DE4105053A1 - Praeionisierter, transvers erregter laser - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von ko­ härentem Licht und im einzelnen auf Verbesserungen bei Gaslasern. Genauer gesagt, richtet sich die vorliegende Erfindung auf die Verbesserung des Wirkungsgrades von gepulsten Gasentladungslasern und insbesondere transvers erregte Laser durch Koionisierung unter Verwendung von Nieder- und Hoch­ energiequellen. Demgemäß sind Ziele der vorliegenden Erfindung die Bereit­ stellung verbesserter und neuer Verfahren und Vorrichtungen dieser Art.

Zwar ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, doch ist sie be­ sonders gut geeignet zur Verwendung bei einem transvers erregten Laser. Transvers erregte (TE) Gaslaser, die in einem gepulsten oder Trägerwellen­ modus arbeiten, sind im Stand der Technik bekannt. Bevor solche bekannte TE-Laser wirksam mit einem Gleichspannungspuls erregt werden können, muß eine Präionisierung zu dem Bereich geführt werden, der danach das Laserver­ stärkungsmedium wird. Es ist auch bekannt, daß nach der Erregung eine Gas­ rezirkulation oder ein Ersatz des Lasermediums vorgesehen werden muß über eine Wiederholungsfrequenz hinaus von etwa einigen wenigen Impulsen pro Se­ kunde, um eine Bogenentladung zu verhindern.

Fig. 1 illustriert schematisch die Hauptelemente eines konven­ tionellen, präionisierten, Thyratron geschalteten, transvers erregten Ultraviolett-CO₂-Lasers. Diese Elemente umfassen ein Paar von aus massivem Metall bestehenden Hauptentladungselektroden 1 und 2, von denen mindestens die Elektrode 2 im Interesse des Aufbaus eines gleichförmigen elektrischen Feldes in dem Bereich zwischen dem Elektrodenpaar geformt ist. Zusätzlich weisen die im Stand der Technik bekannten TE-Laseranordnungen üblicherweise eine Serie von Präionisierungselektroden 4 auf, die nahe und typischerweise in Richtung stromabwärts der Gasströmung dem Raum zwischen den Elektroden angeordnet sind, wo die Entladung stattfindet. Wie unten kurz diskutiert, kann die Präionisierung auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise können die Präionisierungselektroden in einer Serie von einander gegenüber­ positionierten Stiften angeordnet sein. Typischerweise sind diese Sätze von Stiften von den oberen und unteren Innenflächen der Laservakuumhülle her montiert. Die Anwendung eines Hochspannungsimpulses zwischen den Stiften des Satzes bewirkt die Erzeugung eines intensiven linearen Feldes von Funken. Das ultraviolette Licht von diesen Funken seinerseits erzeugt Fotoelektro­ nen, in dem Volumen nahe dem Funkenfeld. Die Energieverteilung in den Funken beträgt typischerweise etwa 10% der Gesamtenergie, die danach an die Hauptentladungselektroden angelegt wird, um die Laserschwingung zu erzeugen.

Wie ebenfalls in Fig. 1 dargestellt, ist die Energie für die Er­ zeugung des linearen Feldes von Funken typischerweise in einer Kapazität gespeichert, nämlich dem Kondensator C_s′, wobei die Kapazität von der Hoch­ spannungsquelle V_s′ auf die angemessene Spannung über eine Induktivität, wie sie bei L′ angedeutet ist, aufgeladen wird. Die Induktivität L′ wird gewählt unter Berücksichtigung der Pulswiederholungsfrequenz derart, daß ihre Reak­ tanz den Kondensator C_s′ nicht daran hindert, in den Zwischenimpulsperioden des Lasers geladen zu werden, während gleichzeitig die Reaktanz hinreichend hoch ist, um nicht den Strom von dem Funkenfeld kurzzuschließen. Die dem Funkenfeld zugeführten Spannungsimpulse können beispielsweise bereitgestellt werden durch Steuerung über eine Schalteranordnung SW1, wie ein Thyratron. Demgemäß führt in dem im Stand der Technik bekannten System, dargestellt in Fig. 1, das Anlegen eines positiven Impulses an das Steuergitter des Thyra­ trons zu einem ins Negative gehenden Impuls, der an dem Funkenfeld erzeugt und angelegt wird, d. h., die Anodenspannung des Thyratrons wird auf einen Impedanzpegel einiger weniger Ohm über Massepotential für eine Periode ge­ bracht, die sich in zwei oder dreistelliger Anzahl von Nanosekunden bemißt. Wenn der optimale Ionisierungspegel in dem Bereich zwischen den beiden Hauptentladungselektroden entwickelt ist infolge der Absorption der ultra­ violetten Funkenprotonen und nachfolgender Erzeugung von Fotoelektronen, wird ein zweiter Spannungsimpuls von einem Hauptspeicherkondensator C an den Laserhauptentladungselektroden angelegt. Die dem Entladungsvolumen von dem Kondensator C_s zugeführte Energie liegt üblicherweise in der Größenord­ nung von dem Zehnfachen der Präionisierungsenergie. Die Steuerung der Kopp­ lung der Energie in das Laserverstärkungsvolumen von Kondensator C_s erfolgt unter Verwendung einer zweiten Schaltereinrichtung SW2, bei der es sich ebenfalls um ein Thyratron handeln kann.

