DE2657893A1

DE2657893A1 - Stromversorgung fuer laser

Info

Publication number: DE2657893A1
Application number: DE19762657893
Authority: DE
Inventors: Gerald C Barker
Original assignee: COHERENT RADIATION
Current assignee: COHERENT RADIATION
Priority date: 1976-01-02
Filing date: 1976-12-21
Publication date: 1977-07-14
Also published as: JPS6290989A; JPS5285333A; US4061986A; GB1520840A; JPS6221280B2

Description

die zweite Stromversorgung geschaltet sind, um diese zu umgehen und Strom von der Hauptstromversorgung an den Laser zu leiten, nachdem der Laser ionisiert hat.

Hintergrund der -Erfindung

Die Erfindung betrifft Gasentladungslaser, und insbesondere eine gepulste Stromversorgung für Gasentladungslaser.

Eine Stromversorgung für einen COp-Laser muß in der Lage sein, eine Glimmentladung in einer Mischung von CCU, Helium und Stickstoff bei einem Druck von 20 Torr einzuleiten und aufrechtzuerhalten. Typischerweise beträgt die zur Ionisierung erforderliche Spannung etwa 20.000 V/m, während zur Aufrechterhaltung des Entladungsstroms von etwa 50 mA eine Spannung von etwa 10.000 V/m benötigt wird.

Wenn eine einzige Stromversorgung dazu verwendet wird, ein Laserrohr von etwa 1,5 m Länge zu treiben, muß sie in der Lage sein, 30*000 Volt und 50 mA zu liefern, trotz der Tatsache, daß sie bei 50 mA nur 15.000 V liefern müßte. In einigen bekannten Schaltungen ist eine zweite Stromversorgung zur ersten Stromversorgung parallel geschaltet, um die anfängliche höhere Spannung zu liefern, die zum Ionisieren der Röhre benötigt wird (US-Patentschriften 3 4-91 309; 3 532 930; 3 588 74-0 und 3 84-2 365 ).

Alle bekannten Schaltungen dieser Art haben Nachteile, sie sind inhärenterweise unzuverlässig in der Auslösung, sie sind relativ schwierig für spezifische Frequenzen

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und Laserrohrlängen zu entwerfen, und sie enthalten mehr Materialien und Teile als wünschenswert ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese und weitere Nachteile werden erfindungsgemäß durch eine Kombination eines Laserentladungsrohrs mit zwei Elektroden, das ein Gas enthält, welches von einer elektrischen Entladung zwischen den beiden Elektroden ionisiert werden kann, einer ersten Gleichstromversorgung, einer zweiten, strombegrenzten Gleichstromversorgung, die in Reihe mit der ersten Stromversorgung und dem Laserentladungsrohr geschaltet ist, und einer Diodeneinrichtung beseitigt, die parallel zu der zweiten Stromversorgung liegt, um die zweite Stromversorgung zu umgehen und Strom direkt von der ersten Stromversorgung zum Laser zu leiten, nachdem der Laser ionisiert hat.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die zweite Stromversorgung einen Dreiphasengleichrichter auf und weist die Diodeneinrichtung eine Halbleiterdiode auf, die über die zweite StromversOrgung in der Weise geschaltet ist,_: daß die Anode am negativen Ausgang der Stromversorgung liegt und die Kathode am positiven Ausgang der zweiten StromversOrgung. Die Diodeneinrichtung weist ferner einen Kondensator und einen Widerstand auf, die parall&l zur Diode geschaltet sind. Im normalen Betrieb wird das Laserentiadungsrohr wiederholt gepulst, so daß die Schaltung weiter zwei Stromversorgungen und die beschriebene Diodeneinrichtung aufweist,, zusammen mit einem elektronischen Schalter in der Reihenschaltung. Dieser elektronische Schalter wird wiederholt mittels eines Impulsgenerators ein- und ausgeschaltet,, der auf

