DE2710117A1 - Verfahren zur regelung eines elektronenstrahllasers mit rueckfuehrung - Google Patents

Description

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Avco Everett Research Laboratory, Inc., Everett, iiassachusetts,

V. Lit. A.

Verfahren zur Regelung eines Elektronenstrahllasers mit

Rückführung

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur riegelung eines Strahles kohärenter strahlung, der aus einen gasförmigen I'iedium in einem Arbeitsbereich eines Uenäuses heraus erzeugt wird,

Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber der in der Anmeldung der gleichen Anmelderin voui

beschriebenen Erfindung dar.

Bei einem Laserstrahl handelt es sich um einen kohärenten otrahl elektromagnetischer Strahlung, der infolge dieser Kohärent stark gerichtet ist und daher über große üntfernuugen ,nit geringer Aufspreizung projiziert werden kann. Da der Laserstrahl räumliche Kohärenz besitzt, läßt er sich auf einen kleinen Punkt fokussieren. Auf diese Weise kann man extrem hohe Leistungsdichten erreichen.

Ein Elektronenstrahllaser ist in der US-PS 3o7o2.973 beschrieben. Diese Patentschrift beschreibt einen Aufbau und ein Verfahren zum Betrieb eines verhältnismäßig großvolumigen und gasdynamisehen Hochdruckgaslasers mit elektrischer Entladung, in dein das ».edium COp enthält. Eine räumlich gleichmäßig gesteuerte elektrische Entladung wird im Arbeitsbereich erzeugt, indem man ionisierende Strahlung (einen breiten blektronenstrahl) in den optischen resonator des Lasers duren eine wand desselben hindurch einbringt, um eine im wesentlichen gleichmäßige vorbestimmte oekundärelektronendichte im gasförmigen I ediura durch Ionisieren desse]ben zu

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erzeugen. Gleichzeitig ist ein elektrisches rialtei'eld vorgesehen, das innerhalb des gesamten Arbeitsbereichs des Lasers gleichmäßig ist und eine vorbestifiuute £,lektronentemperatur liefert, die so berechnet wird, daß sie die mittlere Energie der bekundärelektronen im Arbeitsbereich, nicht aber die vorbestimmte Sekundärelektronendichte in diesem Bereich wesentlich erhöht. Die hichtung des Haltefelds, die dichtung des Laserstrahls und die iiichtung der Gasströmung können zueinander rechtwinklig sein.

Im betrieb wird der ionisierende Elektionenstrahl außerhalb des Laserresonators von einem Elektronenstrahlgenerator erzeugt und zwar mit einer gleichmäßig großen i'läche mit ausreichender Querschnittsabniessung, daß der verhältnismäßig große Arbeitsbereich des Lasers erfaßt wird, ^ine geeignete Konstruktion zum j-rzeu^en eines solchen breitfIacai^eri gleichmäßigen Elektronenstrahls ist in der ϋί>·Ρΰ 3. 749.967 beschrieben. Der Strahl wird durch ein Elektronenfenster in den Laserresonator und in den vom Haltefeld umgrenzten Arbeitsgereich eingeführt. Ein Teil des optischen Resonators des Laser» befindet sich in diesem Haltefeld und im optischen Hesonator.

In der Hochleistungselektronenentladung, wie sie in der genannten U&-PS 3·7ο2.973 beschrieben ist, ist die Laserausgangsleistung etwa proportional der der :ialteeinhei t zugeführten Eingangsleistung. Die Halteeinheit weist eine Anode und eine Kathode auf, zwischen denen sicn der gasgefüllte Arbeitcbereicn befindet, so

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daß diese Anoden-Kathoden-Strecke den Arbeitsbereich des Lasers bildet. Die zwischen der Anode und der Kathode gleichmäßig aufrechterhaltene Entladung pumpt den Laser und erzeugt damit die invertierte Population von Ladungszuständen, die für die Laserwirkung erforderlich ist. Da die Laserausgangsleis Lung der der Halteeinheit zugeführten Eingangsleisluni, proportional ist, läßt die Ausgangsleistung sich duxch Steuern der Arbeitsspannung der Haltecinheit einstellen. Diese Technik liat sich für kleinere Gaslaser als wirkungsvoll erwiesen, für größere Laser ist sie jedoch nicht gleichermaßen wirkungsvoll - insbesondere wo due Ausgangsleistung des Lasers schnellen Änderungen unterworfen werden soll. Für verhältnismäßig große Elektronenstrahllaser wird die Dichte des in den Arbeitsbereich zwischen den ilalteelektroden projizierten Elektronenstrahls gesteuert, während man die Haitespannung konstant hält. Es wird also die Laserausgangsleistung über den Haltestrom eingestellt. Dieser hängt seinerseits von der im Arbeitsbereich von dem ionisierenden Elektronenstrahl erzeugten Ionenkonzentration ab.

Der ionisierende Elektronenstrahl wird vom Elektronenstrahl system erzeugt, bei dem es sich um eine externe, Elektronen beschleunigende Einrichtung handelt, die einen bxeitflächigen Elektronenstrahl erzeugt, der durch ein Elektronenfenster in den Arbeitsbereich des Lasers einprojiziert wird. In der Elektronenstrahlordnung werden von einer Kathode abgegebene Elektronen von Anoden beschleunigt, so daß die Energie in den Arbeitsbereich des Lasers

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eintretenden Elektronen von der Spannung an der Beschleunigungsanode abhängt. Im allgemeinen wird die beschleunigende ...nodenspannung konstant gehalten und die Spannung an einem üteuergitter zwischen der *mode und der kathode verändert. Ideses dteuergitter steuert die Dichte des Elektronenstahls aus der Vorrichtung, der in den Haltearbeitsbereich des Lasers projiziert wird. Sehr abrupte Änderungen der aserausgangsleistung lassen sich erreichen, indem man die Spannung dieser Steuergitter im Elektronenstrahl system schnell ändert. Die Elektronenstrahlvorrichtung und die Halteeinheit wirken also in der Art einer Hochvakuuintriode oder -tetrode zusammen, um die Ausgangsleistung des Lasers zu steuern, die vom Critterpotential in der Elektronenstrahlanordnung abhängt.

Bisher hat man Elektronenstahl-GOp-Laser, die, wie oben beschrieben, aufgebaut sind und beschrieben werden und eine Elektronenstrahlanordnung und eine Halteeinheit aufweisen, mit einer Null-Regelung versehen, die den Strom des Elektronenstrahls erfaßt und diesen mit einem vom Bedienungsperson eingestellten Bezugswert vergleicht, wobei ein Steuersignal entsteht, daß den Unterschied wiedergibt. Das Steuersignal wird auf das Steuergitter der Elektronenstrahlanordnung gegeben. Diese Rückkopplungsregelung hat insbesondere- den Zweck, Schwankungen auszuregeln, die von Änderungen der Netzspannung, driftenden Bauteilewerten in der Betriebsspannungsversorgung oder anderen Faktoren verursacht wer-

den, die die Amplitude des Elektronenstrahlstroras beeinflussen

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können. Sie hat sich jedoch als nicht vollständig wirkungsvoll erwiesen, uti Störungen der Ausgangsleistung des Laserstrahls ·λ\ι korrigieren, und zwar daher weniger wirkungsvoll als erwünscht, wo der Laserstrahl stetig und im wesentJichen von otörungen frei gehalten werden muß und die Strahlleistung schnell geändert werden sol] - bspw. ±iu Irapulsbetxieb des Lasers.

In der Hückkopplungsregelung, die die vorgenannte andere Anmeldung der Anmelderiri beschreibt, liegt eine Regelung für einen Laser mit einem Rückkopplungskreis vor, der ein optisches und ein elektrisches System enthält. Dieses optische und elektrische System, die gemeinsam die Rückführung bewirken, sind für die Hegelung eines Elektronenstrahllasers besonders günstig.

