DE2523252A1

DE2523252A1 - Kompakter hochenergie-laser

Info

Publication number: DE2523252A1
Application number: DE19752523252
Authority: DE
Inventors: Stephen Dell Rockwood; Robert Eugene Stapleton; Thomas Fairlamb Stratton
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1974-05-28
Filing date: 1975-05-26
Publication date: 1975-12-11
Also published as: FR2273382A1; IT1045170B; JPS51105291A; US3973213A

Description

U.S. Energy Research And Development Administration, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Kompakter Hochenergie-Gaslaser

Die Erfindung bezieht sich auf elektrisch gepumpte Gaslaser und insbesondere auf elektrisch gepumpte Hochenergie-Gaslaserverstärker, bei denen der Gasdurchschlag (Durchbruch) des Lasermediums im wesentlichen vermieden wird.

Wenn Gase durch eine hohe Intensität aufweisende Laserimpulse bestrahlt werden, so können die innerhalb der Strahlbahn angeordneten freien Elektronen auf hinreichend hohe Energien gebracht werden, um durch Zusammenstoß andere Gasmoleküle und/ oder Atome zu ionisieren, was ein schnelles Anwachsen der freien Elektronenzahldichte zur Folge hat. Der Koeffizient für die Absorption von Photonen durch freie Elektronen steigt bei einsteigender Elektronendichte an, und die Elektronenkaskade hat eine plötzliche Dämpfung des Laserstrahls zur Folge. Diese Dämpfung des Laserimpulses und die sich dadurch

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ergebende Erwärmung des Gases wird als Gasdurchschlag (gas breakdown) bezeichnet. Dieser Vorgang ist in der Literatur auch als optischer Zusammenbruch oder breakdown bekannt. Unglücklicherweise kann der Zusammenbruch in jedem Gas auftreten, und zwar einschließlich derjenigen, die Lasermedien bilden, wenn der Laserimpuls hinreichend intensiv ist. Es ist somit ohne weiteres ersichtlich, daß der Gaszusammenbruch ein sehr bedeutsames Problem ist und bei der Konstruktion von Hochenergie-Gaslaserverstärkern überwunden werden muß.

Aus der Literatur ergibt sich, daß die Gasdurchschlagsschwellen oder Schwellwerte für viele Gase durch Licht verschiedener Wellenlängen experimentell und theoretisch bestimmt wurden. Der Zusammenbruchsschwellwert ist eine Funktion der Gasbestandteile, des Drucks, der Temperatur, der Laserfreguenz und der Impulslänge. Zuletzt veröffentlichte Daten bezüglich von CO₂-Lasermischungen sind diejenigen von Rockwood u.A. in 9 IEEE J. Q. E. 154 (1973). Diese Daten können grob wie folgt zusammengefaßt werden:

^ESchwellwert * f ( ) Joule/cm² (1),

und zwar für Impulslängen t c< 1 nsec, wobei K die Laserwellenlänge in Mikrometern und ρ der Gasdruck in Atmosphären ist. Diese Abhängigkeit geht für t ^ 1 nsec in die folgende Beziehung über:

^PSchwellwert * 6 χ 10⁸ f ) W/cm² (2)

In allen Fällen ist unabhängig vom Gas der Schwellwert durch eine bestimmteEnergie oder Leistung pro Einheitsfläche bestimmt. Um daher mehr Energie ohne Erzeugung eines Durchbruchs hindurchzuleiten, muß die Fläche,über welche die Energie hinweg verteilt ist, erhöht werden. Im Falle eines

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konventionellen elektrisch gepumpten, rechteckigen Verstärkers bildet dies ein schwieriges Problem, da die Querschnittsfläche festliegt und von der Länge unabhängig ist. Es ist natürlich möglich, die Querschnittsfläche des gepumpten Lasermediums durch Erhöhung des Abstands zwischen den Elektroden zu erhöhen. Dieses Vorgehen hat jedoch sehr schnell eine solche Erhöhung der Spannung an den Elektroden zur Folge, daß schnell ein Punkt erreicht wird, bei welchem es nicht möglich ist, irgendeine höhere Energieausgangsgröße zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Problem des GasZusammenbruches in elektrisch gepumpten Hochenergie-Gaslaserverstärkern größtenteils dadurch überwunden werden kann, daß man diese Verstärker in der Form dicker Scheiben ausbildet und den Laserimpuls radial nach aussen in der Scheibe von der Mittelachse der Scheibe aus fortpflanzt. Für eine

