DE19516791A1 - Lasersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem. Insbesondere betrifft die Erfindung Anregungs- und optische Extraktionssysteme für Lasersysteme mit hoher und niedriger Leistung, die durch Gas­ entladung angeregt werden. Speziell bezieht sich die Erfin­ dung auf Laser mit Mehrkanalanordnung und Lasersysteme mit Radialanordnung.

Hintergrundinformation und Zusammenfassung der Erfindung

Der heutige Trend in der Technologie der Hochleistungslaser wendet sich ab von Gastransportvorrichtungen, die durch schnelle axiale oder transversale Strömung konvektiv gekühlt sind, zu strömungsfreien, durch Diffusion gekühlten Systemen. Die Vorteile des Überganges von konvektiver Kühlung zu Diffusionskühlung beruhen auf einer bedeutenden Minderung der Größe, Komplexität und Kostenaufwand der Geräte.

In der wissenschaftlichen und Handelsliteratur neu erschienene Forschungs- und Entwicklungsergebnisse haben in diesem Zusammenhang nachgewiesen, daß eine neue, einfache, kompakte und relativ wenig aufwendige Generation der durch HF-Energiequellen angeregten CO₂-Lasersysteme durch die Aufnahme von diffusionsgekühlten Entladungsstrukturen mit erweiterter Fläche und schmalem Abstand, verwirklicht werden kann.

Die jüngsten, erweiterten und verlängerten Darstellungen dieser Einzelspalt-HF gesteuerten Vorrichtungen, generisch als Plattenentladungslaser bekannt, haben eine "bei 10.6 Mikron eingeschlossene" Leistung von einigen Watt bis zum kW-Niveau erzielt, mit Vorrichtungen, die um eine Größenordnung kleiner sind als konventionelle Gastransportmaschi­ nen.

Eine weitere Steigerung der Ausgangsleistung durch zusätzliches Verbreitern der einzelnen Platten hat sich als problematisch erwiesen, nicht nur wegen Schwierigkeiten mit Impedanzanpassung und der gleichmäßigen Verteilung der HF-Leistung innerhalb dieser Ver­ stärkungsmedien mit einer einzigen Elektrode, die eine vergrößerte Fläche hat, aber auch weil die erhöhte Strahlenleistungsdichte, die den einzelnen, sehr breiten Platten eigen ist, für die Spiegel und Fenster unhandlich wird.

Ein zusätzliches, lästiges und kostspieliges Problem, das beim Einsatz von Vorrichtun­ gen mit sehr breiten Platten auftritt, ist die thermische Verzerrung des Verstärkerkanals mit begleitender Modeninstabilität, die durch eine einseitige Elektrodenheizung und Kühlung verursacht ist. Die progressiv ansteigende Strahlenbündelasymmetrie und Uneinheitlichkeit, die mit den viel breiteren Entladungsstrukturen verbunden sind, verringern weiter die Leistung des Lasers für industrielle Präzisionsvorgange, wie Schneiden und Schweißen.

Die obengenannten Tatsachen haben wiederholt klargestellt, daß das Erzielen einer Ausgangsstrahlung von hoher Qualität, die bei einem Niveau von mehreren Kilowatt liegt, mit diffusionsgekühlten Geräten mit sehr breiten Platten nicht zu erzielen ist. In diesem Zusam­ menhang hat es sich glücklicherweise gezeigt, daß die Beschränkung der Ausgangsleistung des Einzelplatten-Lasers durch die Annahme des Konzepts einer gruppenangeordneten Anregung und optischer Extraktion beseitigt werden kann. Diese Technik beruht auf einem Multi-Ver­ stärkungskanalentwurf, in welchem eine große Anzahl von in schmalem Abstand liegenden Entladungseinrichtungen in ein einziges gruppenangeordnetes optisches System eingebaut ist. Wenn die einzelnen Strahlenkleinbündel, die aus einer Gruppenordnung von N Laserkanälen besteht, zu einem einzelnen Bündel kombiniert oder gestapelt werden, bekommt man ein System, das N mal die Durchschnittsausgangsleistung erbringt. Auf diese Weise kann eine zusätzliche Reduktion der Lasergröße oder Leistungssteigerung um eine Größenordnung pro Volumeneinheit erzielt werden. Wenn die individuellen Laser einer solchen Gruppenanordnung in einer Phase gekoppelt sein können, wächst die fokussierte Intensität ( Helligkeit) des zusammengefügten Strahls wie N².

HF-angeregte Gruppenanordnungen mit Phasenkopplung

Eine bedeutende Herausforderung in der Technologie der gepumpten kleinabstand, diffusionsgekühlten Gasentladungslaser war der Entwurf der Anordnungsformen der Multikanal­ laser, die mit einer wirksamen Verteilung der HF-Leistung, Strahlenstapelung und Kopplung in eine Phase im Einklang sind. Obwohl lineare, ein- und zweidimensionale, Gruppenanordnun­ gen kürzlich untersucht wurden, ist deren Ausgangsleistung infolge von Problemen mit Bündel­ stapelung und Phasenkopplung nicht besonders wünschenswert.

Radiale Gruppenanordnung

Eine Darstellung dieser Lösung mit einer Multikanalanordnung, die eine radiale Geometrie hat und als Zodiac (radial array) Laserstruktur bezeichnet und in meinem US Patent # 5,029,173 dokumentiert ist, scheint dank der mühelosen Herstellung, HF-Leistungsverteilung und Phasenkoppelung höchst wünschenswert zu sein. Die kompakte und voll symmetrische Geo­ metrie beseitigt temperaturabhängige, mechanische Instabilitäten der HF-Anregung wie auch der Subsysteme zur Extraktion der optischen Energie.

Kleinausmaß Versuche zum "Konzept-Beweis" haben eine vorzügliche Leistung in Schneideapplikationen bewiesen. Ausgezeichnete Leistung konnte auch ohne Phasenkopplung erreicht werden, dank einer bedeutenden Steigerung der Symmetrie des Ausgangsstrahls und Minderung der Größe des fokalen Flecks, die dem günstigen Stapelungsphenomenon des Radialbündels zuzuschreiben ist.

Man glaubt, daß dieses Konzept auch auf riesig hohe Durchschnitts- und pulsierte Leistun­ gen, möglicherweise bis zu Hunderten von Kilowatt, mit außergewöhnlich kleinen und geschlossenen Ausführungen ohne bewegliche Teile, erweitert werden kann.

HF-Anregung der Radialanordnung

Ein Objekt dieser Patentanmeldung beruht also auf dem Hereinbringen der leistungs­ fähigen und preiswerten Erweiterung des Grundkonzepts einer Multikanalanordnung in die Sphäre der Hochleistungslaser. Dies wird erreicht durch die Ausnutzung der Techniken des elektromagnetischen Resonanzraums für eine integrierte Leistungserzeugung, Leistungsvertei­ lung und Impedanzanpassung der HF-Energie an eine Mehrzahl von Elektroden in einer Gruppenanordnung mit beliebiger Geometrie und besonders für die radiale Geometrie, die für ein Lasersystem in Radialanordnung typisch ist.

Extraktion der optischen Energie einer radialen Gruppenanordnung

Dieser Zutritt spezifiziert auch den Einsatz eines BEUGUNGS-GEKOPPELTEN, STA- BILEN RESONATORS und eines HYBRIDEN-RESONATORS zur Extraktion der optischen Energie. Diese neue, auf dem stabilen Resonator aufgebaute Technik der optischen Extraktion, kann auch für andere HF-angeregte Plattenlaser eingesetzt werden, entweder mit Einzelkanal- oder mit Multikanal-Verstärkungsanordnungen, die ein Wellenleiter- oder Nicht-Wellenleite­ mode der Strahlenausbreitung unterstützen und eine Mehrzahl von Laser- Gasgemischen, wie CO₂, CO und Excimer benutzen. Diese optischen Konzepte sind auch für flüssige und feste Laserverstärkermedien benutzbar, die von Strobolicht oder LED Anordnungen gepumpt sind.

Im Einklang mit einem Aspekt der Erfindung ist also ein Lasersystem angeboten, das aus mehreren Verstärkungskanälen vom Plattentyp gebildet ist. Die Energiequelle zur Anregung der laseraktiven Medien ist an die Verstarkungskanäle durch die Anwendung eines Resonanzkreises vom Hohlraumtyp gekoppelt, der an jeden von den Verstärkungskanälen angepaßt wird.

In einer Patentdarstellung sind die Verstärkerkanäle mit Paaren von Elektroden begrenzt, die Schmalabstand- Gasentladungsbereiche bestimmen und wo jedes Paar von Elektroden eine Ausbreitungslinie bildet. In einer anderen Darstellung bilden die zahlreichen Verstärkungskanale eine Radialanordnung, die eine gemeinsame zentrale Achse besitzt und deren Resonanzkreis eine Symmetrieachse hat, die mit der gemeinsamen zentralen Achse über­ einstimmt. Der Resonanzkreis kann einen Resonanzraum bilden, der sich zwischen den inneren und äußeren zylindrischen, elektrischen Leitern befindet. Eine solche Darstellung enthält, vorzugsweise am Ende jedes Entladungskanals, eine Vorrichtung zum Rückkoppeln der elektri­ schen Energie in den Hohlraum und zum Ermöglichen einer impedanz-angepaßten Beendigung der durch die Elektroden gebildeten Ausbreitungslinien. Dadurch wird eine durch die Erregung der Elektroden gebildete, wandernde Welle erzeugt. Zur Kopplung der Energie aus dem Hohlraum an die Elektroden werden vorzugsweise magnetische Schleifen in den Resonanzraum eingebracht und elektrisch an die Elektrodenpaare angeschlossen.

In einer weiteren Darstellung ist der Resonanzkreis mittels einer Mehrzahl von elek­ trisch leitfähigen Streifen gebildet, wobei jeder Streifen eine Streifenleiter-Anregungsquelle darstellt.

Die Quelle der Laser-Anregungsenergie besteht vorzugsweise aus einem Paar von koaxialen, mehrfach zusammenhängenden, kapazitiv geladenen, konzentrischen Hohlraumresona­ toren, und einer Vakuumröhre, die mit dem Inneren des Elektrodenpaares der koaxialen, mehrfach zusammenhängenden, kapazitiv geladenen, konzentrischen Hohlraumresonatoren elektrisch verbunden ist, wodurch ein HF-Oszillator gebildet wird, der entweder an einem Ende der Hohlraum-Resonanzschaltung angebracht, oder an der Seite des Hohlraumresonators unter Bildung eines T-Anschlusses befestigt ist. Wenn die Quelle an der Seite des Hohlraumresonators befestigt ist, kann sie aus einer Mehrzahl von an der Seite der Hohlraumresonanzschaltung befestigten Vakuumröhren gebildet werden. In einer noch anderen Darstellung, beinhaltet die Laser-Anregungsenergiequelle eine toroide (ringförmige) Vakuumröhre, die sich innerhalb des Hohlraumkreises befindet und sich um den Umfang der radialen Anordnung ausdehnt.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Nun werden bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben, mit Referenz zu Abbildungen als Beispielen in welchen die gleichen Referenznummern in den Abbildungen ähnliche Merkmale bezeichnen.

