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Waffensystem zur Ortung und Bekämpfung ruhender oder bewegter Objekte.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Waffensystem zur Ortung und Bekämpfung
ruhender oder bewegter Objekte, vorzugsweise mit Überschallgeschwindigkeit fliegender
Flugkörper.
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Bisher sind Waffensysteme bekannt, bei denen Ortungsgeräte mit gesonderten
Bekämpfungsgeräten in beiwpielsweise Nachführsystemen gekoppelt sind. Als Ortungsgeräte
werden für diese Zwecke vorwiegend Radarsysteme im Mikrowellenbereich verwendet.
Infolge der verhältnismäßig großen Wellenlänge ist allerdings hier eine Ortung von
Objekten nur relativ ungenau möglich, da bekanntlich die Ortungsempfindlichkeit
eine Funktion der Wellenlänge ist, welche in den bekannten Fällen im verhältnismäßig
hohen Zentimeter-Bereich liegt.
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Ferner ist es bei den bekannten Systemen zur Ortung erforderlich,
daß für die Richtungibündelung der Radarstrahlung große und schwere Reflektoren
verwendet werden müssen, da der Reflektordurchmesser proportional zur Wellenlänge
der verwendeten Strahlung dimensioniert werden muß. Diese Ortungsgeräte sind nun
über Rechner und Fernleitsysteme etc. mit Zielbekämpfungsgeräten, wie beispielsweise
Raketenabschußeinheiten, Geschützen usw. verbunden. Die Daten der Ortung steuern
hierbei die einzusetzenden Waffen. Diese bekannten Waffensysteme sind mit zahlreichen
Mängeln behaftet. Allein schon der große technische Aufwand führt zu einer starken
Beeinträchtigung der Flexibilität des Waffensystems. Die Maßnahmenzur einheitlichen
und synchronen Funktionsfähigkeit der voneinander völlig verschiedenen Geräten,
einmal für die Ortung und zum anderen Mal für die Bekämpfung, sind sehr umfangreich
und kostspielig.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Waffensystem zu schaffen,
dessen Gerät zur Ortung gleichzeitig auch als Bekämpfungsgerät herangezogen werden
kann. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein CO2-Infrarot-Laser in Aungangswellenbereich
von 8 - 11mit verminderter Ausgangsleistung in Verbindung mit einem Detektor, einem
geeigneten optischen System und einem Rechner, eine Ortungseinheit zur Erfasungl
Erkennung und Bahnbestimmung ruhender oder bewegter Objekte über große bis geringe
Entfernungen und mit voller Ausgangs leistung eine vom Rechner gesteuerte Bekämpfungswaffe
bildet. Zur Erreichung einer hohen Ausgangsleistung wird der CO2-infrarot-Laser
zusätzlich zum Kohlendioxyd mit Gaszusätzen, beispielsweise Helium oder Stickstoff,
betrieben und zum Verändern der Wellenlänge noch Zusätze von seltenen Kohlenstoff-
und Sauerstoffisotopen beigegeben werden, wodurch man in Bereiche extrem niedriger
Absorption der Atmosphäre gelangt.
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Diese Maßnahmen führen zu einer wesentlichen Vereinfachung des gesamten
technischen Aufwandes des Waffensystems, erhöhen bedeuteud die Einsatzschnelligkeit
und die Wirkung und vermeiden außerdem die bisher auftretenden Fehlerquellen, die
u.a. besonders in der Unterschiedlichkeit der einzelnen Gerate zur Ortung und zur
Bekämpfung zu suchen sind.
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Im einzelnen schlägt nun die Erfindung vor, daß der Infrarot-Laser
aus einem gefalteten, optischen System besteht, bei dem zur Verminderung der Ausgangsleistung
die Möglichkeit besteht, nur einen kleinen Teil des Systems einzusetzen1 während
bei Volleistung sämtliche Entladungsstrecken zündbar sind. Diese Maßnahme gestattet
eine kleinere Baugröße und erhöht die Flexibilität im Einsatz des gesamten Waffensystems.