Zwar wurden unterschiedliche Modifikationen und Verbesserungen an dem Schaltkreis, der schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, vorgeschlagen und untersucht, doch war das Resultat solcher Verbesserungen nur eine Ver­ besserung des Laserausgangs von einem gegebenen Gerätevolumen auf Kosten einer komplizierteren Elektrodenstruktur und Kompliziertheit der Entlade­ kreise. Demgemäß weisen alle im Stand der Technik bekannten Präionisie­ rungspuls-TE-Laser mehrere fundamentale Charakteristiken auf. Erstens muß die Höhe des Spannungsimpulses, der die anfänglichen Präionisierungsfunken erzeugt, auf einem Pegel liegen, der wesentlich oberhalb des Durchbruchpe­ gels des Lasergasgemisches liegt, unter Berücksichtigung der Stiftform und des Stiftabstandes. Da ferner der Pegel der Fotoelektronen, die für die Präionisierung zur Verfügung stehen, nicht volumetrisch dicht ist, als Er­ gebnis der Tatsache, daß ein kleiner Bruchteil der Präionisierungsschalt­ kreisenergie als ultroviolette Photonen zur Verfügung steht, muß auch der Spannungsimpuls, herrührend von der in dem Hauptkondensator C gespeicherten Energie (oder der Spannung, auf die der Kondensator C_s aufgeladen werden muß), oberhalb des Gasdurchbruchpegels liegen unter Berücksichtigung des Hauptentladungselektrodenabstandes. Wenn die C_s-Kondensatorspannung nicht oberhalb des Durchbruchpegels liegt, wird die gesamte in diesem Kondensator gespeicherte Energie entweder in die Ladeinduktivität L abgegeben oder in die Schaltervorrichtung SW2, wenn die Schaltervorrichtung in dem Hauptent­ ladekreis aktiviert wird. Ferner zeigt die Erfahrung, daß jenseits einer Entladungswiederholungsfrequenz von etwa 1 oder 2 Impulsen pro Sekunde die im Stand der Technik bekannten gepulsten TE-Gaslaser irgendeine Art von In­ travakuumgasrezirkulation oder eine konvektive Gasströmung erfordern, um eine Bogenentladung bei dem zweiten aufeinanderfolgenden Entladeimpuls zu verhindern. Es ist festzuhalten, daß dieses Erfordernis für die Gasrezirku­ lation nicht vermieden werden kann durch Erzielen der Präionisierung durch die Verwendung einer Koronaentladung oder durch Erzeugung von Fotoelektronen durch die Verwendung einer Röntgenstrahlenquelle oder von Blitzlampen mit einem Ausgang, der reich an Ultraviolettemission ist.

Um das Obige zusammenzufassen, erfordern alle, im Stand der Tech­ nik bekannten Ultraviolett- oder Korona-Präionisierungstechniken sämtlich mehr als zwei Elektroden in der Laservakuumhülle und erfordern typischer­ weise eine solche erhebliche Anzahl von Elektroden, daß sich deutliche Kom­ plikationen ergeben und Kompromisse bezüglich Materialauswahl, Materialver­ träglichkeit und Gesamtkonstruktion notwendig sind. Darüber hinaus erfordern die im Stand der Technik bekannten Präionisierungsschemata sämtlich einen Intervakuumgasfluß, um zuverlässig Pulswiederholungsfrequenzen von mehr als ein oder zwei Impulsen pro Sekunde zu erzielen. Das Erfordernis für die Gasströmung seinerseits diktiert ein verhältnismäßig großes Gerätevolumen und führt zu Lebensdauererwartungen und Verläßlichkeitserwartungen, die un­ befriedigend sind infolge der Notwendigkeit, rotierende, mechanische Ele­ mente innerhalb der Vakuumhülle vorzusehen. Zusätzlich erforderten alle im Stand der Technik bekannten Präionisierungsschemata die Verwendung von min­ destens einer aktiven Schaltvorrichtung im Hauptentladungskreis, woraus sich eine Schaltkreiskomplizierung und eine begrenzte Lebensdauer ergeben.

Um den Stand der Technik noch näher zu diskutieren, ist auf einen Artikel von J. P. Reilly in "Journal of Applied Physics", Vol. 43, Nr. 8, August 1972 hinzuweisen, wo ein "pulser/sustainer"-System für die trans­ verse CO₂ Lasererregung diskutiert wird. Die hier diskutierte Technik ver­ wendet eine gepulste Entladung niedrigen Energiepegels zum Bereitstellen der Ionisierung für die Einleitung der Übertragung von Energie von einem "unge­ schalteten" Entladeschaltkreis höherer Energie. Die in diesem Artikel erör­ terten Techniken verwendeten eine Kombination eines mit hoher Überspannung arbeitenden "Pulsers" oder Präionisierungsentladeimpulses, zahlreiche ver­ schachtelte pulser/sustainer-Elektroden und Mach 0.2 Intervakuumgasglühen. Die Prinzipien des Betriebs, wie sie in dieser Veröffentlichung beschrieben sind, sind sehr ähnlich denen bei elektronenstrahlgesteuerten Lasergeräten, die später beschrieben wurden von Fenstermacher et al in "Applied Physics Letter", Vol. 20, Seiten 56-60, 1972 sowie Stratton et al in "Journal of Quantum Electronics", Vol. QE 9, Nr. 1, 1973. Der Pulserabschnitt eines elektronenstrahlgesteuerten Lasergeräts umfaßt eine Heißkathodenelektro­ nenkanone, angeordnet in einer "harten" Vakuumkammer. Eine Wandung dieser Kammer wird zumindest teilweise begrenzt durch eine Titanfolie, abgestützt von einem Metallgitter, wobei die Folie im wesentlichen transparent ist für von der Elektronenkanone kommende beschleunigte Elektronen. In der prakti­ schen Anwendung haben Elektronenstrahlionisierer/sustainer-Geräte zweifel­ hafte Verläßlichkeit im Hinblick auf die extrem hohen erforderlichen Span­ nungen für die Beschleunigung des Elektronenstrahls, die Typen von Schal­ tern, die erforderlich sind zum Aktivieren der Elektronenkanone, und die fragile Natur der Folienelektrode. Zusätzlich kollidiert die Positionierung der Elektronenkanonenvakuumkammer in einer der Wandungen der Laservakuum­ hülle mit der Wärmeabfuhr von dem zu Laserschwingungen angeregten Gas. Es wird deshalb angenommen, daß wie im Falle der oben erörterten Ultraviolett- oder Korona-Präionisierungsschemata ein Intervakuumgasfluß erforderlich ist, damit man Pulswiederholungsfrequenzen jenseits von etwa ein oder zwei Im­ pulsen pro Sekunde erzielt.