Das optische System in dieser Anmeldung enthält Spiegel,die einen Laserstrahl periodisch abfangen und die abgefangene strahlung durch optische Dampfungselemente auf einen Strahlungsdetektor lenkt, der ein elektrisches Signal abgibt, das der Leistung des periodisch abgefangenen Laserstrahls entspricht und aus einer Impulsreihe mit der Abfanghäufigkeit des Laserstrahls besteht. Die aufeinanderfolgenden Impulse werden von einer Aufbereitungsschaltung verarbeitet, die einen im wesentlichen stetigen Signalpegel erzeugt, der der Leistung des Laserstrahls proportional ist. Dieser Signalpegel wird mit einem Normalpegel verglichen, den die Bedienungsperson einstellt, wobei sich ein uifferenzsignal ergibt, das zur Steuerung der Elektronenstrahleinheit benutzt

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wird· Das Differenzsignal kann verstärkt und unmite] bar auf das Gitter der El ektronens tranl anordnung gegeben werden. Desgl. kann es - wie in einer hierin beschriebenen ausführungsform - mittels eines leleuetriesenders auf einen xelemetrieeiüpfänger am Ort der LlektronensLrahleinrichtung gegeben werden, wo das empfangege Differenz signal extrahiert, verstärkt und dann auf das uittex· der Llektronenstrahleinrichtung gegeben wird.

Der LaserausgangRstrahl wird in der genannten Anmeldung pcriodiccn durch reflektierende Spiegelteile auf einer sich drehenden Scheibe abgetastet, die winklig zum Laserstrahl liegen lauß. La die von den Spiegeln reflektierte Leistung höher als erwünscht ist, wird die reflektierte Leistung zunächst im optischen system urn mehrere Größenordnungen gedämpft und dann auf den Strahlungsdetektor fokussiert, der ein Signal erzeugt, das der Leistung der reflektierten Strahlung entspricht.

In einer in der genannten Anmeldung beschriebene*! Λ sführungsfora ist weiterhin eine Signalaufbereitungsscnaltung enthalten, die das Signal aus dem Strahlungsdetektor aufbereitet, und eine Einrichtung zu Mitteln der elektrischen Signalimpulse aus dem Detektor. Insbesondere wird dez Impulszug aus dem Detektor elektrisch auf einen P gel geklemmt, der von der Energie der aufeinanderfolgenden Impulae abhängt, und dann bezüglich dieses Pegela vollwellengleichgerichtet und zu einem im wesentlichen stetigen Ausgangssignal geglättet, dessen üröße der Leistung des Laseraus-

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gangsstrahls entspricht und das im wesentlichen frei ist von Harmonischen der Netzfrequenz, die im Laserstrahlausgang erscheinen. Dieser stetige Signalpegel kann dan mit dem normalpegel verglichen werden, den die Bedienungsperson einstellt, um das Differenzsignal zu erzeugen, das die iüekti'onenstranleinheit steuert.

Damit die Rückführregelung der vorgenannten Anmeldung auf abrupte Änderungen der Laserausgangslei stung schneller ansprechen kann, wie tspw. wenn der Strahl absichtlich impulsmoduliert wird, wird ein von der Elektronenstrahl einheit abgenommenes oignal, das dem Elektronenstrahl ström entspricht, differenziert und dem gemiltelten Signal hinzuaddiert; die Summe dieser beiden wird dann mit dem von der Bedienungsperson eingestellten Bezugswert verglichen. Der Zweck des liinzuaddierens des Differentialquotienten des Elektronenstrahlstroms zum vom Ausgangslaserstrahl abgenommenen geniittelten Signal ist, das übergangsverhaltcn der uegelung zu verbessern. Es wird darauf verwiesen, daß der Prozeß der Mittelwertbildung aus sich heraus langsamer ist als der Detektor, und während das gemittelte Signal recht wirkungsvoll zur Steuerung des Lasers bei stetiger Betriebsweise einsetzbar ist, ist es zu langsam, um schnellen Änderungen der Laserausgangsleistung - bspw. im Impulsbetrieb zu folgen. Andererseits schaltet die Elektronen-Strahleinheit und insbesondere der Elektronenstrahlstrom den Laserstrahl ein und aus, und dieser Strom kann dem Laserstrahl geringfügig voraneilen. Die Summe des Differentialquotienten des Elektroenenstrahlstroms und des Steuersignals stabilisiert also

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die Laserleistungösteuerschaltung und erlaubt in der Tat ein schnelles Ansprechen, wo dies erforderlich ist.

Wie nun verständlich sein dürfte, ist es schwierig, Hochieis Lungslaser abzutasten, ohne die Strahlleistung merkbar zu beeinflussen oder sie gar vollständig zu unterbrechen. Die Verwendung von sich drehenden Spiegeln, wie sie in der vorgenannten Anmeldung offenbart sind, hat Wachteile, 'i'ypischerweise wird mehr Energie aus dem Laserstrahl herausreflektiert, als erforderlich ist; die Spiegel müssen im allgemeinen eine erhebliche Größe haben, die nicht nur die reflektierten Energieanteile bestimmt, sondern auch einen erheblichen Teil des Laserstrahls unterbricht. Die reflektierte Energie hängt stark von der Sauberkeit der Spiegeloberflächen ab, von Oberflächenschichten und von Staub, die allesamt zeitveränderlich sind. Schließlich unterliegt die Wahl des Orts für die Einrichtung, die die von einem Spiegel reflektierte Lei- ! stung messen soll, erhebliche Einschränkungen. j

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Kegelung eines kohärenten Strahles von Strahlung, daß aus einem gasförmigen Medium in einem Arbeitsbereich eines Gehäuses heraus erzeugt wird, indem man den kohärenten Strahl in im wesentlichen regelmäßigen Abständen durch längliche Drähte geringen Durchmessers abfängt, die außerhalb des Gehäuses zueinander beabstandet angeordnet sind und deren Außenflächen für die kohärente Strahlung im wesentlichen'

reflektierend wirken, so daß reflektierte Strahlungsimpulse ent-

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stehen, indem man weiterhin die reflektierten Strahlung!..pulse auffängt und sie zu einem elektrischen iiückf Uhr signal wandelt, das der Leistung der reflektierten StranlungcLupulse entspricht, und die gewünschte Steuerung des Jtrahles kohärenter Strahlung durchführt, indem man mit die.se.n Kückführsignal einen breitflächigen Elektronenstrahl steuert, der von außerhalb des uohäuses in den Arbeitsbereich eingeführt wird, wobei der breitflächige Elektronenstrahl im Kedium eine räumlich gieichiuäßigc vorbestim.nte Sekundärelektronendichte erzeugt, deren durchscnnittiiche Energie von einem elektrischen VeId im Arbeitsbereich ausreichend angehoben wird, um die .Emission des kohärenten Strahls ohne Zunahme der vom breitflächigen Elektronenstrahl erzeugten vorbestimmten Elektronendichte anzuregen.

Das Abfangen des kohärenten Strahls erfolgt vorzugsweise .,lit ililfe eines drehenden hades mit einer Vielzahl feiner Drähte, die radial auswärts von der Habe vorstehen und an ihrer Außenfläche strahlung der Wellenlänge den laseraucgangsstrahls reflektieren. Das Rad bzw· die Nabe wird mit einer Geschwindigkeit gedreht, die mindestens ausreicht, um die feinen Drähte im wesentlichen radial zu strecken und nacheinander durch den Laserstrahl laufen zu lassen. Wenn die feinen Drähte durch den Laserstrahl laufen, reflektieren sie dessen Strahlung über im wesentlichen alle Winkel. Nicht nur kann deshalb die Nabe in praktisch jedem Winkel zur Längsachse des Laseistiahls angeordnet werden j auch der Strahlungs detektor kann unter praktisch jedem Winkel zur Drehachse der Wabe

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liegen. Selbst bei ri chleistungslaserstx'anlen ist eine Dämpfung der Laserstrahlung einscnließlicn der spiegelnd von dexi Drähten reflektierten Strahlung typiseηerweise nicnt erforderlich. Lediglich aus Gründen der Bequemlichkeit wird die spiegelnde und dtreureflektioii, die einen Veil der von den Drähten reflektierten Laserstrahlung darstellt, aufgefangen und auf den btrahlungsdetektor fokussiert, um ein elektrisches oignal zu erzeugen, daß der Leistung der reflektierten strahlung, und damit der Leistung des Laserstrahls entspricnt. Weiterhin ist das optische oyster co angeordnet und aufgebaut, daß seine Bestandteile einfacn und schnell eingestellt v/erden können.