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Um nun die hochenergetische Strahlung eines auf voller Ausgangsleistung
arbeitenden Lasers in dem erfindungsgeäOen Waffen system verwenden zu können, schlägt
die Erfindung vor daß zur
Kühlung des als Lasergas zur Verwendung
kommenden Gasgemisches flüssige Gase, beispielsweise flüssige Luft oder Gasflüssig
keitsgemische verwendet werden und die Spiegel des Infrarot-Laser-Resonators durch
flüssiges Gas oder Gasflüssigkeitsgemische gekühlt werden.
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Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dan der Infrarot-Laser
mit einer Doppelzylinderkathode undXoder -anode versehen ist und zur Erhöhung der
Infrarot-Laser-Ausgangsleistung Spiegel aus mit geeignetem Material, vorzugsweise
mehrschichtige Dielektrika, bedampftem Metall verwendet werden.
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Um nun die volle Laser-Ausgangsleistung überhaupt einsetzen zu können
sieht die Erfindung vor, statt des bisher üblichen Strahlenausgangsf@n@ters des
Infrarot-Lasers ein bestimmt dimensioniertes Druckabfallrohr am Strahlenausgang
anznordrer und eine Pumpe zur Absenkung des Gasdrucks von der @@weltatmosphäre bis
zum Laser-Ros@@@ter-Dr@ck an einen Pumpstutzen am Druckabfallrohr anzuordnen.
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Als weitere Maßnahme zur Verwendung der vollen hochenergeti schen
Ansgang@@trahlung schlägt die Erfindung vor1 dem Infrarot-Laser einen hoch reflektierenden,gekühlten,
ro@erenden Spiegel zur Strahlaufweitung zuzuordnen. Durch diese Maßnahme wird die
hohe Energiedichte am Ausgang des Lasers herabgesetzt und die Flächonbelastung des
Sendespiegels bedeutend vermindert.
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Als weitere spezielle Maßnahme zum vorteilhaften Einsatz eines CO2-Infrarot-Lasers
in einem Waffensystem sieht die Erfindung vor, daß die geometrische Lage der Achse
des Rotationsspiegels zur Achse des Lasers mittels Stellantriebe in drei Dimensionen
veränderbar ist. Ferner daß zur weiteren Veränderung der Brennweite und Strahlrichtung
des Infrarot-Lasersyatems ein parabolischer kühlbarer Sendespiegel angeordnet ist,
des@en Achsenlage im Maum on einem Rechner in drei Dimensionen zusammen mit dem
Rotationsspiegel veränderbar ist
Erfindungsgemäß setzt sich das
Waffensystem aus einem Infrarot-Laser, einem Rotationsspiegel und einem Parabolspiegel
als Sendesystem zusammen, dem als Empfangssystem eine Einheit, bestehend aus Empfangsspiegeln,
Detektor und Verstärker, gekoppelt mit einem Rechner zugeordnet ist, wobei der die
Energieversorgung des Infrarot-Lasers steuernde Rechner gleichzeitig die Spiegel
des Sende- und des Empfangssystems steuert und außerdem der Infrarot-Laser bei Zielerfassung
und Fokussierung des Systems auf das Zielobjekt von diesem Rechner automatisch auf
volle Leistung geschaltet wird, Diese Maßnahmen führen zu einer Synchronisierung
der einzelnen Elemente des gesamten erfindungsgemäßen Systems ohne daß zusätzliche
Steuerungselemente erforderlich sind. Die nötigen Zeiten werden dadurch wesentlich
verkürzt.
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Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß zur Ortung
ein kleiner dimensionierter vom Rechner gesteuerter Infrarot-Laser mit geeignetem
Sendesystem verwendet wird und zur bekämpfung der ermittelten Ziele ein zweiter
geeignet starker Infrarot-Laser, der vom gleichen Rechner gesteuert wird, Verwendung
findet.
