DE2805732A1 - Polarisationswandler fuer elektromagnetische wellen, insbesondere laserlicht, und plasmagenerator - Google Patents

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DIpl.-Ing. G. Schliebs

Patentanwalt

Γ Patentanwalt Dipl.-Ing. Schliebs, 61 Darmstadt, Claudiusweg 17A ~|

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Darmstadt Claudiusweg Ί") 4

Telefon (061E) Postscheckkonto: Frankfurt a. M. 1111 57-606 Bankverbindung: Deutsche Bank AG., Darmstadt

Konto-Nr. 461434 Telegramme: inventron

An das

Deutsche Patentamt

Zweibrücien strasse
8000 München 2

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Ihr Schreiben Mein Zeichen

M 364

Tag

7- Febr. 1978

Anmelder: Georges, Robert, Pierre Marie

17, avenue R. Croland,

92260 lONTEITAY-AUX-ROSES (Frankreich)

Polarisationswandler für elektromagnetische Wellen, insbesondere Laserlicht, und Plasmagenerator

Diese Erfindung bezieht sich auf Generatoren für einschliessende, elektromagnetische Wellen, bei denen Polarisationswandler für sehr hochfrequente, elektromagnetische Wellen, z.B. Lichtwellen oder Infrarotwellen, als Einschliessvorrich-5 tungen für Plasma benutzt werden.

Als einschliessende Wellen bezeichnet man elektromagnetische Wellen, deren elektrisches Feld an mindestens einem Punkt der

ORlGiNAL INSPECTED 609833/0900

-2-

FOr das Auftragsverhältnis gilt die Gebührenordnung der Deutschen Patentanwaltskammer ■ Gerichtsstand für Leistung und Zahlung: Darmstadt Gespräche am Fernsprecher tiatren keine Techtsverbindllche Wirkungl

Brief vom 7*2.1978 Blatt "S- 3 Dipl.-lng. G. Schliebs

an ^._as Deutsche Patentamt Patentanwalt

2 8 0 ■ V7 3

Fortpflanzungsaehse NuIl ist. Diese einschliessenden Wellen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie die Elektronen an den Punkten sammeln, an denen das elektrische IPeId Null ist. Die Einschliesskraft, die die Elektronen gegen die Einschliesspunkte drückt, ist dem Gradienten des Quadrats des Modul des elektrischen Feldes proportional. Diese Einschliesskraft enthält eine elektrische und eine magnetische Komponente; die magnetische Komponente kann in bestimmten Fällen unberücksichtigt bleiben.

Ziel dieser Erfindung ist die Beschreibung von Generatoren für "einschliessende", elektromagnetische Wellen, die die leichtesten Teilchen des Plasma, die Elektronen, einschliessen. Das läuft auf Grund der annähernden Neutralität von Plasma darauf hinaus, dass das Plasma unter Anregung eingeschlossen wird. Diese Einschliessung ist von erstrangiger Bedeutung für die Untersuchung der Vorgänge bei der kontrollierten, thermischen Kernfusion, die durch Fokussieren energiereicher Laserstrahlen auf das Fusionsmaterial erhalten wird, oder für die Untersuchung der Emission kohärenter Röntgenstrahlung.

Ein besonderes Ziel der Erfindung besteht darin, Generatoren für Laserstrahlen mit zirkulär polarisiertem Wellentyp und negativer, azimutaler Phasenverschiebung zu beschreiben, und insbesondere solche Generatoren für Laserstrahlen, die zwei Polarisationswandler für elektromagnetische Wellen, Licht- oder Infrarotwellen, umfassen, von denen der erste den einfallenden Strahl in einen Strahl des Wellentyps ¹M₀ wandelt

GRlGSHAL fi-iSPEGTED

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^m das Deutsche Patentamt -*O Patentanwalt

und der zweite den so erhaltenen Strahl in einen Strahl mit zirkulär er Polarisation und negativer, azimutaler Phasenverschiebung wandelt. In der BE-OS 27 57 263 sind Polarisationswandler beschrieben, die einen sehr intensiven und linear polarisierten Licht- oder Infrarotstrahl in eine zirkulär polarisierte Welle mit positiver oder negativer Azimutalphasenverschiebung wandeln.

Wellen des zirkulär polarisierten Typs mit negativer Azimutalphasenverschiebung haben die Eigenschaft, das Plasma, das sie bei der Fokussierung auf einen Werkstoff erzeugen, einzusehliessen.

Ein weiteres, spezielleres Ziel der Erfindung ist die Beschreibung von Schutzvorrichtungen für derartige Generatoren für "einschliessende, elektromagnetische Wellen. Werden nämlich Hochleistungslaser benutzt, so muss der Laser gegen Schaden geschützt werden, die ihm durch reflektierte Wellen zugefügt werden können.

Bekanntlich wird der Wellentyp durch zwei Indices bezeichnet, von denen der erste die Anzahl räumlicher Perioden in Azimutrichtung und der zweite die Anzahl räumlicher Perioden in radialer Eichtung angibt. Im folgenden wird der zweite Index nicht geschrieben, denn es wird diesbezüglich vorausgesetzt, dass der Wellentyp stets annähernd den Grundbedingungen mit einem hinreichend kleinen Anteil Harmonischer entspricht, wobei sich dieser Anteil ändern kann, wenn man die Wellenintensität in Abhängigkeit vom Abstand von der Achse verändert.

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das Deutsche Patentamt

Die Wellentypen TE_Q, ΈΕ^ und TMp sowie ganz allgemein die Typen TEM stellen einschliessende Wellen dar, da das elektrische Feld in allen Punkten ihrer Fortpflanzungsachsen gleich Null und bei den Typen TE , TEp und TMp das Einschliesspotential in der Nähe der Achse dem Quadrat des Abstands von der Achse proportional ist. Bei den Typen TEM mit q > 2 ist das Einschliesspotential in Achsennähe dem Abstand von der Achse zur Potenz 2(q-l) proportional.

Diese Arten der Fortpflanzung kommen in Verbindung mit einem axialen Magnetfeld zur Anwendung, das die Aufgabe hat, ein axiales Komprimieren der zur Achse konvergierenden Elektronen herbeizuführen, wie dies in der oben erwähnten Patentanmeldung beschrieben ist und für den allgemeineren Fall nachstehend beschrieben werden soll.

Die Generatoren für Laserstrahlen erzeugen gewöhnlich linear polarisierte, elektromagnetische Wellen, die der Fortpflanzungsart TE-, entsprechen. In der Erfindung werden Mittel beschrieben, die Generatoren für linear polarisierte Laserstrahlen in Generatoren für einschliessende Laserwellen wandein, wobei es sich darum handelt, an allen Punkten einer Wellenoberfläche Mittel zur Eontrolle der Polarisation dieser Welle anzubringen.

In dieser Patentanmeldung ist die Fortpflanzungsart der einschliessenden Laserwellen diejenige, die dem Wellentyp erster Ordnung mit zirkularer Polarisation und negativer, azimutaler Phasenverschiebung entspricht. Es handelt sich also in Wirk-

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^m das Deutsche Patentamt Ai Patentanwalt

lichkeit um zwei Wellentypen IEp gleicher Intensität, die zueinander rechtwinklig und um 90° gegeneinander phasenverschoben sind, was man noch als zirkulären Wellentyp I EEp\ bezeichnet.

Bei der Erfindung kommen Polarisationswandler zur Anwendung, die aus segmentförmigen Halbwellen-Plättchen bestehen, die Kante an Kante auf einem transparenten Träger so angeordnet sind, dass die schnellen (oder langsamen) Achsen der Segmente hyperbel- oder parabelförmige, gebrochene Linien bilden. Diese Wandler können auch transparente Plättchen sein, deren eine Fläche spiral- oder wendelförmig ist. Pur die Erfindung kommen auch Polarisationswandler zur Anwendung, die aus Brewster-Kegeln mit spiralförmiger Grundfläche bestehen. Gemäss dieser Erfindung kommen die Polarisationswandler zusammen mit Wellentypfiltern, etwa Kegeldioptern, Brewster-Kegeln und Plättchen mit parallelen !Flächen, und mit Polarisa tor en, etwa auf dem Faraday¹Effekt beruhenden oder Viertelwellen-Plättchen in üblicher Ausführung oder in Kreissegmentform, zur Anwendung.

Die Wellentypfilter und die Polarisatoren können nicht nur dazu dienen, die Fortpflanzungsarten der sie durchlaufenden Strahlenbündel zu wandeln, sondern sie sollen erfindungsgemäss auch dazu dienen, den Laser gegen Schaden zu schützen, die ihm durch reflektierte Wellen zugefügt werden können. Die Polarisatoren, d.h. deren erfindungsgemässen Kombinationen von Wellentypfilter, mit Polarisatoren, haben die Aufgabe, den Laser gegen reflektierte Wellen zu schützen und bilden somit

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Laserschutzvorrichtungen. Der durch die erfindungsgemässen Schutzvorrichtungen gewährte Schutz des Laser gegen reflektierte Wellen ist besonders dann erforderlich, wenn man mit Hochleistungslasern arbeitet, wie sie erforderlich sind, wenn man eine thermische Kernfusion durch Fokussieren des Laserstrahls auf das schmelzbare Material herbeiführen will.

Die erfindungsgemässen Laserschutzvorrichtungen bestehen aus einem Wellentypfilter, das eine durch den Laser erzeugte, elektromagnetische Welle empfängt, und aus einem Polarisator, der die vom Wellentypfilter durchgelassene, elektromagnetische Welle empfängt. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass das Wellentypfilter die Laserwelle unter Brewster-Einfall aufnimmt und sie reflektionsfrei durchlässt, und dadurch, dass der Polarisator die Polarisationsebene der ihn hin und zurück durchlaufenden Welle um den Winkel π/2 dreht.

Wie bereits erwähnt, kommen die erfindungsgemässen Schutzvorrichtungen in Verbindung mit Wellentypwandlern zur Anwendung, und bei manchen Ausführungsformen können die Wandlungs- und die Schutzfunktion in einer einzigen Vorrichtung zusammengefasst werden.

