DE4124741C2 - Laseroszillatorschaltung mit Speicherschaltung und Magnetimpulskompressionskreis - Google Patents
Laseroszillatorschaltung mit Speicherschaltung und MagnetimpulskompressionskreisInfo
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- DE4124741C2 DE4124741C2 DE4124741A DE4124741A DE4124741C2 DE 4124741 C2 DE4124741 C2 DE 4124741C2 DE 4124741 A DE4124741 A DE 4124741A DE 4124741 A DE4124741 A DE 4124741A DE 4124741 C2 DE4124741 C2 DE 4124741C2
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Description
Die Erfindung betrifft eine Laseroszillatorschaltung gemäß
Patentanspruch 1 und Patentanspruch 8.
Fig. 16 zeigt, wenn auch nicht im einzelnen, ein typisches
Schaltbild eines im Diodenmodus arbeitenden Impulsentladungs
pumpkreises einer konventionellen Laseroszillatorschaltung.
Die beispielhafte Schaltung basiert auf einem Aspekt der Be
schreibung in "Applied Physics Letters", Bd. 48, Nr. 23, 9. Ju
ni 1986, S. 1574-1576.
Dabei umfaßt die konventionelle Impulsentladungspumpschaltung
im wesentlichen ein Lasergehäuse 1, einen Spikerkondensator
6, eine Stromquelle zum Aufladen des Spikerkondensators 6
bzw. eine Spikerladestromquelle 7, einen Erhaltungskondensa
tor 11 und eine Erhaltungskondensatorladestromquelle 12.
Das Lasergehäuse 1 enthält ein mit einem vorgegebenen Druck
darin hermetisch eingeschlossenes Lasergas 2. Eine erste
Hauptelektrode 3 und eine zweite Hauptelektrode 4 sind einan
der gegenüberstehend in dieser Lasergasatmosphäre 2 angeord
net, wobei eine Anregungsentladung 5 an den Hauptelektroden 3
und 4 induziert werden soll.
Der Spikerkondensator 6 ist den Hauptelektroden 3 und 4 zur
Energiezufuhr parallelgeschaltet, um eine gleichförmige Anre
gungsentladung 5 zwischen den Hauptelektroden 3 und 4 auszu
lösen, indem an sie eine steil ansteigende Impulsspannung an
gelegt wird, deren Anstiegsgeschwindigkeit typischerweise
200-400 kV/µs beträgt.
Die Spikerladestromquelle 7 umfaßt eine Hochgleichspannungs
quelle 8, einen Impulsladekondensator 9 und einen Schalter
SW1 10.
Der Erhaltungskondensator 11 ist der Erhaltungskondensatorla
destromquelle 12 und ferner über einen magnetischen Isolator
13 mit der Hauptelektrode 3 und mit der anderen Hauptelektro
de 4 direkt parallelgeschaltet. Die Erhaltungskondensatorla
destromquelle 12 liefert die Hauptenergie zur Erhaltung der
Anregungsentladung 5, die zwischen den Hauptelektroden 3 und
4 erzeugt wird. Der magnetische Isolator 13 führt die Um
schaltung der im Erhaltungskondensator 11 gespeicherten Ener
gie zur ersten bzw. zur zweiten Hauptelektrode 3 bzw. 4
durch.
Nachstehend wird der Betrieb der konventionellen Impulsentla
dungspumpschaltung unter Bezugnahme auf Fig. 17 beschrieben.
Zuerst wird der Erhaltungskondensator 11 von der Erhaltungs
kondensatorladestromquelle 12 auf eine vorbestimmte Ladespan
nung VOPFN aufgeladen. Dann wird der Spikerkondensator 6 von
der Spikerladestromquelle 7 aufgeladen, wobei der Impulslade
kondensator 9 vorher von der Hochgleichspannungsquelle 8 auf
geladen wurde, und dann der Schalter 10 eingeschaltet wurde.
In diesem Zustand wird die im Impulsladekondensator 9 gespei
cherte elektrische Ladung abrupt zum Spikerkondensator 6
übertragen, so daß an die erste und die zweite Hauptelektrode
3 und 4, die dem Spikerkondensator 6 parallelgeschaltet sind,
eine steil ansteigende Impulsspannung angelegt wird.