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Für die Fälle, in denen besonders hohe Auanslistungen verlangt werden,
sieht die Erfindung vor, daß dem Infrarot Laser mehrere Verstärkerstufen nachgeschaltet
werden.
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Die Erfindung ist nachfolgend beschrieben und gezeichnet, so daß auch
hieraus weitere Vorteile und Plaßnahmen der Erfindung entnommen werden können. Es
zeigen: Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild des gesamten erfindungsgemäßen
Waffensystems, Fig. 2 einen gefalteten Laser-Resonator in schematischer Darstellung,
Fig. 3 den schematischen Aufbau eines Lasers mit Druckabfallrohr,
Fig.
4 den schematischen Aufbau eines Lasers mit Verstärkerstufen.
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Ein ruhendes oder bewegtes Objekt wird durch das Infrarot-Radarsystem,
das sich zusammensetzt aus dem mit verminderter Leistung betriebenen Laser 100,
110, 210, dem Sendespiegelsystem 11114 und dem Empfangsspiegelsystem 12,13, das
mit einem Rechner 40 gekoppelt ist, welche wiederum das Sendesystem 10 nach don
Meßwerten des Empfängers 20 steuert, erfaßt. Hierbei wird die Raumwinkelortung des
Objekts durch die Raumlage des Sende- und Empfangssystems durchgeführt und die Entfernung
des Objekts durch eine Laufzeitmessung des Laserlichtes bestimmt, die vorzugsweise
durch eine Modulation des Ausgangsstrahles mit einer Zeitfunktion und einem Vergleich
der empfangenen Funktion mit der Modulationsfunktion bewerkstelligt wird.
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Um einen besonders günstigen Ausgangswellenbereich zwischen 8 und
11 An zu erhalten, wird ein CO2-Gaslaser verwendet, dessen Lasergas vorzugsweise
seltene Kohlenstoff- oder Sauerstoff Isotope enthält, die von einem solchen Laser
ausgesendete Wellenlänge wird in der Erdatmosphäre, auch wenn diese verstärkt Wasserdampf
und Kohlendioxyd, sowie Staub und andere Partikel enthält, außerordentlich gering
gestreut und absorbiert. Der verwendete Infrarotlaser 100, 110, 210 dient gleichzeitig
zur Ortung, wie auch zur Bekämpfung. Dieser Laser, vor allem wenn dessen aktives
Gas durch Zusätze von Stickstoff, Helium etc.
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in seinem Anregungs- und Kühlmechanismus verbessert wird, zählt zu
den Laseranordnungen, die eine höchstmögliche Leistungsabgabe erlauben. Dies wird
erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, daß das Laserrohr durch flüssige Gase und Flüssigkeitsgasge
mische, beispielsweise durch flüssiges IIelium oder fliissigem Stickstoff besonders
gut gekühlt wird, um so das aktive Gas auf niederen Temperaturen zu halten und so
eine größere Ausbeute für die Laserstrahlung zu erreichen.