derartige radiale Geometrie steigt die Fläche des Ausgangsfensters entsprechend

A = 21Thr

an, wobei r der Radius der Scheibe und h die Höhe ist, d.h. der Abstand zwischen den ebenen Oberflächen der Pumpelektroden (vergleiche Fig. 1). Wenn daher die Energie durch Verstärkung längs der Radialbahn r ansteigt, so steigt auch die Fläche an, über welche die Energie hinweg verteilt ist, was eine wesentliche Verminderung der Tendenz hinsichtlich eines Gaszusammenbruchs zur Folge hat.

Speziell im Fall eines gesättigten Laserimpulses steigt der Fluß wie

an, wobei g_Q die Kleinsignalverstärkung und <i der Sättigungs fluß ist. Demgemäß ist aus Gleichung 3 für jeden vorgegebenen

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Abstand 1 längs der Verstärkungsbahn <£(1) für Radialbetrieb

gleich (J (1)/2 für Linearbetrieb. Das heißt, der Laserstrahl dehnt sich aus, so daß die Energie pro Einheitsfläche entsprechend der Beziehung

^EStrahl ^ r

zunimmt, wobei E_strahl die Strahlenergie, A die Querschnittsfläche des Strahls und r der Abstand ist, den der Strahl durch den Verstärker gelaufen ist.

Für Radialbetrieb kann auf diese Weise die Ausgangs fläche mit ansteigendem r erhöht werden, wobei die Spannung über die Höhe h hinweg konstant gehalten wird. Dies ist schematisch in Fig. 11 gezeigt. Verstärker dieser Bauart können mit irgendeinem Lasergas betrieben werden, sind aber besonders geeignet zusammen mit CO₂-Lasermischungen.

Ein erfindungsgemäßes Hochenergie-Gaslaserverstarkersystem kennzeichnet sich insbesondere durch die folgenden Merkmale: 1) Mittel, die einen Ring bilden, 2) eine Vielzahl von radial gerichteten Prallplatten, die eine Vielzahl von abgestumpften keilförmigen Arbeitszonen in den den Ring bildenden Mitteln ausformen, 3) ein gasförmiges Lasermedium in jeder der Arbeitszonen, 4) Mittel, um das Lasermedium in der Arbeitszone auf einem gewünschten Druck zu halten, 5), Mittel, um eine elektrische Entladung im wesentlichen gleichförmig in jeder der Arbeitszonen zu erzeugen, wobei die elektrische Entladung ausreicht, um eine Besetzungsinversion im Lasermedium zu erzeugen und 6) Mittel, um einen zu verstärkenden Laserstrahl radial nach aussen durch die Arbeitszone zu richten. Wegen der andernfalls sehr hohen Spannungsanforderungen besitzt der typischerweise in einem Verstärker dieser Bauart ausgebildete Ring einen Aussenradius, der größer ist als seine Höhe. Infolge-

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dessen erscheint er als eine dicke Scheibe mit einem Loch durch die Mitte.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere auch aus den Ansprüchen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen vereinfachten schematischen Querschnitt durch die Arbeitszone einer Verstärkereinheit gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die Arbeitszone einer erfindungsgemäßen Verstärkereinheit;

Fig. 3 den Ausgangsfluß in φ (Joule/cm ) eines Radialverstärkers als Funktion des Drucks ρ (atm). Die Linien 1 mit g R als Parameter definieren den Betrieb bei Sättigung, wohingegen die Linie 2 den Durchschlagsschwellwert darstellt, wie er in Fig. 1 angegeben ist;

Fig. 4 den Radius als Funktion der Höhe für Zone 1 (gestrichelte Linie) und Zone 2 (ausgezogene Linie), wobei der Parameter der Druck ρ (atm) ist;

Fig. 5 die erforderliche optische Eingangsenergie als Funktion des Aussenradius der Scheibe unter der Annahme, daß der Innenradius gleich der Höhe ist;