Die Erfindung soJl nun anhand der beigefügten ^eicrmungen ausführlicri beschrieben werden.

iig, 1 ist ein Diagraann, das die 'ieile, das oystein und die Vorrichtung zur Durcnführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung in einem ^lektronenstranl-CC^-Ciaslaser zeigt; Die !'ig. 2 ist eine perspektivische schaubildlicue Darstellung, die die itichtung der ^lektronenerzeugung, der üasströinung und des Laserstrahls im Halte- bzw. .irbei Lsbereich eines 'J-'yps von ^lektronenstrahllasern zeigt j

i'ig, 3 ist eine bildliche Darstellung eines optiscnen oystems, das 'r'eil der nückführungsscaleife insgesaait ist und einen 'Teil der Laserausgangsstrahlung abfängt, um dessen Leistung zu erfassen und das riückführsignal zu erzeugen,

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Fig. 4 ist eine Vorderansicht einer W be und der reflektierenden Drähte des optischen Systems,

Fig. 5 ist eine vergrößerte Darstellung eines reflektierenden Drahts der Nabe, der gerade durch den Laserausgangsstrahl läuft,

Fig. 6 ist eine Wellenform des elektrischen Signals, das ein pyroelektri3cher Detektor im optischen System aus der von einem Draht, wie ihn die Fig. 5 *.eigt, reflektierten Strahlung erzeugti

Fig. 7 ist ein elektrisches Blockschaltbild und ein Stromlauf des elektrischen Systems, das l'eil der Kückfuhrschleife ist.

Das Diagramm der Fig. 1 zeigt den Llektronenstrahlgenerator 1, die Halteeinheit 2 und den Laserarbeitsbereich 26, die üückführschleife 3 einschließlich deren optischer und elektrischer Untereinheiten, die mit 4 bzw. 5 bezeichnet sind, die Hochspannungsversorgung 6, die die Betriebsspannung für den KLektronenstrahlgenerator liefert, die von der Bedienungsperson gesteuerte Sollwerteinstellung 7 und die das Kückführ- mit dem Mngangssignal verknüpfende und übertragende Schaltung 8. Der Zweck des Hückführ- und des von der Bedienungsperson erzeugten Eingangssignals ist, den Elektronenstrahl aus dem El ektroneribtrahl genera tor zu steuern, der das gasförmige Lasermedium im Arbeitsbereich der halteeinheit ionisiert. Das von der Bedienungsperson eingestellte Eingangssignal vom Einsteller 7 und das elektrische Uückführsignal aus dem elektrischen Rückführ-Untersystem 5 (im folgenden als "Aufbereitungsschaltung" bezeichnet) werden in der Schaltung 3 verknüpft, die das Elektronenstrahl-Gitter.steuersignal erzeugt, das auf die

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Hochspannungsversorgung 6 gegeben wird, um das Gitter der Elektroenenstrahlgenerators zu steuern.

Der Elektronenstrahlgenerator 1, wie er schematisch in der Hg, 1 gezeigt ist, weist einen Kolben 1o mit einem vakuumdichten Elektronenfenster 12 an einem Ende auf, das den Elektronenstrahl 13 austreten läßt, der innerhalb des Kolbens erzeugt wird. Innerhalb des Kolbens befinden sich eine Kathode 14» ein Steuergitter 15 und die Beschleunigungsanoden 16, 17· Die Betriebsspannung derselben werden aus der Hochspannungsversorgung 6 über die Leitungen 19 ' bis 22 geliefert, die in einem abgeschirmten Kabel 24 geführt I

j sind. Die Anode 17 ist geerdet und die Kathode 14 negativ gegen I Masse, die Spannung an der Anode 16 liegt auf einem festen Potential zwischen Masse und der Kathodenspannung.Die Dichte der Elektronen, die von der Kathode in das Beschleunigungsfeld zwischen ■ den Anoden 16, 17 eintreten, hängt von der Spannung am Steuer-

i gitter 15 ab. Die vom Beschleunigungsfeld zwischen den Anoden 16, j 17 beschleunigten Elektronen durchtreten das Fenster 12 und treten aus diesem als breitflächiger Elektronenstrahl mit verhältnismäßig gleichmäßiger Energie aus, wobei die Dichte dieses Strahls von der Gitterspannung bestimmt wird.

Der breite Elektronenstrahl driftet über den schmalen Zwischenraum 25» der das gasförmige Lasermedium auf dem Betriebsdruck des Lasers enthält. Der Strahl tritt also aus dem Vakuum des Kolbens j 1o in einen Bereich erheblichen Gasdrucks und in den Arbeitsbe-

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reich des Lasers ein, der mit 26 bezeichnet ist. Lieser Arbeitsbereich liegt zwischen dem Halteelektroden 27, 28, die so beabstandet sind, daß das Lasergas zwischen ihnen hindurchfließt. Die optische Achse 3o des Lasers verläuft zwischen diesen Elektroden und die Richtung des Laserstrahls, die dichtung der Gasströmung und die optische Achse des Laserresonators stehen rechtwinklig aufeinander.

An die Halteelektroden sind Spannungen aus dem val t.espannungsvex·- sorgung 29 gelegt derart, daß über diesen Elektroden eine im wesentlichen feste Spaunungsdifferenz liegt, so daß die den rialteelektroden zugeführte Leistung von dem Widerstand zwischen ihnen abhängt, wie er sich aus der Lichte der Ionen bestimmt, die im Arbeitsbereich vom einfallenden Elektronenstrahl I3 erzeugt werden.

Lie Spannung am Steuergitter 15 ii« Elektronenstrahlgenerator wird von der Gittervorspannungsversorgung 32 gesteuert, die sich im flochspannungsversorgungsteil 6 befindet. Die Kathode des Elektronenstrahlgenerators ist um etwa 7o kV oder mehr negativ gegen Masse. Lie Kathode ist an den Ausgang des 7okV-iiocuspaunungsteils 33 in der Hochspannungsversorgung 6 angescnlosfcen. I/aa fitter I S> des Elektronenstrahlgeneratcrs befindet sich ebenfalls auf -7okV plus/minus der Gitterspannung, die von der Gittersteuerschal lung 32 bestimmt wird. Ler Kathodenheizfaden wird von der Ueizfadensteuerung 34 und die Bescnleunigungsanode 16 von der dcualtung 3b gesteuert, die sich beide in der Hocaspaniiungsversor^ung 6 befin-

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den. l»ie Steuerschal tungexi für das Gitter, die Kathode, den Heizfaden und die Beschleunigungsanoden sowie die TokV-nochspannuiigsversorgung befinden sich allesamt im Genäuse 36 des nochspanriungsversorgungsteil s.

Die Vorspannung für das dteuergitter der elektronenstrahlgenerators kann telemetrisch auf die Cittersteuerscnaltung übertx*agen werden, anstatt sie über Kupferdrähte zuzuführen. Zu dieseia z,weck ist der !'renntransformator 37 das Bindeglied zwischen dem 7o-kV-Niveau innerhalb des Gehäuses 36 der Hochspannungsversorgung und dem Elektronenstrahl und der Außenwelt,

Das Hückführungssystern für einen Laserstrahl 31 beginnt mit dem optischen Untersystem 4» das den Ausgangslaserstrahl intermittierend abfängt und einen i'eil des abgefangenen Laserstrahls auf einen optischen Strahlungsdetektor reflektiert, der elektrische Signalimpulse erzeugt, die jeweils der abgefangenen Laserstrahlenergie entsprechen.

