die ungefähre Verteilung der Ausgangsleistung eines 4W Multiline-Argonlasers mit 6 Wellenlängen, der mit seiner spezifizierten Ausgangsleistung betrieben wird sieht man im Diagramm.
So Nachtrag, habe hier noch die Verlaufskurve von kleineren Gaslampen je nach Linie im Multiline Betrieb, dort sieht man auch das Verhalten beim Hochdrehen der Leistung eines Argon-Lasers.
Zuerst geht halt 488nm Blau an, danach folgen bis auf die 502nm Linie die andern Linien fast gleichzeitig, je höher der Strom, desto dominierender wird 514nm. Je besser der Zustand des Rohres, desto mehr Linien sind bei niedrigsten Brennstrom möglich idR fehlen 502 und 528nm.
© JDS Uniphase
Bei Unterdruck wird das Spektrum ins Blau verschoben und seltene Linien wie 454, 465 und 472nm tauchen vereinzelt auf, das ist ein Warnzeichen, dass das Rohr an den Pumpstand muss, oder man macht langsam die Kathode kaputt.
Single-Line Betrieb
Die meisten Laseranwendungen in Forschung erfordern, dass nur eine Wellenlänge genutzt wird. Single-Line Betrieb wird erreicht, indem man den hinteren HR mit einem Littrow-Prisma, wie im Diagramm gezeigt ersetzt oder nur für eine Wellenlänge ausgelegte Resonatorspiegel benutzt.
Die Prismaanordnung besteht aus einem internen Prisma, das einerseits im Brewsterwinkel steht, andererseit HR beschichtet ist oder mit externen HR wie im Diagramm.
Es wird so ausgerichtet, dass durch die Dispersion nur eine Wellenlänge wieder zurück auf die optische Achse geworfen wird.
Wegen der Dispersionseigenschaften des Prismas, ist nur eine Wellenlänge richtig ausgerichtet und damit aktiv. Die Wellenlängenwahl erfolgt folglich durch einfaches Kippen der Horizontalen Achse des Prismas. Die Energie, die von einem Single-Line-Laser mit einer Wellenlängenselektion ausgestrahlt wird, ist normalerweise größer als die Energie dieser Linie, die im selben Laser im Multi-Linebetrieb ausgesdendet wird (Vergleich Diagramme von Argon Spektrum).
Lichtstrahldurchmesser und -aufweitung(Divergenz)
Der Durchmesser eines gaußschen Laserstrahles(TEM00) wird herkömmlich am 1/e² Energie Punkt gemessen, d.h. es ist der Durchmesser eines Blende, die ca. 86.5% der emittierten Energie an der Fläche des Ausgang Spiegels durchlässt.
Die Divergenz wird normalerweise mit dem vollen Winkel angegeben, sie wird in mRad gemessen. Beide Parameter des Strahles hängen direkt mit der Laser Wellenlänge, dem Spiegelabstand und der Biegung der Spiegel zusammen.
TEM-Moden
Die transversale elektromagnetische Mode (TEM) eines Laserstrahles beschreibt die Energieverteilung über dem Lichtstrahl. Die meisten Laser Anwendungen erfordern die grundlegende Modusstruktur (TEM00) mit einer gaußschen Energieverteilung über dem Lichtstrahl wie im Diagramm unten. Dieser Grundlagemodus ergibt den kleinsten Lichtstrahldurchmesser und der Laserstrahl kann zur kleinsten möglichen Punktgröße fokussiert werden.
Andere Anwendungen profitieren von der erhöhten Energie, die im ersten radialen Modus (TEM01*) vorhanden ist oder sogar in den höheren Moden (Multimode).
MT-Moden
Laser haben grundlegend aber noch eine Modenstruktur, allgemein gekennzeichnet als multitransverser Modus (MTM). Die TEM-Modusstruktur des Lasers kann durch das Ändern der Spiegel und/oder einer intracavity (im Resonator) Iris einfach geändert werden. Bei den MTM ist die etwas schwieriger.
Einfrequenzbetrieb
Der Ausgang eines Lasers, der auf einer einzelnen Wellenlänge funktioniert, hat eine sehr schmale Linienbreite und eine gute Kohärenz, die mit keiner anderen Art Licht verglichen werden kann. Jedoch besteht die Laser Linie, z.B. 488nm, in Wirklichkeit aus vielen Längsmodi (MTM), die über einer Frequenzbandbreite von ungefähr 5 Gigahertz gestreut sind. Diese Modi hängen mit dem Abstand zwischen den zwei Spiegeln zusammen, die den Resonator bilden.
Der Frequenzabstand zwischen diesen Längsmodi ist c/2L, in dem c die Lichtgeschwindigkeit und L der Spiegelabstand ist. So hat eine 1-Meter-Resonator einen 150 MHZ Längsmodenabstand.
