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BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf Gaslaser, Insbesondere
auf Stoffdampflaser, und ein Verfahren zur Speisung derselben.
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Solche Laser können auf solchen Gebieten benutzt werden, wo Stoffdampflaser
mit erhöhter mittlerer Leistung, mit großem Durchmesser des Gasentladungskanals,
erhöhtem Wirkungsgrad, mit Strahlungsimpulsfolgefrequenzen von Bruchteilen eines
Hertzes erforderlicn sind, insbesondere in der Medizin, Holographie, Sondung der
Atmosphäre usw.
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Es ist ein Stoffdampfimpulslaser bekannt, dessen Speisung auf dem
Prinzip der "Selbstaufheizung" des Arbeitsteils der Gasentladungsröhre durch Dissipation
der in die Entladung eingeführten Energie beruht (s. Zeitschrift "Kwantowaja Elektronika",
19?5, Band 2, S. 159). Dieser Laser enthält eine Gasentladungsröhre aus vakuumdichtem
Material mit Elektroden, die in ein@m zylindrischen, mit dieser nicht vakuummäßig
verbundenen Wärmeisolator untergebracht ist, und eine Impulsspeiseschaltung, zinn
Beispiel eine Schaltung mit einer "Zuspitzungskapazität", bestehend aus zwei Kondensatoren,
der eine von welchen paparallel zu den Laserelektroden und der andere in Reihe mit
diesen geschaltet ist, sowie eine Induktivität, die elektrisch die Elektroden untereinander
verbindet.
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Die direkte Abhangigkeit der Temperatur des Arbeitsteils der Gasentladungsröhre
von der in die Entladung zur Anregung des aktiven Mediums des Lasers je Zeiteinheit
eingebrachten Energie führt dazu, daß der Laser nur in einem durch das Temperaturintervall
bedingten schmalen Strahlungsimpulsfolgefrequenzbereich, in dem die Stranlun möglich
ist, arbeiten kann. Außerdem macht diese Abhängigkeit die Optimierung des Anregungsimpulses
zur Sicherung einer mimalen Energisabstrahlung unmöglich und vermindert somit den
Wirkungsgrad des Lasers. Die Leistung, die ein Thyratron (bzw. ein anderer Schalter,
z.3. ein Thy ristor) schalten kann, Ist begrenzt, des ist die Betriebsbereitschaftszeit
des Lasers grob und beträgt gewöhnlich # 30 min.
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Bekannt ist auch eine Laserbauart (5. Zeit schrift "Pribori i technika
experimenta" 1974, Nr. l, S, 160), bei
der die aus vakuumdichter
Keramik gefertigte Gasentladungsröhre mit Elektroden in einem zylindrischen Ofen
koaxial zu diesem untergebracht ist, wobei die Gasent ladungsröhre und der Ofeninnenraum
durch einen Luftzwischenraum geteilt ist. Die Speisung des Lasers erfolgt gleichzeitig
beim Erreichen der Arbeitstemperatur aus zwei Speise quellen. Die eine Speisequelle
ist über den regelbaren Heiztransformator des Ofens angeschlossen, während die andere
Speisequelle eine Impulsspeisequelle darstellt und an die Röhrenelektroden über
eine Schaltung mit einer Zuspitzungskapazität, die zwei Kondensatoren, der eine
von welchen parallel zu den Elektroden der Gasentladungsröhre und der andere in
Reihe mit diesen geschaltet ist, sowie eine Induktivität, die die Elektroden untereinander
verbindet, enthält, angeschlossen ist.
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Hier hängen die Erhitzung des Arbeitsteils der Gas entladungsröhre
und die Anregung des aktiven Mediums voneinander nicht ab, was eine Optimierung
des Änregungs impulses zwecks Sicherung einer maximalen Energieausstrahlung und
somit eine Vergrosserung des Wirkungsgrades der in die Entladung eingebrachten Energie
ermöglicht. Ausser dem gestatten es diese Bauart des lasers und das Verfahren zur
Speisung desselben bei einer Impulsfolge von Bruchteilen eines Hertzes bis zu Hunderten
von Kilohertz zu arbeiten.