Insgesamt verwenden die gepulsten Elektronenstrahl-, Ultravio­ lett-, Blitzlampen- oder Korona-Präionisierungs-TE-Laser eine oder mehrere Arten von Präionisierung und Hauptentladungserregung durch Multiplexieren verschiedener solcher Quellen zeitlich (eine Quelle nach der anderen akti­ viert) oder räumlich (unterschiedliche Elektroden, unterschiedliche Gasbe­ reiche).

In ähnlicher Weise wie bei den gepulsten transversen Gaslasern hat sich auch die im Stand der Technik bekannte transverse Dauerstrich-Gleich­ stromerregung zwischen nur zwei einfachen ausgedehnten Metallelektroden in einem abgedichteten Nichtrezirkulationsgerät als unpraktisch erwiesen. Ohne irgendeine Turbulenz infolge von Gasströmung oder irgendeinen anderen Ga­ sentladungsdestabilisierungseinfluß, beispielsweise infolge von partikella­ dungs-magnetfeldinduzierten Kräften lokalisiert sich eine erwünschte Glim­ mentladung im Lasermedium rapid auf einen kleinen Bereich zwischen den Elektroden und kollabiert in eine unerwünschte Bogenentladung. Die vorteil­ haften Eigenschaften der Einfachheit und verringerten Laserkosten, herbei­ geführt durch Verwendung von nur zwei Elektroden in einem transvers erregten Dauerstrich-Gaslaser sind so verlockend, daß über die letzte Dekade viel Arbeit investiert worden ist, um zu erkennen, wie solche Zweielektroden- Dauerstrichentladungen erzeugt werden können. Um das Kollabieren der ge­ wünschten Glimmentladung in eine Bogenentladung zu verhindern, ist irgendein Mechanismus zum Verhindern der Bogenbildung notwendig. Ein solcher Mech­ anismus kann die Verwendung von Intervakuumkonvektionsgasströmung sein, durch die das Gas hoher Temperatur in den frühen Stufen des Glimmentla­ dungs-Gasentladungsübergangs zu einem benachbarten Bereich des Gases trans­ portiert werden kann, womit die Entwicklung eines Bogens verhindert wird. Ein anderer Mechanismus kann die Verwendung eines extern angelegten Magnet­ feldes sein zum Erzeugen von Kräften auf die geladenen Partikel in der Ent­ ladung derart, daß der Bogen destabilisiert wird. Alle diese Techniken lau­ fen dem Wunsch entgegen, ein weniger kompliziertes Gerät zu schaffen. In der letzten Dekade konzentrierte sich die Entwicklung von abgedichteten Lasern auf das Bereitstellen eines Mechanismus, der die Bildung des Glimmentla­ dungs-Bogenentladungsübergangs auf einem mehr fundamentalen Niveau verhin­ dert. So betont US-PS 41 69 251 die Notwendigkeit, eine Erregerfrequenz zu verwenden, die hinreichend hoch ist, um eine vernachlässigbare Wechselwir­ kung der Entladungselektronen mit den das elektrische Feld anlegenden Elek­ troden sicherzustellen. US-PS 43 73 202 gibt an, daß die Lasergesamtwirk­ samkeit für eine transverse Hochfrequenzentladung in den Geräten nach dem Stand der Technik unbefriedigend ist infolge des niedrigen Laserkopfwir­ kungsgrades, wenn die Hochfrequenz-Treiberfrequenz unter dem gewünschten Minimum liegt. Das U.S. Patent 43 73 202 lehrt die Notwendigkeit der Ver­ wendung einer longitudinalen Hochfrequenzentladungserregung zum Überwinden dieses geringen Wirkungsgrades. Wie in der Veröffentlichung "RF Excited Wa­ veguide CO₂ Laser Technology", Lasers ′82 Konferenz von Chenausky und Newman ausgeführt, ist "Das prinzipielle unterscheidende Merkmal der trans­ versen Hochfrequenzerregung, daß die "Übergangsbasis" der angelegten Entla­ despannung in der Form eines polaritätsumkehrenden elektrischen Wechselfel­ des zugeführt wird mit einer Frequenz, die typischerweise von 20 MHz bis 200 MHz liegt. "Chenausky und Newman berichten auch, daß "das einzige generelle Erfordernis, das relevant zu sein scheint, dasjenige für eine bestimmte Entladegeometrie und bestimmte Betriebsbedingungen ist, wobei die Feldum­ kehrzeit kurz sein muß relativ zur Wachstumszeit einer unerwünschten Plas­ mainstabilität". Die Vorteile der transversen Dauerstrich-Hochfrequenzerre­ gung werden ausführlich erörtert in US-PS 43 63 126, 44 38 514, 44 43 877 und 47 19 640.

Geht man von den Offenbarungen im Stand der Technik aus, ist zu erwarten, daß eine wesentliche transverse Gleichstromerregung zwischen zwei ausgedehnten Metallelektroden erfolglos sein wird, weil entweder die Fre­ quenz zu niedrig sein wird (Gleichspannung), was zu einer nicht vernachläs­ sigbaren Wechselwirkung mit den Entladeelektroden führt, oder weil irgendein destabilisierender Mechanismus fehlt für das Verhindern der Bildung einer Bogenentladung wie die Übergangsnatur des polaritätsumkehrenden elektrischen Entladefelds. Der Stand der Technik lehrt nämlich, daß die transverse Über­ gangsgleichstromerregung nur dann erfolgreich sein kann, wenn ihr mindestens räumlich multiplexierte und zeitlich multiplexierte Präionisierungsmittel vorangehen.