Die zirkulär polarisierten Wellen mit positiver oder negativer, azimutaler Phasenverschiebung sind durch die Eigenschaft ausgezeichnet, Plasma einschliessen zu können. Beschränkt man sich auf azimutale Phasenverschiebungen der ersteren Art, so handelt es sich bei den Wellen mit positiven Phasenverschiebungen um Mischungen der Wellentypen TE_Q und TM₀; die Wellen

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™ das Deutsche Patentamt Patentanwalt

mit negativer Phasenverschiebung gehören zu den Typen ^ Bei den Typen TE und TE^ hat das elektrische Feld ausserhalb der Phasenebenen keine Komponente» und beim Typ TM₀ kann die axiale Komponente unberücksichtigt bleiben, wenn man es mit Bündeln zu tun hat, deren Durchmesser gross ist, d.h. in der Grössenordnung des 10 -fachen der Wellenlänge liegt. Sie ist jedoch beim Fokussieren wichtig, wo sie die gleiche Grössenordnung wie die radiale Komponente annehmen und sogar grosser als die letztere werden kann. Das hat zur Folge, dass bei zirkulär polarisierten Wellen erster Ordnung mit positiver, azimutaler Phasenverschiebung das Quadrat des Modul des elektrischen Feldes auf der Fortpflanzungsachse nicht gleich Null ist. Ist das für einen Kreis mit dem Radiuso* erreichte Maximum dieses Quadrats eine gegebene Grosse, so ist die Differenz des Einschliesspotentials bei Wellen mit positiver Phasenverschiebung weitaus geringer als bei solchen mit negativer Phasenverschiebung.

Faktisch ist der Wellentyp TM nur dann einschliessend, wenn eine stehende Welle entsteht, weil dann sein axiales, elektrisches Feld äeae halbe Wellenlänge zu Null wird. Fokussiert man jedoch die Energie eines Laser auf einen festen Körper und erzeugt dadurch ein Plasma, so ist es kaum möglich, eine stehende Welle zu erhalten, weil dann die absorbierte Energie die Intensität der Welle progressiv kleiner werden lässt und die reflektierte Energie ganz anders reflektiert wird als durch einen Planspiegel.

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Aus diesen Gründen benutzt man zur Untersuchung der Vorgänge bei der thermischen Kernfusion vorzugsweise Generatoren für einschliessende Laserstrahlen, deren lOrtpflanzungsart dem zirkulär polarisierten Wellentyp mit negativer, azimuraler Phasenverschiebung entspricht.

Die Wandler zur Erzeugung von zirkulär polarisierten Wellen mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung, wie sie in der DE-OS 27 57 263 beschrieben sind, bewirken die Wandlung, indem sie bei einem linear polarisierten Laserstrahl, der überall den Azimut φ um die Strahlachse herum hat, den Polarisationsvektor um einen Winkel -φ drehen.

Die Spitzenleistung eines Neodymlaser ist dem Querschnitt des Zylinders aus dotiertem Glas proportional. In der Praxis überschreitet der Durchmesser des Querschnitts der Zylinder aus dotiertem Glas 10 - 12 cm nicht, denn bei grösseren Durchmessern wird das zum Anregen des Laser benutzte Blitzlampenlicht zu stark an der Peripherie absorbiert und kann den Kern des Laser nicht mehr anregen. Man beseitigt diesen Nachteil, indem man Hohlzylinder aus dotiertem Glas benutzt, die bei einem gegebenen, für die Fortpflanzung des Laserstrahls zur Verfügung stehenden Querschnitt den Blitzlampen eine grössere Oberfläche darbieten. Die Wanddicke des Zylinders entspricht dann der für das Eindringen der Pumpwelle optimalen Dicke. Die von einem derartigen Hohlzylinder emittierte Laserwelle pflanzt sich als Wellentyp OM₀ fort, dessen Eotationsstruktur der Form des Hohlzylinders angepasst ist. Dieser Wellentyp 3M_o lässt sich mit

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Kegeldioptern und Brewster-I^eln leicht filtern. Der Wellentyp TM₀ lässt sich aus einem linear polarisierten Laserstrahl erhalten, indem man einen Wellen-Polarisationswandler zwischenschaltet, wie er in !Fig. 9 und !ig. IO der Offenlegungsschrift beschrieben ist.

Um die Laserwelle erfindungsgemäss in einem Hohlzylinder aus aktiviertem Material und nicht in einem Vollzylinder aus einem derartigen Werkstoff zu verstärken, ist der Polarisationswandler ein Doppelwandler. Er besteht aus einem ersten Wandler, der den einfallenden, linear polarisierten Strahl in einen Strahl wandelt, dessen Feld durch Rotationssymmetrie des Typs 0M₀ gekennzeichnet ist, und aus einem zweiten Wandler, der diesen Strahl in einen zirkulär polarisierten Strahl mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung wandelt. Dazu dienen entweder die Schraubenlinien-Phasenschieber oder anisotrope Segmentplättchen.

Anders ausgedrückt wandelt der erste Wandler die linear polarisierte Welle zu einer Welle, die eine lOrtpflanzungsart hat, die der des Wellentyps TM_Q in kreisförmigen Wellenleitern entspricht. Dieser Wellentyp lässt sich leicht mit Kegeldioptern filtern, die er unter Brewster'schen Bedingungen durchläuft; er lässt sich auch mit Stäben in der !orm von Hohlzylindern leichter verstärken, die, verglichen mit Vollzylindern, den Vorteil haben, der Pumplichtquelle eine grössere Oberfläche darzubieten, ohne die Eindringtiefe zu erhöhen. Dann wird die verstärkte Welle des Typs TM zu einer zirkulär polarisierten

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^an das Deutsche Patentamt ^ Patentanwalt

Welle mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung gewandelt.

Ein weiterer Vorzug der zirkulär polarisierten Wellen ist, dass sie es ermöglichen, den Laser gegen die reflektierten Wellen zu schützen, die ihm im Falle energiereicher Strahlung schwere Schaden zufügen können.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Schutz des Laser gegen die reflektierten Wellen besteht aus einem Wellentypfilter unter Ausnutzung des Brewster-Winkels und aus einem Polarisator, der bewirkt, dass sich die Polarisation eines Lichtstrahls, der ihn hin und zurück durchläuft, um einen Winkel π/2 dreht.

Die Drehung der Polarisation eines Lichtstrahls lässt sich kontinuierlich während des zweimaligen Durchlaufs durch den Polarisator erreichen, wenn man einen Polarisator auf der Basis des Ifaraday-Effekts benutzt. Ganz allgemein lässt sich die Drehung der Polarisation des Lichtstrahls durch Wandlung der linearen Polarisation des Strahls in eine zirkuläre Polarisation während des Hinlaufs im Polarisator und durch eine umgekehrte Wandlung während des Rücklaufs erhalten, wenn man einen Polarisator benutzt, der auf den kristalloptischen Eigenschaften von Viertelwellen-Plättchen beruht.

Der Fara&ay-Effekt wird unter den folgenden Bedingungen erhalten: Durchläuft ein linear polarisierter Lichtstrahl z.B. Benzol und erzeugt man in dieser Substanz ein in Richtung der Fortpflanzungsachse gerichtetes Magnetfeld, so dreht sich die PoIarisation des Strahls um einen Winkel, der der Länge des durchlaufenden optischen Weges proportional ist, wobei der Proportionali-

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tätsfaktor für die jeweilige Substanz charakteristisch ist. Am besten lässt sich der Faraday-Effekt mit Flüssigkeiten erhalten. Man benutzt daher Polarisatoren, die eine Küvette mit einer den Faraday-Effekt erzeugenden Flüssigkeit enthalten;

f? die länge der Küvette wird so eingestellt, dass die Faraday-Drehung für einen Hinlauf π/4 beträgt. Die Drehung der Polarisation unter der Wirkung des Magnetfeldes erfolgt beim Hin- und Rücklauf in derselben Eichtung. Daher hat ein reflektierter Lichtstrahl, der die Küvette in beiden Richtungen durchlaufen hat, eine Drehung der Polarisation um π/2 erfahren, wenn er den Polarisator verlässt.

Bei einer vorzuziehenden Ausführungsform umfasst die Schutzvorrichtung für einen Laser, dessen Strahl linear polarisiert ist, ein Wellentypfilter, das aus Plättchen mit parallelen Flächen besteht, die, bezogen auf den einfallenden Laserstrahl, unter dem Brewster-Winkel geneigt sind. Ist der Strahl parallel zur Einfallsebene polarisiert, so bewirkt das Wellentypfilter keine Reflexion. Hinter dem Wellentypfilter ist ein Faraday-Effekt-Polarisator angeordnet, der die Polarisation des ihn durchlaufenden Strahls um π/4 dreht. Wird dieser Strahl am Austritt des Polarisators teilweise reflektiert, so durchläuft der reflektierte Strahl den Polarisator in umgekehrter Richtung und gelangt mit einer zur Einfallsebene senkrechten Polarisation in das Wellentypfilter. Der reflektierte Strahl kann also das Wellentypfilter nicht durchlaufen und zum Laser zurückkommen, sondern es wird durch das Wellentypfilter zu den Absorbern reflektiert.

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Mne analoge Wirkung kann man mit einem Yiertelwellenplättchen-Polarisator erzielen. Man bringt in den Weg des linear polarisierten Strahls, der das oben beschriebene Wellentypfilter durchlaufen hat, ein Yiertelwellenplättchen, dessen sehneile und dessen langsame Achse, bezogen auf die Polarisationsebene des Strahls, um 4-5° geneigt sind. Dieses Yiertelwellenplättchen verschiebt die Phase der parallel zur langsamen Achse gerichteten Komponente des Feldes, bezogen auf die andere Komponente, um π/2, wodurch die linear polarisierte Welle in eine zirkulär polarisierte Welle umgewandelt wird. Wird die zirkulär polarisierte Welle durch ein System reflektiert, das einer rechtwinklig zur Achse refkeltierenden Ebene gleichwertig ist, so durchläuft sie das Viertelwellenplättchen noch einmal, und die bereits um π/2 verzögerte Komponente wird nochmals um π/2 verzögert, was eine Gesamtverzögerung um π ergibt. Mach Durchlaufen des Yiertelwellenplättchens ist die reflektierte Welle linear in einer Sichtung polarisiert, die rechtwinklig zur Polarisationsrichtung des ursprünglichen Laserstrahls liegt. Diese reflektierte Welle ist linear senkrecht zur Einfallsebene des Wellentypfilter polarisiert und wird vom Filter in Richtung auf die Absorber stark reflektiert. Damit sind die Prinzipien beschrieben, die für den Schutz der Hoehleistungslaser und insbesondere des erfindungsgemässen Yerstärkerlasers mit Hohlzylinder gegen reflektierte Wellen zur Anwendung kommen.

Nachstehend sollen nun die Einschliessungseigenschaften von Wellen erster Ordnung mit Zirkularpolarisation und negativer,

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^an das Deutsche Patentamt · *O Patentanwalt

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azimutaler Phasenverschiebung beschrieben werden.