Abb. 1. ist ein schematischer Querschnitt einer radialen Anordnung eines 24spaltigen Elektrodensystems, gekennzeichnet durch metallische Preßmantelelektroden, die mit mehreren Innenwasserwegen zur effektiven Entladungskühlung versehen sind,

Abb. 2. ist eine perspektivische Teilschnittabbildung einer typischen Multikanalelektrode mit radialer Anordnung für den Hochleistungslaser,

Abb. 3. ist eine Perspektivansicht eines koaxialen, halbwellenlangen HF-Resonanzraums,

Abb. 4. ist eine Perspektivansicht eines kapazitiv geladenen koaxialen Resonanzraums, der mit einem Hochimpedanzeingang für die Suchelektrode in der Mittelfläche und mit Anschlüssen an beiden Enden für die magnetischen Niederimpedanzschleifen versehen ist,

Abb. 5. zeigt äquivalente elektrische Schaltschemen für:
[a] einen kapazitiv geladenen, 1/2 Wellenlänge langen Resonatorraum
[b] einen kapazitiv geladenen, 1/4 Wellenlänge langen Resonatorraum
[c] einen kapazitiv geladenen Resonatorraum in T-Ausführung,

Abb. 5A zeigt fünf typische elektrische Blockschaltungen mit unterschiedlichen Konfigurationen der HF-gesteuerten Magnetschleifen, die man benutzen kann,

Abb. 6 ist eine teilweise aufgebrochene Perspektivansicht eines mit einer Magnetschleife gekoppelten, impedanzanpassenden Resonanzraum-HF-Spannungsteilers für die Anre­ gung einer Multikanal-Elektrodenstruktur, mit einem gemeinsamen optischen Extraktionssystem,

Abb. 7. ist eine schematische Darstellung eines selbsterregten HF-Hochleistungsoszillators, der eine keramische Hochleistungs-Vakuumröhre beinhaltet und durch koaxiale Resonanz­ räume für eine Resonanz von 1/4 Wellenlänge gekennzeichnet ist, die als Anoden- und Gitter-HF-Oszillator Topfkreise dienen, auf eine gemeinsame Frequenz abgestimmt sind, und eine positive Rückkopplung für selbsterregten Betrieb haben,

Abb. 8 ist ein Schema eines mit einer Multikanal-Magnetschleife gekoppelten Lasersystems in Radialanordnung, das von einem äußeren HF-Oszillator mit selbsterregtem Topf­ kreis gesteuert ist,

Abb. 9. ist eine schematische Abbildung eines mit einer Magnetschleife gekoppelten radialangeordneten Lasers, der von einem voll integrierten, selbsterregten HF- Kraftoszillator mit einer in einen doppelten koaxialen HF-Resonanzraum eingebauten Hochleistungs-Vakuumröhre gesteuert wird,

Abb. 10 ist ein schematisches Ausführungsdiagram für einen 10 kW-Laser in Radialanordnung und mit 24 Spalten, der für Versuchszwecke entwickelt wurde und der eine integrierte selbsterregte Quelle mit Multikanal-HF-Leistungsverteilung und ein Impedanzan­ passungssystem enthält,

Abb. 11 ist ein Querschnitt eines 24 Spalten-, 20 kW-Lasers mit Radialanordnung mit breiteren Elektroden, der von einer selbsterregter HF-Kraftquelle gesteuert wird und der einen HF-Resonanzraum, eine Multikanal-Leistungstverteilung und ein Impedanz­ anpassungssystem enthält,

Abb. 12. ist eine teilweise aufgebrochene Perspektivansicht eines Hochleistungslasers in Radialanordnung, der ein integriertes HF-Steuersystem mit vier radial angebrachten HF-Vakuumröhren hat, die parallel betätigt werden um HF-Energie in das gemein­ same Resonanzraum-Leistungstverteilungs- und Impedanz-Anpassungssystem zu speisen,

Abb. 13 ist eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Ansicht eines Hochleistungslasers in Radialanordnung, der ein integriertes HF-Steuersystem enthält, mit einer Mehr­ zahl von kleineren, parallel gesteuerten HF-Vakuumröhren, die koaxial mit dem Leis­ tungsverteilung-Hohlraumsystem eingebaut sind,

Abb. 13B ist eine schematische Querschnittzeichnung eines Hochleistungslasers in Radialan­ ordnung, der eine Mehrzahl von parallel betriebenen kleineren HF-Vakuumröhren enthält,

Abb. 14 ist eine perspektivische teilweise aufgebrochene Abbildung eines Hochleistungslasers in Radialanordnung, der ein integriertes HF-Steuersystem mit einer speziellen, ringförmigen, direkt im Resonanzraum eingebauten Vakuumröhre, enthält,

Abb. 14B ist eine schematische Querschnittwiedergabe eines Hochleistungslasers in Radial­ anordnung, der ein integriertes HF-Steuersystem mit einer ringförmigen, direkt im Resonanzraum eingebauten Vakuumröhre, enthält,

Abb. 15 ist eine schematische Abbildung eines instabilen Resonators für den Einsatz mit einem Radialanordnungssystem, der für eine externe Injektion konstruiert ist,

Abb. 16 ist ein Schema eines ringförmigen Resonators mit einer Mehrzahl von phasenstarren Schleifen, und Möglichkeit für externe Injektion,

Abb. 17 ist ein Schema eines Lasers in Radialanordnung mit einem ringförmigen, gekoppelten konvex-konkaven stabilen optischen Resonator für externen oder phasenstarren Selbstinjektions-Betrieb,

Abb. 18 ist ein Schema eines Lasers in Radialanordnung mit einem irisgekoppelten, stabilen, ringförmigen Resonator für phasenstarren Betrieb mit Selbstinjektion,

Abb. 19 ist ein Schema eines Lasers in Radialanordnung, mit stabilem/instabilem super-rege­ nerativen MOPA Energieextraktionssystem, für phasenstarre Steuerung,

Abb. 20 ist ein Querschnitt einer dreifachen radialen Elektrodenstruktur mit 500 individuellen Verstärkungskanälen,

Abb. 21 ist eine perspektivische Abbildung eines Super-Hochleistungslasers in Radialanord­ nung, mit einer dreifachen Multikanal-Verstärkungsgeometrie, die mit 4 MW Niveau HF-Vakuumröhren, mittels einer Leistungsteilung des koaxialen Resonanzraums und Kopplungssystem mit mehrfachen Magnetkreisen, gesteuert wird,

Abb. 22 ist ein Querschnitt eines Hochleistungslasers in Radialanordnung, mit einem kontinuierlichen, gemeinsamen und als Teil des Elektrodensystems dienendem Preßmantel,

Abb. 23 ist ein Querschnitt eines voll-stranggepreßten Elektrodensystems in Radialanordnung mit gemeinsamen äußeren und inneren Elektrodensegmenten,

Abb. 24 sind Querschnitte verschiedener zusammengesetzter, stranggepreßter Elektro­ denkonfigurationen, die für die Konstruktion von ungewöhnlich kompakten, mediumgesteuerten, radialangeordneten Hochleistungslasern, geeignet sind,

Abb. 25 ist eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Ansicht eines Miniaturlasers in Radialanordnung, der für Multikanal-HF-Leistungsverteilung und Impedanzanpas­ sung an jedes Elektrodensegment Streifenresonatoren benutzt,

Abb. 26 ist ein computererzeugtes Profil der gemessenen Ausgangskleinbündel, die einem 8- spaltigen, radialangeordnetem Lasersystem entstammen,

Abb. 27 ist ein computererzeugtes Profil des kombinierten, gemessenen Ausgangsstrahls, der einem 8spaltigen Lasersystem in Radialanordnung entstammt,

Abb. 28 ist eine computererzeugte Simulierung des für die Geometrie des radial angeordneten Lasers charakteristischen Phenomens der Radialbündel-Stapelung, die den dieser Struktur eigenen Einfluß auf die Glättung und Verschmälerung des Flecks illustriert.

Beschreibung vorgezogener Ausführungen

Das hier diskutierte, HF-gesteuerte Laseranregungs-Grundsystem mit mehrfachen Kleinabstandspalten ist in dem Querschnittdiagram der Abb. 1 dargestellt. Wie in meinem US- Patent 5,029,173 beschrieben, besteht die Vorrichtung aus einer Mehrzahl einzelner diffusionsgekühlter Kanäle, die in einer radialen Gruppenordnung angebracht sind.

Das typische Gerät mit mehrfachen Verstärkungskanälen, abgebildet in Abb. 1 und 2 wird aus dünnwandigen, keilförmigen Elektrodenelementen 10 hergestellt, von denen jedes mehrere innere Wasserwege 12 hat, um effektive Kühlung der nahe aneinander liegenden Schmalabstand-Entladungsbereiche 14 zu erzielen. Diese mit niedrigen Kosten hergestellten Preßmantelelektroden sind an isolierenden Unterstützungsringen 16 innerhalb einer hermeti­ schen Einfassung 18 befestigt. Kühlwasser und HF-Spannung, die zur Erzeugung und Instand­ haltung der mehrfachen Verstärkungskanäle 14 in Abb. 2 benötigt sind, werden individuell, durch eine Mehrzahl von doppelten Wasser- und HF-Rohren 20 gespeist.

Überlegungen über die HF-Steuerung

Um Höchstnutzen und eine maximale Arbeitsleistung einer solchen Lasergeometrie zu verwirklichen, soll vorzugsweise jedes Elektrodenelement 10, das einen einzelnen Schmal­ abstand-Verstärkungskanal 14 definiert, von einer gemeinsamen HF-Leistungsquelle unabhängig und effektiv gesteuert werden. Diese Bedingung folgt aus der Tatsache, daß die Großflächen- Elektroden dieser Laser mit einer höheren Leistung eine niedrige Impedanz vorweisen (typisch 10 Ohm oder weniger). In der radial angeordneten Struktur der Abb. 1 & 2, mit 24 Verstärkungs­ kanälen, sinkt also die effektive parallele Belastung unter 1 Ohm.

Auf der anderen Seite liegt die Ausgangsimpedanz einer typischen Hochleistungs- Oszillatorröhre, die als HF-Energiequelle benutzt wird, zwischen 100 und 200 Ohm. Daher besteht zwischen der HF-Energiequelle und der Belastung der parallelen radial angeordneten Elektroden eine Falschanpassung von zwei Größenordnungen.

Um eine wirksame Übertragung der HF-Energie zu erreichen, ist es daher notwendig diese große Falschanpassung zwischen der Quelle und der Belastung zu kompensieren. Erfahrung hat gezeigt, daß es außergewöhnlich schwierig ist, mit konventionellen Impedanzanpassungs-Schaltungen diese Bedingung zu erfüllen, weil jede Elektrode ihr eigenes, mit niedrigen Verlusten arbeitendes Anpassungsnetz benötigt. Auch wenn HF-Teilerschaltun­ gen mit einer Mehrzahl von Verzweigungsstellen und Impedanz anpassenden Umspannetzen realisierbar wären, würden solche Einrichtungen äußerst unwirksam, teuer und umständlich, also für kommerzielle Ausnutzung nicht geeignet sein.

Multikanal-Umspannung der HF-Leistung

Genau gesagt: dank den hohen Impedanz-Verhältniszahlen und Leistungsniveaus, die hineingezogen werden, müssen wirksame HF-Leistungsverteiler und Impedanz-Umspannetze eine sehr geringe innere Zerstreuung- und Strahlungsverluste haben. In diesem Zusammenhang können Leistung und Wirkungsgrad eines abgestimmten LC-Umspannetzes am besten mittels ihres Gütefaktors Q ausgewertet werden. Dieser Parameter ist definiert als das Verhältnis der eingespeicherten Energie E_stor und der zerstreuten Energie E_dis per Zyklus. Man kann schreiben:

wo ω die Resonanzfrequenz vorstellt, die durch

gegeben ist.

Hier sind L und C die punktförmige Induktanz und Kapazitanz des Systems. Weil HF- Energie abwechselnd kapazitiv und induktiv gespeichert wird und weil Energiezerstreuung dem Kreiswiderstand R proportional ist, wird der Gütefaktor Q des Kreises zu

Bei den Anregungsfrequenzen, die in diesen Schmalabstand-Entladungsvorrichtungen von Interesse sind, sind die LC Elemente, die in Netzen mit punktförmigen Parametern benutzt werden, physisch klein und haben deswegen nicht den niedrigen inneren Zerstreuungswiderstand R_s, und Steuerungskapazität, die mit den Großflächen-Multikanalanordnungen vergleichbar wären. Weiterhin, bei den übermäßigen Reaktivströmen, die dank der großen Impedanz- Falschanpassung entstehen, werden auch die Streuinduktanz und Strahlungsverluste unmäßig. Die Anlagen leiden auch an einer begrenzten Magnetisierungsinduktanz, und Oberflächen- und kapazitiven Störungsverlusten, die alle ihre Leistungen herabsetzen. Unter diesen schwierigen Bedingungen der HF-Steuerung sind niedrige Wirkungsgrade der Energietransformation als solche nicht ungewöhnlich.