Wenn die an den beiden Hauptelektroden 3 und 4 ausgebildete
Spannung einen Durchbruchpegel Vb erreicht, fließt die im
Spikerkondensator 6 gespeicherte elektrische Ladung in den
Zwischenraum zwischen den beiden Hauptelektroden 3 und 4 in
einer solchen Breite, daß die Anregungsentladung 5 ausgelöst
wird. Nach kurzer Zeit wird vom Erhaltungskondensator 11
Energie zum Pumpen des Lasers injiziert, und Laserstrahlung
mit der Ausgangsleistung P wird in einer zur Zeichenebene
senkrechten Richtung emittiert.
Wenn unter den genannten Umständen ein Lasergas 2 in dem Be
reich, in dem die Anregungsentladung 5 stattfindet, vor oder
gleichzeitig mit dem Anlegen der Spannung an die beiden Haup
telektroden 3 und 4 durch Röntgenstrahlen, UV-Strahlen oder
UV-Laserstrahlen gleichmäßig ionisiert wird, bewirkt die An
regungsentladung 5 eine gleichmäßige Entladung, die für das
gewünschte Pumpen des Lasers erforderlich ist.
Nach Ablauf einer gewissen Zeitdauer seit der Auslösung der
gleichförmigen Entladung zwischen den Hauptelektroden 3 und 4
durch die Energie, die vorher im Spikerkondensator 6 gespei
chert wurde, nimmt der magnetische Isolator 13 seinen Ein
schaltzustand an. Zu diesem Zeitpunkt fließt die im Erhal
tungskondensator 11 gespeicherte Energie in den Zwischenraum
zwischen den Hauptelektroden 3 und 4 und löst eine Laser
schwingung aus.
Die Diagramme von Fig. 17 zeigen jeweils den zeitlichen Ver
lauf:
- a) der Spannung Vg (auf der Ordinate) an den Hauptelektroden 3 und 4,
- b) des Stroms in (auf der Ordinate) vom Erhaltungskonden sator 11 zu den Hauptelektroden 3 und 4 und
- c) der Ausgangsleistung P (auf der Ordinate) des Lasers.
Wie vorstehend beschrieben, wird durch Anlegen der steil an
steigenden Impulsspannung an die beiden Hauptelektroden 3 und
4 vom Spikerkondensator 6, um die gleichförmige Anregungsent
ladung 5 zu induzieren, ein Entladungswiderstand des Gases in
einem Bereich zwischen den Hauptelektroden 3 und 4 auf einen
Wert eines quasi-stabilen Zustands reduziert. Dann wird die
zum Pumpen des Lasers erforderliche Hauptenergie in den Be
reich zwischen den Hauptelektroden 3 und 4 vom Erhaltungskon
densator 11 injiziert, dessen Wellenwiderstand gleich dem
Wert des Entladungswiderstands ist. Ein derartiges Entla
dungspumpsystem ist insofern vorteilhaft, als die Energie in
ein Lasergas mit geringem Entladungswiderstand, wie es im Ex
cimer-Laser verwendet wird, effektiv injiziert werden kann.
Allgemein wird dieses Entladungspumpsystem als Spiker/Er
halter-System bezeichnet.
Um im übrigen das Laserpumpen bei dieser Schaltung effektiv
durchführen zu können, ist es wichtig, daß ein gleichförmiges
Entladungspumpen durch Injektion der im Spikerkondensator 6
gespeicherten Energie ausgelöst wird. Eine dazu geeignete
Maßnahme ist das Anlegen einer steil ansteigenden Spannung an
die beiden Hauptelektroden 3 und 4, um die Entladung mit ei
ner Spannung auszulösen, die in bezug auf eine Durchbruch
spannung zum Zeitpunkt des Anlegens einer Gleichspannung oder
einer langsam ansteigenden Gleichspannung ausreichend hoch
ist.
Der Anstieg der Spannung an den Hauptelektroden 3 und 4 bei
der konventionellen Schaltung ist durch die Übergangsrate der
elektrischen Ladung vom Impulsladekondensator 9 zum Spiker
kondensator 6 bestimmt. Diese Tatsache wird unter Bezugnahme
auf das Ersatzschaltbild von Fig. 18, das der Entladungs
pumpschaltung von Fig. 16 entspricht, quantitativ veranschau
licht.