In einer durch die Achsen Ox und Oy definierten und als komplexe Bezugsebene bezeichneten Phasenebene kann das elektrische PeId einer ebenen, zirkulär polarisierten Welle mit der Kreisfrequenz W durch die folgende komplexe Zahl dargestellt werden

E₀ exp (aitft)

wobei E_Q eine Bezugsamplitude des elektrischen Feldes ist. Das elektrische PeId einer zirkulär polarisierten Welle erster Ordnung mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung wird in der ITähe -der Portpflanzungsachse (Achse Oz) dargestellt durch die komplexe Zahl

E₀ § exp (j uit - φ ) (1)

worin r und ^ der Radiusvektor bzw. der Azimut des betreffenden Punktes sind und σ eine Bezugslänge ist. Wie wir weiter unten sehen werden, ist dies der erste Term der Reihenentwicklung einer Punktion, die mit grosser werdendem r durch ein Maximum geht und dann wieder Null wird. Der Ausdruck (l)_ lässt sich in die Summe zweier Vektorfelder zerlegen:

E cos- w t + E' 3 sin u* t Die Gleichung (15) in der bereits erwähnten Patentanmeldung (DE-OS 27 57 263) ist der Ausdruck für die elektrische Einschliesskraft, die das Plasma zur Achse hin komprimiert und die pro Elektron den Wert hat

e² E² _n r

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COPY i

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Im Pail der zirkulär polarisierten Wellen erster Ordnung mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung kann, wie dies bereits in der obigen Patentanmeldung ausgeführt ist, die magnetische Einschliesskraft vernachlässigt werden.

Um die vorstehenden Ausdrücke für den Fall eines nicht sehr kleinen Radiusvektors r zu verallgemeinern, benutzt man zur Berechnung der dann auftretenden Einschliesskraft eine vektorielle Darstellung.

Sämtliche elektromagnetischen Schwingungen mit der Kreisfrequenz w können stets als Summe zweier, um 90° zueinander phasenverschobener, stehender Wellen (dargestellt durch zwei Vektorfelder) behandelt und in die Form gebracht werden:

df "*

E (χ y ζ) cos u; t + E¹ (x y z) sin w t

So haben z.B. bei der ebenen Welle, die sich in der Richtung Oz fortpflanzt und in der Ebene xOy zirkulär polarisiert ist, die Vektoren E (xyz) und E¹ (xyz) die Komponenten:

E (xyz)<

Έ m Έ cos (2πζ/λ)

sin (2πζ/λ) E¹ (xyz)

(Ε' « - E_n sin (2πζ/?

« E_n

E¹ - E_Q cos (2πζ/λ) E¹ - 0

Hierin sind E ein Bezugsfeld und λ die Wellenlänge.

J¹Ur die leider E (xyz) und E¹ (xyz) kann man die Feldlinien definieren; man benutzt zur Bestimmung der mit ihrer Geometrie

verbundenen Eigenschaften der Felder die folgenden Grossen: * ·»

s und s¹ Zylinderkoordinaten längs der Feldlinien, ■> -»
u und u¹ Einheitsvektoren auf den Tangenten an den Feldlinien, ■» *

ν und v¹ Einheitsvektoren auf den Loten auf den Feldkurven, die

zum Krümmungsmittelpunkt gerichtet sind,

609822/09βί

COPY

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an das Deutsche Patentamt °^ Patentanwalt

E und E¹ Krümmungsradien.

Diese geometrischen Grossen sind durch die folgenden bekannten Gleichungen miteinander verknüpft:

·* ■» -* -»
du/ds - v/E du'/ds¹ =» v/E¹

-♦

Im folgenden sollen nur die Gleichungen für den Vektor E geschrieben werden, denn sie sind identisch, jedoch gegenüber dem Vektor E¹ hervorgehoben.

Längs einer Feldlinie kann E (xyz) als E(s) u geschrieben werden. Differenziert man diesen Ausdruck für E(s) nach s, so erhält man:

Ist die Schwingungsamplitude beweglicher, einem Magnetfeld ausgesetzter Teilchen so gross, dass E(s) an den beiden Schwingungsenden deutlich unterschiedlich ist, so gilt Gleichung O) · Ein Teilchen mit der Ladung e und der Masse m, das dem Feld

cos W t (4)

ausgesetzt ist, gehorcht der Schwingungsgleichung

JJ. CJJ. UlJ. O U-CJ.

ϊ+i *■]

ds » ²If cos tu t (5)

Wti

Das Maximum der Kraft tritt an den Schwingungsenden auf. Die

dl
Komponente -gg ds coswt des Feldes verändert nicht die Amplitude, sondern erzeugt ein durch die Bewegung veranlasstes, zusätzliches JTeld, das man als Differentialfeld bezeichnen kann. Die entsprechende zusätzliche Kraft S erhält man dadurch, dass man dE und ds durch ihre durch Gleichung (3) bzw. durch Gleichung (5) gegebenen Ausdrüc
lung. Das ergibt:

gegebenen Ausdrücke ersetzt und dann cos W t durch seine Entwick

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^an das Deutsche Patentamt;

Dlpl.-Ing. G. Schlleb*

Patentanwalt

2mw

ff

u + E² I 1 (1 +

cos 2 wt) (6)

wobei in die nachfolgende Berechnung nur die kontinuierliche Komponente dieses Ausdrucks eingeht.

Es wurde bereits gesagt, dass Gleichung (l) für zirkulär polarisierte Wellen erster Ordnung mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung nur der erste Term einer Reihenentwicklung ist. Die iPeldinien sind gleichseitige Hyperbeln. Wenn man jedoch die Mittelzone verlässt, in der diese Beschreibung gültig ist, so können die Feldlinien keine Hyperbeln mehr bleiben, sondern müssen sich notwendigerweise schliessen. Berücksichtigt man die Symmetrie, so handelt es sich bei der angeregten !Fortpflanzungsart um den Typ TEMo, d.h. um die Summe elektrischer Transversalwellen TEp und magnetischer Transversalwellen TM₂ (wobei der Index 2 anzeigt, dass die Welle zwei Schwingungsperipden umfasst, wenn sich der Azimut um 2 π verändert.). Da der Typ TEg dominiert, wird nur dieser Typ berücksichtigt, und es wird angenommen, dass es sich um den Gauss'sehen Wellentyp handelt.

Ist der öffnungswinkel des fokussierten Strahlenbündels klein, so kann man mit genügender Annäherung die Komponenten der Yektoren E und E¹ für diese Welle wie folgt schreiben:

E_o-_eXp -

E₀ § (1 - 4)

₀ §

cos 2φ cos (2πζ/λ)

(-sin 2^)cos(2kzA) (7)

2 σ

Die Zylinderkoordinaten r, ψ und ζ sind im Brennpunkt Tangenten an den hyperbolischen Eotationskoordxnaten, die man für eine

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™ das Deutsche Patentamt *' ^Patentanwalt

genauere Berechnung benutzen muss. 5¹Xg. 1 zeigt die beiden Komponenten E und E von E (r, φ, z) als Funktion von r/σ.

Der Vektor E¹ wird aus dem Vektor E durch Differenzieren nach (2 φ) und (2 πζ/λ) gefunden.

In dieser Formulierung ist die Achse φ « O die Symmetrieachse für das Feld des Vektors E und die Antisymmetrieachse für das Feld des Vektors E¹. Es ist jedoch, bezogen auf einen beliebigen Eadius des Azimuts φ, das Gesamtfeld stets die Summe eines symmetrischen und eine antisymmetrischen leides. Die Achse φ ■ ist in keiner Weise bevorzugt, und für die Punkte auf dieser

■*. Achse berechnet man die Werte des Vektors S als Summe der kon-

tinuierliehen Komponenten von S und S¹. Mir das Feld E ist die Achse ψ * O die Feldlinie; der Erümmungsradius der Feldlinie ist unendlich, und es existiert nur die nach u gerichtete Komponente von S, die vom Eadius φ ■ 0 getragen wird. Für das antisymmetrische Feld E¹ schneidet die Feldlinie den Radiusvektor φ ■ 0 rechtwinklig. Die nach u¹gerichtete Komponente ist auf Grund der AntisymmäbBie gleich Null. Die Senkrechte v'wird von der Achse φ » 0 getragen, der Krümmungsmittelpunkt befindet sich

2Q auf der dem Ursprung entgegengesetzten Seite, und der Krümmungs- ■ radius ist gegeben durch

E - r (1 - SL ) (8)

was r äquivalent ist, wenn r, verglichen mit σ, klein ist. Wird r gross, so schliessen sich die Feldlinien um vier Punkte herum, die sich in den Abständen σ von der optischen Achse befinden.

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™ das Deutsche Patentamt "fr Patentanwalt

Mit Hilfe von Gleichung (6) erhält man unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen und der Gleichung (8) für die Summe S_Q der konstanten Anteile von S und S¹ eine Kraft,

deren Modul gegeben ist durch
_e2 _E 2 ι

^So " T~ ^(r/cJ> I ^λ - ^^{Γ/σ)2 ex}£ C- ^²/σ²) (9)

die zum Radiusvektor gerichtet ist und die zur optischen Achse hin gerichtet ist, wenn r < σ und entgegengesetzt, wenn r > σ. Damit ist S innerhalb des Zylinders mit dem Radius r * σ eine Einschliessungskraft, ausserhalb dieses Zylinders jedoch eine Ruckstosskraft. Im Grenzbereich, wo r im Vergleich zu σ sehr klein ist, führt Gleichung (9) wieder zu Gleichung (2) zurück. Dieser Kraft entspricht eine Potentialküvette. Nimmt man den Rand der Küvette als Ursprung der Potentiale, so ergibt sich:

j I

U(r) « \ i S_n dr

(10)

e e/

mit U - ^- j (11)

⁰ 2 exp (1) M\jjr

mit exp (1) « 2,71828.

In Fig. 1 ist die (U(r) darstellende Kurve gezeigt.

TJ_Q ist die Potentialdifferenz zwischen dem Boden und dem Rand der Potentialküvette. Ihr Wert ist mit dem der Kraft, die zum Brennpunkt hin kovergiert, durch die folgende Gleichung verknüpft : _

W = ·| C₀ c \ (E_r ² + E,²) 2 ir dr - 2 it a² C₀ cE_Q ² (12)

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™ das Deutsche Patentamt Patentanwalt

Eliminiert man E aus Gleichung (ll) und (Gleichung (12), so erhält man durch Berücksichtigung des Radius β des Elektrons

2 _1£-

ej5

π C₀ mc

die Beziehung

JL

° 4 π^{42 ec} </

oder in m-k-s-A-Einheiten ausgedrückt

ü - 0,55 10"⁶ ^^_att (15)

⁰VoIt σ ^a

]?ür die thermische Kernfusion ist die Temperatur 10 Grad Kelvin ein wichtiger Wert. Da die Boltzman'sche Konstante k gegeben ist durch

k - 0,86 χ 10"⁴ eV je Grad Kelvin,

8 -5

so beträgt die Energie der Teilchen bei 10 Grad dann * 8,6 keV.