Glücklicherweise können die Mängel der konventionellen, punktförmig verteilten, parameteranpassenden Schaltungen durch die Annahme des Konzepts eines impedanzumformen­ den und leistungsverteilenden Resonanzraums mit Parameterverteilung unterdrückt werden. Überlegeungen über den HF-Resonanzraum Wie oben angedeutet, die Schwierigkeiten, die eine Multikanal-Anregung eines Lasers in Gruppenanordnung begleiten, können kostensparend überwunden werden, wenn man einen Resonanzraum einführt, der nicht nur eine mehrfache Anzapfung der Leistungskopplung, aber auch Breitbandimpedanzumwandlung gewährleistet und der imstande ist, sehr hohe Leistungen mit einem extrem hohen Wirkungsgrad zu erreichen.

Dieses Konzept ist am besten mit Hilfe der Diagramme in Abb. 3 bis 5 erläutert. Die in Abb. 3 dargestellte koaxiale Übertragungsleitung, die einen ringförmigen Resonanzraum 23 definiert und aus einem inneren 24 und einem äußeren 26 zylindrischen Leiter besteht, unterstützt ein TEM₀₀ elektromagnetisches Grundmode der Ausbreitung, in welchem nur das radiale elektrische Feld E_r und das azimutale magnetische Feld H₀ non-Null sind.

Wenn eine solche Übertragungsleitung mit Kurzschlüssen 28 an beiden Enden ausgestattet ist, wird eine stehende elektromagnetische Welle produziert, die bei einer solchen Frequenz resonieren wird, bei der die Gesamtlänge des Resonanzraums l(_res) der halben Wellenlänge der aufgezwungenen elektromagnetischen Strahlung gleicht. Unter dieser Bedin­ gung sind die verteilte Serieninduktanz und die Parallelkapazitanz des kurzgeschlossenen koaxialen Raums eben im Gleichgewicht.

Bei der bevorzugten Arbeitsfrequenz der schmalabstand-diffusionsgekühlten CO₂- Lasergeräte (typisch um 100 MHz), l(_res) wird zu 1.5 m, was für einen kompakten Laser zu lang ist. Die Länge des koaxialen Raums, der für eine Resonanz gebraucht wird, kann aber auf eine gün­ stigere Länge mittels einer "punktförmigen kapazitiven Belastung", mit einem oder mehreren HF-Kondensatoren 29 (wie in Abb. 4 gezeigt), gekürzt werden.

Wenn der Gesamtwert der punktförmig verteilten Kondensatoren C₀ viel größer gemacht wird, als die verteilte Kapazitanz der Struktur ist, wird er das System dominieren. Parallelresonanz tritt dann ein, wenn diese punktförmige kapazitive Belastung C₀ und die Parallelinduktanzen L₁ & L₂ der zwei kurzgeschlossenen Teile auf beiden Enden der koaxialen Übertragungsleitung eben im Gleichgewicht sind. Wenn die Hohlraumstruktur symmetrisch ist, dann L₁ = L₂ und die Leistung ist durch den äquivalenten Stromkreis und durch die Resonanzgleichung der Abb. 5A ausreichend beschrieben.

Unter diesen Bedingungen wird die Länge l(_res) des koaxialen verlustlosen Raums bei Resonanz viel kürzer als die halbe Wellenlänge und es gilt

wo C₀ der Gesamtwert der punktförmig verteilten Kapazitäten 29, β = 2π/λ die Phasen­ konstante, λ die Wellenlänge und ω die Resonanzfrequenz sind. Der Ausdruck Z₀ = [µ/ε] in [B/A] repräsentiert die charakteristische Impedanz der kurzgeschlossenen Übertragungsleitungen und A & B sind die entsprechenden Innen- und Außendiameter der koaxialen Struktur, die in Abb. 4 dargestellt ist. Die Parameter µ und ε sind die magnetische Permeabilität und die elektrische Permitivität der sich in dem Hohlraum befinden den Medien. Diese zwei Parameter werden meistens mit dem Ausdruck Z_i = [µ/ε]^1/2 bestimmt, der allgemein als "innere (intrinsic) Impedanz" der Medien bekannt ist, die die Ausbreitung der elektromagnetische Wellen besorgen.

Wenn der Hohlraum unsymmetrisch aufgebaut ist, so daß nur ein kurzgeschlossener koaxialer Teil der Übertragungsleitung benutzt wird, dann sind die Resonanz- und Schaltungs­ bedingungen, wie in Abb. 5b. Abwechselnd, wenn der Hohlraum eine T-Geometrie aufweist, wie z. B. in dem experimentellen System, das in Abb. 10 & 11 dargestellt ist, dann wird der entsprechende äquivalente Kreis zu dem in Abb. 5C. Weil die Parallelinduktanz der beiden geraden Arme nun in Serie mit dem Seitenarm L₃ ist, ist die effektive Induktanz

L_effektiv = L₁/2 + L₃.

Die Ausführung des Hohlraums ist genauso für Einzelplatten anwendbar, hat aber im Vergleich zu einem Hohlraum in Gruppenanordnung wenigere Vorteile, weil die Schwierigkeiten mit der Anpassung der HF-Quelle an Einzelplatten nicht so groß sind.

Umwandlung der Hohlraumimpedanz

Die Lösung der Gleichung für die elektromagnetische Welle bei der oben beschriebenen Struktur des koaxialen Resonanzraums zeigt, daß das radiale elektrische und das azimutale magnetische Feld zu Funktionen der Lage (x) entlang der Hohlraumachse werden, gemessen von der Ebene des Kurzschlusses, wie in Abb. 3. Wenn die Wand- und die elektrischen Verluste innerhalb des Hohlraums vernachlässigbar sind, ist die Abhängigkeit der Felder mit den folgenden Gleichungen gegeben:

wo E₀ der Höchstwert des elektrischen Feldes in dem Spalt ist und r die radiale Entfernung von der Mittellinie des Hohlraums.

Aus den Gleichungen geht es klar hervor, daß das radiale elektrische Feld ein Maximum in der Symmetrie-Mittelfläche hat, d. h. wo x = l(_res)/2 = λ/4, und daß es an den kurzgeschlossenen Enden zu Null sinkt. Das azimutale magnetische Feld hat im Gegenteil ein Maximum an den Enden und wird in dem zentralen Bereich vernachlässigbar. Die lokale Impedanz Z_res(x), hier als ein Verhältnis des elektrischen und des magnetischen Feldes in einer gewissen axialen Position (x) entlang der Struktur definiert, ist bei Resonanz

Z_res(x) = E_r(x)/H_o(x) = Z_i · tan(βx).

Die Prüfung dieser Gleichung zeigt, daß der Mittelteil ein Bereich von extrem hoher Impedanz (unendlich bei Nullverlust) ist, während die beiden Endbereiche eine sehr niedrige Impedanz aufweisen. Von dieser natürlichen Eigenschaft eines Resonanzraums Impedanz umzuformen, kann man Gebrauch machen, wenn man ihn mit elektromagnetischer Energie aus einer außenstehenden HF-Spannungsquelle der Hochimpedanz-Vakuumröhre durch die elektrische, in der Mittelebene angebrachte Sonde 30, speist. Unabhängige Multikanal- Ausgangsleistungsverteilung und Kopplung mit niedriger Impedanz kann durch eine Anzahl von magnetischen Schleifen 32, die, wie in Abb. 4, in und um die Endflächen des Hohlraumes angeordnet sind, erzielt werden.

Obwohl, wie oben erwähnt wurde, das Impedanzumwandlungsverhältnis, das mit einem verlustfreien Resonanzraum erzielbar ist, theoretisch unendlich sein kann, findet es in realen Situationen nicht statt, weil Hohlraumverluste und Außenbelastung die Situation markant ändern. Folglich wird das aktuelle Impedanzumwandlungsverhältnis der effektiven äußeren Belastung Z_ext′′, die in die Endwände schleifengekoppelt ist, zu der maximalen Resonanzimpedanz Z_res, die man an der Mittelebene eines unbelasteten Hohlraums sieht, zu

Z_res/Z_ext: = Q_u/Q_L

wo Q_L und Q_u, die entsprechenden "belasteten und unbelasteten" Q′s des Resonanzraums sind.

Diese zwei wichtigen Parameter werden in einem späteren Absatz eingehender behandelt.

Weil preiswerte Resonanzräume, mit einem Q_u/Q_L Verhältnis von mehreren Hunderten in Praxis leicht hergestellt werden können, wird dieses Konzept eines Resonanzraum- Impedanzumwandlers zu einem außerordentlich lebensfähigen Weg zum Anpassen einer typischen Hochimpedanz-Hochleistungs-HF-Vakuumröhre an die sehr niedrige Impedanzbelastungen der mehrfachen Breitplatten-Entladungskanäle.

Multikanal-Leistungsverteilung und Impedanzanpassung

Die Grundaspekte der Multikanal-Impedanzanpassung und Leistungsverteilung, die der Resonanzraum der Abb. 4 bietet, werden ausgenutzt, um eine kompakte, preiswerte und hocheffektive Methode für HF-Anregung einer radialangeordneten Multikanal-Laserstruktur, wie in Abb. 6 gezeigt, zu erzielen. Man kann sehen, daß diese koaxiale Struktur) die der Anpassung und Leistungsverteilung dient, in die Außenwand einer hermetisch geschlossenen Laserschale integral eingebaut wurde.

Integrale (word missing in the original) und gleichzeitig Wasserkühlung für die einzelnen magnetischen Kopplungsschleifen 34 und deren entsprechenden hohlen HF-Elektroden 36 wird durch Ein- und Ausgangs-Sammelleitungen 38 erreicht. Eine unabhängige HF- Leistungsverteilung und Ankoppeln an jedes Elektrodensegment wird mit Aufsteckrohren 40 erreicht, die sich aus den Magnetschleifen 34 ausstrecken. Die Elektrodenflächen definieren die Kante der Platten-Verstärkungskanäle und beschränken das Anregungsmaterial auf den Verstärkungskanal.

Weil abwechselnde Elektrodenelemente durch die an den gegenüberstehenden Enden des Resonanzraums angebrachten Schleifen gespeist sind, wird eine Phasenverschiebung um 180°, die zwischen den abwechselnden, mit HF-gesteuerten Elektroden gebraucht wird, durch Spiegelbildsymmetrie des Aufbaus erreicht. Die externe HF-Leistungssteuerung des Multikanal- Entladungsystems wird wieder mit der elektrischen Sonde 30 erzielt. Laserenergie ist gleichzeitig aus den einzelnen unabhängig gesteuerten Kleinabstand-Verstärkungskanälen extrahiert, mittels eines gemeinsamen optischen Resonators, der aus Spiegeln 44 und 46 besteht.

Wenn die HF-Resonanzraumstruktur, die durch ein wirkliches Konstruktionsschema in Abb. 10 illustriert ist, separat hergestellt und von der Vakuumschale des Lasers elektrisch abgeschirmt ist, dann fangen die Elektroden auf eine solche Art an zu "schweben", daß eine vorzügliche Entladungsabschirmung zwischen den mehrfachen Elektroden und der Metallhülle des Lasers erzielt wird. Diese Tatsache verursacht ein Verringern der "Korona-zur-Erde" Probleme, die man normalerweise bei Plattenlaser Systemen unter hohem Druck und bei hohen HF-Anregungsspannungs-Niveaus findet.