Fig. 6 die erforderliche Gasentladungsspannung als Funktion der Höhe basierend auf £/p = 4 kV/cm/atm. Die Kurven sind die gleichen für beide Regionen 1 und 2;

Fig. 7 das Produkt aus Gasentladungsstrom und Impulslänge als Funktion des Radius unter Annahme eines 2%-Wirkungsgrades*

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In Zone 1 gibt es keine Druckabhängigkeit;

Fig. 8 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verstärkers;

Fig. 9 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 10 ein Blockdiagramm der Schaltung, die mit dem durch Elektronenstrahl ionisierten Gasentladungs-Laserverstärker der Fig. 8 und 9 verbunden ist;

Fig. 11 schematisch die Art und Weise, in welcher sich der Laserstrahl in einer Arbeitszone des Verstärkers der Fig. 8 und 9 ausdehnt;

Fig. 12 eine schematische Ansicht einer optischen Zwei-Durch-1 auf konstruktion, die mit dem Verstärker der Fig. 8 und 9 verwendbar ist;

Fig. 13 eine schematische Ansicht einer weiteren optischen Zwei-Durchlaufkonstruktion, die mit dem Verstärker der Fig. 8 und 9 verwendbar ist.

Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch bestimmte Grundmerkmale einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Verstärkereinheit. Eine elektrische Pumpkammer 10 besitzt zylindrische Symmetrie bezüglich der Achse 1 und enthält ein gasförmiges Lasermedium Typischerweise befindet sich das Lasermedium 11 auf einem hohen Druck, d.h. atmosphärischem Druck oder mehr. Die Pumpkammer 10 ist in eine Vielzahl von abgestumpften tortenförmigen oder keilförmigen Segmenten 35 durch Prallplatten,36 unterteilt, die zur Verhinderung parasitärer Laserschwingungen längs nicht radialer Bahnen innerhalb der Pumpkammer 10 dienen. Auf den Innen- und Aussenumfängen der Pumpkammer 10 ist eine

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Vielzahl von optischen Fenstern 12 und 13 angeordnet, die für die zu verstärkende Laserstrahlung durchsichtig sind. Innerhalb jedes Segments 35 sind Fenster 12 und 13 radial ausgerichtet. Eine Vielzahl von Elektrodenmitteln 14 und 15 ist innerhalb der Pumpkammer 10 angeordnet, wobei eine Elektrodenvorrichtung 14 mit einer Elektrodenvorrichtung 15 ausgerichtet ist. Jedes Paar der ausgerichteten Elektrodenvorrichtungen 14 und 15 ist mit einer geeigneten Leistungsversorgung 23 (vergleiche Fig. 8, 9 und 10) verbunden. Zwischen einem jeden Paar der ausgerichteten Elektrodenvorrichtungen 14 und 15 ist ein Volumen 8 an Lasermedium 11, in dem die Lichtverstärkung erfolgt, angeordnet. Jedes Volumen stellt eine Arbeitszone des Verstärkers dar. Die Elektrodenvorrichtungen 14 und 15 können derart sein, daß die Einheit als ein TEA (transverse excited atmospheric; transversal angeregter atmosphärischer) Verstärker mit beispielsweise Doppelentladungselektroden arbeitet. Alternativ kann eine gleichförmige Entladung in den Volumina 8 dadurch aufrechterhalten werden , daß man den Ionisationsmechanismus im Lasermedium 11 in den Volumina 8 von der elektrischen Ladung selbst trennt. Dies macht das Vorhandensein vor Vorionisationsvorrichtungen 31 erforderlich, die ein Plasma in den Volumina erzeugen, und die eine Elektronenkanone sein können, um einen Elektronenstrahl zu erzeugen, der durch die Volumen 8 gerichtet ist. Typischerweise ist die Elektronenkanone eine Kathode, die durch thermionische Emission oder durch Feldemission arbeitet. Alternativ kann die Vorionisationsvorrichtung 31 eine Strahlungsquelle sein, die geeignet ist, um eine gleichförmige Photoionisierung durch die Volumen 8 hindurch zu erzeugen, und sie kann eine Strahlungsquelle sein, die geeignet ist, um gleichförmig ionisierende Strahlung durch die Volumen 8 herzustellen oder aber sie kann eine Niedrigdruckgasentladung sein, welche in einem Raumladungs-neutralisierten Plasma "runaway" (Weglauf)-Elektronen erzeugt.

