DE2636177A1 - Hochenergielaser - Google Patents

Description

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KRAFTVERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

St ^YPA 76 P 9 359 BRD

Hochenergielaser

Die Torliegende Erfindung betrifft die Anregung eines Hochenergielasers durch eine lichtbogenfreie Kondensatorentladung. Solche Laseranordnungen sind beispielsweise bekannt geworden aus der Zeitschrift "Opto Electronics" 4 (1972), Seiten 43 - 49 sowie aus "Applied Physics Letters" Vol. 25 Nr. 12 vim 15.12.1974, Seiten 703 - 705. In diesen und anderen Fällen wird zur Anregung des Lasergases die Energie eines induktionsarmen Kondensators verwendet, der als Bandleitung ausgebildet ist und dessen Energie über schnelle Schalter, z.B. Funkenstrecken, auf die Elektroden des Entladungeraumes des Laserrohres übertragen wurde. Diese Art Ton Laseranregung hat unter anderem zwei Probleme zu lösen, nlalich die Speicherung möglichst hoher elektrischer Energien im Kondensator und die homogene Anregung des Lasergases bei vorgegebenen elektrischen Feldstärken unter Vermeidung des Lichtbogendurchschlags zwischen den Anregungselektroden in Laserrohr. Für die erste Bedingung bildet die Kapazität der Bandleitung, die für die beschriebenen Anordnungen bei einem 1 m langen Entladungskanal ungefähr zwischen 0,01 /u F und 0,1 #u F liegt, eine Grenze, die für einen Hochenergielaser wesentlich überschritten werden müßte. Für die Beherrschung des letztgenannten Problems

Mü 21 Ant / 27.7.1976

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sind bereite eine besondere Fora des Bandleitungskondensators sowie eine spezielle Ausgestaltang der Entladungeoberfläche als eine Vielzahl parallel liegender Schneiden vorgeschlagen worden. Derart gestaltete Elektrodenoberflächen sind jedodi nicht geeignet, einen Dauerbetrieb standzuhalten, so daß sich das Bedürfnis ergab, die angeschnittenen Probleme auf andere Weise zu lesen.

Diese Lösung besteht erfindungsgemäß darin, daß das Laserrohr «it den Entladungeelektroden so im entsprechend angepaßten Freirau» eines induktionsarmen Leistungskondensators nach Patentanmeldung P (YPA 76 P 9358 ) angeordnet ist, daß die

Kondensatorelektroden direkt oder indirekt mit dem Entladungsraum im Laserrohr verbunden sind. Außerdem sind als Schaltfunkenstrecke Kammern vorgesehen, die durch Elektroden innerhalb des Laserrohres gebildet werden. Die Verbindung zwischen den Kondensatorelektroden und den Entladungselektroden ist somit äußerst induktiv!tätsarm gestaltet, das gleiche gilt für die mit

diesem System räumlich kombinierten Schaltfunkenstrecken. 20

Der Aufbau des hierzu verwendeten Kondensators ist in der Fig. 1 schematisch dargestellt, die Fig. 2, 3 und 4 zeigen in perspektivischer Darstellung drei Aufbaumöglichkeiten eines Hochenergielasers in Verbindung mit einem Leistungskondensator entsprechend Fig. 1. Die Anschlußleitungen für das Lasermedium sowie für die Schaltfunkenstrecken sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen, desgleichen die für einen solchen Leistungsbetrieb nötigen Kühleinrichtungen.

Die allgemeine äußere Form des Leistungskondensators 1 ist aus den Fig. 2 bis 4 zu ersehen, sein innerer Aufbau aus der Fig. 1, der einem Schnitt entsprechend der Linie I-I von Fig. 2 entspricht. Er ist aus senkrecht zur strichpunktiert gezeichneten Laserachse übereinander unter Zwischenlage von Isolierscheiben 6

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gestapelten Metallbelägen 2 und 4 aufgebaut. Diese Beläge sind in der aus den anderen Figuren ersichtlichen Form geschnitten, so daß sich ein Freiraum 7 ergibt. In diesen ragen auf der einen Seite Teilflachen 3 der Kondensatorbeläge 2 hinein, auf der anderen Seite Tellflachen 5 der Kondensatorbeläge 4. Diese vorspringenden Teilflächen können dabei mit Brücken 23 bzw. 45 verbunden sein. An diese wird die Ladespannungequelle angeschlossen bzv. der Verbraucher, im vorliegenden Fall ein Laserrohr mit seinen Entladungselektroden. Dabei können dieme Brücken 23 und 45 wiederum selbst die Entladungselektroden darstellen, so daß damit eine Zuführungsleitung für die Kondensatorenergie entfällt und andererseits die in den Belägen gespeicherte Energie gleichmäßig verteilt auf die Entladungselektrode des Laserrohres gelangt.