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In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sendet der mit niederer
Energie betriebene Laser 100 Infrarotstrahlung ab, die über ein Spiegelsystem, bestehend
aus einem gegebenenfalls schon rotierenden Rotationsspiegel 14 und einem l'arabolspiegel
11 auf den zu beobachtenden Raum gelenkt wird. Die Brennweite des Spiegelsystems
und somit die Divergenz oder Konvergenz des das System verlassenden infrarotlichts,
wird durch die Lage des Rotationsspiegels 14 zur Laserachse und zur Achse des Parabolspiegels
11 bestimmt. Hierbei wird das Spiegelsystem von einem Rechner 40 gesteuert. Befindet
sich nun in dem Raum ein Zielobjekt, so reflektiert dieses einen Teil der einfallcnden
Strahlung. Pliervon fällt wieder ein Teil auf den Empfangsparabolspiegel 12, der
diesen Anteil über einen Ililfsspiegel 13 auf einen Infrarotdetektor 21 lenkt, der
so eingestellt ist, daß die Untergrundstrahlung unterdrückt wird und er nur anspricht,
wenn sich ein Objekt im Zielraum befindet. Durch Änderung der Brennweite und Bewegung
über die Raumwinkelkoordinaten des Empfangsspiegelsystems 20 und durch die Bestimmung
der Entfernung des Objekts vom Ortungssystem mit Hilfe einer Laufzeitmessung des
Laserstrahles, kann der elektronische Rechner 40 das Zielobjekt im Raum sofort bis
zu einer gewissen Genauigkeit orten und dessen Bahn bestimmen. Daraufhin steuert
der Rechner 40 das Sendesystem 10 bis der Brennpunkt des Sendesystems in ausreichender
Kleinheit des BIennfleckdurchmessers auf das Zielobjekt eingestellt ist.
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Dieser Vorgang wird vom Empfangssystem 20 ständig überwacht und dadurch
das Sendesystem 10 vom Rechner 40 laufend korrigiert bis Ortsmessung und Bahnmessung
des sich gegebenenfalls bewegenden Objekts mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt
sind und sich mit der Spiegelnachführung und Einstellung der Brennweite des Systems
decken. Zur Vermeidung der Erfassung von eigenen Objekten kann diesen eine Kennung
beigegeben werden, die daraus besteht, daß eigene Objekte ständig eine Frequenz
aussenden, die vom Empfangssystem 20 erkannt wird und vom Rechner 4O nach
Erfassung
und Überprüfung als Zielobjekt nusoeschieden werden.
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Beispielsweise kann in solchen Fällen das Signal des Rechners 40 zur
Abgabe dor Ausgangsvolleistung des Infrarot-Lasers 100, 110, 210 blockiert werden.
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Nnch der Erfassung eines fremden bzw. zu bekämpfenden Objekts und
dessen Standorts- und Bahnermittlung, sowie nach erfolgter Einjustierung des Laser-Sendesystems
10 und der Linschaltung der Rotation des Rotationsspiegels 14, wird der lnfrarot-Laser
100 vom Rechner 40 auf volle Leistung geschaltet, beispielsweise von 10 kW-Leistung
bei Ortung auf 10 MM im Dauerstrichbetrieb, oder auf noch höhere Leistung im Impulsbetrieb
bzw. (-switch-Betrieb. Bei Verwendung eines Rotationsspiegels für den Q-switch-Betrieb
kann die Leistung beispielsweise von 10 AN auf mehr als 100 an; gesteigert werden
Diese Ausgangsleistung nber reicht bei genügender Nachfokussierung durch das Sendespiegelsystem
10, dessen Parabolspiege@durchmesser 11 den kleinsten Brennfleckdurchmesser begrenzt,
aus. um alle denkbaren Materialien auch bei großer Wandstärke und über große Entfernungen,
beispielsweise 100 km, in Sekundenbruchteilen im Brennfleck zu schmelzen bzw. zu
verdampfen.
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Da sich die Ausgangsstrahlung des Lasers 100 mit Lichtgeschwindigkeit
in den Raum fortpflanzt, können auch sehr weit entfernte Zielobjekte schon nahezu
unmittelbar nach dem Erkennen mit außerordentlicher Geschwindigkeit verni@@tet werden,
während bei nllen bisherigen Sstemen z.B. Raketenabwehrsystemen die Zeitdauer zwischen
Ortung und Bahnbestimmung und dem Start der Rakete und deren maximale Geschwindigkeit
die Zeitdauer bis zur Vernichtung des feindlichen Objektes verhältnismäßig groß
werden ließen. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichtes ist um einen Faktor
von mindestens 105 größer als die Geschwindigkeit der Rakete und daher ist ein wesentlich
kürzerer Zeitraum zwischen Ortung, Bahnbestimmung und Vernichtung des feindlichen
Objektes
durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen gegeben.