Die vorliegende Erfindung überwindet die oben kurz diskutierten sowie sonstige Unzulänglichkeiten und Nachteile des Standes der Technik durch Bereitstellung einer neuen und verbesserten Technik zum Erreichen ei­ ner co-volumetrischen, co-temporalen Gasentladung in dem optischen Hohlraum eines Lasers. Die vorliegende Erfindung umfaßt auch einen verbesserten Gas­ laser, der in Übereinstimmung mit dieser neuartigen Technik arbeitet und, während er dies tut, gekennzeichnet ist durch erhöhten Wirkungsgrad und verringerte Kompliziertheit im Vergleich mit dem Stand der Technik. Ein La­ sersystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist ferner gekennzeichnet da­ durch, daß nur zwei Elektroden verwendet werden und der Betrieb im gepulsten Modus erreichbar ist mit vergleichsweise hohen Pulswiederholungsfrequenzen und ohne Verwendung einer Intervakuumgasströmung. Ferner kann darüber hinaus Dauerstricherregung erreicht werden ohne Verwendung einer Gasströmung oder anderer komplizierter Destabilisierungsmechanismen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kommutiert ein Niederenergie­ schaltkreis, d. h. ein Schaltkreis, der eine vergleichsweise geringe Ener­ giemenge der Gasentladung zuführt, einen ungeschalteten Schaltkreis höherer Energie. Der Niederenergieschaltkreis und der Hochenergieschaltkreis arbei­ ten bei unterschiedlichen Frequenzen. Der Hochenergieschaltkreis umfaßt eine Gleichstromquelle einer gewählten Polarität oder eine nicht gleichgerichtete Quelle nieder- bis mittelfrequenten Wechselstroms. Der Niederenergieschalt­ kreis umfaßt eine Quelle hochfrequenten Wechselstroms und in einer bevor­ zugten Ausführungsform eine Funkfrequenzleistungs- oder Energiequelle. Die Höhe der Spannung, bereitgestellt von der Niederenergiewechselstromquelle, wird so ausgewählt, daß sie über der Durchbruchsspannung des Gases in dem optischen Laserhohlraum liegt. Der maximale Spannungspegel des Hochenergie­ schaltkreises wird so ausgewählt, daß er niedriger liegt als die Laserme­ diumdurchbruchsspannung und ist unabhängig einstellbar bezüglich eines Ver­ hältnisses des elektrischen Feldes zum Druck (E/P) von Null bis zu jenem Wert, der für optimale Lasererregung erforderlich ist, für optimale Laser­ mediumverstärkung oder für maximale Laserausgangsleistung.

Ein besonders vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß nur ein Paar von stabilen, leicht kühlbaren, massiven Metallelektroden erforderlich ist und demgemäß die Anzahl der Komponenten, die in der Laservakuumhülle unterzubringen sind, minimal ist. Darüber hinaus ermöglicht die vorliegende Erfindung, die Ausgangsleistung des Lasers ein­ fach zu verändern durch Ändern der Spannung niedriger Frequenz, hoher Lei­ stung oder hoher Energiequelle. Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung, daß die Vakuumhülle aus Metall bestehen kann und demgemäß einfach gekühlt wird.

Die Erfindung wird nachstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Präionierungslasers gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm eines Lasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 3 ist ein etwas mehr im Detail gehendes schematisches Dia­ gramm des Lasersystems nach Fig. 2.

Nachfolgend wird auf Fig. 2 und 3 eingegangen. In ihnen ist ein Lasersystem in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In Fig. 2 und 3 ist die Laservakuumhülle generell mit 10 bezeichnet. Eine planare, an Masse liegende Elektrode 12, eine zweite Form­ körperelektrode 14, ein keramisches Distanzstück 16 und ein weiteres, nichtleitendes Distanzstück 18 sind innerhalb der Vakuumhülle 10 positio­ niert. Die Formkörperelektrode 14 ist typischerweise gekrümmt, d. h. weist ein Chang- oder Rogowski-Profil auf für gepulste Hochdrucklaser, kann jedoch nahezu planar sein für Niederdruck-Dauerstrichlaser.

Das keramische Distanzstück 16 bestimmt den Abstand zwischen der oberen Elektrode 14, an der das erhöhte gewünschte Potential angelegt wird und der an Masse liegenden unteren Elektrode 12. Das Distanzstück 18 nimmt die obere Elektrode 14 und das Distanzstück 16 auf und stützt diese. Eine elektrische Verbindung zur Elektrode 14 wird aufgebaut vom Äußeren der Va­ kuumhülle 10 aus typischerweise über einen einzelnen leitenden Verbinder, der in der Wandung der Hülle montiert ist und in entsprechender Weise abge­ dichtet ist. Die elektrische Verbindung kann innerhalb der Hülle 10 einen Leiter 20 umfassen, der sich axial bezüglich einer Teflon- oder Keramik­ stange 22 erstreckt, welche in ein in das Distanzstück 18 gebohrtes Loch eingefügt ist. Die Vakuumhülle 10 besteht typischerweise aus Metall und liegt an Masse, wie dargestellt. Die Elektroden 12 und 14 wirken zusammen zum Begrenzen einer internen Kapazität C1 und in der dargestellten Ausfüh­ rungsform des Bereichs, wo eine Querentladung etabliert wird. Der Laser­ schaltkreis umfaßt auch eine zweite äußere Kapazität C2, die mit einem er­ sten Belag an die Elektrode 12 angeschlossen ist, das bedeutet ein erster Belag des Kondensators C2 ist an Masse gelegt. Eine Induktivität L1 ist zwischen Elektrode 14 und dem anderen Belag des Kondensators C2 angeschlos­ sen. Der Kondensator C2, die Induktivität L1 und die interne Kapazität C1 wirken zusammen und definieren ein Pi-Impedanzanpaßnetzwerk. Demgemäß ar­ beiten der Kondensator C2, die Induktivität L1 und der Kondensator C1 in der Art und Weise, wie sie in den US-Patentschriften 47 51 717 und 48 09 284 beschrieben ist, nämlich als ein Hochfrequenztransformator mit festgelegtem Übersetzungsverhältnis, der eine niedrige Impedanz bezüglich Hochfrequenz­ energie bei der Betriebsfrequenz präsentiert. Die Hochfrequenzenergiequelle ist in Fig. 2 bei 24 angedeutet. Die Quelle 24 ist an den Hochfrequenz­ transformator C1, L1, C2 über einen Kondensator C3 angekoppelt. In der Pra­ xis wird vor der Festlegung der Betriebsimpedanz der Präionisierungsentla­ dung, wie in Fig. 3 dargestellt, ein variables Impedanzanpaßnetzwerk mit Kondensatoren C4 und C5 und Induktivitäten L2 und L3 zwischen die Hochfre­ quenzquelle 24 und das Impedanzanpaßnetzwerk geschaltet. Demgemäß kann die Hochfrequenzenergiequellenimpedanz an die Impedanz des Lasers angepaßt wer­ den, wenn das Gas erregt wird, und zwar über einen weiten Bereich von Pump­ bedingungen und Gasgemischen. Bei einer praktisch verwirklichten Ausfüh­ rungsform wurde die Hochfrequenzenergiequelle mit 27,12 MHz betrieben und das Impedanzanpaßnetzwerk mit der Induktivität L1 und den Kondensatoren C1 und C2 transformierte den Entladeimpedanzpegel des Lasers auf etwa 50 Ohm.