Um eine Torstellung der mit einem solchen Kondensatoraufbau möglichen Kapazitäten zu erzielen, sei folgendes Zahlenbeispiel genannt. Bei im allgemeinen kreisrunden Belägen 2 und 4 mit einem Außenradius von 0,5 m und einem Radius des Freiraumes 7 von 0,15 m sowie einer jeweiligen Dicke der Isolationsschicht von 1 mm ergibt sich bei einer Länge des Kondensators von 1 m eine Gesamtfläche von etwa 530 m und damit eine Kapazität von 14 /VL F pro Meter. Bei einer Ladespannung von 50 kV speichert ein solcher Kondensator eine Energie von 18000 Joule.Eine Ver-

Ϊ5 größerung des AußenraAius auf 1 m würde die Kapazität pro Meter Länge auf ti.. 62 /U F und den Energieinhalt bei 50 kV auf knapp 80 ζ 10^ Joule erhöhen. Aus diesen Zahlenbeispielen ist zu ersehen, daß die Verwendung dieser Kondensatorbauform bei geeigneten Lasermedien, die nicht Gegenstand dieser Erfindung

!0 sind, sehr hohe Laserausgangsenergien ermöglicht.

Die Flg. 2 zeigt das einfachste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäfien Hochleistungelasers. Das Laserrohr 8 ist dabei so in den Freiraum 7 des Kondensators 1 eingebaut, daß dessen Teilflächen 3 und 5 in den Innenraum dieses Rohres hineinragen. Eine

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Verbindungsbrücke über diese Teilflächen 3 und 5 wird dabei nicht benötigt, die für den Ladevorgang benötigten Verbindungen zwischen den Belägen gleicher Polarität können auf der Außenoberfläche des Kondensators 1 in nichtdargestellter Weise angebracht werden· Für die exakte Steuerung der zwischen diesen kammartig gestalteten Elektroden 31 und 51 iflt es zweckmäßig, die Ladespannung des Kondensators 1 geringer als die Durchhruchspannung des Entladungsraumes im Laserrohr 8 zu halten und für die Auslösung der Entladung eine Zündelektrode 84 vorzusehen, die in der Nähe der einen Elektrode 51 an der Wandung des Laserrohres 8 befestigt ist. Für die Auslösung der Entladung des Kondensators 1 ist, wie schematisch dargestellt, eine Zusatzhochspannungsquelle 96 vorgesehen, die auf der einen Seite mit dem Elektrodenkamm 31 und mit ihrem anderen Pol über den schnellen Schalter 95 mit der Zündelektrode 84 verbunden ist. Bei Betätigung dieses Schalters 95 bildet sich an der Zündelektrode eine Sprühentladung aus, die die Ladungsträger in den Entladungsraum verteilt und über die UV-Strahlung eine Ionisierung desselben bewirkt, so daß damit eine äußerst rasche und dabei lichtbogenfreie Entladung der im Kondensator 1 gespeicherten Energie stattfindet.

Eine andere Möglichkeit eines Aufbaue des Hochleistungslasers ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Das Laserrohr 8 ist wiederum zwischen den Elektroden 45 und 23 des Kondensators 1 angeordnet, diese Elektroden stellen verbindende Brücken der Teilfläehen 5 und 3 der Kondensatorbeläge dar und ragen in den Innenraum des Laserrohres 8 hinein. Der Raum dieses Rohres ist durch Hilfselektroden 82 und 83 in drei übereinanderliegende

Kammern 85, 86 und 87 unterteilt. An die Hilfselektrode 87

sowie an die Kondensatorelektrode 45 ist nun ein Bandleitungskondensator 9 angeschlossen, der aus den Belägen 91 und 92 sowie einer dazwischen angeordneten Isolationsschicht 94 besteht. Zwischen diesen beiden Bellgen ist ein schneller Schalter, z.B. ein Thyratron 93, zur Auslösung des Lasers angeordnet. Die

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Funktion dieser Anordnung ist nun folgende. In der Kammer 86 befindet sieh das Lasermedium, also z.B. das durch die Kondensatorentladung anzuregende Gas, dessen Durchbruchspannung unter der Ladespannung des Kondensators 1 liegt. Tor der Zündung der Entladung liegt die Potentialdifferenz der Elektroden 82 und 83 unter der Durchbruchspannung des eingeschlossenen Gases. Die Kammern 85 und 87 oberhalb und unterhalb des eigentlichen Laserraumes sind ebenfalls gasgefüllt, auch hier erfolgt bei geeigneter Wahl des Gases, seines Druckes und des Abstandes der Elektroden kein Spannungsdurchbruch. Diese Kammern können aber auch als Takuum-Funkenstrecken ausgebildet sein.

Die Elektrode 83 ist mit dem Bandleiterbelag 92 rerbunden, der andere Belag 91 mit der Elektrode 45 des Kondensators.