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Jedoch ist diese Bauart des Lasers ungenugend zuverlässig infolge
eines möglichen elektnschen Uberschlags der Elektroden zum Heizelement, der zu einer
Undichtheit der Gasentladungsröhre und einem Ausfall derselben führt.
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Das Vorhandensein eines weiteren zusätzlichen Bauelementes - des
Ofens - erschwert den Betrieb und erhöht den Preis des Lasers Das Vorhandensein
eines Luft spaltes und einer Wand in Innenteil des Ofens führt zur Verminderung
des Energieanteils für die Aufheizung des Arbeitsteils der Gasentladungsröhre, was
zu einer Senkung des Wirkungsgrades der gesamten Laseranordnung fütirt.
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Bekannt ist auch eine Laserkonstr@ktion (s. PR-PS Nr. 1.535.445,
1968, Int Cl. HO 1 S), die aus einer Metallgasentladungsrohre besteht, welche die
Funktion einer der Elektroden erfüllt, wobei als zweite Elektrode ein in Achsrichtung
der Röhre gespannter Metallfaden dient.
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Das Heizelement ist bei dieser Konstruktion als Wendel aus Metalldraht
mit Elektroisolierüberzug, der seine Eigenschaften bei hohen Temperaturen (über
1000°C) erhält, ausgeführt, wobei der Draht direkt auf die Metallwände der Gasentladungsröhre
aufgewickelt ist und sich unter einer Wärmeisolierschicht befindet. Die Speisung
des Lasers erfolgt wie im vorherigen Fall aus zwei Çuellen, die eine von welchen
über einen regelbaren Heiztransformator an das Heizelement und die zweite Impulsspeisequelle
- an die Elektroden über eine Speiseschaltung z.D mit einer Zuspitzungskapazität
angeschlossen ist.
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Diese konstruktive Lösung des Lasers und die Art seiner Speisung
gestatten es, die Energieverluste bei der Auf heizung des Arbeitsteils der Gasentladungsröhre
zu beseitigen, da das Heizelement direkt auf der Gasentladungsröhre angeordnet ist,
bieten die Möglichkeit, ohne einen Ofen auszukommen, und gestatten es, schnell die
Betriebsbereitschaft zu erreichen, Die Unabhängigkeit der Arb eitstemperatureinhaltung
von den Parametern der Impulsanregung des aktiven Mediums gestattet es, optimale
Parameter der Impulsanregung zur Sicherung von für diese Konstruktion optimalen
Energieausstrahlung und Wirkungsgrad zu wählen und ermoglicht den Einsatz des Lasers
in einem weiten lnderungsbereich der Strahlungsimpulsfolgefrequenz.
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Jedoch gestattet infolge der koaxialen Anordnung der Elektroden diese
Laserkonstruktion nicht, das Anregungsvolumen voll zu nutzen, was zur Senkung der
mittleren Leiund. stung der Laserstrahlung fibrt,veine homogene Anregung ueber den
gesamten Arbeitsvolumen zu erhalten, da eine starke Inhomogenität des elektrischen
Feldes im Cuerschnitt vorliegt, was die Energieausstrahlung und den Wirkungsgrad
des Lasers herabsetzt.
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Zudem ist es schwierig, eine homogene Strahlung längs der Achse der
Gasentladungsröhre auf einer großen Länge infolge der Bogenbildung zu erkalten,
besonders bei hohen Speiseleistungen, was die Möglichkeit der Gewinnung großer mittlerer
Leistungen begrenzt. Darüber hinaus ist es technologisch kompliziert, den oben angegebenen
Forderungen entsprechende Wendel herzustellen, während eine Beschädigung der Isolierschicht
zu einem Durchschlag der Strecke zwiscnen dem Wendel und der Metallwand der Gasentladungaröhre,
die gleichzeitig als Elektrode dient, führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. einen Stoffdampfimpuislaser
zu schaffen, bei dem bei Benutzung einer Heizspaanung und einer Impulsanregung für
die Aufheizung der Röhre ein elektrischer Uberschlag der Elektroden unmöglich ist
bei gleichzeitiger Tereinfaohnng der Konstruktion des Lasers und der Fertigungstechnologie
desselben, sowie ein Speiseverfaaren anzugeben, das es gestattet, die Energieabstrahlung
und den Wirkungsgrad des Lasers zu erhöhen.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei dem Stoffdampflaser,
der eine mit einem Heizelement versehena, in einer vakuumdichten Tülle untergebrachten
Gasentladungsröhre, in der Gasentladungsröhre untergebrachte Elektroden, eine an
die Elektroden angeschlossene Speisescnaltung, die eine Impulsspeisequelle und eine
parallel zu den Blektroden geschaltete Induktivität enthält, gemäß der Erfindung
die Induktivität direkt auf der Gasentladungsröhre aufgewickelt ist und die Funktion
eines Heizelementes erfüllt und parallel zu dieser eine zusätzliche Speisequelle
angeschlossen ist.