Koppeln einer stehenden und einer wandernden Welle

Die Impedanzanpassung und Spannungsverteilung an jede von den Elektroden wird durch drehen der einzelnen Schleifen 34 geschaffen, so daß eine angemessene Kopplung der Magnetschleifen an das sich drehende magnetische Feld in dem Resonanzraum erreicht wird. Weil die Wasserzufuhrleitungen an beiden Enden der Elektrodensegmente installiert sind, ist es möglich, auf Wunsch, eine doppelseitige HF-Energiesteuerung zu haben. Dieser Typ der HF- Energiekopplung, der allgemein als "Kopplung mit stehenden Wellen" bekannt ist, verlangt, daß mehrere kleine punktförmig verteilte Induktoren an strategischen Stellen entlang und zwischen den alternierenden Elektrodenelementen angebracht werden, um die Spannungsschwankungen entlang der ausgedehnten Elektrodenlängen herabzusetzen.

Eine andere Methode der HF-Kopplung, die hier als "Kopplung mit Wanderwellen" genannt wird, kann dadurch erzielt werden, daß man die HF-Spannung abwechselnd an den gegenüberliegenden Enden der alternierenden Elektroden speist. Auf dies Weise wird eine Streifenübertragungsleitung mit Wanderwellen-Anregung produziert. HF-Energie wird dann kontinuierlich von einem zum anderen Ende des Resonanzraums gepumpt, was mittels der einzelnen Streifenübertragungsleitungen, die durch die parallelen Elektroden gebildet werden, geschieht. Dieser Zutritt bietet eine effektive und einheitliche HF-Energieverteilung in jedem von den Verstärkungskanälen, ohne Installierung von periodischen Abstimmungsinduktionen in den Elektroden innerhalb des Laserkörpers. Als solcher ist dieser Zutritt nicht nur einfacher zu verwirklichen, aber er ist auch breitbandiger.

Die Kreisdiagramme in Abb. 5A stellen einige typische brauchbare HF-Steuerkombi­ nationen dar.

Die Arbeitsfolge, die der Ausführung in Abb. 6 entspricht, kann also wie folgt zusammengefaßt werden: HF-Energie ist dem Laserkopf von einer externen HF-Spannungsquelle durch die elektrische Einlaßsonde 30 zugeführt. Jedes Elektrodensegment 36 bekommt Kühlwasser aus den Sammlerstücken 38 und HF-Spannung durch Magnetschleifen 34 und Wasserzufuhrrohren 40. Die Magnetschleifen 34 sind so situiert, daß sie abwechselnd eine positive und eine negative HF-Spannung an die nacheinanderfolgenden Elektrodenelemente 36 zuführen. Die wirkliche Menge der HF-Energie, die an jede Elektrodenschleife gekoppelt ist, wird durch Drehen der einzelnen Magnetschleifen geregelt.

Zwischen den benachbarten Elektrodenflächen 36 innerhalb des Lasing-Gemisches wird also eine Mehrzahl von Gasentladungs-Verstärkungsbereichen oder Spalten aufgebaut, ob es sich um CO₂, CO oder Excimer oder andere Lasertypen handelt. Eine Populationsinversion wird gleichzeitig innerhalb der einzelnen Entladungsspalten durch HF-Anregung verursacht, wobei eine radiale Multikanalverstärkungs-Anordnung produziert wird. Laser Energie wird aus dieser Struktur mit einem gemeinsamen optischen Resonator extrahiert, der aus einem primären Spiegel 44 und einem Ausgangsspiegel 46 besteht. Zusätzliche mechanische Aspekte des Systems, die ein hermetisches Abschließen des Systems und Ausgangsstrahlextraktion aus der Laserkammer gewährleisten, sind nicht dargestellt.

Leistungsfähigkeit des Hohlraums für Energieumwandlung

Die Ausnutzung des Resonanzraums zu Multikanal-Leistungverteilung und Impedanzanpassung zeigt sich als nützlich zum Beschaffen einer Gruppenanordnung von Kleinabstand-Gasentladungen, wie in Abb. 6. Sie ist aber besonders nützlich zur Anregung eines radialangeordneten Lasers. Die HF-Energie, die in den Hohlraum gespeist wird, kann schließlich entweder nur innerhalb des Hohlraums oder in der externen Schaltung zerstreut werden. Weil die Zerstreuung durch externe Schaltungskreise des Generatorwiderstands RG, wie auch des externen Belastungswiderstandes R_L verursacht ist, kann man schreiben:

E_dis-tot = E_dis-c + E_dis-G + E_dis-L.

Wenn man nun die für den Qualitätsfaktor oben aufgeführten Formeln benutzt, kann man zeigen, daß

1/Q_L = 1/Q_u + 1/Q_ext = 1/Q_u + 1/Q_RG + 1/Q_RL

wo Q_u, Q_L, Q_RG und Q_RL bereits definiert worden sind.

Der Wirkungsgrad n_c einer Resonanzraum-Energieumwandlung ist also definiert als das Verhältnis der nützlichen, in der Außenbelastung zerstreuten Energie E_dis-L, zu der Gesamt­ energie E_dis-tot, die in dem System zerstreut wird. Unter der typischen starken Ausgangskreiskop­ plung, wo die Energiezerstreuung in der Belastung R_L viel größer ist als die, die im Generator stattfindet, wird die Wirkungsgradgleichung zu:

Aus einer früheren Untersuchung der Definition des belasteten und unbelasteten Q eines Hohlraums ist es klar, daß

E_dis-tot = E_stor/Q_L

wobei

E_dis-c = E_stor/Q_u.

Wenn man diese Ausdrücke in die obenaufgeführte Gleichung für den Energiewirkungsgrad des Hohlraums einsetzt, bekommt man die folgende einfache Beziehung:

n_c= 1 - Q_L/Q_u.

Aus dieser Gleichung wird es klar, daß wenn Q_U und Q_L so entworfen werden können, daß sie Werte haben können, die sich um mehr als 100 unterscheiden, wird ein Wirkungsgrad von beinahe 100% der Energieumwandlung erreicht. Als Beispiel kann eine kapazitive Belastung mit niedrigen Verlusten dienen. Unter dieser Bedingung werden die Wandverluste des Hohlraums R_c den unbelasteten Q_u dominieren und Q_u = ωL/R_t. Dieses Verhältnis kann dann annähernd als

Q_L/Q_u = R_c/R_L

formuliert werden.

Für einen Hohlraum, der aus Kupfer konstruiert ist, nimmt R_c einen Wert von wenigen Milliohm an (typisch 5 Milliohm), wobei die äußere Belastung R_L der mehrfachen Elektroden etwa einen halben Ohm betragen wird. Beim Benutzen dieser Werte, nimmt Q_U/Q_L für einen gut entworfenen Hohlraum einen Wert von etwa .01. Das heißt also, daß die HF-Energieumwandlung n_c 99% erreichen kann.

Offensichtlich brauchen in dem Leistungsverteilung- und Impedanzanpassungsprozeß nur wenige Prozent der HF-Energie verloren zu gehen. Das ist eine ausgezeichnete Situation, die mit den konventionellen, punktförmig verteilten, Anpassungsschaltungen im Kontrast steht, da die letzteren, bei einer großen Falschanpassung und Hochleistungsbetrieb, so viel Energie ab­ führen, daß man Wasserkühlung für die einzelnen LC-Elemente beschaffen muß.

Überlegungen über HF-Generatoren

Angesichts der hohen durchschnittlichen HF-Leistungsniveaus, die zur Anregung der breitflächigen multi-kanal-angeordneten Hochleistungslaser notwendig sind, ist es nicht rentabel konventionelle HF-Oszillatorverstärker als Energiequellen zu benutzen. Es ist vorteilhaft selbsterregte HF-Generatoren der "C Klasse" zu benutzen, um den benötigten Wirkungsgrad zu erreichen, vorausgesetzt, daß direkte Verluste innerhalb des Generators auf ein Minimum reduziert werden können.

Punktförmige HF-Topfkreise

HF-Generatorsteuerung der C-Klasse deutet allgemein an, daß zum Erzeugen der HF- Oszillationsenergie ein LC-Parallelkreis, generell als tank-Topfkreis (Tankkreis) bezeichnet, als ein Hochimpedanzelement in Resonanz, zusammen mit einer Elektronröhre mit "negativer Konduktanz" benutzt wird. Um eine hohe Leistung bei der HF-Energie Produktion zu erzielen, ist es notwendig, daß der Topfkreis sehr niedrige innere Zerstreuungs- und Ausstrahlungsver­ luste aufweist.

Wie im Falle der oben geprüften HF-Energieumwandlung, ist das Q der konventionel­ len, punktförmig verteilten, LC-Resonanztopfkreise nicht groß genug, um solche Leistungen zu bieten, die für die Erzeugung einer Hochleistungs-HF-Energie wünschenswert sind. Diese Mängel können wieder durch die Anwendung der gleichen, oben aufgeführten Mikro­ wellentechniken, in der Form des verteilten Resonanztopfkreises vom Hohlraumtyp, aufgehoben werden.

Verteilte HF-Topfkreise

Das oben beschriebene Konzept eines Resonanzraum-HF-Topfkreises ist in dem Schema in Abb. 7 gut illustriert. Diese Zeichnung stellt eine "selbsterregte mit dem Resonanz­ raum gekoppelte HF-Quelle" vor, die imstande ist eine Ausgangsleistung von mehreren hundert Kilowatt über einen breiten Frequenzbereich zu erzeugen. Die aktive elektronische Vorrichtung 50 ist eine keramische Hochleistungstriode oder Tetrode, des "Leuchtturm-Typs", die in zwei gekoppelte Resonanztopfkreise 52 und 54, begrenzt von den konzentrischen leitfähigen Zylindern 51, 53 und 55, eingesetzt ist.

1/4-Wellen Resonanzräume

Der Anode-Gitter-Tankkreis 52, wie auch der Gitter-Kathodenkreis 54 sind durch kapazitiv vorgekürzte, koaxiale, kurzgeschlossene Übertragungsleitung-Hohlräume von 1/4- Wellenlänge gebildet. Kapazitive Kleinverlust-Belastung ist nun gespeist durch die Kapazitan­ zen zwischen den Elektroden der Elektronröhre selbst.

Positive Rückkopplung zwischen diesen zwei Topfkreisen, die entweder durch "Sonde" 56 oder durch Schleife 58 erreicht ist, sorgt für eine selbsterregte Arbeitsweise. Eine positive Rückkopplung kann aber auch von den miteinander verbundenen Schleifen 70 und 72 abgeleitet werden. Anodenkondensator und Gitterquerkondensator sind installiert an Punkten 60 und 62. Heizfadenstrom ist durch das wassergekühlte Kabel 64 zugeführt, während Anoden-DC- Spannung und Kühlung mittels der isolierten Rohre 66 geliefert werden.

Die HF-Energie ist aus dem Anoden-Topfkreis durch eine Mehrzahl von Magnetschlei­ fen 69 ausgekoppelt, die regelmäßig um die Periphärie verteilt sind. Alle Bestandteile des Topf­ kreises können aus verlustarmen Materialen, wie Kupfer oder versilbertes Messing, gebaut werden. Die großen Oberflächen und ein hohes nicht-belastetes Q, die dieser Ausführung des HF- Topfkreises mit doppeltem Resonanzraum eigen sind, bieten eine Hochleistungsfähigkeit mit hohem Wirkungsgrad und ausgezeichneter HF-Abschirmung,

HF-Energie Kopplung

Abb. 8 stellt eine geeignete und kompakte Methode vor, mit der die von der kera­ mischen Vakuumröhre 50 innerhalb der selbsterregten Resonanzraum-HF-Quelle der Abb. 7, gelieferten HF-Energie, in das Multikanal-Lasersystem der Abb. 6 eingekoppelt sein kann. Um die sehr hohen HF-Leistungsniveaus aufzunehmen, werden einige an Magnetschleifen gekoppelte koaxiale Zuleitungskabel 74 benutzt. In dieser Konfiguration ist die Energie durch eine Mehr­ zahl von Ausgangs-Magnetschleifen 68 und elektrischen Einlaßsonden 30 übertragen, die uniform um den Umfang der Vorrichtung verteilt sind.