In dem Ersatzschaltbild ist 14 eine Streuinduktivität L1 ei
ner Schleife, durch die der Interkapazitäts-Ladungsübergangs
strom it vom Impulsladekondensastor C3 zum Spikerkondensator
C2 durch den Schalter SW1 10 fließt. 15 ist der Leitungswi
derstand R1 der Schleife des Stroms it; 16 ist ein äquivalen
ter Schalter SWd für die Anregungsentladung 5; 17 bezeichnet
eine Streuinduktivität Ld für den Umfangsbereich um die Anre
gungsentladung 5, und 18 ist ein Leitungswiderstand Rd für
den Umfangsbereich um die Anregungsentladung 5. 19 ist eine
Streuinduktivität Ls in einer Schleife, durch die der Entla
dungsstrom in vom Erhaltungskondensator C1 (11) in einen Be
reich der Anregungsentladung 5 fließt, und 20 ist ein Lei
tungswiderstand Rs in der Schleife des Stroms in.
Wenn eine anfängliche Ladespannung für den Impulsladekonden
sator 9 mit V30 gegeben ist, ist eine mittlere Anstiegsrate
(dV2/dt)ave der Spannung bis zu einem Zeitpunkt, zu dem die
Ladespannung V2 für den Spikerkondensator 6 ihren Spitzenpe
gel erreicht, durch die folgende Gleichung gegeben:
Wenn c2 = c3 gegeben ist als:
mit c1, c2 und c3 jeweils die Kapazität des Kondensators 11, 6
bzw. 9 und:
Ferner ist der Leitungswiderstand R1 ausreichend klein, um
vernachlässigbar zu sein.
Wenn typische Werte wie folgt gegeben sind:
L1 = 800 nH,
c2 = c3 = 6 nF,
V30 = 50 kV und
VOPFN = 10 kV,
c2 = c3 = 6 nF,
V30 = 50 kV und
VOPFN = 10 kV,
dann erhält man (dV2/dt)ave = 260 kV/µs, was aber keinen aus
reichend raschen Anstieg bedeutet. Um die Anstiegscharakteri
stik zu verbessern, ist aus der obigen Gleichung (2) ersicht
lich, daß die Verringerung der Streuinduktivität L1 in der
Schleife des Stroms it effektiv ist:
Die vorgesehene Verringerung ist jedoch schwierig, weil sie
durch die strukturelle Induktivität eines Thyratrons oder ei
ner ähnlichen Schalteinrichtung begrenzt ist, die bei einer
repetitiven Schwingung mit hoher Wiederholungsfrequenz von
beispielsweise hundertmal pro Sekunde die Umschaltung durch
führt. Außerdem besteht bei der Schaltung von Fig. 16 eine
Ruheperiode einer bestimmten Dauer seit der Auslösung der
Spikerentladung mit der Spannung Vb bis zu einem Zeitpunkt,
zu dem der Strom in vom Erhaltungskondensator 11, der vorher
auf VOPFN aufgeladen wurde, zu fließen beginnt, wie die Dia
gramme (a) und (b) von Fig. 17 zeigen. Die Ruheperiode ergibt
sich aus der Erzeugung von Magnetfluß in einer Richtung, wo
bei der magnetische Isolator 13 während einer Zeitdauer seit
dem Einschalten des Schalters SW1 10 bis zur Auslösung der
Spikerentladung in seinen Rückstellzustand gebracht ist. Um
den magnetischen Isolator 13 in seinen Ein-Zustand zu brin
gen, muß ein Magnetfluß erzeugt werden, dessen Richtung der
jenigen des oben genannten Magnetflusses entge
gengesetzt ist. Mit anderen Worten wird der Strom in während
eines Zeitraums unterbrochen, bis der schraffierte Bereich
S2, der dem schraffierten Bereich S1 äquivalent ist, in dem
Diagramm (a) von Vg in Fig. 17 erreicht ist.