Die „Kohärenzlänge“ d.h. der Weg, bei dem die Wellenfronten noch soweit in der Phase liegen, um für verwendbare interferometrische Effekte zu bewirken, wird ungefähr durch c/Δv bestimmt, in dem Δv die Frequenzbandbreite der Laser Linie ist. Der normale Ausgang des multilongitudinal Modus (MLM) eines Single-Line-Ionenlasers hat folglich eine Kohärenzlänge von ungefähr 60 Millimetern.
Viele Anwendungen wie Holographie- und Langweginterferometrie oder Brillouin Streuung erfordern eine viel längere Kohärenzlänge und einen sehr schmalen Linienbreite. Dieses wird in einem Ionenlaser erreicht, indem man ein Etalon in den Resonator, wie in der Abbildung gezeigt, anbringt.
Ein richtig entworfenes intracavity Etalon weist alle Längsmodi ausgenommen einen zurück und ein Großteil der Energie der benachbarten Moden wird in dieser einzelnen Mode konzentriert. Da ein einzelner Längsmodus eine Breite von weniger als 3 MHZ hat, ist die resultierende Kohärenzlänge mehr als 100 Meter lang.
Laser, die mit einem Etalon ausgestattet sind, sind bekannt als Single Longitudinal Mode Laser (SLM) oder Einfrequenzlaser.
Beam-pointing stability
Die Fähigkeit des Lasers, eine exakte winkelgenaue Hauptrichtung beizubehalten ist für die meisten Anwendungen sehr wichtig. Dieses erfordert einen sehr beständigen optischen Resonator wie z.B. die feste Invar® Stangen Resonator-Struktur.
Der Hauptfaktor für eine gute beam-pointing stability, der zu deutsch Lichtstrahl-Zeigestabilität, in einem SLM-Laser ist, dass keine thermische Änderung des Brechungsindexes im Glas des Littrowprismas wärend des Betriebes stattfindet. Die Eigenschaften des Quarzes sind so, dass bei einer Temperaturänderung, der Laser mit einer Rate von 0.2nm/°C verstellt wird und eine Änderung von der Lichtstrahlachse von 11 Bogensekunden/°C. verursacht wird.
Dieses ist genug um den Laser vollständig zu dejustieren, wenn sich die Umgebungstemperatur um 10°C ändert.
Ein temperaturkompensierte Prisma-Wellenlänge-Vorwahl ist erforderlich, um das thermisch Dejustieren zu beseitigen und die bestmögliche Lichtstrahl-Zeigestabilität zu erreichen.
Lichtstrahlpolarisation
Die Fenster der Laserröhre, durch den das Laserlicht diese verlässt, sind im Brewster-Winkel ausgerichtet, um die hohen reflektierenden Verluste von den Oberflächen der Fenster zu zu 100%beseitigen, dies gilt aber nur für eine Wellenlänge. Daraus resultiert, dass der Laser in hohen Maße vertikal (zum Brewster) polarisiert wird. Wenn es notwendig ist, Polarisation in irgendeine andere Richtung zu bringen, kann der Laserkopf gedreht werden idR um 90 Grad oder die Röhre im Laser wird nur gedreht. Andererseits ist auch ein Polarisationrotator nach dem Laseraustritt möglich. Somit kann man die Polarisation in jede erdenklichen Winkel realisiert werden.
Laser Energie Steuerung und Stabilisierung
Stromregelung (Current control):
Die Ausgangsleistung eines Ionenlasers kann auf jedem möglichem Niveau leicht eingestellt werden zwischen vollen Ausgang und der Laserschwelle, indem man das Niveau des Laserstromes im Laserrohr am Netzteile einstellt.
Stromregelung bietet eine gute Einstellmöglichkeit für viele Anwendungen, jedoch benötigt es immer eine manuelle Kompensation, um die Ausgangsleistung stabil zu halten, da der Laser seine Ausgangsleistung über längere Zeit durch äußere Unstände langsam ändert.
Lichtregelung (Ligh control):
Für die ultimative Stabilisierung der Laser Energie, wird ein lichtauswertender Reglerstromkreis verwendet. Bei dieser Art der Leistungsregelung wird ein kleinen Teil des Ausgang Lichtstrahls abgespalten und durch eine Fotozelle gemessen.
Der Ausgang der Fotozelle wird mit einem Bezugssignal in einem differentialen Stromkreis verstärkt und verglichen, somit wird automatisch das gegenwärtig eingestellte Leistungsniveau nachreguliert, um die gewünschte Laser Energie beizubehalten. Der Bediener kann die Laser Energie zu jedem möglichem gewünschten Niveau leicht einstellen und kann sicher sein, dass die Lichtregler fortfährt, dieses Niveau während des ausgedehnten Betriebes beizubehalten. Wenn der Laser nach mehreren tausend Betriebsstunden nicht mehr die geforderte Leistung erreichen kann ist ein Tausch oder refill der Laserröhre erforderlich. Bei ALC60B Systemen bot der Hersteller keinen Refill an, daher kommen die vielen Röhren, als das Zeitalter dieser risigen Kopierer zu ende war, wurde der Markt auch mit Netzteilen überschwemmt. viewtopic.php?t=37873&highlight=alc60
Aufbau von Gas-Ionen Lasern
Prinipiell unterscheidet man 2 Typen im Aufbau, erstens wassergekühlt und zweitens luftgekühlt.