Gepulste Gleichstromenergie wird dem Laser zugeführt mittels Ent­ ladung eines Kondensators C6, der geladen wird aus einer Gleichstromquelle 26. Alternativ wird Gleichspannung oder nicht gleichgerichtete niederfre­ quente Wechselleistung dem Laser von einer geeigneten Quelle zugeführt, die die Gleichspannungsquelle 26 und den Kondensator C6 ersetzt. Ein geeignetes Filter, repräsentiert durch die Induktivität L4 und den Kondensator C7 in Fig. 2, die in Parallelresonanz bezüglich der Frequenz der Quelle 24 sind, verhindert die Übertragung von Hochfrequenzenergie zu der Wechsel- oder Gleichstromquelle. Anders ausgedrückt wird die Quelle für Gleich- bzw. Wechselenergie oder Leistung hochfrequent abgeblockt durch das Filter, das als eine Hochfrequenzsperre wirkt. Die Hochfrequenzenergiequelle 24 wird geschützt, d. h. isoliert, bezüglich der Niederfrequenzenergiequelle durch Kondensator C3. Wie in Fig. 3 dargestellt, kann eine variable Induktivität L5 in Serie geschaltet werden mit der niederfrequenten Wechsel- oder Gleichstromenergiequelle und das Laserimpedanzanpaßnetzwerk, um zunächst die Stromanstiegszeit von Quelle 26 in die Laserentladung zu moderieren. Wenn also eine Induktivität L5 verwendet wird, funktioniert sie dahingehend, daß zunächst der Gleichstromfluß von Kondensator C6 (Fig. 2) zur Gasentladung verzögert wird, um sicherzustellen, daß das Gas im Laserhohlraum im wesent­ lichen vollständig ionisiert ist vor der Einspeisung von Energie aus der Hochenergiequelle in die Entladung.

Alle oben beschriebenen Komponenten mit Ausnahme der Hoch- bzw. Niederenergiequellen oder der gleich- bzw. ungleich-gerichteten Wechsel­ stromquelle und der hochfrequenten Präionisierungsquelle 24 werden typisch­ erweise innerhalb eines abgeschirmten Gehäuses 28 montiert, das seinerseits an der Vakuumhülle 10 befestigt und typischerweise von dieser getragen wird, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 3 angedeutet. Fig. 3 bezeichnet den Hochfrequenzeingang mit 30 und den Gleichstromeingang mit 32.

Der Laser umfaßt natürlich einen optischen Hohlraum, der teilweise begrenzt wird durch ein Paar von beabstandeten, einander zugekehrten Spie­ geln. Die Gasentladung erfolgt in dem Bereich zwischen diesen Spiegeln wie zwischen Elektroden 12 und 14. In einer Ausführungsform bestanden beide Elektroden aus Aluminium, und der Minimalabstand zwischen den Elektroden betrug 1 cm; die Elektrode 12 war flach, und die Elektrode 15 war leicht an den Endpunkten abgerundet, um geringfügig den Elektrodenabstand zu vergrö­ ßern. Der gepulste Hochfrequenzgleichstromlaser wurde mit einem Druck von 33 Torr bei einer Wiederholungsrate von über 200 Hz betrieben, vollständig ab­ gedichtet und ohne irgendwelche Gasrezirkulation. In diesem Ausführungsbei­ spiel betrug die gesamte mittlere Ausgangsleistung des 1 cm×1 cm×17 cm langen Lasermediums 0,46 Watt von einer untergekoppelten Fresnelzahl 9,1, Gaußschen freiraumstabilen Hohlraums unter Verwendung von 99% reflektie­ renden Spiegeln an jedem Hohlraumendpunkt. Das Lasergasgemisch, verwendet für diese Experimente war CO₂-N₂-He im Verhältnis 4,5%, 13,5%, 82% und die maximale Ausgangsleistung wurde mit einer Gleichspannung von 400 Volt oder bei einem Verhältnis E/P von 12 Volt pro cm Torr erzielt.

