DE2636177C3 - Hochenergielaser - Google Patents

Description

IJ Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen

Hochenergielaser mit Anregung durch eine lichtbogenfreie Kondensatorentladung. Solche Laseranordnungen sind beispielsweise bekanntgeworden aus der Zeitschrift »Opto Electronics«, Bd. 4 (1972), Nr. 1, S. 43 bis sowie aus »Applied Physics Letters«, Vol.25, Nr. 12 vom 15.12.1974, S. 703 bis 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 Entladungsraumes des Laserrohres übertragen wurde. Diese Art von Laseranregung hat unter anderem zwei Probleme zu lösen, nämlich 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 im Laserrohr. Für die erste Bedingung bildet die Kapazität der Bandleitung, die für die beschriebenen Anordnungen bei einem 1 in langen

ίο Entladungskanal ungefähr zwischen 0,01 μΡ und 0,1 μΡ liegt, eine Grenze, die für einen Hochenergielaser wesentlich überschritten werden müßte. Für die Beherrschung des letztgenannten Problems sind bereits eine besondere Form des Bandleitungskondensators sowie eine spezielle Ausgestaltung der Entladungsoberfläche als eine Vielzahl parallel liegender Schneiden vorgeschlagen worden. Derart gestaltete Elektrodenoberflächen sind jedoch nicht geeignet, einem Dauerbetrieb standzuhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Hochenergielaser der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er eine im Vergleich zu Bandleiterkondensatoren vergrößerte Kapazität für die Energiespeicherung aufweist und dabei eine homogene Anregung

2Ί des Lasergases gewährleistet ist und dies auch im Dauerbetrieb.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen

so beschrieben. Die Verbindung zwischen den Kondensatorelektroden und den Entladungselektroden ist danach äußerst induktivitätsarm gestaltbar, das gleiche gilt für die mit diesem System räumlich kombinierten Schaltfunkenstrecken.

Im folgenden wird anhand der mehrere Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung die Erfindung noch näher erläutert. Darin zeigt in schematischer Darstellung
F i g. 1 den Aufbau des für den Hochenergielaser verwendeten Leistungskondensators im Längsschnitt;

F i g. 2 ein erstes AusführungsbeLspiel des Hochenergielasers, perspektivisch, mit einem Leistungskondensator nach Fig. 1;
F i g. 3 ein zweites und

Fig.4 ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Hochenergielaser nach der Erfindung.

Die Anschlußleitungen für das Lasermedium sowie für die Schaltfunkenstrecken sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen, desgleichen die für einen solchen Leistungsbetrieb nötigen Kühleinrichtung^.:.

Die allgemeine äußere Form des Leistungskondensators 1 ist aus den F i g. 2 bis 4 zu ersehen, sein innerer Aufbau aus der F i g. 1, der einem Schnitt entsprechend der Linie I-1 von F i g. 2 entspricht Er ist aus senkrecht zur strichpunktiert gezeichneten Laserachse übereinander unter Zwischenlage von Isolierscheiben 6 gestapelten metallenen Kondensatorbelägen 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 Teilflächen 3 der Kondensatorbeläge 2 hinein, auf der anderen Seite Teilflächen 5 der Kondensatorbeläge 4. Diese vorspringenden Teilflächen können dabei mit Brücken 23 bzw. 45 verbunden sein. An diese wird die Ladespannungs-

h' quelle angeschlossen bzw. der Verbraucher, im vorliegenden Fall ein Laserrohr mit seinen Entladungselektroden. Dabei können diese Brücken 23 und 45 wiederum selbst die Entladungselektroden darstellen, so

daß damit eine Zuführungsleitung für die Kondensatorenergie entfällt und andererseits die in den Kondensatorbelägen gespeicherte Energie gleichmäßig verteilt auf die Entladungselektrode des Laserrohi es gelangt

Um eine Vorstellung 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 6 von 1 mm ergibt sich bei einer Länge des Kondensators von 1 m eine Gesamtfläche von etwa 530 m² und damit eine Kapazität von 14 μΡ pro Meter. Bei einer Ladespannung von 50 kV speichert ein solcher Kondensator eine Energie von 18 000 Joule. Eine Vergrößerung des Außenradius auf 1 m würde die Kapazität pro Meter Länge auf rd. 62 μΡ und den Energieinhalt bei 5OkV auf knapp 80 χ 10³ Joule erhöhen. Aus diesen Zahlenbeispielen is: zu ersehen, daß die Verwendung dieser Kondensatorbauform bei geeigneten Lasermedien, die nicht Gegenstand dieser Erfindung sind, sehr hohe Laserausgangsenergien ermöglicht

Die F i g. 2 zeigt das einfachste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochleistungslasers. Das Laserrohr 8 ist dabei so in den Freiraum 7 des Kondensators 1 eingebaut daß dessen Teilflächen 3 und S in den Innenraum dieses Rohres hineinragen. Eine 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 zu zündenden Entladung ist es zweckmäßig, die Ladespannung des Kondensators 1 geringer als die Durchbruchspannung 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 84 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 staufindet.