Eine andere Möglichkeit für die Leistungsübertragung kann auch mit ausschließlich an Magnetschleifen gekoppeltem Energietransfer erzielt werden, wenn Schleifen 69 von mehreren Kabeln 75 versorgt sind. Wasserkühlung und HF-Steuerung der mehrfachen Preßmantelelektroden 10 sind wieder von Wassersammelstücken 38 und Magnetschleifen 34 geliefert. Optische Energie ist aus dem einstellbaren Resonatorsystem 86 & 84 durch das ZnSe Ausgangsfenster extrahiert.

Eine weitere Vereinfachung und Kostenminderung kann dadurch verwirklicht werden, daß die Vakuumröhre mit einem Magnetron ersetzt ist.

Eine noch mehr vervollständigte Konfiguration, die der HF-Leistungsübertragung dient, ist in Abb. 9 wiedergegeben. In dieser Konfiguration wurde die Elektronröhre 50, für den selbsterregenden Resonanzraum-HF-Oszillator, direkt in das Resnonanzraum-Leistungsvertei­ lungs- und Impedanzanpassungssystem für den Laserkopf eingebaut. Diese Lösung eliminiert den Gebrauch von Kabeln und erlaubt eine noch kompaktere Bauweise.

In dieser Ausführung wird der Anode-Gitter Topfkreis direkt zum Teil des koaxialen Leistungverteilungs- und Impedanzanpassungssystems, in der Form eines einzelnen, T- geformten Resonanzraums 76, so daß nur ein Resonanzsystem bestrahlt wird, wodurch sich die Konstruktion weiter vereinfacht. Der Gitter-Kathode Topfkreis wird durch einen ähnlichen, koaxialen Resonanzraum 78 gebildet, der zweckdienlich um die hermetisch geschlossene Laserkammer umgewickelt ist. Betriebsfrequenzabhängig und bei einer genug großen Anode- Gitter Kapazitanz der Elektronröhre 50, kann der Ladungskondensator 29 ausgelassen werden.

Multikanal-Magnetschleifenkopplung

Unabhängige Steuerung der HF-Energie zu jedem Elektrodensegment ist mit einer Mehrzahl von koppelnden, um den Umfang herum situierten Magnetschleifen 34, erzielt. Dank den durch den Seitenarm der T-Struktur aufgezwungenen elektromagnetischen Grenzbeding­ ungen, werden die azimutalen magnetischen Felder in den geraden Abschnitten umgekehrt. Gegenüberliegende Magnetschleifen müssen also um 180° gedreht werden um die erwünschte negative Elektrodenpolarität zu bekommen.

Wasserkühlung der Kopplungsschleifen wie auch der Elektroden ist dadurch erreicht, daß die Schleifen aus hohlem Kupferrohr hergestellt werden und daß das Erdungsende solcher Schleifen an die an beiden Enden der Struktur angebrachten Ein- und Auslaßkopfstücke der Wasserkühlung 38, angeschlossen ist. Laserstrahlung ist aus der Vorrichtung mittels eines optischen Resonators extrahiert, der aus dem wassergekühlten Ausgangsspiegel und primären Spiegeln 84 & 86, sowie aus einem ZnSe Ausgangsfenster 88 besteht.

Abb. 10 ist eine Darstellung eines vollintegrierten 10 kW, 24-kanal, radialangeordneten Lasers, der für experimentelle Zwecke gebaut wurde. Die magnetischen Koppelschleifen 80 sind abgeänderte Schleifen aus der Abb. 9, die geändert worden sind um ein leichteres Datensammeln für Forschungszwecke zu erreichen. In dieser Konfiguration ist das Kühlwasser den Kopfstücken 38 mittels einer Mehrzahl von kurzen isolierten Rohren abgenommen.

Die Konstruktion des Gitter-Kathode Topfkreises 54 ist die gleiche, wie in Abb. 7, und ist um die Vakuumröhre 50 gewickelt und nicht um die Laserkammer, wie in Abb. 9. Abb. 11 ist der Querschnitt eines experimentellen 24 Spalten-Lasersystems, der dem in Abb. 10 ähnlich ist, der aber mit breiteren Elektrodensegmenten abgeändert wurde, um eine optische Dauerstrich- Ausgangsleistung von 20 kW abzugeben.

Alternative HF-Elektronröhren- und Kopplungssysteme Quelle mit mehreren Vakuumröhren

Obwohl die integrierten HF-Generatoren mit Konfigurationen, wie in Abb. 9 bis 11, eine einzelne HF-Röhre benutzen, kann eine kompaktere Struktur durch den Einbau von mehreren kleineren Elektronröhren, wie in Abb. 12 gezeigt, erzielt werden. Hier wurden vier Röhren 50 benutzt,jede unabhängig an den Resonanzraum gekoppelt. Diese Ausführung hat den zusätzlichen Vorteil, daß der Laserbetrieb nicht unterbrochen wird wenn eine der Röhren versagt, weil die anderen Röhren, die parallel angeschlossen sind, dem System die HF-Anregungsenergie zuführen.

Abb. 13 zeigt eine abgeänderte Ausführung des Parallelanschlusses der Röhren, ähnlich dem der Abb. 12, die eine Anzahl von- Vorrichtungen 82 mit niedrigerer Leistung enthält, die koaxial mit dem Resonanzraumsystem befestigt sind. Diese Konfiguration hat den Vorteil, daß der Gesamtdurchschnitt des kompletten Lasers weiter verkleinert wird.

Quelle mit ringförmiger Röhre

Eine weitere Vereinfachung und Gesamtgrößenminderung kann erzielt werden, wenn man eine HF-Elektronröhre benutzt, die selbst ringförmig ist. Diese Ausführung, die in Abb. 14 und 14B dargestellt ist, benutzt eine spezielle HF-Röhre 90, die ringförmig (torroid) gestaltet ist, so daß der Laserkörper in die Röhre einpaßt. Diese Vorrichtung kann an den koaxialen Reso­ nanzraum des Leistungsverteilungssystems, entweder durch punktförmige 91 oder verteilte 92 Anodenkondensatoren und Gitterquerkondensatoren, direkt gekoppelt werden.

Eine solche Konstruktion der HF-Elektronröhre bietet eine höhere Frequenz-und Leistungskapazität, weil die entsprechenden Anoden- 94, Gitter- 96 und Kathoden- 98 Oberflächen der elektronischen Vorrichtung 90 mit minimaler Induktanz viel vergrößert werden können und so einen extremen Hochleistungsbetrieb bei erhöhten Frequenzen erreichen.

Wirkugnsgrad der HF-Energieerzeugung und Umwandlung

Es ist lehrreich, an dieser Stelle den Gesamtwirkungsgrad der HF-Energieerzeugung und Transformierung, die durch die Integration eines selbsterregten, an den Resonanzraum gekoppelten Elektronröhren-Oszillators, mit einem Multischleifen-Leistungsverteilungs- und Impedanzanpassungssystem des Resonanzraums, wie in Abb. 9 bis 13 dargestellt, zu beurteilen. Diese Bestimmung wird erzielt, wenn man die extensive, schon früher für Mikrowellenquellen durchgeführte, Analyse weiter überprüft.

Um einen eingeschwungenen Zustand der Oszillation aufrecht zu erhalten, muß die Größe der negativen Konduktanz der Elektronröhre der positiven Konduktanz der externen Belastung gleich sein (d. h. mod G_elect = mod G_ext). Weil die früher aufgeführte Gleichung für die Güte der Resonanzraumumwandlung noch immer gilt, ist es nur nötig den Wirkungsgrad der elektronischen Umwandlung der Elektronröhre n_elect einzusetzen, um den Gesamtwirkungsgrad n_overall zu erhalten. In Gleichungsform wird dies zu:

n_overall = n_c · n_elect

Obwohl die Umwandlungsgüte n_c des Resonanzraums bei geeignetem Entwurf und Konstruktion 100% erreichen kann, ist es nicht der Fall für den Parameter der elektronischen Umwandlungsgüte n_elect. Dieser Parameter kann aber unter den optimalen Bedingungen der DC- Steuerung mit Benutzung von keramischen Hochleistungsröhren mit Graphitanoden, Gittern und Verteilerkathoden noch immer 80% übersteigen.

Diese Überlegungen zeigen, daß dieses Konzept der integrierten Resonanzraum-HF- Energiequelle mit Leistungsverteilung, ein extrem wirksames und dabei kompaktes Lasersystem mit einer sehr hohen Leistung vorstellen kann, das fast um eine Größenordnung preiswerter ist, als übliche Oszillator-Verstärker Systeme.

Prüfungen der obenaufgeführten Gleichung für den Gesamtwirkungsgrad und die früher erwähnte Gleichung für Resonanzraumumwandlung bringen zum Vorschein, daß die beste Leistung bei einer stark-übergekoppelten externen Belastung erzielt wird. In der Praxis gibt es aber eine obere Grenze für die maximale benutzbare externe Belastung, weil die elektronische Vorrichtung nicht mehr eine so große negative Konduktanz erzeugen kann, die zur Anfangszün­ dung und zum aufrechterhalten der HF-Oszillationen benötigt wird. Wenn die Elektronröhre aber nur als Verstärker benutzt werden soll, dann wird Überkopplung vorgezogen um die Stabilität aufrecht zu erhalten.

Überlegungen über Phasenkopplung

Wie bereits erwähnt, wurde es in der wissenschaftlichen Literatur verdeutlicht, daß eine Gruppenanordnung von N einzelnen phasenstarren Laserstrahlen auf einen Fleck fokussiert werden kann, dessen Größe der zweiten Wurzel der Anzahl der gestapelten Strahlen­ bündel umgekehrt proportional ist. Die Intensität des gesamten Strahls also wächst mit dem Quadrat der Anzahl der kombinierten Bündel.

Um diesen günstigen Fleckverkleinerungseffekt mit einem gleichzeitigen Zuwachs an Strahlintensität auszunutzen, wurden verschiedene Methoden zum Phasenkoppeln der Mehrbündellaser vorgeschlagen. Die gewöhnlichsten sind : gemeinsamer optischer Mode, inne­ res Raumfiltern des Hohlraums nach Talbot, nicht-lineare optische Kopplung, externe Injektion in den Hauptoszillator Leistungsverstärker oder MOPA, und adaptive Optiken.

Untersuchungen der Versuchsergebnisse, die unter Benutzung der oben beschriebenen Techniken durchgeführt worden sind, haben gezeigt, daß obwohl die Phasenkopplung von jedem einzelnen Laser der Gruppenanordnung wirklich eine notwendige Bedingung zum Erhalten der Maximal-Intensität ist, ist sie nicht eine genügende Bedingung.

Spezifisch, wenn jedes Einzelbündel sich an einem gemeinsamen Fleck mit einer Intensität von N² konstruktiv beteiligen soll, müssen alle Laser der Gruppenanordnung gleichphasig sein,(d. h. sie müssen eine genau gleiche Phase besitzen). Wenn das nicht der Fall wäre, würde man mehrere fokale Flecke erhalten. Diese sehr unerwünschte Situation ist in der Literatur reichlich beschrieben.

Obwohl einige Arbeiten angedeutet haben, daß Phasenunterschiede zwischen den einzelnen Verstärkungskanälen mit Phasenschiebern oder Phasenverzögerungsplatten, usw., kompensiert werden können, ist diese Lösung nicht nur umständlich und teuer, aber sie führt auch ein zusätzliches, unerwünschtes Problem der Ausrichtung und Unbeständigkeit des optischen Systems ein.