Man kann sie also mit einer Potentialsperre mit einem Betrag von 12,9 kV einschliessen, und es muss, wie die Gleichung (15) zeigt, die im Brennpunkt konzentrierte Leistung wie folgt sein:

W - 0,26 10¹¹ ^₅ Watt (16)

Da die Bezugslänge α die gleiche Grössenordnung wie λ hat, kann man sagen, dass zum Einschliessen eines Plasmas nach dem erfindungsgemässen Verfahren etwa 26 GW je 100 Millionen Grad benötigt werden. Das ist eine Leistung, die beim gegenwärtigen Stand der Lasertechnik durchaus zugänglich ist.

Die durch die Gleichung (9) gegebene Einschliessungskraft S_Q ist der Masse des Teilchens umgekehrt proportional. Es handelt sich zwar bei den Teilchen im wesentlichen um Elektronen,

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an das Deutsche Patentamt ⁰^" Patentanwalt

jedoch lassen sich diese nicht zur Achse hin komprimieren, ohne positive Ionen mitzunehmen, so dass der durch das Einschliessungsfeld auf die Elektronen ausgeübte Druck auch auf das gesamte Plasma ausgeübt wird. Unter einem derartigen Druck verhält sich das Plasma wie ein entartetes Gas, für das die IPermi-Statistik gilt. Das Pauli'sehe Prinzip verlangt, dass es nicht mehr als zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin in der Ausdehnungszelle geben darf, die definiert ist durch

h⁵ » Λχ ά. y Δ ζ Δ p_x Δ py Δ P₂ (17)

_x Hierin ist h die Planck¹sehe Konstante.

Das ist die Grenze für die Ansammlung von Plasma am Boden der Potentialküvette, d.h. um die optische Achse herum.

Nach den Gesetzen der Mechanik muss das Elektron zum Verlassen dieser Potentialküvette die Energie eU_Q haben. Es ist jedoch das Bewegungsmoment eines Elektron, das in der Küvette verbleibt, notwendigerweise kleiner als

2 eil

^pmax. - ^{m c} "\l --3— (18)

Der Punkt im Phasenraum, der die Bewegungsgrösser eines Elektrons darstellt, befindet sich innerhalb einer Kugel mit dem Radius p_m__v· Aus der Fermi-Statistik geht hervor, dass nahezu alle, durch Gleichung (17) definierten Zellen gefüllt sind und dass sich ausserhalb dieser Zellen nur wenige Elektronen befinden.

Sind alle Zellen gefüllt, so ist -i Δχ 4y Δ ζ das von einem

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Brief vom 7*2.1978 Blatt -23T" DIpl.-Ing. G. Schllebs

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Elektron im gewöhnlichen Raum eingenommene Volumen, und die Elektronendichte je Volumeneinheit η ist der Kehrwert dieses Volumens. Aus der Gleichung (17) und auch aus der Gleichung (18) folgt dann:

3/2

_{n m} 8-i¹ 1 - me* I _ π / 2 m c 3

mit I^ - 1,22 . 1O"¹¹ Meter.

Aus dieser Elektronendichte kann man die Dichte der positiven Ionen, berechnen, deren Raumladung zum Ausgleichen der Raumladung der Elektronen benötigt wird, sowie die mittleren, freien Veglängen, nämlich einmal die mittlere, freie Weglänge eines positiven Ions zwischen zwei Zusammenstössen mit Elektronen und zum anderen die mittlere, freie Weglänge eines positiven Ions zwischen je zwei Zusammenstössen mit den Ionen, mit denen eine Fusion stattfinden soll. Der zweite Weg ist viel langer, da die relativen Geschwindigkeiten wesentlich geringer sind und liegt in der Grössenordnung Millimeter. Bekanntlich ist dieser Weg jedoch nicht geradlinig, sondern es findet dabei ein Schwingen in der Potentialküvette statt. Im Plasma wird die Bewegung der Teilchen durch die Einwirkung von Feldern auf die Ladungen gesteuert; Zusammenstösse sind relativ seltene Ereignisse. Die Wegzeit zwischen Zusammenstössen zwischen zwei fusionsfähigen Ionen liefert, wenn ihre Energie ausreicht, die Lebensdauer f dieser Ionen im jeweiligen Plasma, die man unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit der Ionen und der vorstehenden Zahlen als grossenordnungsmassig 10" Sekunden

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Brief vom 7.2.1978 Blatt .2S-" Dipl.-Ing. G. Schllebs

an H«J Patentanwalt

des Dfcl Pttb

errechnen kann. Die durch Zusammenstösse zwischen Teilchen mit einem Energiegehalt in der Grössenordnung keV herbeigeführte fusion lässt Teilchen mit einem Energiegehalt in der Grössenordnung MeV entstehen, die die Potentialküvette verlassen, ohne die Bewegung von Ionen zu stören.

Nun kann man die Gesamtzahl der in der Küvette enthaltenen Ionen berechnen, da sie im wesentlichen gleich der Anzahl von Ionen ist, die der Laserstrahl in einem Zylinder mit r « σ innerhalb der Lebensdauer t der Ionen aus dem Targetmaterial freimacht· Hur die Ionen, die sich innerhalb des Zylinders mit r » σ befinden, fallen in die Potentialküvette, während die sich ausserhalb des Zylinders befindenden in Richtung der optischen Achse abgestossen werden.

Das Komprimieren von Ionen um die optische Achse herum muss in einer die Eompressionszone umgebenden Zone von einem Ausstossen von Ionen begleitet sein. Die erfindungsgemäss zur Anwendung kommenden Fortpflanzungsarten der Laserwelle erzeugen eine direkte, elektrische Verbindung zwischen Explosion und Implosion.

Das Verhältnis zwischen dem Energiefluss der Laserwelle innerhalb des Kreises mit dem Radius σ und dem Gesamtfluss erhält man mit der Gleichung (12), wenn man zwischen 0 und σ und zwischen O und Unendlich integriert. Man findet dabei ein Verhältnis von 10 °/o. Die Gleichung (14) verknüpft den Gesamtenergiefluss ¥ mit der Energie eU der während der Lebensdauer T der Ionen in die Potentialküvette fallenden Teilchen,

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Brief vom 7-2.1978 _B|att *9 DipWng. G. Sdiliebs

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so dass man deren Zahl berechnen kann:

er ρ π σ er

Da Gleichung (19) die Anzahl Elektronen je Volumeneinheit liefert, kann man das Volumen berechnen, das sie einnehmen. Man findet dabei, dass nur der Boden der Küvette besetzt ist und dass folglich um diesen Boden herum die Elektronendichte gering genug ist, dass die entsprechende Grenzfrequenz weit unter der Frequenz der Laserwelle liegt. Das rechtfertigt die oben beschriebene Berechnung der Einschliesskraft.

Weiter oben war nur von der radialen Verdichtung des Plasmas die Rede. In der DE-OS 27 57 263 ist beschrieben worden, wie es ein axiales Magnetfeld im Brennpunkt ermöglicht, eine mit der magnetischen "Quetschung" verbundene, axiale Komprimierung zu erhalten.

Innerhalb des Kreises mit r £ σ haben die zirkulär polarisierten Wellen erster Ordnung mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung elektrische Feldlinien, die in erster Näherung als Hyperbeln bezeichnet werden können (siehe Fig. 2 der erwähnten Offenlegungsschrift). Diese Fortpflanzungsart entspricht dem Wellentyp TEp in der Theorie der kreisförmigen Wellenleitung. Geht man von der Näherung r <( o* aus, so vereinfacht sich die(Gleichung (10)) gegebene Potentialküvette bei der durch elektrische Kräfte bewirkten Einschliessung zu

U (r) » -TS_n + -^—^ ^₅ (21)

⁰ 2mu>^& σ'
In einer solche·! Potentialküvette schwingt das Elektron unter

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Brief vom 7.2.1978 Blatt "*^_ . DIpWng. G. Schllebs

das Deutsche Patentamt _ ^Patentanwalt

der Wirkung einer Kraft, die seinem Abstand vom Nullpunkt proportional ist. Seine Kreisfrequenz JT- ist gegeben durch:

^{e Ε}λ,
•Λ - (22)

m ν- α

In Anwesenheit eines kontinuierlichen, axialen Magnetfeldes werden die in die durch Gleichung (21) definierte Potentialküvette fallenden Elektronen in Umdrehung versetzt. Betrachtet man Elektronen, die sich zunächst auf demselben, in der Achse zentrierten Kreis befinden und konvergieren, so muss der Magnetfluss in dem sich zusammenziehenden Kreis konstant bleiben. Das hat zur Folge, dass sich die Elektronen in einer Richtung drehen, bei der das axiale Magnetfeld beträchtlich verstärkt wird. Weiterhin ziehen sich sämtliche Kreise, auf denen Elektronen umlaufen, gegenseitig wie die Windungen einer von Gleichstrom durchflossenen Spule an und veranlassen dadurch ein axiales Komprimieren, das die in der Mitte der Potentialküvette konzentrierten Elektronen daran hindert, unter der Wirkung der gegenseitigen, elektrostatischen Abstossung in Achsenrichtung zu entweichen. Der zum Hervorrufen dieses Kompressionseffektes erforderliche Wert des axialen Magnetfeldes lässt sich näherungsweise berechnen.

Gelangt ein Elektron in einen Raum, in dem nur ein Induktionsfeld B herrscht, so entspricht die Kreisfrequenz, mit der es umläuft, der Larmor-Frequenz Wj₁ » — . Nimmt man einen Trieder, der ox,y,z um eine zu B parallele Achse Oz dreht, als Bezugstrieder, so heben sich die Ooriolis-Beschleunigung und die Wirkung des magnetischen Induktionsfeldes auf die Geschwin-

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Brief vom 7.2.1978 Blatt 3$"" DIpl.-Ing. G. Schliebs

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digkeit gegenseitig genau auf. In einem solchen Trieder treten nur radiale Kräfte auf, nämlich einmal die dem Abstand

ο von der Achse proportionale Sückführungskraft m.J\ , wobei J\_o durch Gleichung (22) gegeben ist, und die Zentrifugalkraft

ρ
m u/-r r, wobei man diese beiden Kräfte für

A_O ²-W_L ² (23)

auch durch m _TL r ausdrucken kann.