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Wie man in Fig. 1 erkennt, trifft ein zuvor räumlich und zeitlich geformter Eingangslaserstrahl 2 vom Oszillator oder der Vorverstrrkerstufe 4 auf einen konischen Spiegel 3 auf, der die Eingangs laserenergxe über 360° um die Achse 1 herum und radial" durch die PumpkaxnmeriO verteilt. Die Oberfläche des konischen Spiegels 3 kann konkav ausgebildet sein, um sphärische Divergenzen im ankommenden Laserstrahl 2 zu korrigieren und um auf diese Weise zu bewirken, daß dieser Strahl parallele Strahlenbahnen durch den Verstärker annimmt. Da die Fläche der Oberfläche pro Einh-eitslänge entlang des Konus mit ansteigendem Radius ansteigt, wird der größte Anteil der Energie in der Nähe der Basis des Konus reflektiert. Diese Eigenschaft korrigiert zum Teil die abnehmende Intensität der von der Achse weggelegenen Elemente des ankommenden Laserstrahls 2 und erzeugteine gleichförmigere Beleuchtung des Verstärkers in der Querrichtung. Zur Vermeidung der Reflexion vom oberen Ende 30 des Spiegels 3 weg, diese Reflexion würde in das Eingangs system zurücklaufen, kann der Eingangslaserstrahl 2 eine solche Form besitzen, daß er ein Intensitätsminimum auf Achse 1 besitzt.

Eine gleichförmige elektrische Entladung wird .zwischen Elektrodenvorrichtungen 14 und 15 eingeleitet, welche eine Pppulationsinversion durch das Lasermedium 11 hindurch in den Volumen 8 erzeugt, durch welche der Strahl 2 hindurchläuft und verstärkt wird. Der verstärkte Strahl 2 wird sodann fokussiert und in der gewünschten Weise durch Spiegel 5 gerichtet, der ein zylindrischer Abschnitt entweder von einem Paraboloid oder einem Ellipsoid ist.

Der Verstärker wird durch einen Sättigungsfluß j> betrieben, auf welche Weise die optische Eingangsenergie als das Produkt der Eingangs fläche mal ά festgelegt ist. Die Eingangsfläche, ist die Querschnittsfläche des Strahls 2, der in die Volumen eintritt, d.h. das Volumen des Lasermediums wird elektrisch gepumpt. Im Rahmen dieser Anmeldung bedeutet elektrisches

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Pumpen die Hinzufügung elektrischer Energie zu einem Lasergas in einer Menge und Weise, die ausreicht, um darin eine Populationsinversion zu erzeugen. Die Querschnittsaustrittsfläche von den Volumen 8 ist derart gewählt, daß die gewünschte Ausgangsenergie E unterteilt durch die Austrittsfläche einen 'Sub-Durchschlagsfluss ergibt.

Konstruktionsparameter für einen gemäß der Erfindung ausgebildeten CO- -Verstärker können durch die im folgenden angegebenen Beziehungen bestimmt werden.

Fig. 3 zeigt den Ausgangsfluß φ(Joule/cm ) eines typischen Kurzimpuls-CO^-Laserverstärkers für ausgewähltes g R (Linie 1), wobei R der Vorrichtungsradius zusammen mit dem Zusammenbruchsschwellwert (Linie 2, Gleichung 1) ist, und zwar beide als Punktion des Drucks. Der Konstruktionsraum, in dem man arbeiten muß, ist somit bei niedrigem Druck durch Linie 1 und bei hohem Druck durch Linie 2 begrenzt, wobei der optimale Betriebsdruck durch den Schnitt der Linien 1 und 2 bestimmt ist. Die Verwendung von Gleichung 1 und einem Sättigungsfluß ψ- (Joules/cm ) =0,1 ρ(atm) ergibt den Optimaldruck

