DE2850521A1 - Tea-laser-verstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen TEA-Laser-Verstärker, bestehend aus einem Elektrodensystem, das mit einer nach außen führenden Hochspannungsleitung in dem Resonatorbzw. Entladungsraum eines Gehäuses angeordnet ist, das bei Laserbetrieb an seiner einen Stirnseite den Laserstrahl in Richtung der anderen Stirnseite reflektierende optische Mittel aufweist, die mit je einem im Bereich dieser zweiten Stirnseite befestigten totalreflektierenden und einem teildurchlässigen Spiegel zusammenwirken, während bei Verstärkerbetrieb anstelle der Spiegel die verstärkte Laserstrahlung.hindurchlassende Abschlußfenster vorgesehen sind, wobei Spiegel, Fenster und wirksame Flächen der optischen Mitte in den Freiräumen zwischen den Elektroden angeordnet sind, das hinsichtlich seiner Masse im wesentlichen unveränderte Elektrodensystem in eine über einen Schalter zündende Mittelelektrode mit wenigstens zwei der elektrischen Entladung dienende Oberflächen und in wenigstens zwei diesen Flächen gegenüberliegende Außenelektroden aufgegliedert ist, das Elektrodensystem ferner symmetrisch ausgebildet sowie mit den es umgebenden optischen und mechanischen Komponenten innerhalb des Gehäuses weitgehend symmetrisch angeordnet ist und bei der Entladung eine entsprechend symmetrische Entladestromverteilung bewirkt.

Durch einen solchen Laser, bei dem vor allem die Elektroden symmetrisch sowie ein Hochspannungsschalter und ein Energiespeicherkondensator koaxial angeordnet sind, wird ein besonders niederinduktiver Aufbau und damit ein schnelles Schalten der Hochspannung erreicht.

Aus den Fachaufsätzen "TRAVELING WAVE EXCITATION OF HIGH POWER GAS LASER" von John D. Shipman, APPLIED PHYSICS LETTERS, I.I.I967, Seiten 3 und *t, und "A Continuously Pulsed Copper Halide Laser with 0 Cable-Capacitor Blumlein Discharge Circuit" von Noble M₁ Nerheim, Alaudin M. Bhanji und Gary R. Russell, JEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.QE-ΐΊ, NO.9, September 1978, Seiten 686 bis 693 (insbesondere S. 692, Fig.11) sind verschiedene Laser im Zu-

030022/0402

sammenhang mit einem Blumlein-Schaltkreis bekannt. Ein Laser, bei dem darüberhinaus ein aus zwei spiralenförmig gewickelten Zylindern aufgebauter sogenannter Stripline-Kondensator Verwendung findet, ist aus "Compact High-Power N2 Laser: Circuit Theory and Design" von Adolf J. Schwab und Fritz W. Hollinger, JEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. QE-12, N0.3, March 1976, Seiten I83 bis 188 (insbesondere S. 183, Fig.1 und S. I88, Fig.1^, und zugehöriger Text) bekannt. Aus "A Simple Self-Mode-Locked Atmospheric Pressure CO Laser" von T.Y. Chang und O.R. Wood, JEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, August 1972, Seiten 721 bis 723 (insbesondere S. 722, linke Spalte, letzter Absatz sowie Fig.1 und Fig.3) ist sodann erstmals auch ein C02~Laser bekannt, dessen Entladekreis als Blumlein-Schaltkreis ausgebildet ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird in einer Verbesserung des gattungsgemäßen TEA-Laser-Verstärkers dahingehend gesehen, daß seine kapazitiven Bauelemente die _an gestrebte kleine und kompakte Bauweise unterstützen bzw. ihr bestmöglich angepaßt werden. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der die äußere Begrenzung des Lasers darstellende Gehäuseteil als koaxialer Kondensator ausgebildet ist. Da auf diese Weise der Energiespeicherkondensator nicht mehr wie bisher alTS diskretes Bauteil ausgebildet, sondern vielmehr Bestandteil des ohnedies erfoüderlichen Gehäuses "ist cL .· , wird eine weitere Raumverkleinerung möglich. Insofern ist ein solcher Kondensator auch mit einem gerollten Stripline-Kondensator vergleichbar.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird sodann darin gesehen, daß der koaxiale Kondensator aus zwei konzentrisch ineinandergeschobenen Hohlzylindern mit dazwischenliegendem Dielektrikum besteht, von denen der innere an die einander gegenüberliegenden Außenelektroden elektrisch angeschlossen ist. Ein solchermaßen ausgebildeter Kondensator läßt sich in mehrfacher Hinsicht bezüglich seiner Induktivität an die Gasentladung anpassen. Einmal ist dies über das

030022/0402

Verhältnis seiner Länge zu seinem Durchmesser möglich; zum anderen aber auch über die Variation des Abstandes der Außenelektroden zum inneren Hohlzylinder, der diesen Elektroden gleichzeitig auch als Halterung dient.