-Uf-

der gewünschten Frequenz arbeitet, um den Gasentladungslaser zu pulsen. Bei den bevorzugten Ausführungsformen hat die zweite Stromversorgung eine Erholzeit in der Größenordnung von 5 msec und kann das Laserentladungsrohr bei Raten von 1 Hz bis 1 kHz mit Impulsdauern zwischen 100 jnsec und 1 see gepulst werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Laserentladungsrohre in Reihe lichtgekoppelt und sind mehrere Diodeneinrichtungen parallel zur zweiten Stromversorgung geschaltet. Jede der Diodeneinrichtungen ist getrennt an eine Elektrode jedes Rohrs angeschlossen, wobei die anderen Elektroden der Rohre mit der Hauptstromversorgung verbunden sind. Auf diese Weise sind die beiden Stromversorgungen mit jedem der Rohre in Reihe geschaltet, es sind jedoch für jedes Rohr getrennte Diodeneinrichtungen vorgesehen. Das ist notwendig, weil in einigen Fällen die Rohre nicht gleichzeitig ionisieren, und deshalb wird die zweite Stromversorgung individuell von jeder der getrennten Diodeneinrichtungen überbrückt, wenn jedes der respektiven Laserentladungsrohre ionisiert.

Es ist also Aufgabe der Erfindung, eine Impulsstromversorgung für einen Gasentladungslaser verfügbar zu machen, die relativ einfach aufgebaut ist.

Weiter soll durch die Erfindung eine Impulsstromversorgung für einen Gasentladungslaser verfügbar gemacht werden, die zuverlässig im Betrieb ist.

Weiterhin soll durch die Erfindung eine Impuls-Entladungs-Stromversorgung verfügbar gemacht werden, mit der mehrere

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lichtgekoppelte Laserentladungsrohre individuell betrieben werden können. ..-.--

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Laserentladungsrohr und eine Impulsstromversorgung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 2 eine Modifikation der Schaltung nach Fig. 1 ■ zum Betrieb mehrerer lichtgekoppelter Laserentladungsrohre gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 weist ein Laserentladungsrohr 10, beispielsweise das eines COp-Gaslasers, ein Gefäß 12, eine erste Elektrode 14- und eine zweite Elektrode 16 auf. Die Elektrode 16 kann als Anode des Gerätes betrachtet werden und die Elektrode 14- als Kathode des Gerätes. Die Kathode 14- ist mit der Anode einer Vakuumtriode 18 verbunden, deren Kathode mit dem Kollektor eines NPN-Transistors 20 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 20 ist mit Schaltungserde verbunden und die Basis wird mit einer Rechteckspannung von einem Rechteckwellengenerator 22 versorgt. Das Gitter der Triode 18 wird mit einer Gleichvorspannung von 10 V von einer externen Quelle gespeist.

Eine erste Hauptstromquelle 24- ist am negativen Ausgang geerdet und am positiven Ausgang mit dem negativen

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Ausgangsanschluß/einer zweiten Stromversorgung 28 verbunden. Die Stromversorgung 24- liefert 25.000 V bei etwa 50 mA· Die Stromversorgung 28 liefert etwa 10.000 V

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bei 20 mA maximiim. Die Stromversorgung 28 weist eine positive Ausgangsklemme 30 auf, die mit der Anode 16 der Laserentladungseinrichtung 10 verbunden ist.

Da die Stromversorgungen 2Ά- und 28 in Reihe mit dem Laserentladungsrohr 10 und dem elektronischen Schalter geschaltet sind, v/ird anfänglich eine Spannung von 35*000 V über den Laser 10 gelegt. Vor der Ionisierung des im Laserentladungsrohr enthaltenen Gases wird praktisch kein Strom gezogen. Sobald die Ionisation erfolgt, und das Rohr damit leitend wird, zieht es einen Strom, der bis zu 50 mA betragen kann. Da die Stromversorgung 28 so ausgelegt ist, daß sie einen relativ hohen Innenwiderstand hat, wird die Spannung über den Klemmen 26 und 30 also praktisch auf Null herabgesetzt. Da das Läserentladungsrohr 10 aber eine Aufrechterhaltungsspannung benötigt, die kleiner ist als die Start- oder Zündspannung, ist es lediglich notwendig, die Spannung von der Stromversorgung 24 mit dem Strom fortzuführen, der die Ionisierung des Laserentladungsgerätes aufrechterhält. Um diesen Stromweg zum Laserentladungsgerät aufrechtzuerhalten, ist die Anode einer Diode 32 mit dem Anschluß 26 verbunden, und ihre Kathode mit dem Anschluß 30. Ein Widerstand/und ein Kondensator 36 liegen parallel zur Diode 32 über den Anschlüssen 26 und 3°· Im Betrieb wird die Diode 32 in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wenn das Laserentladungsrohr 10 ionisiert und die Spannung über den Anschlüssen 30 und 26, die von der "weichen" Stromversorgung 28 kommt, praktisch auf Null fällt, und es wird ein Stromweg vom positiven Anschluß der Stromversorgung 24 zur Anode 16 des Laserentladungsgerätes 10 erzeugt. Der Widerstand 3^, der Kondensator 36 xmd. die Innenwerte der Stromversorgung sind so ausgewählt, daß, wenn das Laserentladungsgerät