Im sich drehenden Trieder beschreibt das Elektron eine Ellipse, deren Bahn in der komplexen Ebene durch die Summe zweier Drehvektoren mit konstanten Amplituden dargestellt werden kann:

i [^{(1 +} ΊΓ ^{) exp ujrit + (1}" "TC^{0 exp c}"^d/It)] ^(2Z°

Im feststehenden Trieder kann die Bahn dargestellt werden durch: ^- Γ(Λ+ W_L) exp

(25)

Diese Bahn ist eine Hypozykloide, wobei der Bogen zwei aufeinanderfolgende, durch (1 - yr-) π definierte Kickstosspunkte trennt und das Elektron in der Zeit 5 von einem zum anderen gelangt. Von der Achse aus sieht man sich das Elektron mit einer mittleren Winkelgeschwindigkeit (A -^jj) drehen und erzeugt dabei ein Magnetfeld -?y~ (-/!_ -l*J_L) Amperewindung. Wenn der Zylinder mit dem Eadius σ, der ση Elektronen je Längeneinheit enthält, worin η die Elektronenzahl je Volumeneinheit ist, so hat das magnetische Induktionsfeld in Achsenrichtung den Betrag -^- /u ne σ (JL-¹^-J-). Weil die magnetischen Feldlinien

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Brief vom 7.2.1978 ^Blatt 26" DIpl.-Ing. G. Schllebe

^an das Deutsche Patentamt ^ Patentanwalt

geschlossen sindy nimmt dieses Feld am Ausgang des Kreisrings, in dem die Elektronen kreisen, eine radiale Richtung an,und die Wirkung dieser radialen Komponente des Magnetfeldes auf die Elektronen drückt den Kresiring axial zusammen. Diese axiale Zusammendrückung muss die durch das Einschliessfeld bewirkte, radiale Zusammendrückung mindestens ausgleichen oder grosser als diese sein. Im Abstand r von der Achse ist die durch das Potential (21) verursachte Einschliesskraft

gleich m -A. r und die mittlere orthoradiale Geschwindigkeit des Elektrons (Si-^tJj)T* Der Betrag der radialen Komponente des magnetischen Induktionsfeldes am Ausgang des Kreisringes liegt sehr nahe beim Wert der axialen Komponente im Zentrum des Kreisrings. Um eine magnetische Quetschung zu erhalten, muss die folgende Bedingung erfüllt sein:

|/i₀ ne² σ² ül-u^)² r > m A_Q ²r (26)

Ist UJj₁ gegenüber J\. vernachlässigbar klein und führt man die Grenzwellenlänge λ_ο des Plasmas ein, die gleich

FS"

ist, worin β der durch Gleichung (13) definierte Radius des Elektrons ist, so lässt sich die vorstehende Bedingung schreiben als

-Ji π σ ^ λ_Λ (27)

Diese Bedingung ist praktisch, immer erfüllt, weil die benutzte Wellenlänge λ zwar nahe an X_Q liegt, jedoch kleiner ist. σ hat dieselbe Grössenordnung wie λ, und der Faktor -y 2 π macht die

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Brief vom 7.P. 1978 ^Blatt £9"~ DIpl.-Ing. G. Schllebs

das Deutsche Patentamt ^ ^Patentanwalt

Ungleichheit plausibel. Es soll hingewiesen werden, dass die Bedingung (2?) eine Anfangsbedingung ist, denn wenn der Vorgang erst einmal eingesetzt hat, verstärkt er sich selbst, und η geht gegen Unendlich. Das kontinuierliche Magnetfeld kommt also lediglich beim Ingangbringen des Vorganges ins Spiel. Sein Zustand darf nicht in der Warmebewegung untergehen, was man so ausdrücken kann, dass man sagt, dass zu Beginn des Vorganges die Geschwindigkeit von w-j-cr mindestens dieselbe Grössenordnung haben muss wie die Warmebewegung.

Bei der Schwingung von Elektronen in der Potentialkuvette, handelt es sich um eine gedämpfte Schwingung, denn die Elektronen nehmen durch elektrostatische Anziehung häufig Kerne mit, wenn sie zum Boden der Küvette hin konvergieren. Die Erhöhung der Dichte positiver Ladungen am Boden der Küvette verhindert, dass die Elektronen ihre ursprüngliche kinetische Energie vollständig zurückbekommen, und ausserdem werden sie durch magnetische Quetschung auf einem Stromring mit sehr kleinem Eadius festgehalten.

Der Hauptgrund für den Verlust beim Erhitzen eines Plasmas ist die Bremsstrahlung. Nun lässt sich dieser Effekt bekanntlich umkehren und die Elektronen ihre Energie auf Kosten von Photonen erhöhen. Es lässt sich leicht zeigen, dass bei einem Plasma, das sich wie oben beschrieben zusammenzieht, die Verluste viel geringer sind als im Falle eines sich ausdehnenden Plasmas. Nähern sich zwei gleichartige Ionen mit derselben Resonanzfrequenz f, und das eine Ion emittiert bei dieser Fre-

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Brief vom 7*2.1978 Blatt "«süä-" Dipl.-Ing. G. Schliebs

™ das Deutsche Patentamt Patentanwalt

quenz f'> f auf. Es könnte es auch absorbieren und ein Photon mit der Frequenz f' - f ausstossen. Entfernen sich die Ionen jedoch voneinander, so haben die Photonen, die sie voneinander empfangen, die Frequenz f"<f, und sie können sie nicht absorbieren, so dass diese Photonen verlorengehen. Betrachten wir nun Gruppen von Ionen und von Elektronen, die gerade gross genug sind, um ihre Temperatur bestimmen zu können und dass damit sämtliche Möglichkeiten der Strahlung vertreten sein können. Wenn sich diese Gruppen einander nähern, so ist jede gegenüber der anderen wärmer, was sie nicht wegen des Doppler-Effekts sind und absorbiert leicht ihre Strahlung, da die Wärme von einem warmen Körper zu einem kalten Körper spontan übergeht. Wenn sich jedoch die Gruppen voneinander entfernen, so ist jede Gruppe gegenüber der anderen kalter als sie selbst und kann deren Strahlung nicht absorbieren.

Zusammenfassend ist also festzustellen, dass in einem sich zusammenziehenden Plasma eine Konzentration elektromagnetischer Energie stattfindet, während in einem sich ausdehnenden Plasma eine Erhöhung der Verluste durch Strahlung stattfindet. Und das ist der Grund dafür, dass in einem Plasma, das durch ein Feld geformt wird, das sich in einer der Arten fortpflanzt, die von sich aus eine Einschliessung bewirken, d.h. in einer der oben beschriebenen Arten, in einem Plasma also die Verluste durch Bremsstrahlung deutlich geringer sind als in einem Plasma, das durch direkte

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Brief vom 7.2.I978 Blatt Jjfr DipWng. G. Schileb*

Qr
an das Deutsche Patentamt ^ΑΟ Patentanwalt

Fokussierung von Laserstrahlen erzeugt wird, deren Brennpunkt zum Typ TE^ gehört, der gemäss den obigen Gleichungen ein Plasma erzeugt, das sich zunächst im Zustand der Erpansion befindet, die dann indirekt eine konvergierende, elektrostatische Welle hervorbringt.

Ausserdem ist das erfindungsgemäss erzeugte Plasma thermisch isoliert, da die Ränder der Potentialküvette keine Elektronen durchlassen.

Fachstehend soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden, wobei

Fig. 1 vorstehend dazu gedient hat, einige einführende, theoretische Überlegungen zu verdeutlichen; sie zeigt die Form der Komponenten E₃₇ und Ej von Gleichung (7) und des Potentials der Gleichung (10) als Funktion von r/σ;

Fig. 2 die Kombination eines Laser mit den zugehörigen Polaris a tionswandlern darstellt;
Fig. 3» 4·, 5 und 6 Formen des elektrischen Feldes an den

Phasenoberflächen darstellen;

Fig. 7 einen Teil des Polarisationswandlers zeigt, der eine TE -Welle in eine zirkulär polarisierte Welle mit positiver Phasenverschiebung wandelt;

Fig. 8 einen Leistungslaser mit erfindungsgemässer Schutzvorrichtung gegen reflektierte Wellen zeigt, sowie einen Polarisationswandler, die zusammen den zunächst linear polarisierten Strahl zu einer einsehliessenden,

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Brief vom rp ο 1Q98 ^'^att Ά&~ Dlpl.-lng. G. SchIIebs

das Deutsche Patentamt ^ ^Patentanwalt

zirkular polarisierten Welle erster Ordnung mit azimutaler, negativer Phasenverschiebung wandeln, und Pig. 9 einen Leistungslaser mit erfindungsgemässer Schutzvorrichtung gegen reflektierte Wellen zeigt, sowie einen Polarisationswandler, die zusammen den zum Wellentyp W._Q polarisierten Laserstrahl zu einer einschliessenden, zirkulär polarisierten Welle erster Ordnung mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung wandeln.

In der Pig. 2 ist mit 1 ein Oszillator-Laser in seiner Gesamtheit bezeichnet. Er besteht aus einem Zylinder 10 aus dotiertem Glas, dessen Enden 11 abgeschrägt sind, damit der Strahl mit dem Brewster-Winkel austritt. Die Spiegel 15 bilden einen Hohlraumresonator, und die Leuchtröhrenschlange 12 stellt das Erregersystem dar. Es sind dies herkömmliche Bestandteile, die fast alle auch in den Verstärkerlasern 3 und 6 anzutreffen sind. Zwischen dem Oszillator-Laser und der Verstärkerkette befindet sich ein an sich bekannter Impulsunterbrecher 2.

Der Laser 3 stellt die erste Verstärkestufe dar. Die mit 30, 31 und 32 bezeichneten Bestandteile spielen dieselbe Rolle wie die mit den Zahlen 10, 11 und 12 bezeichneten im Laser 1.

Erfindungsgemäss umfasst der Zylinder 30 aus dotiertem Glas austrittsseitig einen Polarisationswandler 4· der in der Fig. 9 der DE-OS 27 57 263 dargestellten Art und eine fconi-

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Brief vom 7-2.1978 Blatt $4" Dlpl.-Ing. G. Schliebs

das Deutsche Patentamt «2» Patentanwalt

sehe Linse 5· Dieser Wandler 4- besteht aus einer Anordnung von Halbwellen-Plättchen aus Quarz, deren schnelle Achsen mit der Näherung einer gebrochenen Linie eine Schar von Parabeln mit gleichem Brennpunkt darstellen, der im Zentrpm des Wandlers liegt. Eine derartige Vorrichtung wandelt eine linear in einer auf der gemeinsamen Achse der Parabeln senkrecht stehenden Richtung polarisierte Welle zu einer Welle des Typs TM_Q, d.h. zu einer Welle, deren Feldlinien konzentrische Kreise mit dem Brennpunkt der Parabeln als Mittelpunkt sind. Die Quarzplättchen, die den Polarisationswandler 4 darstellen, werden durch Molekularhaftung auf der planen Fläche der Kegellinse 5 festgehalten. Diese Linse ist kegelförmig geschliffen, damit die QM -Welle mit dem Brewster-Winkel in sie eintritt. Diese Welle lässt dann ein kegelförmiges, divergierendes Strahlenbündel entstehen, das in den Verstärker 4 eintritt.