In vorstehendem Zusammenhang kann es von Vorteil sein, wenn jeder Hohlzylinder Tür sich genommen einen Kondensator darstellt und die beiden Kondensatoren abstandslos aneinanderliegen. In diesem Fall wird der äußere Kondensator - nur begrenzt durch die Eigen- und die Schaltkreisinduktivität - schlagartig als erster entladen. Eine zweckmäßige Variante hierzu stellt die Möglichkeit dar, daß der innere Zylinder der Form der Hittelelekcrode ~. Z.'B. in Form eines HppfKondensators - angepaßt in diese integriert ist. Auch kiese Art der Ausbildung dient einer optimalen Raumausnutzung.

Weitere Merkmale der Erfindung werden darin gesehen, daß die beiden Hohlzylinder einen eckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken aufweisen und im Bereich der Elektroden aus Metall bestehen. Letzteres ist aus Gründen der Überschlagsfestigkeit erforderlich.

Was den über-die Mittelelektrod,eentladenden Schalter anbetrifft, so ist derselbe in der Regel koaxial angeordnet. Es kann aber zuweilen auch Vorteile mit sich bringen, wenn er in einem parallel zum Resonator- bzw. Entladungsraum verlaufenden separaten Gasraum angeordnet ist. Durch diesen Kunstgriff lassen sich die elektrischen Leitungen zu den einzelnen Elektroden im Bedarfsfall verschieden lang ausbilden oder aber sie können auch schräg angeordnet werden, so daß der Laufzeiteffekt ausgenutzt wird. Durch letztere Maßnahme bekommt man es in den Griff, diejenige Stelle der Elektrode auszuwählen, an der die Entladung eingeleitet werden soll.

030022/0402

Einen besonders stabilen und gegen Verwindungen der Cavity weitgehend geschätzten Resonatoraufbau erhält man, wenn die der Strahlenumlenkung dienenden optischen Mittel als Tripelspiegel ausgebildet sind. Ein solcher Spiegel besteht zweckmäßigerweise aus. einem kreisrunden oder einem eckigen Glas- oder Metallkörper, dessen optisch wirksame Flächen mit einer Gold- oder einer Kupferauflage 'beschichtet sind oder aus einem für die Laserwellenlänge vergüteten und durchlässigen optischen Material "bestehen. Biese Vergütung gewährleistet günstige Reflexionseigenschaften - sie wird durch Aufdampfen erreicht. In elektrischer Hinsicht ist ein solcher nach Art eines Blumlein-Schaltkreises getätigter Aufbau wegen der hierbei erzielten Spannungsaufstockung von Vorteil, die bei entsprechender Anpassung eine extrem schnelle Entlademöglichkeit nach sich zieht.

Im folgenden werden an Hand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt

'Fig. 1 den Längsschnitt durch ein Laser-Gehäuse,

das als koaxialer Energiespeicherkondensator konzipiert ist,

Fig. 2 einen Querschnitt AB durch den Laser gemäß Fig. 1,

Fig. 3 das Ersatzschaltbild des Lasers gemäß Fig. 1 und 2 . -

Fig. k ' den Längsschnitt durch einen Laser, dessen Gehäuse aus . wei ineinandergeschachtelten ■koaxialen Kondensatoren besteht,

Fig* 5 einen Qu«. ;hraitt CD durch den Laser gemäß ■;__.. -Fig.. k,

030022/0402

Fig. 6 das Ersatzschaltbild des Lasers gemäß Fig. 4 und 5 -. nach Art eines Blumlein-Schaltkreises ,

Fig. 7 den Längsschnitt durch einen Laser, dessen zweiter, innenliegender Kondensator(Topfkcndensatoi^der Mittelelektrode integriert ist,

Fig. 8 einen Querschnitt EF durch den Laser gemäß Fig. 7,

Fig. 9 das Ersatzschaltbild des Lasers gemäß Fig.7 und 8 - nach Art eines Blumlein-Schaltkreises,

Fig.10 das Prinzipschaltbild eines Lasers gemäß den Fig. 1, 4 und 7 mit einem die Strahlenumlenkung bewirkenden Tripelspiegel,

Fig.11 den Tripelspiegel gemäß Fig. 10 in rechteckförraiger Ausbildung,

Fig.12 den Tripelspiegel gemäß Fig. 10 in runder Ausbildung und

Fig.13 das Prinzipschaltbild eines Lasers gemäß den Fig. 2, 5 und 8.mit einem parallel zur Längsachse angeordneten Hochspannungsschalter.