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dadurch abgeschaltet wird, daß der Transistor 20 gesperrt wird, die Spannung von + 10 kV über den Anschlüssen 26 und 30 innerhalb einer Zeitspanne erscheint, die nicht größer ist als etwa 5 msec. Wenn das geschieht, ist das Laserentladungsrohr 10 bereit, erneut gezündet zu werden, sobald der Transistor 20 leitend gemacht wird.

Eine Spannungsteilerschaltung 38 liegt zwischen dem Anschluß 26 und Schaltungserde, und eine Anzapfung der Spannungsteilerschaltung ist mit der Anode der Vakuumröhre 18 verbunden, um dieser entsprechende Vorspannung zu liefern. An die Anode der Röhre 18 wird eine Spannung von etwa 12.000 V geliefert.

Die weiche Stromversorgung 28 weist eine Quelle 40 für dreiphasigen Wechselstrom auf, beispielsweise die Öffentliche Drehstromversorgung, die durch drei getrennte Drosselspulen 42, 44- und 46 die im Dreieck geschaltete Primärwicklung eines Dreiphasentransformators 48 versorgt. Die Sekundärwicklungen des Transformators 48 sind in Sternschaltung mit einem Dreiphasen-Brückengleichrichter geschaltet, dessen Ausgangsklemmen die Anschlüsse 26 und 30 bilden. Der Zweck einer Drehstrom-Gleichrichter-Stromversorgung besteht darin, daß mit dieser eine kurze Erholzeit gewährleistet wird, ohne daß große Speicherköndensatoren notwendig sind, verglichen mit einer Einphasen-Gleichrichter-Stromversorgung.

Manchmal ist es gemäß Fig. 2 erwünscht, mehrere solcher Gasentladungsrohre 1OA, 1OB, IOC und IOD mit Eckenreflektor-Spiegelanordnungen 52 in Reihe lichtzukoppeln. Die Rohre 1OA und IOD haben auch getrennte ebene Endreflektoren 53· Jedes dieser Rohre hat gewöhnlich zwei

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Kathoden 16 und eine Anode 14-, die zwischen den Kathoden angeordnet ist. Es ist nicht praktisch, eine einzelne Stromversorgung 28 und eine Diode 32 zu verwenden, die mit diesen Rohren 1OA, 1OB, IOC und IOD parallel geschaltet ist, weil die Laserentladungsrohre nicht gleichzeitig ionisieren. Wenn nur eine einzelne Diodenschaltung verwendet würde, würde das erste Laserentladungsrohr, das ionisiert, dafür sorgen, daß die weiche Stromversorgung 28 von der Diode 32 überbrückt wird,und die restlichen Rohre würden nicht ionisiert. Um das zu verhindern, werden mehrere Diodenschaltungen verwendet und parallel zu den Rohren geschaltet.

Jedem der Rohre 1OA bis IOD ist also eine getrennte Diodennebenschlußschaltung für die weiche Stromversorgung 28 zugeordnet. Beispielsweise ist eine Diode 31-A- mit ihrer Anode an den Ausgang 30 der Stromversorgung 28 angeschlossen, und ihre Kathode mit der Anode 14 des Laserentladungsrohrs 1OA verbunden. Ein Kondensator 36A, ein Widerstand 3^-A und eine Diode 32A liegen parallel zwischen dem Ausgang 26 der Stromversorgung 28 und der Anode 14-des Laserentladungsgeräts 1OA. Die Orientierung der Diode 32 ist so, daß ihre Anode mit dem Anschluß 26 verbunden ist, und die Kathode mit der Anode 14. Die anderen Laserentladungsrohre 1OB, 1OG und IOD sind in ähnlicher

verbunden, Weise mit getrennten Diodenschaltungen/ die dxe gleichen Bezugszeichen mit entsprechenden Buchstaben tragen. Die Kathoden 16 aller Laserrohre 1OA - IOD sind individuell mit getrennten ßchalteinrichtungen verbunden, die aus Vakuumröhren 18 bestehen, die in Reihe mit Transistoren liegen, wie oben in Verbindung mit Pig. I beschrieben. Der Bequemlichkeit halber ist nur eine solche Schalteinrichtung in Fig. 2 dargestellt, sie ist mit der Kathode des Rohrs IOD verbunden; jeder der Kathoden 16 der Rohre 1OA, 1OB, IOC