Die Impulse aus dem Strahlungsdetektor werden auf die Aufbereitung sschaltungen 5 gegeben. Die Aufbereitungsschaltungen sprechen auf die Impulse und in einigen Aufführungsforraen der vorliegenden Erfindung auch auf andere Signale an, die aus der Hochspannungsversorgung 6 abgeleitet werden, um der Ausgangsspannung auf der Leitung 5a einen im wesentlichen stetigen Signalpegel zu erteilen, der mindestens dem stetigen Leistungsniveau des Laser-

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Strahls entspricht. Dieses Signal wird auf die Verknüpfungs- und Übertragungsschaltungen 8 gegeben, wo es mit einem Signal auf der Leitung 7a verglichen wird, das der von der Bedienungsperson betätigte Eingangssignalgenerator 7 erzeugt. Hierbei entsteht ein Differenzsignal, das zur Steuerung des Gitters des Elektronen-Strahlgenerators herangezogen wird.

In den Verknüpfungs- und Dbertragungsschaltungen 8 steuert das von der Bedienungsperson erzeugte Eingangssignal auf der Leitung 7a einen Gleichspannungsversorgungcteil 41, der auf der Leitung 41a ein Bezugssteuersignal abgibt, das dem Steuersignal der Bedienungsperson entspricht. Dieses Bezugssignal wird mit dein aufbereiteten Rückführsignal auf der Leitung 5a mittels eines Summierverstärkers 42 verglichen. Das Ausgangssignal des Sumraierverstärkers gibt also die Differenz zwischen dem Rückführ- und dem Bezugssignal wieder. Dieses Differenzsignal wird auf einem Modulator 43 gegeben, wo es ein Ιο-kHz-Signal aus dem Oszillator 44 moduliert. Das modulierte Signal wird vom Verstärker 45 verstärkt und auf den !Trenntransformator 37 in der Hochspannungsversorgung 6 übertragen oder unmittelbar gegeben. Der Modulator 43, der Verstärker 44 und die Primärwicklung 37p des Trenntransforraators 37 lassen sich als ein Telernetriesender auffassen. Das modulierte 1o-kHz-Signal, das an der Sekundärwicklung 37s des i'renntransforraators erscheint, wird demoduliert und von der Uittervorspannungssteuerschaltung 32 auf das Steuergitter 15 des Elektroncnstrahlsystems gegeben. In der Schaltung 32 wixd das modulierte 1o-kHz-

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-Signal mit einem Brückengleichrichter gleichgerichtet, gefiltert, um die Welligkeit zu glätten, und auf die 7o-kV-Spannung aufgedrückt, die auf das Steuergitter des Elektron en strahl sy st eins geht, Auf diese Weise entsteht ein geschlossener Hegelkieis, in dem die Leistung des Laserstrahls ermittelt und aus dieser ein entsprechendes Rückführ signal abgeleitet wird, das mit dein Ausgangssignal des Einstellers 7 der Bedienungsperson verglichen wird, um ein Differenzsignal zu erzeugen. Dieses Differenzsignal wird dann zur Steuerschaltung 32 übertragen, um die Gittervorspannung zu verändern, wie es erforderlich ist, um die Laserausgangsleistung nachzuziehen, bis die Differenz wieder verschwunden ist. D

Die iig. 2 zeigt die dem Elektronenstrahl, der Richtung der Gasströmung und der optischen Resonator des Lasers zugeordneten Koordinaten, Diese Richtungen sind entsprechend benannt. Das gasförmige Medium, das in der als Gasströmung gekennzeichneten Richtung durch die Anordnung strömt, kann bspw, aus 16% CO„, 34% N« und 5o% He bestehen und aus einer geeigneten (nicht gezeigten) Quelle angeliefert werden. Dieses Gas wird durch den Arbeitsbereich 26 des optischen R sonators gerichtet, der von den Laserspiegeln 46, 47 gebildet ist. Zusätzliche Einzelheiten des Lasers, der Halteeinheit und des Elektronenstrahlgenerators sind in den hier genannten Patentschriften enthalten.

Wie auch in der US-PS 3.7o2.973 beschrieben, ist der Kolben 1 des

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Elektronenstrahlgenerators evakuiert, so daß der breitflächige Elektronenstianl 13 dort ausgebildet und gesteuert, werden kann. Dieser Strahl wird auf die netzförmig gestaltete lej ifänige rlatte 40 gerichtet, die leil des i'ensters 12 im KoI ben ist. iiie !'latte 43 kann aus nichtrostendem Stahl oder dergl. _feeiertigt seiii und ist mit einem dünnen Blatt eines !materials bzw. einer ;.embran 43 bedeckt, die eine ausreichend strukturelle i'estigkeit besitzt, u.n den Druckunterscnied zwischen dem Kolbeninncrn und deia bereicn 2b zu widerstehen, abei¹ dennoch die maximale anzahl von elektronen durchzulassen, onne einen übermäßigen 'i'cil iiirer energie zu absorbieren der zu einem Versagen der Keübran fünren könnte.

Der breitllächige Strahl 13, der aus dem .tenstor 12 in den hereich 25 fällt, durcnläuft eine netzartig gestaltete ivathodenplatte 27, die aus hasenendrant aufgebaut sein kann, und tritt dann in den Arbeitsbereich 2i? ein. Im Arbeitsbereich wix^-d die Elektronenenergie von dem elektrischen tlaltefeld zwiscnen den gegenüberliegenden Anoden- und i.athodenplatten 23 b/,w. 27 aufrecnbernalten, die an die Haltespannungsversorgung 29 angescalossen sind.

Der auf diese Weise hergestellte ionisierte ülektronenßtranl dringt also in den Arbeitsbereich des Lasers ein und erzeugt dort Sekundärelektronen bei sehr geringer Elektronen temperatür und erhöht die Wirkungsgrad mittels einer elektrischen entladung, wie in der obengenannten US-PS 3.7o2.973 ausführlich erläutert ist. Nach der vorliegenden Erfindung wird der Elektronenstrahl

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durch cine Rückführung aus dem Ausgangslaserstrahl gesteuert und steuert seinerseits die Ausgangsleistung des Laserstrahls, Insbesondere wird entsprechend der vorliegenden Erfindung die Lichte des breitflächigen Elektronenstrahls elektronisch im hlektronenstrahlgeneiator 1 gesteuert, der in den Arbeitsbereich 26 eintritt.

Die Kückführschleife hält das Energieniveau des Laserstrahls auf demjenigen Wert konstant, der von der Bedienungsperson eingestellt wird. Las optische Untersystera in der uückführungsschleife tastet die Laserstrahlleistung ab, indem es den vollen Ausgangsstrahl intermittierend abfängt und die abgefangene Strahlung auf einen Strahlungsdetektor- richtet, der ein elektrisches signal abgibt, aus de.n ein elektrisches Kückführsignal abgeleitet wird, das mit den Eingangssignal verknüpft wird, um die Ausgangsleistung des Lasers zu steuern. Das optische Untersystem ist Ln der Fig.3 gezeigt undweist eine Nabe 5o mit radial verlaufenden reflektierenden Drähten 61 auf, die von einem schnelllaufenden hotor 52 angetrieben wird. Jeder Draht 6I auf der Nabe 5o unterbricht den !laserstrahl 31 und reflektiert nur einen geringen l'eil der Ausgangsleistung des Strahls, da nur ein geringer Teil desselben gebraucht wird und genutzt werden kann. Lieser nutzbare reflektierte Teil des Strahls, der ωit 53 bezeichnet ist, wird auf einen konkaven Spiegel 54 gerichtet, der eine vorbestimmte und geeignete Brennweite aufweist. Um den Kaum, der erforderlich ist, um das optische System aufzunehmen, auf ein fiinimum zu reduzieren,

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wird der nutzbare reflektierte Anteil, den dor Spiegel 54 aufnimmt und-reflektiert, mittels eines Flachspiegels 55 gefaltet, i'ür die in dei Fig. 3 gezeigte Anordnung richtet also der konkave Spiegel 54 auf einer Seite des Ausgangslaserstrahls 31 den nutzbaren reflektierten Anteil 53 auf die andere Seite des Laserstrahls 31 zum Flachspiegel 55, der seinerseits den reflektierten Strahl wieder auf die gegenüberliegenden Seiten des Laserstrahls 31 zu einer Fokussierlinse 57 richtet, die den aufgenommenen Strahl auf einen pyroelektrisehen Strahlungsdetektor 58 fokuseiert. Natürlich sind die Spiegel 54, 55 so angeordnet, daß der Weg des gefalteten Strahls 53 nicht durch den Ausgangslaserstrahl 31 verläuft und zu einer gegenseitigen Störung führt.