^popt ^(atm) - ¹⁰ZiTi₀R¹ ' (4)

Die Tabelle I gibt die Konstruktionsgleichungen an, die für Betrieb längs einer Sättigungsflußgrenze (Linie 1) und einer Zusammenbruchsgrenze (Linie 2) anwendbar sind. In der Tabelle I haben die dort verwendeten Symbole die folgende Bedeutungen:

°*-- Der Anteil der Eingangsenergie, der an das obere Laserniveau geliefert wurde. Für die Zwecke dieser Diskussion wird angenommen, daß <X und ß konstant sind.

fi - Der Anteil der Energie im oberen Laserniveau, der extrahiert werden kann.

E
aus - Die gewünschte Ausgangsenergie (Joule)

&/p - Das Verhältnis aus eingeprägtem elektrischen Feld zu Gasdruck (Volt/cm/atm).

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TABELLE I Vorrichtungsparameter

• Radius (R) Höhe (h)

Region

< Φ_Ο(Ρ)

Region 2 (gR)f >. φ (ρ)

Rh(cm ) >

1 „

Volumen (VoI)

⁰¹ Entladungs-

2 energie (E_d)

^OT Energiedichte (U)

Elektrischer Strom (I)

Stromdichte (J)

VoI(ccT)

E_d(Joule) -E_out/a0 U (Joule/cm³) - -§~ α ρ

VoI(cm³) - TIh(R² - r²) >| E_a (Joule) -E /öS

ro

cn

U (Joule/cm"³)

i_(Ämp., -

4πφ_ο(1)'

co

cn

L^Eout

ρ² ρ²

_T ._ , 2. ·( out

9 9 2

TT(R^-4 - I) ρ Rt

Eingeprägte Spannung (V_v)

V(VoIt) - (£/p)ph α ph V(VoIt) · - (£/p)ph α ph

g - Die Kleinsignalverstärkung (cm ). .

<j> (ρ) - Der Zusammenbruchfluß (Joule/cm ) als Funktion von

Druck/ ρ(atm), Gleichung (1). Λ) - Den Sättigungsfluß, $ ^ 0,1 ρ (Joule/cm ).

TS S

t - Die Dauer der elektrischen Entladung (see), ρ - Der Laserdruck in Atmosphären.

Die Fig. 4 bis 7 fassen die physikalischen Eigenschaften des zylindrischen Verstärkers,wie er durch die Gleichungen der Tabelle I gegeben ist, zusammen. Sämtliche Figuren geben die Bedingungen für den Betrieb in der Zusammenbruchsgrenze (Kurve 2, Fig. 3), genannt Region 2, durch ausgezogene Linien und den Betrieb in der Sättigungszone (Kurve 1, Fig. 3), genannt Region 1, durch gestrichelte Linien an. Sämtliche In-

3 formationen in den Fig. ,4-7 wurden für einen 5 χ 10 Joule Verstärker abgeleitet, der in der zulässigen Region (Zone) zwischen Kurven 1 und 2 arbeitet, wobei ein 2%-iger Gesamt-

— 1 2

wirkungsgrad, g = 0,04 cm , ώ = 0,1 ρ (Joule/cm ) und ein

O 'S

konservativer Wert für den Durchschlagsfluss von ψ =

2 ^C

2/p (Joule/cm ) angenommen wurde.

Aus Tabelle I und den Fig. 4-7 wurden die in Tabelle II angegebenen Vorrichtungsparameter erhalten. Die geometrische Größe des Systems ist relativ klein. Da der Ausgangsfluß durch Erhöhung von R gering gehalten wird, wird die Querabmessung h und somit die erforderliche Spannung kleingehalten. Dies führt zu einer Betriebsweise mit hohem Strom und niedriger Spannung.

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- 12 TABELLE II

E = 5 χ 10 Joule in t = 2 nsec aus ρ

Angenommener Gesamtwirkungsgrad 2%

Laserhohlraumparameter

Druck =2,4 atm

E/vol/atm =196 Joule/Liter/atm

Höhe h = 10 cm

Radius R = 130 cm .