Das dotierte Glas des Zylinders 30 besteht in der Hauptsache aus geschmolzenem Siliziumdioxid, der Polarisationswandler 4 aus Quarz und die Linse 5 ebenfalls aus geschmolzenem Siliziumdioxid, so dass der Brechungsindex in allen Teilen dieser Einheit derselbe ist. Es ist zweckmässig, die Teile 4 und 5 der Einheit 3 voneinander zu trennen, damit Bruch oder Abnutzung eines der Teile nicht auch das andere unbrauchbar machen. Om das ohne grössere Unterbrechung der Kontinuität des Brechungsindex tun zu können, bringt man Zedernöl oder irgendeine andere der in Immersionsobjektiven

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Brief vom π ο 1978 ^Blatt 32"- Dlpl.-lng. C. Sdilieb·

das Deutsche Patentamt ^ Patentanwalt

für Mikroskope verwendeten Flüssigkeiten dazwischen, da deren Brechungsindex sehr nahe dem des Glases liegt.

Der in seiner Gesamtheit mit 6 bezeichnete Verstärkerlaser besteht aus einem Hohlzylinder 60 aus dotiertem Glas. Bei Leistungsverstärkern, bei denen der Stab einen sehr grossen Querschnitt haben muss, kommt es häufig vor, dass der Kern des Stabes durch die ihn umgebende Pumplichtquelle nicht ausreichend angeregt wird. Um das zu verhindern, macht sich die Erfindung die Eotationsstruktur des Wellentyps 5M_Q zunutze, denn dabei ermöglicht der Hohlzylinder die Vergrösserung des Leistungsdurchlassquerschnitts durch entsprechende Vergrösserung der Oberfläche, durch die die von dem Schlangenrohr 62 ausgehende Pumpwelle eintreten kann, ohne die Eindringtiefe dieser Welle erhöhen zu müssen.

Die Flächen 61 sind so abgeschrägt, dass diese Welle unter dem Brewster-Winkel ein- und austritt.

Die aus dem Verstärker 6 austretende Laserwelle konvergiert zum optischen System hin, das dargestellt wird durch eine Kegellinse 7> einen zweiten Polarisationswandler 8 und eine Sammellinse 9» die den Strahl auf den Targetwerkstoff fokussiert, der sich vorzugsweise in einem Magnetkreis derjenigen Art befindet, wie sie in der erwähnten Offenlegungsschrift beschrieben ist. Die Linse 9» bei der keine Hede davon sein kann, den Brewster-Winkel zu benutzen, trägt vorzugsweise eine Antireflexschicht mit einer der benutzten Wellenlänge angepassten, optischen Dicke.

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Brtef vom ' * * ■" Blatt ""^ , Dipl.-lng. G. Schllebs

an das Deutsche Patentamt Patentanwalt

Der zweite Polarisationswandler 8 hat die Aufgabe, die durch die Kegellinse 7 eben gemachte TM -Welle zu einem System aus zwei orthogonalen und um 90 gegeneinander phasenverschobenen TEp-Wellen zu wandeln, die das Äquivalent einer zirkulär polarisierten Welle mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung darstellen.

Gemäss einer ersten Variante ist der Polarisationswandler

8 als ein Schraubenflächen-Phasenverschieber ausgeführt, der den in den Pig. 4 und 5 der erwähnten Offenlegungsschrift dargestellten entspricht, wobei I¹Ig. 4- eine Schraubenflächenausführung darstellt und I¹Xg. 5 einen Stufen-Phasenschieber. Nach dieser Offenlegungsschrift waren diese Phasenschieber dazu benutzt worden, von einer nur zirkulär polarisierten Welle zu einer zirkulär polarisierten Welle mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung zu gelangen. Im vorliegenden EaIl jedoch muss eine Welle 4es Typs TM_Q, also eine der Komponenten einer zirkulär polarisierten Welle mit positiver, azimutaler Phasenverschiebung, zu einer zirkulär polarisierten Welle mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung gewandelt werden.

Daraus folgt j dass im Falle der erwähnten Offenlegungsschrift die Steigung der Schraubenfläche von I¹Xg. 4 und die Höhe der Stufen von I¹Xg. 5 gegeben sind durch

P - λ/(η - 1) und

was einer Drehung um - ψ pro Stufe entspricht, während im vorliegenden Falle diese Parameter gegeben sind durch:

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das Deutsche Patentamt ^{T? Patentanwalt}

P » 2 λ/(η - 1) bzw. ζ « -|- ^j-

was einer Drehung um - 2φ pro Stufe entspricht. Ist <j> ■ *π/4, so ist die erste Stufe ein Viertelwellenplattchen, die zweite ein Halbwellenplättchen und so weiter.

Die Schraubenfläche oder die Stufen befinden sich entweder auf der der Linse 9 zugewandten Fläche der Kegellinse 7 oder auf der der Linse 7 zugewandten Fläche der Sammellinse 9« Zwischen die beiden Linsen bringt man eine Flüssigkeit, deren Brechungsindex n¹ sehr nahe am Brechungsindex η des Glases liegt, in das die Schraubenfläche eingeschliffen ist. Der Wert der Steigung ist dann gegeben durch:

P - 2 λ/(.η - η¹) (28)

Das entspricht einer merklich grösseren Steigung, so dass beim Schleifen nicht eine so hohe Genauigkeit eingehalten werden muss.

In der Fig. 3 hat man in der Form eines aus acht Sektoren bestehenden Kreises die Karte des elektrischen Feldes einer Welle mit der Fortpflanzungsart TE dargestellt und in der Fig. 4 die Feldkarte einer zxrkular polarxsxerten Welle mit positiver, azimutaler Phasenverschiebung, und zwar ebenfalls in der Form eines aus acht Sektoren zusammengesetzten Kreises. Bei den Vektoren 10Og und 101g im zweiten Sektor von Fig. 4 handelt es sich um Vektoren, die den um 90° gegeneinander phasenverschobenen Wellentypen fEE_Q bzw. QJM₀ entsprechen. Fig. 5 zeigt, noch immer in der Form eines aus acht Sektoren zusammengesetzten Kreises, eine Karte des elektrischen FeI-

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des, das durch die Vektoren 20I₁ bis 201g dargestellt wird. In vier der Sektoren ist das durch die ausgezogen gezeichneten Vektoren 20I₁, 201.,, 201,- und 20Ir₇ dargestellte elektrische PeId gegenüber dem Bezugsfeld von Fig. 4· entweder gleichphasig oder gegenphasig. In den vier anderen Sektoren ist das durch die gestrichelt gezeichneten Vektoren 201p, 201^, 201g und 201g dargestellte Feld gegenüber dem durch die ausgezogen gezeichneten Vektoren dargestellten Feld um 90° phasenverschoben. Fasst man zusammen, so bewirkt das Beugungsfeld, dass es die Konfiguration von Fig. 6 annimmt, die dieselben Symmetrieelemente wie die in Fig. 5 dargestellten Felder hat, wo die beiden Scharen von Feldlinien deutlicher zu erkennen sind, die nahe am Zentrum die Form orthogonaler Hyperbeln haben, wie das in der Fig. 2 der oben erwähnten Offenlegungsschrift gezeigt wird.

Wie die Fig. 2 zeigt, lässt sich mit Hilfe mehrerer Viertelwellenplättchen 81* und eines Halbwellenplättchens 82' der Polarisationswandler 8 auch in einer anderen Ausführungsform 8¹ realisieren, wobei die einfallende Welle des Typs TM₀ dur^ch die aus den Viertelwellenplättchen 81· bestehende Einheit in eine zirkulär polarisierte Welle mit positiver, azimutaler Phasenverschiebung übergeführt wird. Wie die Fig. 7 zeigt, besteht diese Viertelwellenplättchen-Einheit aus acht sektorförmigen Viertelwellenplättchen 801' bis 808", deren schnelle Achsen 811' bis 818' gegenüber den Winkelhalbierenden 821' bis 828' der Sektoren um 45°

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geneigt sind. So bildet z.B. die schnelle Achse 811' des Viertelwellenplättchens 801' mit der Winkelhalbierenden 821' des Sektors einen Winkel von 4-5°. Dadurch wandelt man die Welle des Typs TM₀ in eine Summe der um 90° phasenverschobenen Welle der Typen TE und TM , deren Gesamtheit eine zirkulär polarisierte Welle mit positiver, azimutaler Phasenverschiebung darstellt. Das Halbwellenplättchen 82' wandelt dann diese zirkulär polarisierte Welle mit positiver, azimutaler Phasenverschiebung in eine zirkulär polarisierte Welle mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung. Es ändert dabei die Richtung der zirkulär polarisierten Welle, ohne die Phasenverschiebung in Abhängigkeit vom Azimut zu verändern, die eine Charakteristik der in den zweiten Polarisationswandler einjtftretenden Welle ist, die ihr der erste Polarisationswandler gegeben hat. Anhand von !"ig. 2 der DE-OS 2757 263 kann man weiterhin feststellen, dass in jedem Punkt von Fig. 2 die Richtung der Tangenten an den ausgezogen gezeichneten Hyperbeln symmetrisch zu den Achsen Ox, Oy der radialen Richtungen des elektrischen Vektors einer Welle des Typs TM_Q verläuft und dass die Tangenten an den gestrichelt gezeichneten Hyperbeln symmetrisch zu den Achsen Ox, Oy der orthoradialen Richtungen verlaufen, die die Richtungen des elektrischen Feldes der Welle des Typs TE sind. Ein Halbwellenplättchen mit der schnellen bzw. langsamen Achse Ox bzw. Oy führt also die Wellentypen TM und TE in zwei orthogonale Wellen des Typs TEo über.

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an , T>j_t_-r4j_j_j_ Tj Patentanwalt

das Deutsche Patentamt

Es ist zweckmässig, die sektorförmigen Viert elwellenplättclien durch. Molekularhaftung an der Planfläche einer der Linsen 7 oder 9 und das Halbwellenplättchen ebenfalls durch Molekularhaftung an der Planfläche der anderen Linse zu befestigen. Das gilt ganz besonders dann, wenn sie auf Grund der Abmessung von Kristallen mehrteilig angefertigt werden müssen. Zwischen die beiden Linsen 7 und 9 bringt man eine Flüssigkeit mit geeignetem Brechungsindex, um zu starke mehrfache Glasreflexionen zu verhüten.