In einer anderen Ausführungsform, bei der beide Elektroden aus korrosionsfestem Stahl gefertigt waren und die flache Elektrode 12 in einem konstanten Abstand von 1,07 cm durch ein Distanzstück 16 aus Aluminiumoxid von einer nominell 13,5 cm langen Elektrode mit Chang Profil mit K=0,2 ge­ halten wurde (T.Y. Chang, "Improved Uniform-Field Electrode Profiles for TEA Laser and High Voltage Application", Review of Scientific Instruments, Vol. 44, No. 4, April 1973, Seiten 205-407), wurde eine Laserausgangsenergie von 73 mJ/Impuls bei einer Pulswiederholungsfrequenz von über 10 Hz erreicht bei einem Druck von 225 Torr, wenn ein 28 Kilowatt, 1 Mikrosekunden breiter 27,12 MHz Hochfrequenzimpuls 626 mJ von einem 105 nF Kondensator durch­ schaltete, aufgeladen auf 3450 Volt. In diesem Falle wurde die gesamte spe­ zifische Lasereingangsenergie von 146 J/LA umgesetzt in einen Laserausgang mit einem Wirkungsgrad von 11,2% und nur 28 mJ der Hochfrequenzenergie war erforderlich, um 626 mJ Gleichspannungsenergie von der ungeschalteten Hauptentladeenergiequelle (26, C6) für ein Gleichspannungs-/HF Kommuta­ tionsverhältnis von 22 : 1 auszulösen, und bei etwas niedrigeren Drücken wur­ den Kommutationsverhältnisse von 70 : 1 erzielt. Gemäß der bevorzugten Aus­ führungsform wird die Vakuumhülle abgedichtet und nur nichtkatalysierte Ge­ mische von CO₂, N₂ und He wurden verwendet, und demgemäß ist das Gerät ein nichtzirkulierender transvers erregter Laser.

Im Betrieb wird Energie von der höherfrequenten Wechselstromquelle 24 zwischen den Elektroden 12 und 14 angelegt, um das Lasermedium zu präio­ nisieren. Leistung von Quelle 24 muß an den Elektroden 12 und 14 derart an­ gelegt werden, daß eine Spannung oberhalb jener, die erforderlich ist zum Etablieren einer weichen Gasentladung, vorhanden ist. Wenn eine Entladung in dem optischen Hohlraum durch die Niederenergiequelle 24 etabliert wird, wird ein Pfad für die Entladung der Kapazität C6 (oder ein Pfad für niederfre­ quenten nichtgleichgerichteten Wechselstrom von einer geeigneten Quelle) erzeugt und Energie fließt dementsprechend von der Hochenergiequelle, d. h. die Niederenergiequelle 24 kommutiert die Hochenergiequelle 26, C6. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Ausgangsleistung eines Dauer­ strichlasers zu vergrößern durch Verwendung von weniger Hochfrequenzleistung und dafür Verwendung weniger teurer Gleichleistung oder ungleichgerichteter Wechselleistung. Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Präionisierungsentladung zu etablieren mit einem geringen Anteil der gesamten Entladeleistung und Einführen der verbleibenden Lasereingangslei­ stung von der Quelle 24 bei einer Spannung, die bei einem Optimum für die Lasererregung liegt, da es im Stand der Technik bekannt ist, daß die opti­ male Spannung für die Erregung niedriger ist als die Spannung, bei der der Entladedurchbruch stattfindet. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein einfaches Mittel bereitzustellen, durch das die Aus­ gangsleistung eines konventionellen transvers HF-erregten gepulsten oder Dauerstrichlasers geändert werden kann, ohne daß ein entsprechender Justa­ geeingriff am Impedanzanpaßnetzwerk für die HF-Quelle 24 erfolgen muß. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, das höchste Ver­ hältnis der Energie, die der Entladung von Quelle 26, C6 zugeführt wird, zu derjenigen der Quelle 24 zu erreichen. Bis zur Gegenwart reichende Experi­ mente zeigen, daß Energiekommutationsverhältnisse von mindestens der Größe 70 : 1 erzielbar sind.

Die Wirtschaftlichkeit, eine wesentliche Erregung über die Quelle 26, C6 bereitzustellen, ist sehr wichtig. Ein typischer Entladewirkungsgrad für einen 100 Watt Dauerstrich-HF erregten CO₂ Laser kann in der Größenord­ nung von 10% liegen und deshalb müssen etwa 1000 Watt HF-Leistung an das Lasermedium angelegt werden, um einen 100 Watt Ausgang zu erzielen. Wenn ein transverser Entladelaser einen Elektrodenabstand von etwa 1 cm besaß und einen Druck von etwa 25 Torr, würde dann, wenn 500 der 1000 Watt über die Quelle 26 zugeführt werden könnten, der Spannungspegel für diese Quelle nur etwa 5 V/cmT oder etwa 125 Volt betragen. Ein Wellenleiterlaser mit einem Entladespalt von 1/5 cm bei einem Betriebsdruck von 125 Torr würde ähnliche Spannungserfordernisse aufweisen. 500 Watt HF-Leistung können leicht zwei Dollar pro Watt mehr kosten als eine 500 Watt/125 Volt-Gleichspannungs­ quelle. Auch wäre eine 125 Volt 100 KHz Rechteckwellenquelle sogar noch we­ niger teuer, da die Wechselspannung nicht gleichgerichtet zu werden brauchte und damit die beiden Diodengleichrichter und Filterkondensatoren einer sol­ chen Gleichspannungsspeisequelle entfielen. In vielen Fällen kann der Wir­ kungsgrad der HF-Quelle nur bei 50% liegen und deshalb bedeutet die Ver­ ringerung von 500 Watt der System-HF-Leistung eine Verringerung von 1000 Watt System-Primärleistung. Demgemäß kann die Anwendung der Lehren der vor­ liegenden Erfindung die Herstellungskosten eines 100 Watt Dauerstrichlasers um $1000 bis $1500 im Jahr 1990 verringern.

Wenn für einen 100 Watt Dauerstrichlaser die Laserausgangsleistung auf 10 Watt zu reduzieren ist, dann muß typischerweise die Lasereingangs­ leistung um 50 bis 100 Watt verringert werden, da der Laser üblicherweise bei niedrigeren Eingangsleistungen einen höheren Wirkungsgrad besitzt. Über diesen Eingangsleistungsbereich kann die Entladeimpedanz sich gemäß den Ohmschen Gesetzen um einen Faktor von 10 bis 20 ändern. Demgemäß muß ein variables Anpaßnetzwerk vorgesehen werden, das automatisch die festliegende HF-Quellenimpedanz an die Laserentladeimpedanz anpaßt. Die Anwendung der Lehren der vorliegenden Erfindung ermöglicht, daß die niederfrequente un­ gleichgerichtete Wechsel- oder Gleichspannung zu ändern ist, was trivial ist im Vergleich mit dem Vorsehen eines variablen Impedanzanpaßnetzwerks.