Bei der Linse 57 handelt es sich um eine konvexe oder plankonvexe Linse, die den Aufgenommenen Strahl 53 auf die überfläche des pyroelektrischen Detektors 58 fokussiert. Bas material, aus dem die Linse hergestellt ist, ist vorzugsweise nicht nur für die fokussierte Laserwellenlänge transparent, sondern auch für sichtbares Licht, und zwar aus einem Urund und für einen Zweck, die unten erläutert werden sollen. Für einen Infrarotlaser läßt eine geeignete Linse sich aus Irtian, Zinkselenid oder dergl. herstellen. Der Detektor kann eine aktive Fläche von etwa 1o ram

ρ
bzw. o,1 cm aufweisen. Die Energie, die der Detektor 58 aufnimmt, sollte 1o H/cm nicht wesentlich übersteigen. Liegen hohe Energiewerte vor, sollte die 'x'einperatur des Detektors unter derjenigen gehalten werden, bei der seine Funktion nichtlitiear wird.

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Zu dieser, ^v»ock k-önnor' (nicht gezeigte,) Kühlrippen an deji Detektor angebrach L and mit einer l.ui"thtröiiung gekühlt werden.

V/ährend für die Anordnung und/oder AuRiichiun der iJabc 5o und deren Drähte 61 ein priieblicher Spieliaum besteht, ist die bevorzugte iiiordnung die, die dem Spiegel 'j4 (bzw. depMii äquivalent) erlaubt, ;so /Toß, so gestaltet und so angeordnet zu sein, daß ei· opiecH mi reflektierte b1,rahlun^ von jedem iirnht, wäurend dief?er durcli den strahl ~Y\ läuft, sowie <iucli eine iiiaximal e sinnvolle Strahlu'i^smnn^c aus der iJtreurcflektion jedes Drahtes aufnimmt. Bspw. kann al po dei Motor ^ljo untei' einem Winkel zu und unter dem Strahl 11 angeordnet cein, daß der iipie^el 5Ί, wie in I'ic· "³S ^ezei/^t, so nahe wie siiinvoll mö/'J ich an. Jj tin hl Ji l liegt, u;n von jedem Draht, den spiegelnd reflektierten dti'aii] ungsanteil auf zu— nenmen. Jjie Anordnung des Jpiegels t>A in der größtiMögliciL-n uähe zum .jtiahl 31 gewähr! oifclet, daß der Spiegel i>4 gleichzeitig .,iit dcJ" f>pi ekelnden Üeflektion den größten Anteil der Jtreureflek tion aufniriimt.

Es ist füi" den Fachmann einzusehen, daß auf hosten der gefalteten Strahlführung der .ipiegel 5b auch entfallen und eine herkcurnl icne konvexe odei* plankonkave J.iiipc anstelle des Konkaven Spiegels b4 verwendet werden kann, um geineinsain mit der (geeignet angeordneten) Linse ';7 im wesentlichen die gleichen j^rgebnisse zu ti ziel cn, wie .sie sich bei der gefalteten Stranl führung ergeben, die oben gezei.t und beschiieben ist.

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v.o Linsen οLureter./.L werden, wie oben erwähnt, können :;ie i..i ο Vorteil für sowohl den !.a^eraus,uiii^rh tranl aii; aucn ;,ieu ibai ey LLcIiL transparent, aui^eiiin r ι werd n. i.a^e*'¹' ^{iliil1 ULli} ^e o(.k i.:n^- t; > abnehmbar, l^:iL>t er sieh entfernen und eint-.,ι ntrkö......'l icneti fadenkreuz erset'/en, u;i ι,^ϊϊ· eine üiüi.stel luii^ uiui/oder .leueintiuellun^ dep optischen .iystems üu erlauben, die ^ewanr] eistet, daß die gewünschte Energie fortwänrend auf de-i Detektor ^lj) t'äLit und von diesem aufgenommen wird. Zum ί-weck der Jurluu^ erlauben al no der Zugang zui/. Ort des betcktorp b')> und der Einsatz eine.· i'adenkreuzes, den Hest dfs optischen oyßte.iu; duicii einstellen üeii ,ibbilds einnr: 1/rahtes in die U.ri^rciiaunt; de:- Kadenkreuzes t enau zu ja.^c;tieren.

Wie nun orsi chtl ich, läßt ein im strahl enein^ani de.-; l.a::ery tranls ?i angeordneter Draht t;i'.;a leicht und yeunel L auf den uti des Detektors abbilden Uu einen stetigen und Kuve;.lä^i,i_f)en Le trieb des optischen i-ysten? zu gfwührl eisten.

Dei· Laserstrahl 31 uuü eint;.., typisen^n i'.lektronen;; trahllaoer, wie er in der vorliegenden /iii.iioldurif. beschrieben ist, it.ι riii{_j'örmi^. k'¹ ·a·'.'.',: es ist iai ,iacrrchni tt des otraiilö die ^t auil un_t,t.in tensität in der /.it te gor in f. odor auch null, wahre, a\ ;;ir /, u den Kanten des Strahls bin wächüt, veiteinin kann Lypicoherwei ;;e die i.eir.tungsdichte an enLsprcciieucicu 1 unkten über (ien :.>tr:ihl(iuei cennitt Unterschiedl ich sein. Ir.pv». kann die Leiiuun^;:dich Lt u,,i den ^trahlring nerum l)f:i tine ι vorge_Lebfm,n ..adiu;; vo... . i t t(-l niirikc des οtrahLf; aur- variierren. ./eiterhin kcniieri auca alle diese.

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un^en xeiLl Leu verimderL i ch fein, Un. al ho /.u ^ _tw:ihr! ein Itn, daß die AbLaK Lpi'ü btii de:; ..jti'an.1 rj wirklich die volle .<tran 1 Ie in tun-(iartjL t. L leu, La.sLeL jede ir\<be den ^eya.iiLeu .;LiahLquex';;chni L L ab, Lh wird darauf verwiesen, dab die Oberfläche det; ο L ran Lun^ade LcK-Abnie.sHUh^en in dei' ^:-.röüen;> rdiiuu^ von cinL^Cn ;.Ll iimC tera

iijL. Die.se Anforderungen an da« optLnone .^r;I,e,.i no I Itt.n bt L ilttLwurl" jede.; TeiLt; der; o_y i; Lem.s in ütU'aciu ^e?,o_Lfi]

Lin rfelterer v/eten LI i eher taktur, der i'ui" die niickt'ühx t.cuL c if e iris^ei-ja-iit". Ln betraont ,eKOrfti werden ,,lUß, icL, daß die Ai.iriL i tuiJe der :iLiahlun^ ί>^α, die auf die aktive !■ Liieiic de 5; py roel c.'< ti Lfehen i'eLekLüi'i; fill L u, impul t',i'^:Jrni^ veiliiul'L, wobei diet:« lmpuL.se ei ir i7el lenforiii haben, rüe sich we^en det; rin^f orni^en .)LrabLc|uerr.chiiitts und der \rl und Weine, art' die der otrahl ?,ur r-i'^ciituiif, deo Ii,,pulse« abhefan^en wird, du rc η .'wei Hocker luy^e ienneL. 1· Unlieb enLfjprichL den elektriGChcn Ji_tjnaliinpul neu auf? dem pyrooLek- 'Detektor b$ eine JeileniOrm, die die _t,leiciie doppel-(Je ρ La Iu aufwcioL.