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Gleichzeitig wird ermöglicht, daß z.B. auch eine Mehrzahl anfliegender
feindlicher Objekte schon weit vor den Grenzen des eigenen Landes geortet und vernichtet
werden können.
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Um das erfindungsgemäße System von störanfälligen elektrischen Versorgungsnetzen
unabhangig zu machen, sieht die Erfindung vor, einen Reaktor 30 mit genügend hoher
Ausgangsleistung - beispielsweise 1 GW - dessen Energie beispielsweise über Dampfturbinen
oder MHD-Generatoren 31 in elektrische Energie umgesetzt wird, als Energiequelle
zu vcrxfenden.
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Um die nötige Ausgangsonergie von 1 W zu erreichen, ist es erforderlich,
das Laserentladungsrohr sehr lang zu dimensionieren. Um jedoch eine relativ kurze
Gesamtbaulänge zu erreichen, ist es günstig, ein gefaltetes System einzusetzen.
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Die Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel. Bei dem gefalteten
optischen Lasersystem kann jeweils jedes Laserrohrteilstück als Entladungsstrecke
50 verwendet werden und so durch Zündung verschiedener Anzahlen von Entladungsteilstrecken
50, neben der kompakten Bauweise, auch eine in gewissen Stufen variable Ausgangsleistung
erzielt werden, je nach dem, ob 2, 3, 4 etc. der Entladungsteilstrecken 50 gezündet
werden.
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Die Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau eines solchen Laser systems.
Das Resonatorgehäuse mit seinem Strahlaustrittsfenster 58 umschlient sogenannte
Entladungsteilstrecken 50, die von Gasstromführungswänden 51 begrenzt und an beiden
jeweiligen Inden mit Spiegeln 52 versehen sind. Am Anfang des Gesamtsystems ist
eine IlAuptAnode 54, vorzugsweise eine Doppelzylinderanode angeordnet, der am Ende
der Entladungsteilstrecke 50 eine Zwischenkathode 56 zugeordnet ist. Letzterer wiederum
ist eine Zwischenanode 55 am Ende der nächsten Entladungsteilstrecke 50 zugeordnet
und so fortlaufend bis zur llauptkathode 53 am Strahlenauskoppelfenster
57.
Die Zwischenanoden 55 bzw. Zwischen kathoden 56 können ebenfalls in Doppelzylinderausführung
gestaltet sein.
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Als weiterer Vorteil dieser Ausführungsform zählt die Kühlung zur
Erreichung niedriger Wandtemperaturen des Laserentladungsrohres, die technisch durch
diese Ausführung leichter zu lösen ist.
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Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel von einem Laser,bei dem das
sonst übliche Austrittafenster 58 für die Laserstrahlung durch ein offenes Rohr
60 für den Druckabfall von der Umweltatmosphäre mit z.B. 760 Torr bis zum Laserresonatordruck
mit z.B. ca. 10 Torr ersetzt ist, um so die Absorption im Fenstermateral zu vermeiden.
Hierbei wird ein nach strömungstechnischen Berechnungen in lichter Weite und Länge
bestimmtes beidseitig offenes Rohr 60 verwendet. An dieses Druckabfallrohr 60 ist
in der Nähe des laserresonatorseitigen Endes ein Pumptstutzen 71 mit einer Pumpe
70, die eine große Saugleistung aufweist, angeschlossen. Diese Pumpe 70 erzeugt
eine hohe Gast geschwindigkeit zwischen der Umweltatmosphäre und dem Pumpstutzen
71. Bei geeigneter Pumpleistung erniedrigt sich durch den Strömungswiderstand im
Druckabfallrohr 60 der AtmosphArendruck am außenweltseitigen Ende 59 bis zum laserseitigen
Ende 58 auf mindestens den Arbeitsdruck, der im Laserresonator herrscht. Hierdurch
wird vermieden, daß Außenluft in den Resonator eindringt und die Leistung des Lasers
210 verschlechtert.