Ein hohes Kommutationsverhältnis ist von besonderer Bedeutung, indem es die Leistungserfordernisse verringert für eine Hochfrequenzpräio­ nisierungsenergiequelle. Bezüglich der Erreichung der höchsten möglichen Kommutationsverhältnisse müssen, wenn ein 10 J/Impulsausgang von einem Kurzimpuls CO₂-Laser gewünscht wird, und wenn ein Laser gebaut wird mit konventioneller Technologie, ein Gasrezirkulator und Multielektrodenanord­ nungen verwendet werden. Werden die Lehren der vorliegenden Erfindung be­ nutzt, würde für einen Entladungswirkungsgrad von 10% und einen Ausgangs­ impuls mit einer Breite von Mikrosekunden und einem Kommutationsverhältnis von 50 : 1, der 100 Joule/Impulseingang sich zusammensetzen aus 98 J/Impuls von einem Energiespeicherkondensator und 2 J/Impuls von der Hochfrequenz­ präionisierungsquelle. Eine Hochfrequenzquelle mit niedrigem Taktverhältnis und 2000 KW bei 1 Mikrosekunden-Puls Breite ist viel günstiger als einen Gasrezirkulator benutzen zu müssen. Die Größe eines solchen Lasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird außerdem minimal gehalten durch das Eliminieren von Schalteinrichtungen, wie Thyratrons, wie sie üblicherweise im Stand der Technik verwendet werden (siehe Fig. 1). Die vorliegende Er­ findung ermöglicht auch eine Verringerung der Kompliziertheit des Lasers und damit eine Verbesserung bezüglich der Verläßlichkeit durch die Verwendung von nur zwei Elektroden im Laser.

Zusammengefaßt liegt also ein Multiplexen hinsichtlich Raum und Zeit nur insofern vor, als die Trägerfrequenzen der beiden Erregerquellen unterschiedlich sind. Die Erregerquellen koionisieren das Lasermedium ko­ temporär und kovolumetrisch, werden jedoch multiplex bezüglich ihrer Trä­ gerfrequenzen.

Claims (22)

1. Verfahren für die Erzeugung von kohärentem Licht durch Erzeu­ gen einer hochenergetischen, elektrischen Entladung in einem gasförmi­ gen Lasermedium ohne Übertragung von Energie auf das Lasermedium zum Bewir­ ken von dessen Präionisierung, welches Verfahren die Schritte umfaßt:
Anlegen einer Spannung einer ersten Quelle elektrischer Leistung mit einer ersten Frequenz an ein Paar beabstandeter Elektroden, die inner­ halb einer Vakuumhülle eines Lasers positioniert sind, wobei das Lasermedium ein zu Laserschwingungen anregbares Gasgemisch umfaßt, das zwischen den Elektroden angeordnet ist, wobei die angelegte Spannung von der ersten Lei­ stungsquelle das Etablieren einer ersten elektrischen Entladung in dem La­ sermedium bewirkt, wodurch Energie von der ersten Quelle in die erste Ent­ ladung eingespeist wird und
Einspeisen von Energie von einer zweiten Quelle elektrischer Lei­ stung in die erste Entladung in dem Lasermedium, welche zweite Quelle eine Spannung bei einer Frequenz bereitstellt, die abweicht von der ersten Fre­ quenz, wobei die zweite Quelle an die Elektroden angelegt ist vor Anlegen der ersten Speisespannung an die Elektroden, wobei die Koeinspeisung von Energie von der ersten Leistungsquelle in die erste Entladung in das Laser­ medium mit Energie von der zweiten Leistungsquelle bei Etablieren der ersten Entladung erfolgt, wodurch die erste Quelle einen vergleichsweise kleinen Energieanteil der Gasentladung zuführt zum Kommutieren der nichtgeschalteten zweiten Quelle, welche mehr Energie in die Entladung als die erste Quelle einspeist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Leistungsquelle eine Dauerleistungsquelle ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Leistungsquelle eine gepulste Quelle ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Frequenz der ersten Leistungsquelle höher ist als die Frequenz der zweiten Leistungsquelle.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Frequenz der ersten Leistungsquelle niedriger ist als die Frequenz der zweiten Leistungsquelle.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweite Leistungsquelle Leistung in das Lasermedium über eine ungeschaltete kapazitive Entladung einspeist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die in das Lasermedium durch die zweite Leistungsquelle eingespeiste Leistung in einer Induktivität gespeichert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die in das Lasermedium von der zweiten Leistungsquelle eingespeiste Leistung in einer Kapazität und einer Induktivität gespeichert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweite Leistungsquelle eine nichtgleichgerichtete Rechteckwelle an die Elekroden anlegt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweite Leistungsquelle eine nichtgleichgerichtete Sinuswelle an die Elektroden anlegt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ausgangsspannung der zweiten Leistungsquelle eine größere Amplitude oberhalb 0 Volt besitzt als sie unterhalb 0 Volt besitzt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ausgangsspannung der zweiten Leistungsquelle eine kleinere Amplitude oberhalb 0 Volt besitzt als sie sie unterhalb 0 Volt hat.

13. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt:
Verzögern der Leistungsabgabe von der zweiten Leistungsquelle an das Lasermedium bei erstem Etablieren der Entladung.

14. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Verhinderns der Rückkopplung von Energie von der ersten Leistungsquelle auf die zweite Leistungsquelle.

15. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Verhinderns der Einspeisung von Leistung von der zweiten Leistungsquelle in die erste Leistungsquelle.

16. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Länge der Elektroden den Abstand zwischen den Elektroden überschreitet und die Entladung trans­ vers erregt wird durch das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Abstand zwischen den Elektroden die Länge der Elektroden übersteigt.