Spannung = 100 kV

Strom (It ) =2,5 A-sec

E. (optisch) =160 Joule

Elektronenkanonenparameter

Spannung , = £ 170 kV

Strom = 0,06 A-sec

Dauer = £ 3 usec

Abstand = ^ 18 cm Anode-Kathode

Bevorzugte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Laserverstärkereinheit sind in den Fig. 8 und 9 dargestellt. In diesen Ausführungsbeispielen wird die die Populationsinversion im Lasermedium 11 und Volumen 8 erzeugende elektrische Entladung durch Elektronenstrahlvorionisierung gesteuert. Die erforderliche Vorionisierung wird durch Elektronenstrahlen erreicht, die durch Kathoden16 in Vakuumkammer 17 erzeugt werden, auf welche eine geeignete Hochspannung aufgeprägt ist, und zwar durch Hochspannungsspeiser 18. Die Kathoden 16 können Kaltkathoden, FeIdemissionskathoden, thermionischen Kathoden oder irgendeine Bauart sein, die die notwendige Stromdichte liefern kann. Die Elektronenenergie muß ausreichen, um das Entladungsvolumen 8 bei Betriebsdruck zu durchlaufen und gleichförmig Ionisation durch das Volumen 8 hindurch erzeugen.

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Ein elektrischen Feld wird zwischen den Elektrodenvorrich-111.Vj-Mi 14 und 15 eingeprägt, wobei die Spannung des Feldes kleiner ist als die Zusammenbruchsspannung des Lasermediums in den Volumen 8 und hinsichtlich des Druckes so eingestellt ist, daß sich maximaler Wirkungsgrad ergibt. Mit. Durchschlags-(Dur eh-- od. Zusammenbruchs-) Spannung ist diejenige Spannung

gemeint, die enge eingeschränkte Bogenbildung im Lasermedium erzeugt, und zwar als Folge der Wirkung von allein dem elektrischen Feld. Mit einem geeigneten Vakuum in Vakuumkammer 17 und einer geeigneten Spannung angelegt an die Kathoden 16 werden Elektronenstrahlen 20 erzeugt, die durch die Folienfenster 19 und die Volumina 8 durch Anoden 15 beschleunigt werden. Die Folienfenster 19 und die Kathoden 16 und das Ausmaß des in der Vakuumkammer 17 erforderlichen Vakuums hängen davon ab, ob die Kathoden 16 als Kaltkathode oder als Heißkathoden-Elektrodenkanonen arbeiten. Das erforderliche Vakuum wird mittels (nicht gezeigter) Vakuumpumpen erzeugt. Die Fenster 19 können aus irgendeinem Material bestehen, das Elektronenstrahlen 20 von hoher Energie hindurchläßt und doch hinreichend Festigkeit besitzt, um das Lasermedium auf hohem Druck (typischerweise atmosphärischem Druck oder darüber) auf der einen Seite und ein Vakuum auf der anderen Seite aufrechtzuerhalten. Die als Kathoden für die elektrischen Entladungen durch die Volumen 8 wirkenden Elektrodenvorrichtungen 14 besitzen die Form einer Reihe von parallelen Stangen 21, die so mit Abstand angeordnet sind, daß sie eine geringe Interferenz mit den Elektronenstrahlen 20 erzeugen. Die Elektronenstrahlen 20 besitzen eine Querschnittsfläche und eine Energie derart, daß sie ein ausreichendes Maß an Ionisierung innerhalb der Volumen 8 erzeugen, so daß eine gleichförmige glühartige Entladung durch die Volumen 8 hindurch auftritt, wenn ein elektrisches Feld mit einer Spannung geringer als die der Durchbruchsspannung des Lasermediums zwischen Elektrodenvorrichtungen 14 und 15 angelegt wird. Jede Entladung erteilt ein elektrisches Feld dem Lasermedium in den Volumen 8, welches ein Optimum für die Erregung des oberen Laserniveaus

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im Gas ist, und dessen Stromdichte und somit dessen Rate der elektrischen Energieabscheidung durch die Elektronendichte bestimmt, ist, welche durch die durch Elektronenstrahlen 20 erzeugte Ionisation hergestellt ist.