Die konischen Diopter 5, 7 und 61 von IPig. 2 stellen für ¥ellen des Typs TM_Q ein ausgezeichnetes Wellentypfilter dar, denn nur der Wellentyp !M₀ durchläuft sie mit dem Br ewster-Winkel, während die anderen Wellentypen durch Reflexion eliminiert werden. Weiterhin kann man, wenn man das geradlinige Profil dieser Kegel durch ein leicht gekrümmtes Profil ersetzt, die in Abhängigkeit vom Radius günstigste Energieverteilung erhalten und dabei doch in der Höhe des Brewster-Winkels bleiben.

In der Hg. 8 bezeichnet 1 einen Laser aus dotiertem Glas, der einen in der Zeichenebene der Figur linear polarisierten Strahl aussendet. Dieser Strahl durchläuft ohne Reflexion die senkrecht zur Zeichenebene angeordneten Plättchen 2 mit parallelen Flächen, in die der Strahl mit dem Brewster-Winkel eintritt. Ein Faraday-Polarisator 3 dreht die Polarisationsrichtung des Strahls um 4-5°, und der ihn verlassende Strahl gelangt in einen Polarisationswandler 4 (vgl. Fig. 9

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Brief vom 7.2.1978 ^Blatl £8~ Dlpl.-Ing. G. Schlieb*

^an das Deutsche Patentamt *^ Patentanwalt

und IO der DE-OS 27 57 263). Es handelt sich dabei um einen aus einzelnen sektorformxgen Halbwellenplattchen bestehenden Polarisationswandler, bei dem die schnellen (oder langsamen) Achsen der Plättchen so angeordnet sind, dass sie eine gebrochene Kurve mit parabelförmigem oder hyperbelförmigem Verlauf bilden. Dieser Polarisationswandler 4 wandelt die geradlinig polarisierte Fortpflanzungsart des einfallenden Strahls zur Fortpflanzungsart TE_Q oder !DE«; dann wird der Strahl durch eine Linse 5 auf ein Target 6 fokussiert. Das Target 6 reflektiert einen Teil der auftreffenden Welle, wobei diese Welle durch die Linse 5 zur ebenen Welle gewandelt wird, die beim Durchlaufen der den Polarisationswandler 4 darstellenden Halbwellenplattchen wieder die Form eines linear polarisierten Strahlenbündeis annimmt. Dabei erfahren die Komponenten der Weilern die beim ersten Durchlauf eine einer Halbperiode entsprechende Verzögerung erfahren haben, beim Rücklauf noch einmal eine Verzögerung um eine Halbperiode, d.h. bei beiden Durchläufen erfolgt eine Verzögerung um eine ganze Periode.

Der reflektierte Strahl ist dann beim Verlassen des Polarisationswandlers 4 linear polarisiert. Der Faraday-Polarisator 3 dreht die Polarisation des in ihn eintretenden, reflektierten Strahls beim Rücklauf um 45° j der Strahl trifft mit einer zur Zeichenebene von Fig. 8 senkrechten Polarisation wieder auf die Plättchen 2 mit parallelen Flächen, so dass der reflektierte Strahl nicht zum Laser 1 gelangt,

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Brief vom 7.2.I978 Blatt J&T Dlpl.-Ing. Q. Schliebs

^m das Deutsche Patentamt *k Patentanwalt

sondern in einen Absorber 7 reflektiert wird und das einwandfreie Arbeiten des Laser 1 nicht stört.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung benutzt man anstelle des IParaday-Polarisators 3 ein Viertelwellenplättchen als Polarisator. Dieses Viertelwellenplättchen wird rechtwinklig zum Strahl so angeordnet, dass seine schnelle und seine langsame Achse gegenüber der Polarisationsebene des Strahls um 4-5 geneigt sind. Es wandelt den einfallenden, linear polarisierten Strahl zu einem zirkular polarisierten Strahl und ergibt beim Rücklauf wieder einen linear polarisierten Strahl, der jedoch in einer Richtung polarisiert ist, die auf der Polarisierungsrichtang des ursprünglichen Strahls senkrecht steht. Der zurückkommende Strahl kann also den Laser 1 fiÄmlffi erreichen und wird, wie bereits oben gesagt, durch die Plättchen 2 zum Absorber 7 kin reflektiert.

Die Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationswandler 4- ein Azimutal-Phasenschieber in der Art derjenigen ist, die in den Pig. 4- und 5 <ler mehrfach erwähnten Offenlegungsschrift dargestellt sind. Es handelt sich um einen Phasenschieber, der aus einem Plättchen aus isotropem, für die elektromagnetische Welle durchlässigem Werkstoff besteht, das eine Planfläche and eine Schraubenfläche aufweist, wobei die Steigung dieser Schraubenfläche gleich λ/n-l) ist, wo λ die Wellenlänge und η der Brechungsindex des durchlas eigen Materials ist. Es handelt sich wei-

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terhin noch um einen Phasenschieber, dessen Schraubenfläche näherungsweise durch eine !Fläche in 3form einer Wendeltreppe dargestellt wird, wobei die Stufen die iOrm von Sektoren mit einem Spitzenwinkel 2 π/g und eine Höhe λ/ς_(η-ΐ) haben, wo q die Anzahl der Stufen ist. Derartige Phasenschieber haben keinen Einfluss auf die Polarisationsvorgänge der reflektierten Welle} die Wirkungsweise der zuvor beschriebenen Schutzvorrichtung bleibt ebenfalls unverändert.

Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung, das in der Pig. 9 dargestellt ist, ist der benutzte Laser ein Leistungslaser in der Art des in dieser Erfindung beschriebenen, bei dem die letzte Verstärkungsstufe aus einem Hohlzylinder 9 aus dotiertem Glas besteht. Die den Verstärkerlaser verlassende Welle pflanzt sich als Wellentyp 0M_o fort. Die in Fig. dargestellte Schutzvorrichtung gegen reflektierte Wellen ist am Austritt des Verstärkerlaser angeordnet und umfasst ein Wellentypfilter, das durch Kegeldiopter 10 und 12 und einen Brewster-Eonus 11 dargestellt wird. Weiterhin umfasst die Schutzvorrichtung nach 3Tig. 9 noch einen Saraday-Polarisator 13. Dieser IParaday-Polarisator 13 bewirkt, dass die Polarisation des einfallenden Strahls in allen Punkten der Phasenoberfläche um 4-5° gedreht wird und wandelt den Wellentyp TM_o zu einem Wellentyp TEM₀, bei dem die Wellentypen TM₀ und TE₀ gleiche Energie haben und phasengleich sind. Ein Halbwellenplättchen 14 wandelt diese Wellentypen zu zwei im Raum um 45 ° gegeneinander versetzten Wellentypen TE₂, deren Summe einen einzigen Wellentyp TE₂ ergibt. Der aus dem

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Halbwellenplättchen 14 austretende Strahl wird durch eine Linse 15 auf ein Target 16 fokussiert. Durch diese Linse 15 wird auch die reflektierte Energie zu einer ebenen Welle gewandelt. Die reflektierte Welle durchläuft das Halbwellenplättchen beim Bücklauf noch einmal und tritt aus ihm mit der ursprünglichen lOrtpflanzungsart TEM aus. Darin gelangt diese reflektierte Welle des Typs TEM in den Faraday-Polarisator 13 und wird zur reinen TE -Welle gewandelt, die durch die Kegeldiopter 10 und 12 und den Brewster-Konus 11 zu einem Adsorber 17 hin reflektiert, der diese Kegel umgibt.

3?rüher ist beschrieben worden, wie man die Wellentypen TM_Q und TE durch eine Phasenverschiebung um das Doppelte des Azimut in den zirkulär polarisierten Wellentyp / TEM_₂jüber-

gehen lassen kann. Man kann also gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das Halbwellenplättchen 14 durch einen Azimutal-Phasenschieber in der Art derjenigen ersetzen, die in den Pig. 4 und 5 der Offenlegungsschrift dargestellt sind und bei denen die Steigung der Schraubenfläche (I¹Ig. 4) bzw. die Höhe der Stufen (3?ig. 5) gegeben sind durch 2 V(n-l) bzw. 2 Vq(n-l).

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Reihenfolge des Polarisationswandlers 14 und des Polarisators 13 umgekehrt werden, und man kann die !Funktionen Filtern und Polarisationswandlung in einer einzigen Vorrichtung mit schraubenflächigen Brewster-Kegeln zusammenfassen.

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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der in der Fig. 9 dargestellte Polarisator der Schutzvorrichtung aus einem sektorformxgen Viertelwellenplättchen bestehen, wobei die schnelle (oder langsame) Achse jedes Sektors zur Winkelhalbierenden der Sektoren unter 45° geneigt ist (Fig. 7)· Die einzelnen Sektorplättchen werden zusammen auf einem Träger befestigt. In diesem EaIl ist der zugehörige Brewster-Kegel 11 ein Rotationskörper und bildet zusammen mit den Kegeldioptern 10 und 12 ein Wellentypfilter für den Wellentyp TM_Q, der sich in Richtung der gemeinsamen Achse der Kegel fortpflanzt, in jeden Diopter mit dem Brewster-Winkel eintritt und die Diopter ohne Reflexion durchläuft. Der durch die Einheit aus sektorformxgen Viertelwellenplättchen dargestellte Polarisator wandelt die Welle des Typs TM₀ zu einer zirkulär polarisierten Welle erster Ordnung mit positiver, azimutaler Phasenverschiebung. Diese Welle wird dann durch einen Polarisatorswandler 14- zu einer Welle mit zirkularer Polarisation und negativer, azimutaler Phasenverschiebung gewandelt. Hier handelt es sich um einen Azimutal-Phasenschieber. Das Element 14 kann aber auch wegfallen, wenn man die Funktionen Filtern und Polarisationswandlung durch einen der Kegeldiopter 10, 12 oder den Brewster-Kegel 11 besorgen lässt, indem man Schraubenflächen anschleift. Die zirkulär polarisierten Wellen mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung werden mit der Linse 15 auf das fusionsfähige Material 16 fokussiert. Die reflektierte Energie wird beim Durchgang durch die sektor-

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förmigen,Vxertelwellenplattchen restlos zum Wellentyp TE gewandelt und wird, wenn der Polarisationswandler ein bei 14 angeordnetes Halbwellen-Plättchen ist, zum Absorber 17 hin reflektiert. Verwendet man einen Azimutal-Phasenschieber, der z.B. dadurch erhalten wird, dass man dem Brewster-Kegel eine Schraubenfläche gibt, so bleibt die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Schutzvorrichtung dieselbe. Die wieder zum Eegeldiopter 10 zurücklaufenden Wellen haben eine Azimuta1-Periode von Drei. Da jedoch diese Periodizitat auf einen Kreis von mehreren Zentimetern Radius verteilt ist, kann man die Welle in jedem Punkt als eine ebene Welle ansehen, die senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist und deshalb zum Absorber 17 hin reflektiert wird-

Bei sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen befindet sich der fusionsfähige Targetwerkstoff, auf den die Energie der "einschliessenden" Welle fokussiert wird, in einem durch einen Magneten 18 erzeugten, axialen Magnetfeld (Fig. 8 und Fig. 9)· Das leid kann einen Gradienten aufweisen, bei dem sich das Feldstärkemaximum auf der Seite des Targetwerkstoffs befindet, um die grösstmögliche Plasmadichte zu erhalten.