Zur Zündung der Entladung des Kondensators 1 wird der Schalter 93, z.B. ein Thyratron, kurzgeschlossen. Damit bildet sich auf der Elektrode 83 ein Potential aus, das den Spannungsdurchbruch zur Elektrode 23 verursacht und die Elektrode 83 auf das Potential der Kondensatorelektrode 23 legt. Damit wird aber die Durchbruchfeldstärke zwischen den Hilfselektroden 83 und 82 überschritten, desgleichen zwischen den Elektroden 82 und 45, so daß damit die rasche homogene Entladung des Kondensators eingeleitet ist.

Eine weitere Möglichkeit des Aufbaus eines solchen Hochleistungslasers zeigt Fig. 4. Wenn man das Beispiel nach Fig. 3 als Dreikammersystem bezeichnen kann, stellt dieses hier ein Zweikammersystem dar. Die untere Kammer 89 ist der eigentliche Laserraum, die obere Kammer 88 ist die Schaltfunkenstrecke, ähnlieh wie die Räume 87 und 85 im Beispiel von Fig. 3. Im Raum 88 ist ähnlich wie im Beispiel nach Fig. 2 eine Zündelektrode 84 angeordnet und mit dem Belag 91 eines Bandkondensators 9 verbunden. Der andere Belag 92 steht in elektrischer Verbindung mit der Kondensatorelektrode 83, die in diesem Beispiel die eine Laserelektrode darstellt. Die dazwischen angeordnete

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Hilfselektrode 81 1st die zweite Laserelektrode. Das Lasergas befindet sich im Entladungsraua 89» das Potential zwischen dieser Hilfselektrode 81 und der Kondensatorelektrode 23 liegt unterhalb der Durchbruchspannung. Auch die entsprechende FeIdstärke im Rau» 88 reicht nicht aus» üb in diesem eine selbständige Gasentladung einzuleiten. Wird nun der Schalter 93 des Bandleiterkondensators 9 geschlossen, so verändert sich das Potential an der Zündelektrode 84 so, daß sofort eine Sprühentladung zur Elektrode 45 hin einsetzt, die die Spannung dieser Elektrode bis zur Hilfselektrode 81 durchbrechen läßt. Damit liegt die ▼olle Spannung des Kondensators zwischen der Hilfselektrode 81 und der Kondensatorelektrode 23» so daß auch hier die Durchbruchfeldstärke überschritten wird und es zur Entladung und damit zur Anregung des Lasermediums kommt.

Ergänzend zu diesen Ausführungen sei erwähnt, daß es zweckmäßig ist, den Kondensator 1 auf + 2$ kV aufzuladen, wenn man eine Ladespannung von 50 kV haben Buchte, da damit die Isolationsprobleme gegenüber der Umgebung vereinfacht werden. Die Gas- füllung der Schaltfunkenstrecken kann einen gusatz eines elektronegativen Gases, wie z.B. SFg enthalten. Die räumliche Kombination eines Lasers mit einem derartigen Kondensator ergibt eine nahezu absolut gleichmäßige Zuführung der Energie über die ganze Länge der Entladungselektrode, so daß damit die sonst durch Ungleichmäßigkeiten der Stromzuführung und damit auch der Spannungsausbildung eingeleiteter LichtbogenUberschläge zwischen den Elektroden vermieden werden.

Selbstverständlich wären auch noch andere Ausf Uhrungsbeispiele möglich, die dargestellten dürften jedoch genügen, den mit einem solchen Leistungskondensator 1 ermöglichten Betrieb eines Hochleistungslasers ausreichend zu erläutern,

4 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims (4)

1. -JT-

   Patentansprüche

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   [ 1.j Hoehenergielaser Mit Anregung durch lichtbogenfreie Kondensatorentladung, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserrohr (8) ait den Entladungeelektroden so la entsprechend angepaßten Freiraum (7) eines induktiv!tatearmen Leistungskondensators (1) nach Patentanmeldung P

   angeordnet ist, daß die Kondensatorelektroden (23 und 45) direkt oder indirekt Bit den Entladungeraum im Laserrohr (8) verbunden sind.
2. 2. Hoehenergielaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen wenigstens einer Elektrode (23 bzw. 45) des Leistungskondensators (1) und den Entladungselektroden (81, 82, 83) des Laserrohres (8) als an einen Bandleitungskondensator (9) mit schnellem Schalter (93) angeschlossene Schaltfunkenstrecke ausgebildt ist.
3. 3. Hoehenergielaser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schaltfunkenstrecke Kammern (85 und 87) vorgesehen sind, die durch die Elektroden (82 und 83) innerhalb des Laserrohres (8) gebildet sind.
4. 4. Hoehenergielaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine über die ganze Länge des Laserrohres (8) sich erstreckende Zündelektrode (84) parallel zu den Entladungselektroden (45, 81, 23) im Freiraum des Leistungskondensators untergebracht ist und über einen an sich bekannten Bandleitungskondensator (9) oder eine andere Hilfsspannungaquelle (96) sowie einen Leistungsschalter (93 bzw. 95) auf ein anderes Potential gelegt werden kann.

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