Der uruiid fur dit; Ooppelliöckri^keit eier Impulse auf; de:;. D Ii''· et"t--i-^^ üich au;; den i'i^. j und o. Lie 1Ί^. l> Lsi eine ver_t r-'iscerLe barr.Leiluiit eiiiet; der LrUn ιe bi dei iiabe, der duicn den aUM^arii-Nl aserBtrah L 'I l^:iufi. T^ic - aucii Ln der l· i^. 4 _t ^if-zei_wt- /ibLaatnabe kann :.ii L .secus odei· i.iehr ^] eienbeabK Lande Len reilektirrenden LrähLeu ver;-,t:nen f.ein. joi^üjjweine .sind die L-ran Lt.

tin t.orc inarider t;o bt:.ibi Lande-, daü der La£;ei'aLi'aul in deii 0wi.scl1t.11-

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zäunen den krähten von ei neu der kran te voll atündij irei ist und /u dieser Zeit von keinen von ihnen -:b_Ljei'an; en wird, her ',λικιμ-rnenhan^ zwischen der Anzahl der Drähte oder Lwiaenenr-äu, c ucr Abtantnabe, der Lreli^cachwi ndi^kei t der ;;abe ujid do/ i-rtiqueji^, dex elektriscnen ^ctriebs'-pannun^:, die die eiektri wine.i ..eile des. I arjprßyste.iir: erregt, ist unten au:.;i'ühi'lieli darnelt-'jjt.

'.<ic in den l'i£, 4» b und 6 dar; er^Mlt, i:st jeder i'jraiit Oi der Labe bo ein otrahlun^srefl cktor. i»if- i.ei'lek toidrüh te verlaulen iadial voü der Kabe vier, und habui eine lußenilaelie, die: iiii die 'r'ellenlange den Lasei'otrahlp liociiiei'lektierend wirk l. ..cnii bi.jiw. die Lasern trahl un^swel] enlan^o nicii j η der uroßt-nordnun/; von 1o,6/Ui bewej t, kann es nicli hri den .xi'l ektordi'äli ι en l«ppw. u,n •^olelie aus J latin oder vergoldetem ll^lin handeln. Liie.se i-ind nur l:eispiele iiii. einige ;:eeignete .»erkfitufrc.

Lic iJabe i.st vor7U(_!;v·! i '-τ rc ηπ;ιόιιΙι.γ ι, ι,.,.ti Im .loflrktoxdräliLe sind lan^ ^enu^, um die volle /ibme^^ua^ dr. .ν J.arei -iiiraal ι; ^i zu (uJ'anßf'ii, w<-iii; die Drälite de^i :.i Irani <iv i^ciiliufen. Die i<übe 'jo und damit die Uräiite 61 brauchen nicht untei¹ iJ·, cndt.iiu ... bontiimiiten ,'.'inkrl ^u ι Laserstrahl angeordnet pein, <i.i die kraute die; Ctrnhlun^, ur^ea· allen V/inkeln l-eilekticken, i'.f iat jedocn ei'oidei-Ijeh, daß die krähte länger sind ale dci· „.uerscnnitt de;: .Arahlfs breit, dtJiti.it der ^esa.ite Jtiatil von dem durenlaufeiideu oti-ahl erfaßt wird.

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Das iaterial für die Drähte muß so gewählt sein, daß es die gewählte Drehgeschwindigkeit der Nabe aushält, die mindestens hoch genug ist, damit der .Draht gerade oder mindestens im wesentlichen gradlinig aus der Habe heraus vorsteht. iiiii Drahtdurchmesser von 1o c;n hat sich für Platin als zufriedenstellend erwiesen, desgl. ein Drahtdurchmesser von o,2o32 .um (o,oo3 in.) für //olframdraht. ßspw. können die lJabe einen Durcnrnesser von S>o,3 mm (2 in.) und die Drähte eine Länge von 2o3»? mm (3 in.) aufweisen.

Während die eingesetzte anzahl der Drähte unterschiedlicn sein kann, kann man für einen Laserstrahldurchmesser von io nuu typischerwesse eine abtastung in jeweils 6 χ Io Sekunden vorsehen. Weiterhin wählt raa/i die Anzahl und den Durchmesser der Drähte vorzugsweise so, daß sich im Laserstrahl selbst eine vernuchläsoigbaie Welligkeit ergibt.

Soll die Erfindung für Laser ω it einem hochenergetischen Au.sgangsstrahl eingesetzt werden, ist der effekt des Vnäruieübergangs aus dem Laserstrahl auf die Drähte und der von den Drähten durch Konvektion abgegebenen uärme wichtig. Entsprechend muß die Absorptionsfähigkeit der Oberfläche der Drähte derart sein, daß die -i-rahttemperatur während des Betriebs nicht schädlich zunimmt. Zieht man diesen Punkt in Betracht, ist man natürlich mindestens teilweise in der Lage, die geeignete Außenfläche der Drähte und die Drehgeschwindigkeit zu wählen.

Die Anordnung einer Nabe und der Reflektordrähte nach der vorlie-

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a»

genden Erfindung hat gegenüber den Vorrichtungen nucu dem ^tand der recnnik - bcpw. der ocneibe in der vorgenannten JratenU'ieldungden Vorteil, einen erheblichen op i el raum der /mordnung und Ausrichtung der Drähte, höhere Drchgesehtfindigkeiten und da./iit eine geringere Welligkeit des LaseiStrahls und das Abrangen eines erheblich geringeren strahl ungsanteiis zuzulassen« ;.'ci tex-iiin erlaubten höhere Drehgescnwindigkeiten auch eine erheblicn genauere Regelung der Laserstrahl Leistung,

Die fig, 7 zeigt nun ein elekti'iscues blockschaltbild und eiiien b'tromlauf des elektrischen i'eils des ttückführki-eises ..iit der Signalaufbeieitungsöcnaltung 5 und i'eileti der j.ingangsvei knüpiungs und übertragungsschaltung 3, wie sie auch in der J?ig, ι gezeigt ist. Diese ochal Lungen sprechen au!' drei Eingangssignale an: zunächst eines aus de.r. pyroel ektiiscnen Detektor ^r/i, dann eines aus dem von der Bedienungsperson betätigten 'Generator 7, mit de.u die Ausgangsleistung des Laserstrahls eingestellt wird, und schließlich ein aus de.a hleRtroaensti-aliloysten abgeleitetes Signal, daß dem Cilektronenstrahlstro.fi entspricht und der 7o-kV-bpannungsversorgung 33 entnommen werden kann. Das Wesen dieser signale und die Art und Weise, auf die sie in den eleklrisenen bntex^- system der iiückführung ν ei knüpft werden, sind unten ausführlich beschrieben.

Der Detektor 5ß hat eine hohe Impedanz, Dieser .runkt ist wesentlich, da zwischen den Detektor und anderen ochaitun^steileu eine

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erhebliche Leistungslän_Be vorliegen kann, so daß die Leitun^skapasität wesentlich wird und den Detektor belasten kann, so daß das Auügangbstgnal geschwächt wird. L;n dieses ixoblem zu verringern, geht das iiusgan^ssignal des Detektors unmi.ttelbar auf einen Vorverstärker 7I, der in unmittelbarer nahe zum Detektor angeordnet ist. Der Vorverstärker dient als Buffer zwischen dem Detektor und de··. Kabel 72, das die erfaßten signale führt. Das Kabel kann also dai Detektor nieat belasten und dessen Aus^angG-signalxiivoau nerabpet?.en. Beim Vorverstärker 7'¹ handelt es cicu u:n einen herködimlicheri Operationsverstärker, der cnaraktcrisbibca einen Uohen eingangs- und eiaen niedrigen Husgan_cswidej-s Land naL. Dati üignal aus de.i. detektor bestehe aus einer ueine von impulsen, und zwar jeweils einem, wenn ein reflektierender Draht ο ι den Au sgaagsiaser strahl 3 ι durchläuft,

üa der Laserstrahl in wuerccnnitt ringföiuiig, (derzeit mehr oder weniger hohl) ist, fängt ein Draht 6i, der übex den otrahlquer-.schuitt streicht, eine sich verändernde otrahlungsmenge ab, so daß der reflektierte Laserstrahl 54 iuipulsföruiig ist und jeder Impuls die in der £igo 6 gezeigte charakteristische bestalt aufweist. Ixiobcsoiidere kann der Lnpuls zwei Liücker haben, und zwar einen an Anfang und den anderen am iuide des Impulses, da der Draht am Anfang und am Ende des Impulses mehr btran)ung abfängt alb in der litte, Weiternin kann die Leistungbdichte an entsprechenden Punkten über den Strahl unterschiedlich sein, kann variieren und die Variation kann auch zeitlich sein. Diese iii^en-

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schäften und daher der reflektierten otx-ahlung sind oben bcscnriebcn. Das Ergebnis ist jedoch, daß die Impulse a,n Ausgang des Detektors SR nicht gleichmäßig sind, auch ist nicht jeder lr.ipui s symmetrisch. Das Problem wird dann, aus dem Impuls ein oignal abzuleiten, das stetig ist, obgleich im strahl vorübergehende, räunliche und zeitliche Intensitätsschwankungen vorliegen. Zu diesem Zweck ist eine herkömmliche ι ittelwertbildungcschalfcung vorgesehen.