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Diese erfindungsgemäne Ausbildung ergibt einen fensterlosen Laser
210, der infolge des in der Rohrmündung stehenden Gastropfens 72 keine Verluste
durch Absorption deg Laserlichtes beim Verlassen des Resonators zuläßt. Der Gaspfropfen
72, der aus einem Gas mit,im Wellenlängenbereich des Lasers, hoher Transparenz besteht,
beispielsweise StickEDff, wird durch einf Gasausströmvorrichtung 73 vor der Öffnung
59 des Druckabfallrohres 60 im Zusammenhang mit der Pumpe 70 erzeugt. Eine
Streuung
des Laserlichtes an den mit hoher Geschwindigkeit im Druckabfallrohr 60 strömenden
Gases tritt bei geeigneter Wahl des Gases zur Wellenlänge des Lasers, in dem Gaspfropfen
72 des strömenden Gases nicht oder nur unbedeutend auf.
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Unter die Erfindung fallen auch alle Anordnungen, die in kleineren
Baudimensionen und verringerter Ausgangsleistung auf bewegliche Fahrzeuge oder auch
in stationären Einbauten angeordnet sind und zur Bekämpfung von Nahzielen eingesetzt
werden.
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Hierbei kann auf eine Infrarot-Radarortung gegebenenfalls verzichtet
werden und es können die Geräte für Sichtortung bzw. Mikrowellenortung eingesetzt
werden. Die Sichtortung hat allerdings den Nachteil der großen atmosphärischen Dämpfung
und Absorption. Bei Wolkenschichten ist mit einem Versagen schon über geringe Entfernungen
zu rechnern. Die Radarortung hat den Nachteil, daß sie durch die große Wellenlänge
auch bei Verwendung großer Sendereflektoren evtl. nicht genau genug ist.
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Gleichermaßen fallen auch jene Anordnungen in den Schutzbereich der
Erfindung, bei denen sowohl senderseitig, als auch empfängerseitig die Spiegel 11,
12 ruhen, und nur der llilfsspiegel 13 und der Rotationsspiegel 14 vom Rechner 40
in drei Dimensionen bewegt werden.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel steuert der Rechner 40 über Stellantriebe
16, 17 die Parabolspiegel 11, 12, während der Rotationsspiegel 11s über den Stellantrieb
15 gesteuert wird und seine Steuerimpulse ebenfalls vom Rechner erhält. Aber auch
der Ililfsspiegel 13 kann mit einem gesonderten - nicht gezeichneten - Stellantrieb
versehen sein.
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Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur weiteren Erhöhung der
Lasersystemausgangsleistung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß einem Infrarotlaser
100 Verstärkerstufen 80 nachgeschaltet sind, welche vorzugsweise aus spiegellosen
Entladungsstrecken
bestehen, die vorzugsweise mit der gleichen
Gasmischung wic der Laser selbst, betrieben werden. Der Vorteil liegt darin, daß
die Laserspiegel 52 mit geringerer Flächenbelastung beansprucht werden und durch
Verstärkung der Laserlichtintensität in den nachfolgenden Stufen eine schr hohe
Ausgangsleistung erreicht wird. Das auf die Verstärkerstufen 80 fallende Laserlicht
wird durch stimulierte L'mission verstärkt.
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Es gestellt die Möglichkeit nach diesem Verfahren eine Reihe von Verstärkerstufen
80 einem Laser 100 nachzuschalten und dadurch die Leistungsgrenze, die bei einem
einzigen Laser ohne Verstärkung durch Spiegelbelastung und Wärmeentwicklung gegeben
ist, In einem wie oben beschriebenen Lasersystem zu überschreiten.