Die einfachste Form des erfindungsgemäßen Prinzips ist in den Fig. 1 bis 3 realisiert: Der symmetrisch aufgebaute TEA-Laser 1 mit seinem Elektrodensystem 10 bis 14 zeigt im wesentlichen nur die für die Erfindung bedeutsamen Details. Sein Gehäuse 2 besteht aus zwei zylindrisch ausgebildeten unmagnetischen Metallplatten 2 und 2** , z.B. aus Aluminium, die ein Dielektrikum 2-^ einschließen und auf diese Weise einen Energiespeicherkondensator C darstellen. Während das Dielektrikum und die äußere Metall-

022/040

platte 2 bis an die seitlichen Begrenzungswände 8

IV reicht, erstreckt sich die innere Metallplatte 2 aus Gründen der überschlagsfestigkeit nur über den durch die Länge der äußeren Elektroden 10 und 14 bestimmten Bereich. Sie kann auch länger sein, wenn minimale Abstände zu anderen Metallteilen eingehalten werden, um selbständige Entladungen zu verhindern. Die Elektroden 10 und 14 sind direkt an der Metallplatte befestigt, die den inneren Anschluß des Kondensators darstellt. Bei einem anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann aber auch ein mehr oder weniger großer Abstand zwischen Elektroden und Wand bestehen und der Anschluß über die Halterung verlaufen. Das Dielektrikum besitzt ein hohes £ und hohe Durchschlagsfestigkeit". Mit der Bezugszahl 3 ist der die Mittelelektrode 11 mit ihren Rogowski-Profilen zündende Hochspannungsschalter, mit der totalreflektierende und mit 21 der teildurchlässige Spiegel bezeichnet. Fig. 3 zeigt das zugehörige Ersatzschaltbild, das einen sogenannten Blumlein-Schaltkreis darstellt. Hierbei ist charakteristisch, daß die beiden C nahezu gleich groß sind. Die Kapazität der Kondensatoren wird^ entsprechend den Laserleistungsdaten durch Wahl des Dielektrikums, der Ladespannung und den geometrischen Abmessungen dimensioniert.

Das in den Fig. 4 bis 6 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 1 bis 3 nur durch die Anzahl der verwendeten Kondensatoren. Während in ersterem Fall nur ein Kondensator verwendet wurde, sind es hier zwei Kondensatoren, die aus zwei konzentrisch ineinandergeschobenen Hohlzylindern bestehen, wie sie im vorstehenden Ausführungsbeispiel näher beschrieben wurden. Die beiden Kondensatoren bzw. Hohlzylinder liegen abstandslos nebeneinander. Die Hochspannung wird über die Leitung 22 an den Ladewiderstand E_L; (Fig. 6) geleitet. Zwischen die Mittelelektrode 11 und die Kondensatoren C^ und 02 sind die anderenends an Masse 34 liegenden Koppelwiderstände 23 geschaltet.

030022/0402 - io -

2350521

AO

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 his 9 wurde der zweite bzw. innenliegende Kondensator C^ in die Mittelelektrode 11 als Topfkondensator integriert. Das offene Ende dieses Topfes ragt aus der Elektrode heraus und ist mit der Vand 8 leitend verbunden. Der Aufbau des Kondensators C^. entspricht demjenigen in Fig. 1, wobei auch hier wieder die innere Metallplatte lediglich so lang wie die an ihr befestigten Außenelektroden 10 und 14 ausgebildet ist. An der gleichfalls aus Isoliermaterial bestehenden Wand 9 ist den Spiegeln 18 und 21 gegenüberliegend je ein der Strahlenumlenkung dienendes 45°-Prisma 19· bzw. 20* befestigt.

Was nun die Funktion der Kondensatoren anbetrifft, so wird der Kondensator C. - nur begrenzt durch die Eigeninduktivität und die Induktivität des geschlossenen Schalters 3 als erster entladen. In diesem Primärentladekreis setzt eine Schwingung ein, wobei zwischen der Mittelelektrode 11 und den Außenelektroden 10 und 14 ein Potentialunterschied entsteht. Letzterer ionisiert die Gasstrecke, die Entladung setzt ein und entlädt nun auch den Kondensator C^.

Für den Fall, daß sich die Außenwand 2 verwindet, ist für die Strahlenumlenkung gemäß Fig. 10 ein Tripelspiegel 19 , 20 vorgesehen, dessen optisch wirksame Flächen z.B. durch eine Gold- oder eine Kupferauflage vergütet sind. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können diese Flächen auch aus einem für die Laserwellenlänge vergüteten, durchlässigen optischen Material bestehen. Die Strahlungsrichtung wird nur durch die beiden Spiegel 18 und 21 definiert; eine Verwindung in der Längsachse hat keinen Einfluß auf die Justierung des Eesonators. In Fig. 11 ist der Tripelspiegel rechteckig und in Fig. 12 kreisrund ausgebildet.