In diesem Zusammenhang wird bevorzugt, daß die einphasige Kopplung dem Grundentwurf der Multikanal-Gruppenanordnungsstruktur eigen ist. Dies ist der Fall mit der radialen Gruppenanordnungsgeometrie, weil die einzelnen Kleinbündel sich nicht nur an einem gemeinsamen optischen Resonator und Extraktionssystem beteiligen, aber daß sie auch noch identisch lange, optische Laufbahnen in allen Verstärkungskanälen haben, die Verstärkungs­ medien von einer außerordentlichen Ahnlichkeit, Symmetrie und Einheitlichkeit haben.

Überlegungen über Extraktion der optischen Energie Unbeständiger Resonator

Wie in meinem früheren US Patent # 5029173 und meiner europäischen Anmeldung # 91392287.6 beschrieben wurde, kann für die Extraktion der Laserenergie aus der radialange­ ordneten Grundstruktur eine große Anzahl von Konfigurationen des optischen Resonators verwendet werden. Das betrifft auch den konventionellen instabilen Resonator der Abb. 15, der aus einem primären und einem sekundären Spiegel, 100 und 102, besteht. Die Kleinbündel zusammendrängenden Prismen (Axicon, Axialverdichter) 103, Ausgangsfenster 104 und Ausstattung für innere Injektion 105 und für Multikanal-Phasenkopplung der Multikanal-Ver­ stärkungsmedien 106, sind eingebaut, um einen koherenten und kollimierten Ausgangsstrahl 107 von hoher Qualität zu erhalten.

Ringförmiger Resonator

In dem in Abb. 16 dargestellten ringförmigen Resonator mit phasengekoppelter Schleife, der aus einem primären und einem sekundären Spiegel, 108 und 109, besteht, ist der Ausgangsstrahl 107 "über-die-Kante" eines Prismas (Axialverdichter) der inneren Rück­ kopplung 110 via Ausgangsfenster 104 abgezweigt. Oszillator Injektion 105 zur externen Kopplung der Mehrspalt-Verstärkungsmedien 106 ist wieder durch eine kleine Öffnung entlang der Achse des primären Spiegels eingeführt.

Ringförmiger, gekoppelter, stabiler Resonator

Abb. 17, 18 & 19 sind Darstellungen der verschiedenen, kürzlich entwickelten, optischen Extraktionssysteme, die eine wirksamere Phasenkopplung mit Selbstinjektion bieten als die vorher beschriebenen Konfigurationen. Abb. 17 zeigt einen "ringförmig gekoppelten, kon­ kav-konvexen", optischen Resonator, der an die Multikanalgeometrie einer radialen Gruppen­ anordnung angepaßt ist und der eine gleichzeitige Mode-Kopplung an die mehrspaltige radiale Verstärkungskanäle besorgt. Dieser stabile Resonator wurde ursprünglich entwickelt um die Mode-Qualität eines Großvolumen-PIE-Lasers zu verbessern. Die Lösung beruht auf der Erzeugung von zwei stabilen Moden, TEM₀₀ und TEM, zwischen dem primären und dem sekundären Resonanzraumspiegel, 111 und 112. Nur der letztgenannte Mode ist "über-die-Kante" in Form einer Mehrzahl von Kleinbündeln 113 diffraktiv ausgekoppelt. Der Einsatz dieses Reso­ natortyps für radialangeordnete mehrfache Verstärkungskanäle 106 hat den Vorteil, daß der erstrangige stabile TEM₀₀ Mode auf den zentralen, klaren Bereich des Resonators beschränkt wird, und als Kernoszillator für die Injektion der phasenkoppelnden Energie in die umringenden Spalten durch Einkopplung mit dem TEM₁₀ Mode dienen kann.

Das Reinergebnis ist eine Mehrzahl von einheitlichen, stabilen und hochgekoppelten Kleinbündeln, die bequem aus der Struktur durch kleine und preiswerte, mit Antireflexschicht versehenen ZnSe Fenstern 114, ausgekoppelt und leicht an ein Werkstück fokussiert werden können; möglicherweise mit einer metallischen Wolterlinse 115, wie in Abb. 17 dargestellt.

Iris gekoppelter stabiler Resonator

Abb. 18 illustriert ein anderes, zweckdienliches, optisches Extraktionssystem, daß sich bei Anwendungen der radialangeordneten Laser als nützlich gezeigt hat. In dieser Modifikation wurde ein normalerweise instabiler ringförmiger Resonator, der aus einem primären 116 und einem sekundären 117 Spiegel besteht, in eine stabile Mode-Struktur dadurch umgewandelt, daß ein zentraler Spiegel mit positiver Rückkopplung 118 zusammen mit dem Ausgangsspiegel 117 maschinell ausgearbeitet ist. Der Grad der Auskopplung ist durch die Größe der ringförmi­ gen Kopplungsiris 119 bestimmt.

In dieser Konfiguration wird der Laserstrahl 107 nahe an der Zentrallinie des Ringraums, durch das ZnSe Ausgangsfenster 104 in der Form eines "Ringraumbildes" extra­ hiert. Der Vorteil dieser Resonatorkonfiguration ist wieder ein hohes Niveau der phasen­ koppelnden Mode-Injektion, das in dem zentralen Kernoszillatorbereich der Struktur erhalten werden kann.

Hybrider MOPA-Resonator

Ein weiteres System für optische Extraktion, hier als "hybrider stabiler-instabiler oder MOPA-Resonator" genannt, das zweckdienlich mit der radial angeordneten Verstärkungs­ struktur benutzt werden kann, ist in Abb. 19 dargestellt. Diese Geometrie ist der vorher in Abb. 17 abgebildeten Konfiguration sehr ähnlich, weil sie aus einem primären und einem sekundären Spiegel besteht, und mit kleinen Auskoppelfenstern ausgestattet ist. Eine größere Änderung liegt darin, daß der sekundäre Spiegel 120 eine Korbbogenform hat, die den zentralen Bereich in einen stabilen Resonanzraum-Mode verwandelt.

Der Kernoszillatorbereich kann also größer und intensiver konstruiert werden, als es mit einem üblichen, instabilen Spiegel möglich ist. Dieser zentrale Bereich kann als solcher zum injizieren einer hoch phasengekoppelten Strahlung in jeden von den umgebenden Verstärkungsspalten verwendet werden. Dies führt zur Bildung von einer Mehrzahl von phasenkohärenten Kleinbündeln, die wie gezeigt, diffraktiv "über-die-Kante" extrahiert werden können. In diesem Zusammenhang ist die Konfiguration der optischen Extraktion in Abb. 19 in Wirklichkeit ein "Master-Oscillator Power-Amplifier oder MOPA (Hauptoszillator Leistungs­ verstärker, MOPA)" System.

Eine wichtige Bemerkung an dieser Stelle ist, daß die drei stabilen Konfigurationen des optischen Resonators, wie in Abb. 17, 18 und 19 dargestellt, im gleichen Maße geeignet sind, eine hochwertige Extraktion der optischen Energie aus einem Einkanal-, Kleinabstand- Breitspalt-Lasersystem, das in einem wellengeleiteten oder einem nicht-wellengeleiteten Mode arbeitet, zu erreichen.

Alternative Ausführungsarten für sehr hohe Leistung

Die optische Leistung, die aus den bisher beschriebenen radialen Elektrodenanord­ nungen extrahiert werden kann, kann weiter viel gesteigert werden, wenn man Vorrichtungen mit einer viel größeren Anzahl von Verstärkungskanälen baut, wobei jede Elektrode auch breiter sein kann. Beim Benutzen dieses Entwurfs kann man voraussagen, daß ein radialangeordneter Laser mit 100 Elektroden, die 10 cm breit und 1 m lang sind, eine durchschnittliche Strahlleistung von etwa 200 kW aus einem Pakett, dessen Durchschnitt nur 40 cm beträgt, erreichen kann. Man kann aber im Prinzip viel höhere Niveaus der Laserleistung erreichen, wenn man mehrere radiale Elektrodensysteme in eine einzige zusammengesetzte Struktur einbaut.

Zusammengesetzte Strukturen mit radialer Gruppenanordnung

Dieses Konzept ist in Abb. 20 als eine "dreifache radiale Gruppenanordnung" dargestellt. Eine Untersuchung dieses Schemas zeigt, daß 500 unabhängige, 10 cm breite Verstärkungsspalten in einer Struktur eingeschlossen werden können, deren Gesamtdurchmesser nur 1 m beträgt. Das Multikanal-Verstärkungssystem, das auf diese Weise erhalten werden kann, kann zur Konstruktion von radialangeordneten Superhochleistungs-Lasern, wie in Abb. 21, benutzt werden. Eine solche Vorrichtung wäre imstande, unwahrscheinliche Durchschnitts­ leistungen von etwa 1 MW zu erreichen.

Die HF-Anregungsenergie für das System kann erzeugt werden durch die Anwendung von keramischen Hochleistungstrioden, die, wie bereits beschrieben, in das gemeinsame Verteilungssystem des Resonanzraums eingebaut sind. In diesem Zusammenhang sollte man erwähnen, daß die neuesten Fortschritte der Hochleistungs-Vakuumtechnologie zur Entwicklung von kompakten elektronischen Vorrichtungen geführt haben, die durchschnittliche HF-Leistungen von mehreren Megawatt erreichen können. Pulsierte Ausführungen dieser Einheiten können sogar HF-Leistungen im 10 MW Bereich abgeben. Zusammengesetzte, radialangeordnete Vorrich­ tungen, oder Vorrichtungen, die aus mehreren Teilen nach der allgemeinen Darstellung in Abb. 21 aufgebaut sind, könnten möglicherweise als Antigeschoß-Laserkanonen für Verteidigungs­ zwecke benutzt werden.

Riesenimpulsbetrieb

Die vorherige Diskussion hat klar gezeigt, daß die verschiedenen radialangeordneten Strukturen entweder im Dauerstrich- oder im pulsierten Betrieb eingesetzt werden können, einfach durch Änderungen der Gittersteuerung zu der HF-Spannungsquelle der Hochleistungs- Vakuumröhre. In den letzten Jahren wurde ein großer Fortschritt gemacht, dank der Konstruktion von keramischen Rohren mit einer Verteilungskathode (dispenser?). Dieser Kathodentyp, wenn kurz pulsiert, ist imstande einen um zwei Größenordnungen höheren Elektronenstrom zu liefern. Eine Rohre mit Durchschnittsleistung von 100 KW, wenn kurz gepulst, kann also eine Spitzen-HF-Energie von mehreren Megawatt erzeugen.

Dank dieser Tatsache ist es möglich einen gepulsten, radialangeordneten Laser mit hoher Durchschnittsenergie und gleichzeitig hoher Spitzenleistungskapazität zu entwickeln. Damit wird auch die Möglichkeit mitinbegriffen, einen mit Riesenimpulsen bei einer hohen Pulsrate angeregten, radialangeordneten Laser zu bauen, der eine optische Spitzenleistung nahe an 1 MW hat, wobei sich die Pulsrate an 1000 pps und die Gesamtleistung an 10 KW nähern, und das alles aus einem Paket, das nur etwa 120 cm lang ist und dessen Durchmesser nur etwa 35 cm beträgt. Ein solches Gerät hätte einen breiten industriellen Anwandungsbereich zur umgebungssicheren Abtragung von toxischen Bleifarben und von anderen krebserregenden Anstrichen, die weltweit von der Schutzanstrichindustrie benutzt werden.

Radialangeordnete Excimer u.ä. Laser

Weil die neue Generation der keramischen HF-Röhren zum Steuern von radialangeordneten Elektrodensystemen, die mit Riesenimpulsen betrieben werden, benutzt werden kann, ist es auch möglich das normale CO₂-Gemisch durch Excimer-Lasergasgemisch zu ersetzen und dadurch mühelos einen "radialangeordneten Excimer-Laser" herzustellen. Im Prinzip sollte dieses Konzept für jedes gepumpte Gasentladungs-Lasersystem anwendbar sein, einschließlich gekühlter Systeme, wie CO₂.