Wenn bei einer Änderung des plektronenStrahlstiο ns aucn der Ausgan^slacerstrahl zunimmt, nimmt auch die Amplitude der Impulse aus dem Detektor 53 zu, desgl· auch der tileichspannungspcgel aus der i.ittelwertbildungsschaltung. Die i.ittelwertbiIdungsschaltung reagiert ihrem .Vesen nach ±ir, Vergleich zu den endeien oystemteilen langsam. Wie einzusehen ist, kann diese Schaltung nicht so schnell wie andere .Systemteile ansprechen, täte sie es, würde der Außgangsstrahl des Laseis mit der Impulsfrequenz des Impulszugs aus dem Detektor oder mö_falicherweise einer höheien trequenz schwingen. Ein Zweck der I ittclwertbildungsschaltung ist, die Impulsfrequenz aus den Impulsen des Detektors auszusieben.

Die verhältnibmäßig geringe Aiisprechg.eschwindigkeit der i.ittel- | v»ertbildungsschaltung bedeutet, daß, wenn die Ausgangsleistung des Laserstrahls abrupt von eine.n auf ein arideres Niveau über- ': geht, die Gleichspannung am Ausgang der i.ittelwertbildungsschaltung dieser Änderung nicht unmittelbar folgt, bei einem dynamische

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Betrieb des Lasersystems - wie bspw. wenn die Ausgangsleistung des Laserstrahls absichtlich von einem auf einen anderen Kegel geändert wird, reicht das Kückführsigna] aus der ftittelwerLbildungsschal tun« nicht mehr aus. Ein Vergleich dieses unzureichenden rtückführsignals mit dem EingangssteuersignaJ aus dem Generator 7 durch den Summierverstärker 42 würde ein .steuersignal für das Elektronenstrahl system ergeben, das einen höheren otraulstrom befiehlt, als erfoi'derlich, -Folglich würde das gesamte System überlastet werden und vermutlich in einen stabilen Zustand zurück—

schwingen - abhängig von den Zeitkonstanten des Systems. !

Diese Neigung zur überlastung, wenn eine abrupte Änderung der Ausgangsleistung des Laserstrahls befohlen wird, wird kompensiert,! indem man dem Ausgangs signal der iiittelwertbildungsschaltung 73 den Differentialquotienten der Elektronenstrahlstroms hinzuaddierti Zu diesem Zweck nimmt man dem Elektronenstrahl system ein Signal ab, das dem Elektronenstrahlstrom entspricht. Dieses Signal kann über der Impedanz 33a (vergl. -big. 1) in der Spannungsversorgung abgenommen werden. Das Elektronenstrahl signal wird auf einen herkömmlichen nichtinvertierenden Pufferverstärker Ib in der Signalaufbereitungsschaltung b gegeben, das Ausgangssignal dieses Verstärkers wird von einer herkömmlichen Differenzierschaltung 76 differentiert, die aus einem Kondensator und einem Widerstand 77 bzw. 78 bestehen kann, wie gezeigt. Wenn bspw. dex· Elektronenstrahlstrom eine abrupte Änderung erfährt, wie sie mit der Wellenform 31 dargestellt ist, entspricht das Ausgangssignal aus der

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: ittelverfbilduri^Rscnaltung 73 der wellenform .'j3, ./ie ej. 3 ieutLich, ist die ./elienfor/1 J2, dio de,,, filler fen i.ialquo Lieu ütn ciittiprici^, das umgekehrte ^i^nal aus del . ittel\*er Lbilduu^SoCiV; L Ua^. lade.;, '.urin diese beidan .ji&nale in eine;., ^umuii ervcrstärker -\h summiert, erhält man ein iiückfühT-si^iial, das die oprun^fuiik .,ion (Wellenform 81) des -c,lektronenstrahlstro.a& wähi'end des oinfs approximiert und v/eitertiin im einpchwin^endea Luscar.d ein liefert, das von den räuiilichen und zeiLliciien J ο uixbeeinflußt bleibt.

Der Summierverstärker 8^, der das aufbereitete iiückiührsi_onai liefert, kann ein herkömmlicher Operatiorisverst.ärker ,iit ncne ι iiingaa^l·- und niedrigem Aus^iin^swiderr.land sein, dex- die liiase der Lin^arißssignalsanmieruur, iiüikehrt. Lieses itusgan^ijei^naL ^e über einen weiteren herkon, mJ icnen Opera t-ioacvei stäxker io, der die Phase erneut umkenrt, so daß y.wiüchen den ^i^nul aub dei-..ittelviertbilluii^s.sciial tun^, 73 und de^i AUöf/ari^.ssi^na."! des Verstärkers 06 Phucengleichiieit herrsch t. Meses Au«_£-an_fc.ssignal ^ auf den einen Eingang einefi herkö.i,ulicheii üUin.iiierversuärkPi-a in der Verknüpfung- und b beilra^uu^saciiaJ tuu£, J, i>iescr ^u_:,.iui verstärker kann 'iiehr-ero ^ingari_ö;:;fii^iiale aufnehiaen. al a ^in^an^ssignal ist dao Aufbereitete iiüe Kf Uhr signal au:-, dei.i Versti-irKCi 36, das auf den Lingaotswiderstand -Ϊ7 ^eht, ei-i weiteren das von der bedienungsperson eingestellte üiji^an^ösi^i'ial aut; de.a oei'entür 7, das über den Ciingangswiderstand 3j ₆eiiL. V/eiteie r-in^au^ntii^rivile des oUiii.'iiervcxsLärkers 42 können ein Of f setai ^nfvl aut; eineüi inton-

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tiometer ^;39 und über den jj.in_£angswidei'stand 9'i sowie ein J signa.l. aus dem iJpeia signalgcnera tor ⁽J? über den x.in^angßwiderstand 93 sein.

Der Zweck d^s Üffsetsignal s ist, geringe uieichspannungen auszugleichen, die unerwünr>chterwe?ise auf einem der anderer» ^in^angusignale erscheinen können, ucr .,inn des Jperrsi_cnaif. ist, alle

e vo;i oUinmier ν er starker abzuhaJ ten, bo daß dif- bi Ltex'stcuerfür die elektronenstrahlvorricntung, die von dex ^teuerschal tung 32 in der riochspannungsversor^unß 6 (ver_t,L. i'i^. ij erzeugt wird, den ^lektronenstrahlstrou sperrt una keia elektronenstrahl .fließt. Wenn bsj-.w. der Laser auf .Bereitscnaf t geschaltet ist, sollen alle lystemteile - mit .ausnähme des ^lektronenstrah] ptrorns - eingeschaltet sein, »ienn dann der Laser eingeschaltet wild, wird die ύμerrspannung abgenommen und der elektronenstrahl strom steigt, auf den .-Verb, der mit den i^in gangs signal bestiiHiüt wird, das die Bedienungsperson einstellt. Hie Offset- und ^perrsignale sind für die Funktion der Lasersytite-ne, die die vorliegende jirfindun_f enthalten, nebensächlich und können in einigen !''allen entfallen,

Lin ggff. vorauseilender ^eil der Aui bereitun_ör,i:ichal tung t> weist den Schalter ^b auf, def· das aufbereitete iiück-füliiungesignal von» Operationsverstärker y6 oder dem iiuminierserstärker 3b auf den Verstärker 86 .:ibto .Der Lcnalter hat zwei Stellungen, d.h. die mit "OL" bbsieiclaiete stellung für den Letrieb μ it geschlo sseneai