Die Resultate von durchgeführten Experimenten haben gezeigt,
daß 1. bei Durchführung einer repetitiven Schwingung in die
ser Betriebsart die Gleichförmigkeit der Spikerentladung auf
grund des Vorhandenseins der Ruheperiode nicht aufrechterhal
ten blieb und 2. die Ausgangsleistung bei einer Frequenz der
repetitiven Schwingung von mehr als 300 Hz gesättigt oder re
duziert war.
Zur Lösung dieses Problems wird eine Schaltung mit einer
"Schaltbetriebsart" auf der Basis der Offenbarung in "Applied
Physics Letters", Bd. 48, Nr. 23, S. 1574-1576, vorgeschlagen.
Die Schaltung in dieser "Schaltbetriebsart" ist in Fig. 19
gezeigt, und ihre Signalverläufe sind in Fig. 20 gezeigt.
In Fig. 19 bezeichnet 21 eine Spiker-Umpolungsladestrom
quelle, deren Polarität derjenigen der Erhaltungskondensator-
Ladestromquelle 12 entgegengesetzt ist, und 22 ist eine Hoch
gleichspannungsquelle entgegengesetzter Polarität, die die
Spiker-Umpolungsladestromquelle 21 realisiert.
Die Schaltung von Fig. 19 ähnelt stark derjenigen von Fig.
16, unterscheidet sich aber davon 1. dadurch, daß die Lade
polarität der Spiker-Umpolungsladestromquelle 21 derjenigen
der Erhaltungskondensator-Ladestromquelle 12 entgegengesetzt
ist und 2. in bezug auf den Anschlußpunkt der Erhaltungskon
densator-Ladestromquelle 12 an die Lasereinrichtung.
Die Schaltung nach Fig. 19 soll die Laserschwingung wie folgt
erzeugen: Zuerst wurde der Erhaltungskondensator 11 von der
Erhaltungskondensator-Ladestromquelle 12 mit positiver Pola
rität aufgeladen, und zu dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung
am Erhaltungskondensator 11 die Ladespannung VOPFN erreicht,
wird der Spikerkondensator 6 von der Spiker-Umpolungslade
stromquelle 21 mit negativer Polarität geladen. Dann wird zu
einem Zeitpunkt, zu dem die Spannung Vg an den Hauptelektro
den 3 und 4 die negative Durchbruchspannung Vb erreicht, die
im Spikerkondensator 6 gespeicherte Energie in den Bereich
der Anregungsentladung 5 in solcher Breite injiziert, daß ei
ne Spikerentladung induziert wird. Andererseits führt der ma
gnetische Isolator 13 die Umschaltung um ein Produkt V. t ent
sprechend dem schraffierten Bereich S3 des Diagramms (a) in
Fig. 20 durch, so daß der Pumpstrom aus dem Erhaltungskonden
sator 11 in den Entladungsbereich fließen kann.
Da jedoch in diesem Fall der Vorgang der negativen Aufladung
des Spikerkondensators 6 in einer Richtung erfolgt, in der
der magnetische Isolator 13 eingestellt ist, tritt die im
"Diodenmodus" beobachtete Ruheperiode bis zum Beginn des
Fließens des Erhaltungskondensatorstroms kaum auf. Wenn der
Magnetkernbereich des magnetischen Isolators 13 so ausgelegt
ist, daß die Ruheperiode hinreichend kurz sein kann, wird die
Laserschwingung unmittelbar nach dem Fließen des Stroms vom
Erhaltungskondensator 11 aufgrund des Pumpens infolge der
Spikerentladung ausgelöst, und es wird eine Schwingung mit
höherer Ausgangsleistung bei höherem Wirkungsgrad als im
"Diodenmodus" realisiert. Im "Schaltmodus" ist die Erhal
tungskondensator-Ladestromquelle deshalb an einer Stelle an
geschlossen, die sich von dem vorher beschriebenen Diodenmo
dus unterscheidet, um den magnetischen Isolator 13 durch den
Stromfluß zum Aufladen des Erhaltungskondensators in seinen
Rückstellzustand zu bringen.
Übrigens wird die Anstiegsgeschwindigkeit der Spikerspannung
im Schaltmodus mit der obigen Gleichung (2) unter folgenden
Bedingungen berechnet:
L1 = 800 nH,
C2 = C3 = 6 nF,
V30 = -50 kV und
VOPFN = 10 kV.