Alternative Ausführungen zusammengesetzter Preßmantelelektroden

Forschungsergebnisse haben gezeigt, daß bei kurzgepulster Anregung, die in den vielen Großflächen-, Kleinabstand-Verstärkungskanälen HF-erzeugten Laserplasmen extrem stabil sind, sogar in der Abwesenheit von individueller HF-Speisung. Man kann also die Konstruktion eines gepulsten Lasers mit radialer Gruppenanordnung bedeutend vereinfachen, wenn man Strangpressen als Herstellungsmethode benutzt. Dieses Konzept der "Konstruktion durch Strangformen" ist in Abb. 22, 23, 24 & 25 dargestellt.

Die wassergekühlte zylindrische Kammer 136 in Abb. 22 diente als hermetische Hülle nicht nur für den Laser, aber auch für jede abwechselnde Elektrode 138 für die Kleinabstand- Entladung 14. Die Zwischenelektroden 140 sind von den ersten Elektroden 138 mit dielektrischem Material von hoher Wärmeleitfähigkeit 142 isoliert und mit dielektrischen Stangensegmenten 144 in Position gehalten.

Als eine Alternative für das dünne Isoliermaterial 142 kann ein extrem enger, gasgefüllter Spalt dienen. Wie aus Plasmaphysik bekannt ist, kommt es nicht zum elektrischen Durchbruch, wenn dieser Spalt kleiner als das "Paschen Minimum" gemacht wird und der Spalt arbeitet dann als ein Isolator mit vernünftiger Wärmeleitfähigkeit.

Beim Betrieb mit sehr kurzen Pulsen, können die stranggepreßten Geometrien der Abb. 22 zu einer weiteren Vereinfachung der Konstruktion und zum weiteren Heruntersetzen der Kosten benutzt werden, wie in Abb. 23 & 24 dargestellt. Hier werden die Außenelektroden 136, wie auch die Innenelektroden 146 als eine einzige, komplette, wassergekühlte Baugruppe stranggeformt. Diese Lösung vereinfacht auch die Montage, weil man nur einige zweckmäßig angebrachte dielektrische Distanzstücke braucht, um die Vielfalt der Kleinabstand- Entladungskanäle 14 beizubehalten.

Wenn der Laser mit sehr kleinen Entladungsspalten, z. B. 2 mm, gebaut ist, dann können aus jedem Quadratzentimeter der Elektrodenfläche der Strukturen in Abb. 24, etwa 2 Watt/cm² Dauerstrich-Laserleistung extrahiert werden. So z. B. kann die 12spaltige Einheit etwa 25 W/cm der Laserlänge und die 24spaltige Ausführung etwa 50 W/cm der Entladungs­ länge leisten. Aus dem gesagten ist es ersichtlich, daß man pulsierte Laser mit hoher Pulsrate, die Durchschnittsleistungen von mehreren Kilowatt haben, aus tragbaren, durch Strangpressen hergestellten, Vorrichtungen zusammenbauen kann.

Ausführungen für Miniaturlaser

Es folgt, daß die oben beschriebenen, radialangeordneten geometrischen Konstruktionsmerkmale und Konstruktionsmethoden, die die Herstellung von Hochleistungslasern in kleinen "Paketten" erlauben, auch zum Herstellen von Miniaturlasern in Größen, die für den Handbetrieb geeignet sind, ausgenutzt werden können. In diesem Zusammenhang zeigt Abb. 25 einen radialangeordneten Minilaser mit einem Durchmesser von nur 4 cm und einer Länge von nur 20 cm. Mit einer Ausgangsleistung von fast 250 W und bei seiner erheblich reduzierten Größe ist das Gerät für medizinische Zwecke geeignet.

Streifenleiter-HF-Resonatoren

Um die Verkleinerung zu begünstigen, wurden zum Aufbau von einem Resonanzsys­ tem 150 mit HF-Leistungsverteilung und Impedanzanpassung, Mikrowellen-Streifenleiter- Techniken benutzt. Auch die Elektrodenkühlung 151 erfolgt durch Wärmeabfuhr aus dem umhüllenden Wassermantel 152, durch einen Isolator mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Alumina oder Berillia 154, statt direkt innerhalb der Elektroden stranggeformten Wasserwege, wie es der Fall bei größeren Systemen ist. Man soll erwähnen, daß der Streifenleiterresonator unter den allgemeinen Begriff Hohlraum-Resonanzkreis gehört.

Die HF-Steuerenergie für die Mehrzahl der Elektroden kann von einer Mehrzahl von Hochfrequenztransistoren 164 abgeleitet werden, die direkt mit dem Streifenleiterresonator ein Ganzes bilden, oder alternativ von den Mikropunkt-HF-Speisekabeln, die an eine entfernte, aber gemeinsame HF-Quelle - entweder eine Vakuumröhre oder eine Transistorquelle - angeschlossen sind. Der primäre und der Ausgangsspiegel 156 und 158 können direkt in den Vakuummantel 160 eingebaut werden. Laserausgangsleistung ist durch ein ZnSe Fenster 162 abgeleitet. Die Laserleistung kann gesteigert werden, wenn das Ausgangsfenster mit einer teilweise reflektierenden Schicht in der Nähe der Zentrallinie beschichtet wird, um eine innere Rückkop­ plung zum Erhöhen der Multikanal-Phasenkopplung zu erreichen.

Der Entwurf, der dem Multikanal-Streifenleiter-Resonator HF-Steuersystem für Miniaturlaser in Radialanordnung in Abb. 25 eigen ist, ist klarer in der isometrischen vereinfachten Zeichnung der Abb. 25B dargestellt. Wie man sehen kann, besteht das System aus einer Mehrzahl von 1/4-Wellen-HF-Resonatorstrukturen des "Schaltungplatten-Typs", die auf einer zylindrischen, metallbeschichteten, keramisch isolierten, Schaltungsplatte angebracht sind, die dann über den Außenumfang des wassergekühlten Laservakuummantels 160 gezogen ist.

Elektrische Grundlagen dieses Resonatortyps sind in der Literatur mehrfach beschrieben.

Überlegungen über die Ausgangsstrahlung

Ausgangsstrahlprofile, die in Kleinabstand-Breitplatten-Lasern erzeugt werden, sind nicht einheitlich und haben, dank der unterschiedlichen Divergenzen in Quadratur, ein von Eins abweichendes Aspektverhältnis. Es ist schwer solche Strahlen in Materialbearbeitungs­ vorgängen von hoher Qualität ohne irgendwelche optische Kompensation anzuwenden. Dieses Problem wird schwieriger und schwieriger, wenn eine Mehrzahl von Plattenlaser-Strahlen kombiniert ist, um die Leistung zu steigern.

Stapeln von radialangeordneten Strahlenbündeln

Weil ein Laser mit radialer Gruppenanordnung auch eine Mehrzahl von Kleinbündeln vorstellt, die aus den Kleinabstand-Verstärkungskanälen herauskommen und in einen einzigen Strahl zusammengeführt sind, könnte man erwarten, das diese Vorrichtung auch an Bündeluneinheitlichkeit und Asymmetrie leiden würde. Die Ergebnisse haben aber gezeigt, daß es nicht der Fall ist, dank der von Natur entstehenden Stapelungskompensierung des Radial­ bündels. Dieser sehr günstiger Effekt ist in Abb. 26 bis 28 untersucht.

Das nicht-symmetrische "Bildformat" und Intensitätsunterschiede zwischen typischen Kleinbündeln, die von einer 8-Kanalteststruktur in Radialanordnung stammen, sind ersichtlich aus den Profilen der Abb. 26. Diese Profile wurden gemessen und wiedergegeben mit Computer unter Benutzung eines speziellen Bündelprofiliersystems, das vor kurzem entwickelt wurde. Messungen der Polarisation deuten an, daß jedes zu den Elektrodenflächen parallele Klein­ bündel linear polarisiert ist. Phasenkopplung wurde nicht versucht.

Wenn sie in dem Nahfeld aufgestapelt sind, kann man ein einziges symmetrisches, nicht polarisiertes Profil sehen, wie in Abb. 27. Wenn fokussiert, haben diese kombinierten Kleinbündel einen einzigen, einheitlichen Fleck gebildet, dessen Mindestdurchschnitt erheblich kleiner war, als die Beugungsgrenze jedes einzelnen, beliebigen Kleinbündels. Der Mechanismus nach dem die einzelnen nicht-phasengkoppelten Kleinbündel zu einem einzigen so kleinem Fleck fokussiert werden können, wird mit Hilfe der Abb. 28 verständlich.

Dank der Geometrie der azimutalen radialen Gruppenanordnung und dem gemeinsamen konfokalen Resonator breiten sich alle Kleinbündel parallel zu der optischen Achse aus und werden in einen gemeinsamen Fleck fokussiert. Dank dem "Bildformat" produziert aber jedes fokussierte Kleinbündel einen länglichen Fleck, dessen große Achse zu seinem Nahfeldprofil orthogonal liegt. Weil die Kleinbündel nicht phasenstarr sind, verschmelzen Paare mit gleicher Orientierung und ihre Intensitäten addieren sich. Dabei entsteht ein zusammengesetzter Fokus, der aus vier länglichen, in Intervallen von 45 Grad orientierten, Flecken besteht. Das Querprofil wird daher viel symmetrischer und einheitlicher, als das Profil jedes einzelnen Kleinbündels.

Die günstigen Effekte, die dieses Phänomen der "Stapelung von Radialstrahlen" (N) mit sich bringt, sind noch besser ersichtlich, wenn man deren Computersimulation in Abb. 28 betrachtet. Das obere Diagramm, 28a, illustriert den Fall wo nur zwei Kleinbündel (N=2) paral­ lel zueinander gestapelt sind. Wie man sehen kann, ist das zusammengesetzte Intensitätsprofil sehr breit und zeigt noch eine enorme azimutale Asymmetrie, die für Breitplattenlaser mit einem hohen Aspektverhältnis charakteristisch ist.

Daß man aber ein viel mehr symmetrisches und viel einheitlicheres Intensitätsprofil erhält, wenn nur vier Kleinbündel in einer radialen Gruppenanordnung gestapelt sind, ist in Abb. 28b klar zu sehen. Diagramm 28c, das das radiale Stapeln von acht Kleinbündeln darstellt, dokumentiert, daß die Qualität des zusammengesetzten Strahls mit der Anzahl der Kleinbündel schnell wächst. Das geschieht durch die Glättungs-und Kompensationswirkung der Mehrzahl von kleineren Bündeln, die mit der Bildung des Endstrahl-Durchschnittprofils aus diesen, azimutal um den Umfang angeordneten Bündeln, verbunden ist.

Verkleinerung des fokalen Flecks

Aus den zusammengesetzten Intensitätsdiagrammen b und c der Abb. 28 ist es weiter ersichtlich, daß die radiale Bündelstapelung das Profil der fokalen Intensität, sogar bei nicht phasenstarrem Betrieb des Radiallasers dramatisch ändert. Besonders kommt es zu einer bedeutenden Verkleinerung des fokalen Flecks, die mit der radialen Stapelung der inkoherenten Bündel verbunden ist und deren Aspektverhältnis nicht Eins ist, weil nur die Strahlen innerhalb des intensiven zentralen Bereichs der Kleinbündel addiert werden, während die äußeren "Flügelbereiche" mit schwacher Intensität nicht addieren.

Man kann intuitiv zu der Schlußfolgerung kommen, daß auch die radiale Stapelung einer sehr großen Anzahl von "koherenten Kleinbündeln", die der phasengekoppelte, radialangeordnete, Multikanal-Laser erzeugt, einen zusammengesetzten Ausgangsstrahl von großer Symmetrie und Uniformität bildet, das aber eine viel höhere Leuchtstärke hat, weil eine konstruktive Interferenz zwischen den einzelnen Kleinbündeln im fokalen Fleck stattfindet. Eine sehr, starke Strahlung dieser Art ist ideal für Materialbearbeitungsprozesse von hoher Qualität.