Eine andere Möglichkeit eines Aufbaus des Hochleistungslasers ist in F i g. 3 schematisch dargestellt. Das Laserrohr 8 ist wiederum zwischen den Elektroden 45 und 23 des Kondensators 1 angeordnet, diese Elektroden stellen verbindende Brücken der Teilflächen 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 83 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 Belägen ist eir. schneller Schalter, z. B. ein Thyratron 93, zur Auslösung des Lasers angeordnet. Die Funktion dieser Anordnung ist nun folgende. In der Kammer 86 befindet sich das Lasermedium, also z. B. das durch die Kondensatorenladung anzuregende Gas, dessen Durchbruchspannung unter der Ladespannung des Kondensators 1 liegt Vor der Zündung der Entladung liegt die Potentialdifferenz der Elektroden 82 und 83 unter der Durchbruchspannung des eingeschlossenen Gases. Die Kammern 85 und t>7 oberhalb und unterhalb des eigentlichen Laserraumes sind ebenfalls

ίο gasgefüllt auch hier erfolgt bei geeigneter Wahl des Gases, seines Druckes und des Abstandes der Elektroden kein Spannungsdurchbruch. Diese Kammern können aber auch als Vakuum-Funkenstrecken ausgebildet sein.

Die Elektrode 83 ist mit dem Bandleiterbelag 92 verbunden, 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 F i g. 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, ähnlich wie die Räume 87 und 85 im Beispiel von Fig.3. Im Raum 88 ist ähnlich wie im Beispiel nach F i g. 2 eine Zündelektrode 84 angeordnet und mit dem Belag 91 eines Bandleiterkondensators 9 verbunden. Der andere Belag 92 steht in elektrischer Verbindung mit der Kondensatorelektrode 23, die in diesem Beispiel die eine Laserelektrode darstellt. Die dazwischen angeordnete Hilfselektrode 81 ist die zweite Laserelektrode. Das Lasergas befindet sich im Entladungsraum 89, das Potential zwischen dieser Hilfselektrode 81 und der Kondensator elektrode 23 liegt unterhalb der Durch bruchspannung. Auch die entsprechende Feldstärke im Raum 88 reicht nicht aus, um 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

so eine Sprühentladung zur Elektrode 45 hin einsetzt die die Spannung dieser Elektrode bis zur Hilfselektrode 81 durchbrechen läßt. Damit liegt die volle 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 ±25 kV aufzuladen, wenn man eine Ladespannung von 50 kV haben möchte, da damit die Isolationsprobleme gegenüber der Umgebung vereinfacht werden. Die Gasfüllung der Schaltfunkenstrecken kann einen Zusatz eines elektronegativen Gases, wie z. B. SF6, 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 Lichtbogenüberschläge zwischen den Elektroden vermieden werden.
Selbstverständlich wären auch noch andere Ausführungsbeispiele möglich, die dargestellten dürften jedoch genügen, den mit einem solchen Leistungskondensator 1 ermöglichten Betrieb eines Hochleistungslasers ausreichend zu erläutern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Hochenergielaser mit Anregung durch eine lichtbogenfreie Kondensatorentladung, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserrohr (8) räumlich so in einen Kondensator (1), der aus senkrecht zur Laserachse übereinander und unter Zwischenlage von Isolierscheiben (6) gestapelten und seitlich maulförmig ausgeschnittenen metallenen Kondensatorbelägen (2,4) besteht, eingebaut ist, daß die in den durch die maulförmigen Ausschnitte der Kondensatorbeläge (2, 4) gebildeten Freiraum (7) diametral gegenüber hineinragenden, von den Kondensatorbelägen ausgehenden Elektroden (3, 5 bzw. 23, 45) mit dem Laserrohr (8) in Verbindung stehen.

2. Hochenergielaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Kondensatorbelägen (2. 4) ausgehenden, die Elektroden (23, 45) bildenden Teilflächen (3, 5) kammartig in den Entladungsraum des Laserrohres (8) hineinragen und zur Auslösung der Entladung eine sich über die Länge des Entladungsraumes erstreckende und in der Nähe des einen Elektrodensystems (51) an der Wandung des Laserrohres befestigte Zündelektrode (84) vorgesehen ist. die über einen schnellen Schalter (95) mit einer Zusatz-Hochspannungsquelle (96) verbunden ist.

3. Hochenergielaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den in das Laserrohr (8) hineinragenden Elektroden (23,45) des Kondensators (1) zwei Hilfselektroden (82, 83) angeordnet sind, die das Laserrohr (8) in drei übereinanderliegende Kammern (85, 86, 87) unterteilen und die Hilfselektrode (83) sowie die Elektrode (45) an einen aus den Belägen (91, 92) sowie einer dazwischenliegenden Isolierschicht (94) bestehenden Bandkondensator (9) mit einem zwischen diesen Belägen (91, 92) angeordneten schnellen Schalter (Kurzschlußschalter) (93) angeschlossen sind.

4. Hochenergielaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserrohr (8) durch eine Hilfselektrode (81) in zwei Kammern (88, 89) unterteilt ist, daß die Kammer (89) mit der Kondensatorelektrode (23) den eigentlichen Laserraum darstellt, die andere Kammer (88) mit einer Zündelektrode (84) und der anderen Kondensatorelektrode (45) eine Schaltfunkenstrecke bildet, die auslösbar ist von einem Bandkondensator (9) mit Kurzschlußschalter (93), der mit seinem einen Belag (91) mit der Zündelektrode (84) und seinem anderen Belag (92) mit der Kondensatorelektrode (23) in Verbindung steht.