C2 = C3 = 6 nF,
V30 = -50 kV und
VOPFN = 10 kV.
Dann erhält man (dV2/dt)ave = 390 kV/µs.
Dieser Wert ist zwar 1,5mal größer als derjenige der Schal
tung im Diodenmodus, er genügt aber immer noch nicht zur Rea
lisierung der gewünschten gleichförmigen Spikerentladung. Au
ßerdem ist die Richtung des Stromflusses vom
Spikerkondensator im Schaltmodus entgegengesetzt zu derjeni
gen vom Erhaltungskondensator, was immer noch ein Hindernis
in bezug auf die Realisierung einer Entladungspumpschaltung
mit hohem Wirkungsgrad ist.
Mit der vorstehend beschriebenen Auslegung ist die konventio
nelle Laseroszillatorschaltung insofern nachteilig, als sie
1. einen langsamen Anstieg der an den Zwischenraum zwischen
den Hauptelektroden anzulegenden Spannung aufweist und 2.
keine ausreichende Überspannung in bezug auf die Durchbruch
spannung der langsam ansteigenden Gleichspannung anlegen
kann, so daß sie 3. keine stabile und gleichförmige Anre
gungsentladung auslösen kann. Ein weiterer der konventionel
len Schaltung anhaftender Nachteil besteht darin, daß 4. das
Vorhandensein der Ruheperiode für den magnetischen Isolator
in Abhängigkeit von der Betriebsart der Schaltung manchmal
unvermeidlich ist, so daß die Betriebscharakteristik der re
petitiven Schwingung manchmal bei einer niedrigen Wiederho
lungsfrequenz gesättigt ist.
Die vorgenannte Entladungspumpschaltung, die die eine Entladung auslösende
Energie von der Injektion der Pumpenergie
isoliert, bietet einen technischen Vorteil für ein Lasergas,
wie es im Excimer-Laser (insbesondere dem XeCL-Laser) einge
setzt wird und auf einem oberen Laserniveau kurze Lebensdauer
und einen niedrigen Scheinwiderstand bei der Entladung hat,
so daß ein Pumpen mit gutem Wirkungsgrad durchgeführt wird.
Die Schaltungsfunktion des genannten Entladungspumpens dient
dazu, die steil ansteigende Impulsspannung an den Raum zwi
schen den beiden Hauptelektroden anzulegen.
Der bei der konventionellen Schaltungsanordnung angewandte
Schaltmodus ist von der Betriebsart nach der Erfindung ver
schieden. Bei der konventionellen Anordnung ist die Richtung
des Entladungsstroms vom Spikerkondensator entgegengesetzt zu
der Richtung des Entladungsstroms vom Erhaltungskondensator
am Entladungsbereich. Diese konventionelle Betriebsart ist
für die Einrichtung in bezug auf die Unterhaltung einer sta
bilen Entladungspumpfunktion nachteilig.
Außerdem ist es mit dem konventionellen Schaltmodus nicht
möglich, eine steil ansteigende Impulsspannung an die erste
und die zweite Hauptelektrode zum Durchbruchzeitpunkt anzule
gen, was jedoch mit der Erfindung realisierbar ist. Wenn die
steil ansteigende Impulsspannung an die Hauptelektroden ange
legt werden kann, steigt die Durchbruchspannung Vb in Abhän
gigkeit von der Anstiegsrate der angelegten Spannung an, und
es kann eine gleichförmigere Anregungsentladung erreicht wer
den.
Im übrigen genügt ein einfaches Anlegen einer steil anstei
genden Impulsspannung an den Raum zwischen den Hauptelektro
den noch nicht, um eine gleichförmige Entladung zu realisie
ren, wie sie zum Pumpen des Lasers in der Praxis erforderlich
ist. Es ist notwendig, das Lasergas in einem Bereich, in dem
die Laserpumpentladung stattfindet, vor dem Anlegen der Span
nung in einen schwach ionisierten Zustand zu bringen (Vorio
nisationszustand (Elektronendichte Ne = 106-108 Elektro
nen/cm3)).