Ein vereinfachtes linienartiges Schaltdiagramm ist in Fig. 10 gezeigt. Dieses Diagramm gilt für eine Elektronenkanone 16 der thermionischen Bauart. An Stelle der thermionischen Kathode kann eine Kaltkathode, eine Feldemissionskathode, eine Plasmakathode oder irgendeine andere geeignete Elektronenstrahlvorrichtung eingesetzt werden. Die Zeitsteuerschaltung 27 enthält eine Reihe von Relais und Verzögerungsschaltun gen, die derart programmiert sind, daß sie den geeigneten Betriebszyklus sicherstellen. Dieser Betriebszyklus kann der folgende sein:

a) Die Gleichstromversorgungen 24 und 25 werden durch die Zeitsteuerschaltung 27 eingeschaltet, um die Impulsvorrichtungen 22 und 23 zu laden. Wenn die Impulsvorrichtungen 22 und 2"3 den gewünschten voreingestellten Ladungspegel erreicht haben, so wird

b) die Fadenleistungsversorgung 26 durch die Zeitsteuerschaltung 27 eingeschaltet. Die Fäden in der thermionischen Elektronenkanone 16 dürfen während einer vorbestimmten und voreingestellten Zeit ihr thermisches Gleichgewicht erreichen.

c) Die Zeitsteuerschaltung 27 liefert sodann einen Auslöseimpuls an die Elektronenstrahlimpulsvorrichtung 22.

d) Sodann liefert die Zeitsteuerschaltung 27 einen Auslöseimpuls an die Gaspumpimpulsvorrichtung 23, und zwar zu einer voreingestellten Zeit, nachdem die Elektronenstrahlimpulsvorrichtung 22 gezündet wurde. Diese Spannung wird an die Lasergaselektroden 15 und 14 angelegt.

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e) Zu einer vorbestimmten und voreingestellten- Zeit, während welcher das Lasergas den maximalen Verstärkungszustand erreicht, liefert die Zeitsteuerschaltung 27 einen Auslöseimpuls für

den Eingangslaser 4 (vergleiche Fig. 1).

f) Sodann schaltet die Zeitsteuerschaltung 27 sämtliche Systeme 26, 22, 23, 24, 25 ab und der Zyklus wird wiederholt.

Wenn die Elektronenstrahlquelle eine, kalte Kathode ist, so vrerden. die Fadenleistungsversorgung 26 und die zugehörigen Steuerschaltungen weggelassen.

Die Elektronenstrahlimpulsvorrichtung 22 und die Gaspumpimpulsvorrichtung 23 kann ein Marx-Stossgenerator, ein L-C-Generator, ein Impulsformungsnetzwerk oder irgendein anderer geeigneter 'Hochspannungsimpulsgenerator sein, und zwar mit der benötigten gespeicherten Energie.

Die Erfindung ist nicht durch die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, in denen der zu verstärkende Laserstrahl nur einen einzigen Durchlauf durch den Verstärker vollführt. Mögliche optische Zwei-Durchlaufkonstruktionen sind schematisch in den Fig. 12 und 13 dargestellt. Demgemäß läuft ein ankommender Strahl 37 radial nach innen durch Volumen zum Spiegel 38 und wird radial nach aussen wiederum durch das Volumen 8 reflektiert, wodurch man die in Fig. 11 gezeigte Strahlexpansion erreicht. Der verstärkte Strahl wird sodann durch Spiegel 39 fokussiert und gerichtet. Der Eingangsstrahl 37 kann durch eine öffnung im Spiegel 39 laufen, wie dies in Fig. 12 gezeigt ist oder aber er kann neben dem Spiegel 39 eintreten und zwar mittels optischer Vorrichtungen 40, wie sie in Fig. 13 dargestellt sind. Man erkennt ohne weiteres, daß man durch die Verwendung geeigneter optischer Vorrichtungen eine Drei-Durchlaufkonstruktion erhalten kann, wobei der ankommende Strahl als erstes radial nach aussen durch

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Volumen 8, sodann nach innen und schließlich wieder nach aussen läuft. Mehr-Durchlaufkonstruktionen dieser Art sind erwünscht, um das Erfordernis für Laservorstärkerstufen zu eliminieren, und um den erforderlichen Sättigungsfluß <f> zu erzeugen. In einer Mehr-Durchlaufkonstruktion dient die Laserkammer sowohl als Vorverstärker als auch als Leistungsverstärker.