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Die gestellte Aufgabe wird aucn dadurcn gelöst, daß man bei dem Verfahren
zur Speisung eines derartigen Stoffdampf impulslasers, welches darin besteht, daß
man die AuRheizung der Röhre durch gleichzeitiges Anlegen der Eeizspannung an das
Heizelement und der Anregungsimpulse an die Elektroden der Gasentladungsröhre durchführt,
gemäß der Erfindung, die Heizspannung als Sinusspannung wählt und die Anregungsimpulse
zu den Zeitpunkten, wo die Heizspannung
den Nullwert erreicht, gibt,
wobei folgende Bedingungen zu erfüllen sind: Uo Io # = k@f; Uo < Ul; = P - #Ef,
2 Hierin bedetiten: # - zyklische Frequenz der Sinusspannung; k - positive ganze
Zahl; f - Folgefrequenz der Anregungsimpulse; Wo ~ Amplitude der Sinus spannung,
Ul - Brennspannung der Bogenentladung in dem aktiven Medium des Lasers; 1o - Amplitude
des das Heizelement durchfließenden Sinusstromes; P - Leistung, die für die Aufheizung
der Lasergasentladungsröhre auf die Arbeitstemperatur benötigt ist; # E-Teil der
Energle der Anregungsimpulse, der in Wärme dis@ipiert wird.
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Zum Verhüten einer Bogenentladung zwischen den Elektroden in der
Gasentladungsröhre, die durch die an die Induktivität zur aufheizung der Gasentladungsröhre
angelegte Spannung im Halle, wenn die Spannungsamplitude größer oder gleich dem
Schwellenwert für die Zündung einer Bogenentladung durch den Anregungsimpuls ist,
hervorgerufen werden kann,kann man die Elektroden in der kalten Zone der Gasentladungsröhre
unterbringen und diese aus einem Material mit großer Elektronenaustrittsarbeit ausführen.
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Der entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgeführte Laser hat
hohe Zuverlässigkeit infolge der Unmöglichkeit eines Elektrodenüberschlages zum
Heizelement, was dadurch erreicht wird, daß die Induktivität, die die Funktion eines
Heizelementes erfüllt, elektrisch mit den Elektroden in der Gasentladungsröhre verbunden
ist; einfachen Aufbau, bedingt dadurch, daß die Gasentladungsröhre in einer vakuumdionten
Hülle zusammen mit dem Wärmeisolator untergebracht ist und dadurch, daß zum Speisen
des Heizelementes und Anlegen der Anregungsimpulse nur zwei Anschlüsse erforderlich
sind, jeder von welcnen ein gemeinsamer Anschluß für die Elektrode und das eine
an diese ange-
schlossene Ende der Induktivität, die als Heizelement
dient, ist. -Der erfindungsgemäße Laser gestattet es, in einem weiten Folgefrequenzbereich
der Laserstrahlungsimpulse, einschließlich einiger Hertz, zu arbeiten und Gasentladungsröhren
von großem Durchmesser ( # 100 mm und mehr) und großer Länge zu benutzen, was die
Möglichkeit bietet, große mittlere Leistungen der Laserstrahlung (einige Hunderte
Watt für Metalldampflaser) zu erhalten.