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und die ;nit ¹¹OL" bezeichnete stellung für den heurieb „iit offene; ι Regelkreis. In der Stellung "(JL" gehe das aufbereitete uückführsignal aus dem Summi erver stärker 35 auf den uU.Mir.ier verstärke! 42 und das gesagte uückl'ünrsysten ist voll wirksam, wje liier beschrieben, Uni den Laserausgaugsstrahl zu regeln. Liegt dor ochalter in der stellung OL, umgeht die .iignalführung das optische bntersyptem 4 und die SignalaufbereitungsGchaltung b» so daß dac Signal aus äf.ni Elektronenstrahl stroiasencor (Impedanz 33a in li_fc.ij unmittelbar über den 'verstärker 86 auf den bumrnierve.cstärker 42 geht. Der Zweck des Verstärkers 96 ist, eine zweite Ϊ-na? en umkehr des iilektronenctrah] sti'otijpigiials herbeizuführen. Die offene nücki'ührschlcife ignoriert die Leistung des Laserstranis und vex-sucht, eine Steuerung nur mit der Rückführung aus deui Elektronenstrahl selbst, ohne die tatsächliche u^gangsleistung des Systems zu berücksichtigcu. Folglich ist die offene itegelsclileifc weiiger wirkungsvoll als die geschlossene und kann als ^rsatzregelung dienen, wenn die geschlossene Regelung ausfallen sollte.

Der Surnruierverstärker 42 ist ein Operationsverstärker herkömmlicher Ausführung uiit einer nnzahl von üiingaii^siiiipedanüeii, wie bereits beschrieben, die mindestens eine Stufe speisen, v»ie in iig.T gezeigt. Das Ausgangosignal kann dazu verwendet werden, die \/or- ι

j spannung am Gitter 14 der Elektronenstranleinrichtung unniittel- j bar zu steuern, wie in Fig. 1 gezeigt. Aus bereits beschriebenen Gründen ist der Ausgang des Verstärkers 42 nicht unmittelbar an die Gittersteuerschaltung 32 mit Kupferleitern gelegt. Vorzugs- i

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weise wird er von der Gittersteuerschaltung wegen der hohen Spannung des Gitters getrennt. Wie also in J^'ig. Ί gezeigt, gibt man das Ausgangssignal des Summierverstärkers 42 suerst auf einen Modulator 43, wo es ein 1o-kHz-oignal moduliert, verstärkt dac modulierte Signal mit dem Verstärker 45 und gibt es auf die Pri- ' .närwicklüug 37p des transformator ε 37, dessen Sekundärwicklung ■ 37s unmittelbar an der Gittervorspannungssteuerung 32 liegt und ein Vorsignal der Gitterspannung überlagert, das dem Ausgangssignal des iuiiiiiiiervcrstärkers 42 äquivalent ist. Auf diese .-Jeise Steuert das Differenz signal zwiscnen dem aufbereiteten nückführaignal und dem von der Lcdienungsperson eingegebenen eingangssignal die Stromdichte des elektronenstrahls. :venn beide Signale gleich sind, entsteht ein üullsignal, das bedeutet, daß der ausgangslascrstrahl das mit dem Eingangssignal eingestellte Leistungs niveau aufweist. Übersteigt daa aufbereitete Hückführsignal das eingangssignal, reduziert das Differenzsignal die Elektronenstrahldichte, womit auch die Ausgangsleistung des Laserstrahls sinkt. Wenn andererseits das Eingangssignal das aufbereitete Rückführsignal übersteigt, nimmt die Elektronenstrahldichte zu, so daß auch die Ausgangsleistung des Laserstrahls steigt, bis sie das mit dem Eingangssignal bestimmte Niveau erreicht hat.

Der elektrische Teil der Rückführung ist vollständiger in der vorgenannten Patentmeldung beschrieben.

Die hier beschriebenen Beispiele betreffen ein Verfahren und eine

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Vorrichtung zur Steuerung der Ausgangsleistung eines ^ ptrahllasers »uit üal.tcfeld und einer luick führung, die die Ausgangsleistung des LaserstrahLs erfaßt. Lie Einzelheiten des ^lok: tronenstrahllawers .nit Haltefeld sowio eine Anzahl von einzelheiten sowohl der optischen als auch der elektri senen Anordnunt. der Rückführung c se haltung sind hier nur als .bei spiel für die derzeit a;a besten bekannte Benutzung der i.rfindun_Lj arigelünrt und sollen den Urafaug der Erfindung nicht cinaCiiränken.

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L e e r 3 e 11 e

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1, Verfahren zur Regelung eines aus einem gasförmigen wedium im Arbeitsbereich eines Gehäuses erzeugten Strahles kohärenter otrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß man den Strahl kohärenter strahlung in im wesentlichen ragelmäßigen Intervallen mittels langgestreckter Drähte mit geringem Durchmesset, die außerhalb des Gehäuses voneinander beabstandet angeordnet sind und für die kohärente Stx'ahlung im wesentlichen reflektiexende Außenflächen aufweisen, abfängt, um reflektierte Strahlungsstöße zu erzeugen, daß man die reflektierten Strahlungsimpulse auffängt und zu einem elektrischen Rückführsignal umwandelt, das der Leistung der reflektierten Strahlungsimpulse entspricht, und die gewünschte Regelung des Strahls der kohärenten Strahlung durctifünrt, indeui man das elektrische Hückführsignal zur Steuerung eines breitflächigen -elektronenstrahls nutzt, der in den Arbeitsbereich von außerhalb des Gehäuses eingeführt- wird, wobei der breitflächige Elektronenstrahl im Medium eine räumlich gleichmäßige vorbestirnmte Dichte von Sekundärelektronen erzeugt, deren mittlere energie durch ein elektrisches Feld in dem Arbeitsbereich ausreichend angehoben wird, um die Emission des Strahls kohärenter Strahlung anzuregen, ohne die vom breitflächigea elektronenstrahl erzeugte vorbestimmte hlektronendichte zu erhöhen.

   2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man

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   das clektriscne nückführsignal gemeinsam .nit einciri elektrischen Eingangssignal zur Regelung des brei Lf lächigen elektronenstrahls heranzieht,

   3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den breitflächigen Elektronenstrahl entsprechend der Differenz zwischen dem elektriscnen Kückführsignal und dein Miigangssignal regelt.

   4· Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mun in jede/n Abfangvorgang den gesamten Strahl kohärent ei' Strahlung abfängt.

   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurcn gekennzeichnet, daß die yuerschnittsflache jedes Drahts wesentlich geringer ist als die ^uerschnittsfläcne des kohärenten Strahls, wobei während des -ib~ fangvorgangs jeder I»raht sämtlicne Teile des querschnitts des kohärenten ütrahls abfängt.

   6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch Rekeunzeicnnet. daß ;aan die Drähte durch den gesamten kohärenten Strahl laufen und diesen abfangen läßt und daß nur ein Veil der gesamten Strahlung, die jeder Draht reflektiert, aufgefangexi wird, wobei jeder ¹Jeil die spiegelnd reflektierte und die Streustraiilung uiufaüt.

   7. Verfanren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet. daß die

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   spiegelnd reflektierte und die ütreustrahlung jedes aufgefangenen Teils auf eine auf Strahlung ansprechende vorrichtung gerichtet werden, die die ötranlungsenergie in ein elektrisches Signal umwandelt, das das Aückfünrsignal darstellt.

   3. Verfahren nacn nnsprucn 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Auffangen jedes reflektierten Teils an dem konärenlen ötranl erfolgt.

   9. Verfahren nach -uispruch 3, daüurcn Mekennzeicnnet. daiz tian die spiegelnd reflektierte und die Streustrahlung mittels einer Linse auf die auf Strahlung ansprechende vorrichtung richtet, die für sichtbares Licht und für den kohärenten Strahl transparent ist, so daß, wenn man sichtbares Licht auf einen innerhalb des vom kohärenten Strahl eingenommenen Raums befindlichen Draht richtet, für Einstellzwecke ein Abbild des Drahtes am Ort der auf Strahlung ansprechenden .Einrichtung gewonnen werden kann.

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