Zum Stand der Technik sei auf U.S. Patent 3 7o2 973 hingewiesen.

ORIQfNAL !NSPECTED

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Claims

b) eine zweite Vielzahl von abgestumpften keilförmigen ebenen Elektroden (15), deren ebene Oberflächen eine zweite Ebene bilden, die durch konzentrische Kreise gebildete Innen- und Aussenumfänge besitzt, wobei die erste Ebene mit parallelem Abstand gegenüber der zweiten Ebene angeordnet und dazwischen ein Ringvolumen bildet, und wobei jede der Elektroden in der ersten Ebene mit einer Elektrode in der zweiten Ebene ausgerichtet ist, wobei das Volumen zwischen jedem derartigen Elektrodenpaar eine Arbeitszone oder Region (8) bildet,

c) eine Vielzahl von radial gerichteten Prallplatten (36), die eine Arbeitszone (8) von der nächsten trennen,

d) ein in jeder Arbeitsregion (8) eingeschlossenes gasförmiges Lasermedium (11),

e) Mittel (10) zum Enthalten des Lasermediums (11) in den Arbeitszonen oder Regionen (8) auf einem vorbestimmten Druck,

f) Mittel (Fig. 10) zur Erzeugung einer gleichförmigen elektrischen Entladung zwischen den Elektroden (14,15) im wesentlichen durch die Arbeitszonen (8) hindurch, wobei die elektrische Entladung ausreicht, um eine Populationsinversion im Lasermedium (11) zu erzeugen, und schließlich

g) Mittel (3) zur Erweiterung eines Laserstrahls,um diesen radial nach aussen durch die Arbeitszone (8) zu verstärken.

rnnocn
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung einer gleichförmigen elektrischen Entladung zwischen den Elektroden (14,15) im wesentlichen durch die Arbeitszonen (8),Mittel (31) zur Bildung eines Plasmas im wesentlichen durch die Arbeitszonen (8) hindurch und Mittel (18, 23, 24) aufweisen, welche arbeitsmäßig mit ausgerichteten Elektrodenpaaren verbunden sind, um an diese eine Spannung anzulegen, die kleiner ist als die Durchbruchsspannung des Lasermediums (11), die aber ausreicht, um eine gleichförmige Hochenergieentladung in

dem Medium zu erzeugen, wenn das Medium im wesentlichen ionisiert ist.
3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die

das Plasma bildenden Mittel (31) erste Mittel (16, 17) aufweisen, um außerhalb jeder der Arbeitsregionen (8) einen eine breite Fläche aufweisende Elektronenstrahl (20) zu erzeugen, der eine Querschnittsfläche besitzt, die im wesentlichen mit jeder der Arbeitsregionen (8) konform ist, und wobei die Mittel (10) zum Enthalten des Lasermediums (11) in den Arbeitszonen (8) Wände aufweisen, wobei die eine der Wände ein Fenster (19) umfaßt, welches für das Lasermedium undurchdringlich und für den Elektronenstrahl (20) durchdringbar ist, und wobei zweite Mittel (15) den Elektronenstrahl in jede der Arbeitsregionen richten, und zwar durch das Fenster (19) und durch das Lasermedium hindurch.
4. Verfahren zur Mäßigung des Gasdurchbruchs im Lasermedium eines Hochenergie-Gaslaserverstärkers, wobei dieser durch den verstärkten Laserstrahl hervorgerufen wird, gekennzeichnet durch die Erweiterung des Strahls bei dessem Durchlauf durch den Verstärker, wodurch der Strahl eine größere Querschnittsfläche beim Austreten aus dem Verstärker besitzt als beim Eintreten in den Verstärker.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Strahl so ausdehnt, daß die Energie pro Einheitsfläche entsprechend der folgenden Beziehung ansteigt:

^EStrahl ^ r

wobei E„. , , die Strahlenergie, A die Querschnittsfläche des Strahls und r der Abstand ist, den der Strahl durch den Verstärker durchlaufen hat.

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