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Dieser Laser und das Verfahren zur Speisung desselben gestatten es,
hohe (bis 3% bei einem Kupferdampflaser) Wirkungsgrade au erhalten, was it der Möglichkeit
der Optimierung der Parameter des Anregungsimpulses und der Anregungeimpulsfolgefrsquenz
zwecks Sicherung einer höchstmöglichen Energieabstrahlung und eines höchstmöglichen
Wirkungsgrades bei konstant bleibender optimalen Temperatur des Arbeitsteils der
Gasentladungsröhre, die durch das Heizelement aufrechterhalten wird, verbunden ist.
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Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung konkreter Ausführungsbeispiele
mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Stoffdampfimpulslaser,
Längsschnitt; Fig. 2 desgleichen, wie in Bi. 1, mit Elektroden in der kalten Zone
der Gasentladungsröhre; Fig 3 die elektrische Schaltung für den in Fig. 1 gezeigten
Laser; Fig. 4 Oszillogramme der Heizspannung und der Anregungsimpulse, die das Speiseverfahren
des Lasers veranschaul ichen.
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Der in Fig. 1 gezeigte Stoffdampfimpulslaser enthält eine mit einem
Wärmeisolator 2 versehene Gasentladungsröhre 1 mit direkt auf dieser aufgewickelten
Induktivität 3, die in einer vakuumdicnten Hülle untergebracht ist. Die Laserelektroden
5, 6 sind in der Gasentladungsröhre 1 untergebracht und haben gemeingama Anschlüsse
7, 8 mit der Induktivität 3. Der Arbeitsstoff 9 ist in der Gasentladungsröhre 1
untergebracht. Der Laser hat Austrittsfenster 10, 11 zur Herausführung der Laserstrahlung
und einen Kiíhlwassermantel 12, der die Röhre 1 umfaßt.
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Laserausführung sind die Elektroden 13,
14 in der kalten Zone 15 der Gasentladungsröhre 4 angeordnet. Die Temperatur ist
in der kalten Zone 15 niedriger als die Temperatur in dem Arbeitsteil 16 der Gasentladungsröhre
1 und übersteigt nicht 300°C. Die elektrische Verbindung der Induktivität 3 mit
den Anschlüssen 7, 8 erfolgt; über die Enden 17, 18 der Induktivität 3, die bei
dieser Variante gekürzt ausgeführt ist und nicht über die Grenzen des Arbeitsteils
16 der Rohre hinausragt.
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Die elektrische Schaltung des lasers, die in Fig. 3 dargelegt ist,
enthält eine zusätzliche Speisequelle (Heizspannungsquelle), die parallel zur Induktivität
3, welche als Heizelement dient, geschaltet ist; eine Gasentladungsröhre 1 mit Elektroden
5, 6 einen parallel zu den Elektroden 5, 6 der Gasentladungsröhre geschalteten elektrischen
Kondensator 20, einen in Reihe mit den Elektroden 5, 6 geschalteten Kondensator
21 und einen Schalter 22 ( orliegend ein Thyratron).
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Äuf den Osziflogrammen nach fig. 4a, b, c ist auf der Abszissenachse
die Zeit t und auf der Ordinatenachse die Spannungsamplitude U abgetragen.
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Der Stoffdampfimpulslaser funktioniert wie folgt.
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Die Gasentladungsröhre 1 (Fig. 1) füllt man mit Puffergas me und
legt die Spannung von der Heizspannungsquelle 19 (Fig. 3) an, was die Gasentladungsröhre
1 (Fig. 1) auf die Arbeitstemperatur, die dem optimalen Druck der Dämpfe des Arbeitsstoffes
9 entspricht, aufheizt. Dann legt man an den in Reihe mit den Elektroden 5, 6 geschalteten
Kondensator 2 (Fig. 3) zur Formierung eines Anregungsimpulses eine gleichgerichtete
positive Hochspannung, die den Sondensator 21 ueber die Induktivität 3 (Fig. 3)
auf die Spannung U auflädt. Auf den Schalter 22 gibt man einen Steuerimpuls, der
den Schalter 22 öffnet. Dann erfolgt eine Umladung des in Reihe mit den Elektroden
5, 6 geschalteten Kondensators 21 über den offenen Schalter 22 auf den parallel
zu den Elektroden 5, 6 geschalteten Kondensator 20, der über das Gasentladungsvolumen
der Gasentladungsro"bre 1 entladen wird Hierbei werden die Atome des Arbeitsstoffes
9 angeregte was
zur Entstehung einer Laserstrahlung führt, die
durch die Fenster IO, II herausgeführt wird.