Zur Verdeutlichung der Erfindung sind einige vorzuziehende Ausführungsformen beschrieben worden, jedoch wird der Schutzbereich der Erfindung nur durch die nachstehenden Ansprüche abgegrenzt.

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Claims (1)

1. Brief vom 7 . 2 .1978 B'a« jf Dipl.-lng. G. Schliebs

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   PATENTANSPRÜCHE

   (!.,Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen, Licht- oder Infrarotwellen, bestehend aus einer Quelle für eine derartige Welle und mindestens einem Wellenverstärker, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Polarisationswandler umfasst, um die lOrtpflanzungsart der Welle zu einer Art mit zirkularer Polarisation und mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung zu wandeln, wobei dieser Polarisationswandler besteht aus

   - einem ersten Polarisationswandler, der eine einfallende, linear polarisierte Welle des Typs TM dadurch zu einer Welle mit positiver, azimutaler Phasenverschiebung wandelt, dass er ihre Phase mit einem ersten gegebenen Proportionalitätsfaktor und in einer gegebenen ersten Richtung proportional zu ihrem Azimut verschiebt;

   - einem zweiten Polarisationswandler, der die Phase dieser Welle mit positiver, azimutaler Phasenverschiebung mit einem zweiten Proportionalitätsfaktor mit dem doppelten Betrag des ersten und entgegengesetzt zur ersten Richtung proportional zu ihrem Azimut derart verschiebt, dass eine Welle mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung erhalten wird; und

   - Mitteln, die die Welle mit positiver oder die Welle mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung zu einer zirkulär polarisierten Welle wandeln.

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   28m ;32

   2. Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen nach Anspruch 1, bei dem diese Quelle ein Laseroszillator und dieser Verstärker ein Laserverstärker ist, d adurch gekennzeichnet, dass dieser Verstärker einen Laserwerkstoff in Form eines Hohlzylinders umfasst und dadurch, dass der erste Polarisationswandler vor dem Verstärker und der zweite Polarisationswandler hinter dem Verstärker angeordnet ist, so dass der Verstärker die Welle mit positiver, azimutaler Phasenverschiebung und einem Peldprofil des 'Typs TM im hohlzylinderformigen Werkstoff verstärken kann.

   3· Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der erste und der zweite Polarisationswandler dargestellt werden durch ein Plättchen aus homogenem, für die elektromagnetische Welle durchlässigem Werkstoff, das eine Planfläche und eine Schraubenfläche aufweist, wobei die Steigung der Schraubenfläche für den ersten Polarisationswandler mit positiver, azimutaler Phasenverschiebung durch λ/(η-1) und für den zweiten Polarisationswandler mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung durch 2 λ/(η-1) gegeben ist, wo λ die Wellenlänge und η der Brechungsindex dieses durchlässigen Werkstoffs ist.

   4. Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass <$er erste und der zweite Polari-

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   7.2.1978 Blatt 3 Dipl.-lng. G. Schiiebs

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   sationswandler dargestellt werden durch ein Plättchen aus homogenem, für die elektromagnetische Welle durchlässigem Werkstoff, das eine Planfläche und eine Wendeltreppenfläche aufweist, wobei die Stufen dieser Treppe die JBOrm eines Kreissektors mit dem Spitzenwinkel 2 π/q haben und eine Höhe, die für den ersten Polarisationswandler mit positiver, azimutaler Phasenverschiebung durch X/q(n-l) und für den zweiten Polarisationswandler mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung durch 2 A/q(n-l) gegeben ist, wo λ die Wellenlänge ist, η der Brechungsindex dieses durchlässigen Werkstoffs und q die Anzahl der Stufen.

   5- Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der erste Polarisationswandler mehrere einzelne, sektorförmige Halbwellenplättchen aus doppeltbrechendem und für die elektromagnetische Welle durchlässigem Material umfasst, die zu einem regelmässigen Vieleck zusammengesetzt sind, wobei die schnellen Achsen der einzelnen Plättchen in jedem Plättchen so angeordnet sind, dass sie auf dem regelmässigen Vieleck eine gebrochene Kurve mit parabelförmigem Verlauf bilden.

   6. Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der zweite Polarisationswandler mehrere einzelne, sektorförmige Halbwellenplättchen aus doppeltbrechendem, für die elektromagnetische Welle durchlässigem Material umfasst, die zu einem regelmässigen Vieleck

   7.2.1978 Bis« 4 Dipl.-Ing. G. Schliebs

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   zusammengesetzt sind, wobei die schnellen Achsen der einzelnen Plättchen in jedem Plättchen so angeordnet sind, dass sie auf dem regelmässigen Vieleck eine gebrochene Kurve mit hyperbelförmigem Verlauf bilden.

   7- Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Polarisationswandler diese Mittel zum Wandeln einer Welle mit positiver, azimutaler Phasenverschiebung zu einer zirkulär polarisierten Welle enthält und besteht aus einem Halbwellenplättchen und aus mehreren einzelnen, sektorförmigen Viertelwellenplättchen aus doppeltbrechendem, für die elektromagnetische Welle durchlässigem Material, die zu einem regelmässigen Vieleck zusammengesetzt sind, wobei die schnellen Achsen der einzelnen Plättchen in jedem Plättchen so angeordnet sind, dass sie mit der Winkelhalbierenden des jeweiligen Sektors einen Winkel von 4-5° bilden.

   8. Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen nach sämtlichen Ansprüchen 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin eine Schutzvorrichtung enthält, die besteht aus einem Wellentypfilter, das die von einem der Verstärkerlaser erzeugte Welle aufnimmt und aus einem Polarisator, der die vom Wellentypfilter übertragene, elektromagnetische Welle aufnimmt, wobei das Wellentypfilter die Laserwelle mit dem Brewster-Einfallswinkel aufnimmt und sie ohne Reflexion weitergibt und dadurch, dass der Polarisator die Polarisation der Welle, die

   7.2.1978 ^Blatt 5 Dlpl.-lng. G. Schliebs

   das Deutsche Patentamt Patentanwalt

   ihn hin und zurück durchläuft, örtlich um einen Winkel von π/2 dreht.

   9. Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator der Schutzvorrichtung ein Faraday-Polarisator ist, der besteht aus einer Küvette, die mit einer den Faraday-Effekt herbeiführenden Substanz gefüllt ist und auf die ein längs der lOrtpflanzungsachse der durch die Küvette laufenden Welle gerichtetes Magnetfeld einwirkt, wobei die Länge der Küvette in Abhängigkeit von der jeweiligen Substanz so berechnet ist, dass die Polarisationsdrehung der sie einmal durchlaufenden Welle gleich π/4- ist.

   10. Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen nach Anspruch 8 oder Anspruch 9? dadurch gekennzeichnet, dass im lall der Polarisation der Laserwelle in einer gegebenen Polarisationsebene das Wellentypfilter der Schutzvorrichtung ein System von pa-

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   rallelflachigen Plättchen d_arstellt, die, bezogen auf den einfallenden Laserstrahl, so orientiert sind, dass die Einfallsebene mit der Polarisationsebene zusammenfällt und der Einfallswinkel der Brewster-Winkel ist.

   11. Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen nach Anspruch 8 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator der Schutzvorrichtung ein Viertelwellenplättchen aus doppeltbrechendem, für die elektromagnetische Welle durchlässigem Material ist,

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   das senkrecht zu dem vom Wellentypfilter durchgelassenen Strahl und weiterhin so angeordnet ist, dass die schnelle und die langsame Achse des Plättchens, bezogen auf die Einfallsebene des Wellentypfilter, um 4-5° geneigt sind.

   12. Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des Aussendens der Laserwelle mit der Fortpflanzungsart (M das Wellentypfilter der Schutzvorrichtung ein System von Kegeldioptern ist, die einen aus einem transparenten Plättchen geringer und konstanter Dicke bestehenden Kegel in der Form einer konischen Oberfläche abzugrenzen vermögen, wobei sämtliche konischen Oberflächen koaxial sind und als Spitzenwinkel den ihrem Brechungsindex entsprechenden Brewster-Winkel haben.

   13· Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen nach Anspruch 8 oder Anspruch 12, da durch gekennzeichnet, dass der Polarisator der Schutzvorrichtung besteht aus mehreren einzelnen, sektorförmigen Viertelwellenplättchen aus doppeltbrechendem, für die elektromagnetische Welle durchlässigem Material, die zu einem regelmässigen Vieleck zusammengesetzt sind, wobei die schnelle (oder langsame) Achse jedes der einzelnen Plättchen so orientiert ist, dass sie mit der Winkelhalbierenden des Sektors des entsprechenden Plättchens einen Winkel von 4-5 bildet.

   . Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen nach den Ansprüchen 8, 9» 12 und IJ, dadurch ge-

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   das Deutsche Patentamt

   kennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung so mit einer Polarisationswandler-Einheit verbunden ist, dass sich der zweite Polarisationswandler im Weg des Laserstrahls befindet, und zwar entweder hinter dem Polarisator oder zwischen dem Wellentypfilter und dem Polarisator, wobei dieser zweite Polarisationswandler die Laserwelle in eine einschliessende, zirkulär polarisierte Welle mit negativer, azimutaler Phasenverschiebung überführt.

   15· Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegel besteht aus einem durchlässigen Plättchen geringer und konstanter Dicke, das die Form einer konischen Oberfläche mit spiraliger Basis hat, deren Spitzenwinkel gemäss den Ansprüchen 15 und 16 der am 19. September 1977 angemeldeten französischen Patentanmeldung ITr. 77-28170 praktisch gleich dem Brewster-Winkel ist.

   16. Generator für einschliessende, elektromagnetische Wellen nach den Ansprüchen 1 bis 15» dadurch gekennzeichnet, dass er mit Mitteln verbunden ist, mit denen die elektromagnetischen Wellen auf ein Targetmaterial fokussiert werden sowie mit einer Vorrichtang zum Erzeugen eines Magnetfeldes in Sichtung der Brennpunktachse, wobei dieses Magnetfeld einen Gradienten aufweist, bei dem sich das Maximum der Feldstärke auf der Seite des Targetmaterials befindet, um die grösstmögliche Plasmadichte zu erhalten.

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