1. Wassergekühlte Gas-Ionen-Laser:
Wie der Name schon sagt, wird hier die enorme Abwärme die ca. 3-50kW betragen kann mit Wasser abgeführt. Ein plötzlicher Druckabfall und damit verbundene Durchflusssenkung führt schnell zur Zerstörung der Keramikröhre und auch bei eintretenden Wasser oft zu beträchtlichen Schäden am Netzteil, daher sind hier Maßnahmen wie Durchfluss- und Abflusstemperaturauswertung zur Vermeidung von Ausfällen sehr wichtig.
Dabei wirken in dem Bore
(Lexel88 an Kathodenbellowübergang gebrochen)enorme Temperaturen, um das Plasma zu erzeugen, die Abwärme wird bei modernen Plasmaröhren durch eine Berylliumoxid Keramik abgeführt, dabei wirken enorme Energiemengen auf eine sehr kleine Fläche ein. Die Wärme eines SP 171
von ca. 50kW unter Vollast wird dabei auf ca. 750cm² an das Wasser abgeführt. Zum Vergleich die Wärmeabgabe der Die-Fläche in einer modernen CPU wie Athlon 64 X2 ist fast identisch. Die Temperaturen betragen dabei ca. 300°C an der Oberfläche und im Rohr sogar noch viel mehr. Jedoch sind sogenannte Glasröhren wie SP171 ein Extrem, normale BeO-Keramikröhren müssen nur etwa die Hälfte und weniger aushalten.Um die Leistung des Lasers nocheinmal zusätzlich zu steigern, wird ein Elektromagnet benutzt, um den Stromfluss durch das Plasma zur Mitte hin einzuengen, dabei wird ca. 500-2kW Energie benutzt um das Magnetfeld zu erzeugen, sogar der Magnet selbst muss daher vom Wasser gekühlt werden, ein typischer Aufbau einer Keramikröhre am Beispiel von Lexellaser ist im Bild und Grafik zu sehen.
Ionen-Laser von LEXEL Mod. 95 Wassergekühlt.
2. Luftgekühlte Gas-Ionen-Laser:
Etwas unspektakulärer geht es da bei kleineren Typen zu, die noch mit Luft gekühlt werden können. Allerdings gibt es hier einiges zu beachten.
Beim Starten sollte man deutlich über dem Standbystrom einstellen, wenn der Laser nun gezündet hat den Strom wieder auf ca. 4-5A Idlestrom runterdrehen.
Das wichtigste bei Luftgekühlten Lasern ist beim Betrieb die Arbeitstemperatur langsam zu erreichen und wieder nach Vollastbetrieb vor dem Ausschalten langsam im Standby einige Minuten zu senken. Grund dafür ist, dass das Bore in den Kupferkühler eingefasst ist und die Metall- und Glas-Keramikübergäne unterschiedliche Wärmeausdehnungen haben. Durch einen schnellen Temperaturwechsel enstehen so Spannungen, die zu Haarrissen in der Keramik und insbesondere an den Übergängen zu Metall oder Glas bilden können, was über viele Zyklen zur Zerstörung des Lasers führen kann. Auch ist ein Nachlaufen des Lüfters beim Ausschalten wichtig, da sonst das Bore viel heißer als normal wird und dadurch mechanische Spannungen wie beim zu schnellen hochfahren entstehen, jedoch nur 1-2Minuten, damit das Rohr nicht zu stark abgekühlt wird. Die restliche Wärem sollte langsam auskühlen.
Daher sollte man die Röhre wenn man den Laser mal bis zu 1 Stunde nicht braucht nur in Standby laufen lassen, damit man so wenig wie möglich Stress für die Röhre hat.
Wichtig ist auch, dass die Röhre am besten beim 1. Startimpuls zündet, da jeder Startimpuls die Kathode belastet.
Weiteres dazu auf http://www.repairfaq.org/sam/laserarg.htm#argmlh
viewtopic.php?t=39727
Ionen-Laser luftgekühlt unpolarisiert.
ALC60B Röhre mit Brewster, daher polarisiert.
© HB-Laserkomponenten
Gruß Stefan
P.S. Wer Fehler findet, Anmerkungen hat, wer was schlecht ausgedrücktes findet oder nur Rechtsschreibfehler findet soll halt einfach posten oder mir ne PM schreiben.
Originaltext: http://www.lexellaser.com/techinfo_gas-ion.htm
Copyright:
CAMBRIDGE LASERS LABORATORIES, INC.
LEXEL LASER
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510-651-0110 tel · 510-651-1690 fax
E-mail to: info@lexellaser.com
Website support: webmaster@lexellaser.com
Übersetzt und etwas ergänzt von:
Stefan Vendel
Ringstraße 1
06179 Teutschenthal OT Zscherben
Nur wohl noch immer nicht dazugekommen, es auf laserfreak einzubinden...