In Fig. 13 ist sodann noch gezeigt, daß der Schalter 3 im Gegensatz zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen - bei denen er koaxial zur Längsachse der Mittelelektrode angeordnet ist - auch seitlich des Elektrodensystems 10 bis 14 und von diesem durch eine aus Isoliermaterial bestehende Wand 37 getrennt in einem separaten Gasraum angeordnet sein kann.

030022/0402

eerse

it

Claims (9)

13«, November I978

ELTRO GMBH₀ GESELLSCHAFT FÜR STRAHLUNGSTECHNIK, 69ΟΟ Heidelberg, Kurpfalzrisig 106

TEA-Laser-Verstärker Zusatz zu Patent ..........ο (Akz. P 27 53 30¹1.6)

PATENTANSPRÜCHE

j I^ TEA-Laser-Verstärker, bestehend aus einem Elektrodensystem, das mit einer nach außen führenden Hochspannungsleitung in dem Resonator- bzw. Entladungsraum eines Gehäuses angeordnet ist, das bei Laserbetrieb an seiner einen Stirnseite den Laserstrahl in Richtung der anderen Stirnseite reflektierende optische Mittel aufweist, die mit je einem im Bereich dieser zweiten Stirnseite befestigten totalreflektierenden und einem teildurchlässigen Spiegel zusammenwirken, während bei Verstärkerbetrieb anstelle der Spiegel die verstärkte Laserstrahlung hindurchlassende Abschlußfenster vorgesehen sind, wobei Spiegel, Fenster und wirksame Flächen der.optischen Mittel in den . Freiräumen zwischen den Elektroden angeordnet sind, das hinsichtlich seiner Masse im wesentlichen unveränderte Elektrodensystem in eine über einen Schalter entladende , Mittelelektrode mit wenigstens zwei der elektrischen Entladung dienenden Oberflächen und in wenigstens zwei diesen Flächen gegenüberliegende Außenelektroden aufgegliedert ist, das Elektrodensystem ferner symmetrisch.ausgebildet sowie mit den es umgebenden optischen und mechanischen Komponenten innerhalb des Gehäuses weitgehend symmetrisch angeordnet ist und bei der Entladung eine entsprechend symmetrische Entladestromverteilung bewirkt nach Patent .

(Akz. 27 53304.6), dadurch gekennzeich net , daß der die äußere Begrenzung des Lasers (l) darstellende Gehäuseteil (2) als koaxialer Kondensator (C) ausgebildet ist. _ΛΛ

030022/0402

ORIGINAL INSPECTED

" ²" 2350521

2. Laser-Verstärker nach Anspruch I₈ dadurch gekennzeichnet _s daß der koaxiale Kondensator (C) aus zwei konzentrisch ineinandergeschobenen Hohlzylindern (2 ; 2 ) mit dazwischenliegendem Dielektrikum (2 ) besteht ,,von denen der innere an die. einander gegenüberliegenden Außenelektroden (lO; ik) elektrisch angeschlossen ist.

3. Laser-Verstärker nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Hohlzylinder (2 ; 2 ) für sich genommen einen Kondensator (C ; C) darstellt und beide Kondensatoren abstandslos aneinander liegen (Fig.

4)

k. Laser-Verstärker nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Hohlzylinder (2¹¹¹) der Form der Mit
integriert ist (Fig.7).

(2 ) der Form der Mittelelektrode (11) angepaßt in diese

5. Laser-Verstärker nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hohlzylinder (2 ; 2 ) einen eckigen Querschnitt mit abgerundeten Ecken aufweisen und im Bereich der Elektroden (10 bis Ik) aus Metall bestehen.

6. Laser-Verstärker nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der über die Mittel elektrode (ll) entladende Schalter (3) in einem parallel zum Resonator- bzw. Entladungsraum (5) verlaufenden separaten Gasraum (39) angeordnet ist (Fig.13).

7. Laser-Verstärker nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die der Strahlenumlenkung dienenden optischen Mittel als Tripelspiegel (19¹¹, 20¹¹) ausgebildet sind (Fig. 10 bis 12).

8. Laser-Verstärker nach Anspruch 7 t dadurch gekennzeichnet , daß der Tripelspiegel (19 , 20 ) aus einem runden oder einem eckigen Glas- od.Metallköiper besteht, dessen optisch wirksame Flächen mit einer Gold- oder einer Kupferauflage beschichtet sind j oder aus einem' für die Laserwellenlänge vergüteten und durchlässigen optischen Material besteht. 03 00 2 2/0 402

„ a _

9. Laser-Verstärker· mach einem der vorausgehenden Ansprüche, .der -g\e-k β _si κι. ζ β i .c h η e t ist durch den Aufbau mach Art einem Blumlein-Schaltkreiaes (Fig. 3i 6, 9)·

030022/0402

ORlGtNAL INSPECTED