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Hierbei iird der Wert der Induktivität 3 derart gewählt, dass die
Entladezeit des Kondensators 20 (Fig. 3) grsser als die Zeit der Entladungsentwicklung
an der Gasentladungsröhre 1 ist.
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Im Falle einer Zündung durch den Anregungsimpuls einer Begenentladung,die
zwischen den Elektroden 5, 6 beim Anlegen an die Induktivität 3 einer Heizspannung
im Falle, wenn die Amplitude der letzteren die Bogenbrennspannung in dem aktiven
Medium übersteigt bzw. dieser gleich ist, entstehen kann, kann man die Laserausführungsvariante
gemäss Fig. 2 benutzen. In diesem Falle ist die Funktion des Lasers den oben beschriebenen
ähnlich, jedoch erhöht die Verlagerung der Elektroden 13, 14 in die kalte Zone 15
der Gasentladungsröhre 1, wo die Temperatur der Rohre 1 tiefer als in dem mittleren
Arbeitsteil 16 ist und die Ausführung der Elektroden 13, 14 aus einem Material mit
hoherer Austrittsarbeit die Brennspannung der Bogenentladung, so dass der Anregungsimpuls
keine Bogenentladung zünden kann. Pur die Elektroden 13* 14 verwendet man ein Material
mit einer Austrittsarbeit von über 4 eV, Zum Beispiel Tantal oder Molybdän (die
Austrittsarbeit fär diese Stoffe beträgt 4, 3 eV).
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Ist die Amplitude der an die Induktivität 3 (Fig. 1) angelegten Spannung,
die der Bueheizung des aktiven Teils der Gasentladungsröhre 1 zwischen den Elektroden
5, 6 auf die Arbeitstemperatur entspricht, so gross, dass die Verlagerung der Elektroden
13, 14 in die kalte Zone 15 und deren Ausführung aus einem Material mit maximaler
Austrittsarbeit nicht zum Verschwinden der Bogenentladung führt, so ist es zweckmässig,
eine Laservariante nach Fig. 1 zu benutzen, wobei seine Speisung gemäss der Erfindung
erfolgt.
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In diesem Falle ist die Heizspannungsquelle 19 eine Sinusspannungsquelle
und die Steuerimpulse gibt man auf den Schalter derart, dass die Zeitpunkte der
Entladung des Kondensators 20 mit den Nullwerten der Reizspannung überein~ stimmen,
wobei folgende Bedingungen zu erfüllen sind;
Hierin bedeuten: Co - zyklische Frequenz der Sinusspannung; k - positive ganze Zahl;
f - Folgefrequenz der Anregungsimpulse; UO- Amplitude der Sinusspannung; Ul- Brennspannung
der Bogenentladung in dem aktiven Medium des Lasers; Io Amplitude des das Heizelement
durchfließenden Sinusstromes; P - Leistung, die für die die Aufheizung der Lasergasentladungsröhre
bis auf die Arbeitstemperatur benötigt ist; a E- Anteil der Energie des Anregungsimpulses,
der in Warme dissipiert wird.
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Hierbei kann ein Anregungsimpuls zu jedem Zeitpunkt des Heizspaxinungsnullwertes,
wie gemäß Fig. 4a,oder zu jedem zweiten Zeitpunkt des Heizspannungsnullwertes Cs.
Fig. 4b) oder zu jedem dritten Zeitpunkt des Heizspannungsnullwertes (s. Fig. 4c)
usw. gegeben werden, was die Möglichkeit bietet, die Folgefrequenz der Strahlungsimpulsa
der Laserstrahlung diskret zu ändern.
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Bei einer derartigen Art der Laserspeisung ist die entstehung einer
Bogenentladung bei Eintreffen eines Anregungsimpuls dadurch ausgeschlossen, daB
die Amplitude der an die Induktivität 3 beim Eintreffen eines Anregungsimpulses
angelegten Spannung gleich Null ist oder deren Größe nicht zum Brennen einer Bogenentladung
ausreicht.