Vorteile der radialen Gruppenanordnung

Ein zusätzlicher und wichtiger Vorteil der radialen Stapelung von mehreren Strahlen ist, daß die Uneinheitlichkeiten jedes Kleinbündels über einen zentralen fokalen Bereich gemittelt werden und einen besonders glatten fokalen Fleck mit sauberen Kanten liefern. Auch kleine Änderungen der Ausrichtung während des Betriebs werden gemittelt, so daß sie nur einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Fokalparameter des zusammengesetzten Strahls ausüben. Die Konstruktion und der Betrieb des optischen Systems sind also einfacher und preiswerter.

Das oben gesagte führt also dazu, daß die Radialanordnungsgeometrie einen Ausgangsstrahl erzeugt, der hoch symmetrisch ist, was nicht nur Polarisation sondern auch Intensitätsprofil betrifft. Folglich gibt es keine bevorzugte Richtung bei Bearbeitungsprozessen. Im Hinblick auf die oben gegebene Analyse, wird auch ein nicht-phasengekoppelter Laser in Radialanordnung eine besonders gute Leistung bei Hochqualitäts-Schneideprozessen zeigen.

Obwohl die Multikanallaserstruktur, die in Abb. 26 dargestellt ist, als eine Ausführung zur "Konzept-Bestätigung" mit einem Elektrodenabstand von 5 mm gebaut worden ist, haben neudurchgeführte Versuche mit Einzelplatten-Vorrichtungen gezeigt, daß eine verbesserte Energieextraktion erreicht werden kann, auch wenn die Entlandungsabstände nur halb so groß sind. Auch wenn man die Konstruktion und Ausnutzungspunkte berücksichtigt, zeigen sich Elektroden, die länger als etwa 1 m sind, als unzweckmäßig. Es folgt also, daß wenn man eine bedeutende Menge der optischen Leistung aus einem diffusionsgekühlten Gerät extrahieren will, muß die Einzelplatten-Laserelektrode entweder sehr breit gebaut sein, oder man muß die Multi­ kanal Ausführung anwenden.

In diesem Zusammenhang und mit Rücksicht auf das oben erwähnte, scheint es vorteilhaft zu sein, eine radial angeordnete Multikanalstruktur eher als eine einzelne Breitplatten- Struktur zu benutzen, weil die Symmetriesteigerung und Fleckverkleinerung, die mit der Stapelung von radialangeordneten Kleinbündeln erreicht werden, wichtig sind. Außerdem neigen die breiteren Elektroden der Plattenlaser zur thermischen Verzerrung mit gleichzeitiger ernsthafter Strahlherabsetzung, die durch das entstehen der Entladungswärme nur an einer Seite verursacht wird. Die Zirkelsymmetrie und beiderseitigen Entladungen, die der radialen Gruppenanordnung eigen sind, beseitigen diese Probleme.

Es sollte im Prinzip möglich sein, eine Anzahl von inkohärenten, asymmetrischen Strahlenbündeln von einzelnen Plattenlasern zu stapeln, die auf eine ähnliche Art radial ange­ ordnet wären und dadurch die gleiche Steigerung der Leuchtstärke erzeugen würden, wie man bei den radialangeordneten Strukturen beobachten kann. Diese Lösung ist aber praktisch nicht anwendbar, nicht nur weil zusätzliche Optik notwendig wäre, aber viel mehr, wegen der gleichzeitigen Probleme mit beibehalten der kombinierten Kolinearität und Stabilität eines auf diese Weise verteilten Systems. Im Gegensatz, die radiale Geometrie und ein gemeinsames optisches Extraktionssytem, was mit der radial angeordneten Struktur gleichbedeutend ist, bieten diese notwendige Bündelstapelungsmerkmale von Haus aus.

Ein anderer wichtiger Faktor, den man im Zusammenhang mit der Zweckmäßigkeit der Radialgeometrie bei Laserkonstruktion berücksichtigen muß, ist die vorhandene Laserleistung, die aus einem gewissen Volumen extrahiert werden kann. Im Einzelnen: die radialangeordnete Struktur nutzt den vollen Querschnitt des "Lasergefäßes" aus, das als Ge­ häuse für das Elektrodensystem dient und nicht nur einen einzigen engen Spalt in dem Querschnitt, wie es der Fall mit einem Einzelplattenlaser ist. Folglich wird eine um eine Größenordnung höhere Laserausgangsleistung bei den gleichen Querschnittausmaßen erzeugt. Die Ausnutzung dieses einzigartigen Konzepts der Radialanordnung führt also zu viel kleineren Lasern mit einer viel höheren Leistung.

Claims (19)

1. Lasersystem, das folgendes aufweist:

• - eine Vielzahl von Plattenverstärkungskanälen, die durch eine begrenzte Schicht von Laseranregungsmedien gebil­ det sind;
• - Einrichtungen, die an den Verstärkungskanälen ange­ bracht sind, um die Laseranregungsmedien zu kühlen;
• - Einrichtungen zur optischen Extraktion, die an jedem Verstärkungskanal angebracht sind, um optische Energie aus den Verstärkungskanälen zu extrahieren;
• - eine Quelle für Laseranregungsenergie, um die Laseran­ regungsmedien anzuregen; und
• - einen Hohlraum-Resonanzkreis, der mit der Quelle für Laseranregungsenergie elektrisch verbunden und an jeden der Verstärkungskanäle elektrisch angepaßt ist.

2. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungskanäle durch Elektrodenpaare begrenzt sind, welche Gasentladungsbereiche mit kleinem Abstand bilden, wobei jedes Elektrodenpaar eine Sendeleitung bil­ det.

3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Verstärkungskanal vorgesehen ist.

4. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Verstärkungskanälen vorgesehen ist, die eine radiale Anordnung mit einer gemeinsamen zentra­ len Achse bilden, wobei der Resonanzkreis eine Symmetrie­ achse hat, die mit der gemeinsamen zentralen Achse zusam­ menfällt.

5. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis einen Resonanzhohlraum bildet.

6. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Verstärkungskanälen eine radiale An­ ordnung bildet und der Resonanzhohlraum zwischen den in­ neren und äußeren zylindrischen elektrischen Leitern ge­ bildet ist.

7. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende jedes Entladungskanals eine Einrichtung vor­ gesehen ist, um eine Rückkopplung der elektrischen Ener­ gie in den Hohlraum vorzunehmen und einen impedanzmäßig angepaßten Abschluß der von den Elektroden gebildeten Sendeleitungen zu bilden, so daß bei Anregung der Elek­ troden eine wandernde Welle erzeugt wird.

8. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungskanäle zwischen Elektrodenpaaren be­ grenzt bzw. eingeschlossen sind und zusätzlich Magnet­ schleifen aufweisen, die in dem Resonanzhohlraum angeord­ net und mit den Elektrodenpaaren elektrisch verbunden sind.

9. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis von einer Vielzahl von elektrisch leitenden Streifen gebildet ist, die jeweils eine Strei­ fenleiter-Anregungsquelle bilden.

10. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzhohlraum zwischen den inneren und äußeren zylindrischen elektrischen Leitern gebildet ist, wobei die Vielzahl von Verstärkungskanälen eine radiale Anord­ nung bilden, die innerhalb des Resonanzhohlraumes ange­ bracht ist, und wobei die Quelle für Laseranregungsener­ gie folgendes aufweist:

• - ein Paar von koaxialen, in sich zurückkehrenden bzw. mehrfach zusammenhängenden, kapazitiv geladenen konzen­ trischen Resonanzhohlräumen; und
• - eine Vakuumröhre, die mit dem Innenraum des Paares von koaxialen, in sich zurückkehrenden, kapazitiv geladenen konzentrischen Resonanzhohlräumen elektrisch verbunden ist und damit einen HF-Oszillator bildet.

11. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für Laseranregungsenergie ein Magnetron oder eine Vakuumröhre ist und an dem einen Ende des Hohl­ raum-Resonanzkreises angebracht ist.

12. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für Laseranregungsenergie an der Seite des Hohlraum-Resonanzkreises angebracht ist und ein T bildet.

13. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für Laseranregungsenergie von einer Viel­ zahl von Vakuumröhren gebildet ist, die an der Seite des Hohlraum-Resonanzkreises angebracht sind.

14. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzhohlraum zwischen inneren und äußeren zy­ lindrischen elektrischen Leitern gebildet ist, wobei die Vielzahl von Verstärkungskanälen eine radiale Anordnung bildet, die im Inneren des Resonanzhohlraumes angebracht ist, und wobei die Quelle für Laseranregungsenergie fol­ gendes aufweist:

• - eine torusförmige Vakuumröhre, die innerhalb des Hohl­ raum-Resonanzkreises angeordnet ist und sich in Um­ fangsrichtung um die radiale Anordnung erstreckt.

15. Lasersystem, bestehend aus einem einzigen oder einer Vielzahl von breiten Verstärkungskanälen mit kleinem Ab­ stand, wobei Einrichtungen an dem oder den Verstärkungs­ kanälen angebracht sind, um die Laserverstärkungsmedien sowohl zu kühlen als auch anzuregen, wobei eine optische Extraktionseinrichtung an jedem Verstärkungskanal ange­ bracht ist, derart, daß die Anordnung eine Vielzahl von einzelnen kleinen Strahlen erzeugt, und zwar jeweils einen aus jedem Verstärkungskanal, wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Vielzahl von kleinen Strahlen über eine externe Hauptoszillatorinjektion oder durch Selbst­ injektion zu kombinieren, damit diese gemeinsam zu einem einzigen Ausgangsstrahl beitragen.

16. Lasersystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Verstärkungskanälen innerhalb der eindimensionalen oder zweidimensionalen Anordnung indivi­ duell durch Laseranregungsenergie betrieben werden, die aus einem HF-Resonanzhohlraum, einer Mehrkanal-Leistungs- Verteilung sowie einem Impedanzanpassungssystem abgelei­ tet wird.

17. Lasersystem nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß es eine oder mehrere einzelne Breitspalt-Entladungen in kleinem Abstand aufweist und entweder in einem Wellen­ leitermode oder einem Nicht-Wellenleitermode arbeitet, wobei das System ein optisches Extraktionssystem auf­ weist, das entweder einen ringförmig gekoppelten konkav­ konvexen stabilen Resonator, einen Iris-gekoppelten, torusförmigen stabilen Resonator oder einen stabilen/ instabilen MOPA Resonator aufweist, die alle mit oder ohne äußere Injektion arbeiten, um eine verbesserte Mo­ denqualität und Stabilität durch Phasenkopplung und Bün­ delstapelung zu erzielen.

18. Lasersystem nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Miniaturanordnung einer Vielzahl von Verstär­ kungskanälen aus einer teilweise extrudierten Konstruk­ tion abgeleitet ist, bei der abwechselnde Elektroden ein gemeinsames wassergekühltes äußeres Gehäuse bilden, wäh­ rend die anderen Elektroden an einem elektrisch isolie­ renden, aber thermisch leitenden Übergangsmaterial ange­ bracht sind, um eine einheitliche bzw. homogene HF-Anre­ gung sowie eine gute Wärmeabführung zu gewährleisten.

19. Gepulstes Lasersystem nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Verstärkungsmedien aus einer Vielzahl von verschiedenen Gasmischungen gewählt sind, um einen Koh­ lendioxidlaser, einen Kohlenmonoxidlaser, einen Stick­ stofflaser, einen Xenonchloridlaser, einen Kryptonfluo­ ridlaser oder irgendein anderes Lasersystem zu bilden, das in effizienter Weise mit einem intensiven Laserplasma gepumpt werden kann, welches von einem Riesenimpuls-HF- Entladungssystem erzeugt wird.