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und IOD ist eine eigene entsprechende Schalteinrichtung zugeordnet.

Wenn der Transistor 20 leitend ist, liefern die Kondensatoren 36A, 36B, 36C und 36D im Betrieb eine Spannung von 10.000 V in Beine mit der Spannung von + 25.000 V von der Quelle 24- an die jeweiligen Laserentladungsrohre 1OA, 1OB, IOC und IOD. Wenn "beispielsweise das Laserentladungsrohr 1OA als erstes ionisiert, fällt die Spannung über den Klemmen 30 und 26 praktisch auf Null, und zwar wegen des hohen Innenwiderstandes der Stromversorgung 28 und der stärkeren Stromkapazität des ionisierten Rohrs 1OA. Strom zur Aufrechterhaltung des Rohrs 1OA in diesem ionisierten Zustand fließt von der Stromversorgung 24- durch die Diode 32A zur Anode 14. Jede der übrigen Dioden 31B, 31G und 3U* wird dann in Sperrichtung vorgespannt, damit die zugehörigen Kondensatoren 3'6B, 36C und 36D daran gehindert werden, sich durch den ionisierten Laser 1OA zu entladen. Die anderen Laserrohre 1OB, 1OG und IOD werden stattdessen in einer unbestimmten Folge ionisiert und werden in ähnlicher Weise in ihrem ionisiertem Zustand gehalten, indem Strom von der Stromversorgung 24· durch die respektiven Dioden 32B, 32C und 32D fließt.

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Claims

C8 Pll D

Pat entansprüche

1. \ Stromversorgung für Gasentladungslaser mit zwei

Elektroden und einem Gas, das durch eine elektrische Entladung zwischen den beiden Elektroden ionisiert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Gleichstromversorgung vorgesehen ist und eine zweite, strombegrenzte Gleichstromversorgung, die mit der ersten Stromversorgung und den beiden Elektroden in Reihe geschaltet ist, und daß eine Diodeneinrichtung parallel zum Ausgang der zweiten Stromversorgung geschaltet ist, um die zweite Stromversorgung zu überbrücken und Strom von der ersten Stromversorgung zu den Elektroden zu leiten, nachdem das Gas ionisiert ist, um das Laserentladungsrohr im ionisierten Zustand zu erhalten.

2. Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stromversorgung Einrichtungen aufweist, mit denen ihre Ausgangsspannung auf einen vorgegebenen Minimalwert reduziert wird, wenn der aus ihr gezogene Strom gleich dem Strom ist, der vom Laserentladungsrohr gezogen wird, wenn das darin enthaltene Gas ionisiert wird.

5, Stromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stromversorgung eine Drehstrom-Gleichrichter-Stromversorgung ist.

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- Δ2- -

4-. Stromversorgung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodeneinrichtung eine solche Zeitkonstante hat, daß die zweite Stromversorgung in der Lage ist, ihre volle Ausgangsleistung innerhalb 5 msec nach Entionisierung des Laserentladungsrohres zu liefern.

5. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodeneinrichtung aus einer Parallelschaltung aus einem Kondensator, einem Widerstand und einer Diode besteht, wobei die Diode durch die Ausgangsspannung der zweiten Stromversorgung vor Ionisierung des Laserentladungsrohres in Sperrrichtung vorgespannt ist.

6. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Schalteinrichtung in die Reihenschaltung eingeschaltet ist.

7· Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für mehrere lichtgekoppelte Laserentladungsrohre, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Diodeneinrichtungen parallel zur zweiten Stromversorgung geschaltet sind und jede getrennt mit einer Elektrode jeweils eines Laserentladungsrohres verbunden ist, wobei deren andere Elektroden getrennt mit dem gemeinsamen Anschluß der ersten Stromversorgung verbunden sind.

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