18. Laser, umfassend:
eine Vakuumhülle, ein Paar langgestreckter Elektroden, die inner­ halb der Vakuumhülle im Abstand voneinander abgestützt sind, ein ionisier­ bares Gas innerhalb der Vakuumhülle und zwischen den Elektroden, ein Imped­ anzanpaßnetzwerk, umfassend zumindest eine Serienschaltung einer Induktivi­ tät und einer Kapazität, welches Impedanzanpaßnetzwerk an die beiden Elek­ troden des beabstandeten Paares angeschlossen ist, eine erste Leistungs­ quelle, die eine Wechselspannung bereitstellt mit einer Höhe, die hinreicht zum Ionisieren des Gases zwischen den im Abstand liegenden Elektroden, Mit­ tel zum Ankoppeln der ersten Leistungsquelle an das Impedanzanpaßnetzwerk, wodurch die Wechselspannung an die Elektroden angelegt wird, um durch das Gas zu ionisieren und eine Entladung durch das Gas zwischen den Elektroden aufzubauen, wobei Energie in die Entladung aus der ersten Quelle eingespeist wird, eine zweite Leistungsquelle, die eine Spannung bereitstellt mit einer Höhe, die kleiner ist als die Durchbruchsspannung des Gases zwischen den im Abstand liegenden Elektroden und Mittel zum Etablieren eines durchgehenden Pfades für den Stromfluß von der zweiten Leistungsquelle zu dem Impedanzan­ paßnetzwerk, wodurch die zweite Quelle von der ersten Quelle kommutiert wird und Energie gleichzeitig eingespeist wird von der ersten und der zwei­ ten Leistungsquelle in die Gasentladung, wenn sie durch die erste Quelle etabliert worden ist, wobei die erste Quelle einen vergleichsweise kleinen Anteil der Energie für die Gasentladung liefert zum Kommutieren der zweiten nichtgeschalteten Quelle, welche einen größeren Energieanteil an die Entla­ dung liefert als die erste Quelle.

19. Verfahren zum Schalten der in einem Kondensator gespeicherten Energie in eine Belastungsimpedanz, umfassend die Schritte:
Anlegen einer Spannung von einer ersten Quelle elektrischer Lei­ stung mit einer ersten Frequenz an ein Paar im Abstand liegender Elektroden, die innerhalb einer Vakuumhülle positioniert sind und zwischen denen ein Gasgemisch befindlich ist, wobei die angelegte Spannung der ersten Lei­ stungsquelle die Ionisierung von Gas in dem Gemisch bewirkt, wodurch Energie von der ersten Quelle in das ionisierte Gas eingespeist wird, und
Einspeisen von Energie von einer zweiten Quelle elektrischer Lei­ stung in das ionisierte Gas, wobei die zweite Leistungsquelle eine Spannung bereitstellt mit einer von der ersten Frequenz abweichenden Frequenz, wobei die zweite Leistungsquelle in Serie mit einer Belastungsimpedanz an die Elektroden angeschaltet ist vor dem Anlegen der ersten Leistungsquellen­ spannung an die Elektroden, wobei die Ionisierung des Gases, bewirkt durch das Anlegen der ersten Leistungsquellenspannung, bewirkt, daß Energie von der zweiten Quelle teilweise in das ionisierte Gas und die Serienbela­ stungsimpedanz eingespeist wird, wodurch die erste Quelle einen verhältnis­ mäßig kleinen Energieanteil dem ionisierten Gas zuführt zum Kommutieren der nichtgeschalteten zweiten Quelle, die einen größeren Energieanteil dem io­ nisierten Gas als die erste Quelle zuführt, und wobei Energie von der ersten und der zweiten Quelle gleichzeitig in das ionisierte Gas eingespeist wird.

20. Verfahren für die Erzeugung von Licht, umfassend die Schritte:
Anschließen einer ersten Quelle elektrischer Leistung einer ersten Frequenz an ein Paar im Abstand liegender Elektroden, zwischen denen sich ein Gas befindet, wobei eine zweite Quelle elektrischer Leistung einer zweiten Frequenz, die von der ersten Frequenz abweicht, vorher mit den Elektroden verbunden worden ist, wobei die erste Leistungsquelle ausschließ­ lich das Etablieren einer elektrischen Entladung durch das nicht erregte Gas bewirkt, wodurch Energie von der zweiten Leistungsquelle gleichzeitig in das Gas eingespeist wird mit Energie von der ersten Leistungsquelle und die er­ ste Leistungsquelle einen vergleichsweise kleinen Energieanteil in die Ent­ ladung einspeist zum Kommutieren der nichtgeschalteten zweiten Quelle, die einen größeren Energieanteil als die erste Quelle in die Entladung ein­ speist.

21. Verfahren zum Hervorrufen einer gleichförmigen hochenergeti­ schen Entladung in einem Hochdruckgasmedium zwischen einem Paar im Abstand liegender, im wesentlichen paralleler Elektroden, umfassend die Schritte:
Füllen des Bereichs zwischen dem Paar im Abstand liegender Elek­ troden mit einem gasförmigen Medium,
Laden des Paares der im Abstand lie­ genden Elektroden mit einer Gleichstrompotentialdifferenz, die unterhalb der Durchschlagsspannung des gasförmigen Mediums liegt und
Erzeugen einer niederenergetischen Entladung in dem Bereich zwi­ schen dem Paar der im Abstand liegenden Elektroden ohne Einspeisung von Präionisierungsenergie in das Medium, wodurch eine Energieströmung von der Gleichstrompotentialdifferenz zwischen dem Paar von im Abstand liegenden Elektroden eintritt und eine kovolumetrische und kotemporale Entladung in dem Bereich zwischen den Elektroden eingeleitet wird, wobei die niederener­ getische Entladung Energie zum Kommutieren einer Hochenergieentladung von der Gleichstrompotentialdifferenz liefert.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Schritt des Erzeugens einer niederenergetischen Entladung das Ankoppeln einer Wechselstromquelle an das Paar im Abstand liegender Elektroden umfaßt, wobei die Höhe der von der Wechselstromquelle bereitgestellten Spannung hinreichend groß ist zum Bewirken der Ionisierung des gasförmigen Mediums.