Der Zeitpunkt zur Vorionisation, bevor die an die Hauptelek
troden angelegte Spannung Vg die Durchbruchspannung Vb er
reicht, sowie die Elektronendichte in dem Bereich, in dem die
Entladung stattfinden soll, sind für das gewünschte wirksame
Lasern sehr wesentlich und sollten sehr sorgfältig bestimmt
werden. Wenn dies nicht der Fall ist, kann ein Selbstdurch
bruch auftreten, und es wird keine Laserstrahlung erhalten.
Fig. 21 zeigt - wenn auch nicht im einzelnen und explizit -
ein Schaltbild einer Schaltung gemäß einem anderen Beispiel
mit einer modifizierten Stromversorgung zum Aufladen des Er
haltungskondensators, wobei diese Schaltung im Bereich der
konventionellen Technologie entsprechend der bereits genann
ten Literaturstelle liegt ("Applied Physics Letters", Bd. 48,
Nr. 23, 9. Juni 1986, S. 1574-1576).
In dieser Figur bezeichnen 31 und 32 eine erste und eine
zweite Hauptelektrode, die in einem Lasergas einander gegen
überstehend angeordnet sind; 33 ist ein Spikerkondensator,
der dem Paar von Hauptelektroden 31 und 32 parallelgeschaltet
ist; 34 ist eine Spikerladestromquelle, die den Spikerkonden
sator 33 sehr schnell auf eine hohe Spannung zur Auslösung
einer Entladung aufladen kann; 35 ist ein Erhaltungskondensa
tor, der Energie in das Lasergas zwischen den Hauptelektroden
nach Auslösung der Entladung injiziert; 36 ist eine Schalt
vorrichtung wie etwa ein magnetischer Isolator, der den Spi
kerkondensator 33 elektrisch gegenüber dem Erhaltungskonden
sator 35 während einer bestimmten Zeit isoliert, und 37 ist
eine Erhaltungskondensator-Ladestromquelle, die den Erhal
tungskondensator 35 pulsierend aufladen kann. Die Erhaltungs
kondensator-Ladestromquelle 37 enthält einen Ladekondensator
38 zum Aufladen des Erhaltungskondensators 35, einen Hoch
spannungsschalter 39 wie etwa ein Thyratron oder dergleichen,
um einen Energieübergang vom Ladekondensator 38 zum Erhal
tungskondensator 35 in einer Impulsbetriebsart zu ermögli
chen, und eine Ladezeitkonstanten-Einstellinduktivität 40,
die die Zeitkonstante zum Laden des Erhaltungskondensators 35
einstellen kann. 41 ist eine Vorionisationsquelle, beispiels
weise eine Röntgenstrahlenquelle, die das Lasergas zwischen
den beiden Hauptelektroden vorionisieren kann.
Die Betriebsweise dieser Schaltung wird unter Bezugnahme auf
das Diagramm von Fig. 22 erläutert. Das Diagramm zeigt die
Änderung der Spannung Vg, die an die beiden Hauptelektroden
anzulegen ist, über die Zeit.
Wenn der Hochspannungsschalter 39 eingeschaltet wird, wird
die im Ladekondensator 38 gespeicherte Energie durch den
Hochspannungsschalter 39 und die Ladezeitkonstanten-
Einstellinduktivität 40 zum Erhaltungskondensator 35 und wei
ter durch die Schaltvorrichtung 36 zum Spikerkondensator 33
übertragen, um die Spannung an den Hauptelektroden 31 und 32
zu erhöhen (in Periode A in Fig. 22). Die Spannung liegt je
doch unter der Durchbruchspannung Vb, die an das Paar von
Hauptelektroden zur Auslösung der Entladung anzulegen ist, so
daß keine Entladung erzeugt wird. Wenn in diesem Stadium die
Spikerladestromquelle 34 aktiviert wird, wird am Spikerkon
densator 33 eine hohe Spannung ausgebildet, und wenn die
Spannung an den Hauptelektroden 31 und 32 Vb übersteigt, wird
eine Entladung induziert (in Periode B in Fig. 22). Wenn die
Entladung induziert wird, fällt die Spannung an den Haupte
lektroden 31 und 32 steil ab (in Periode C in Fig. 22).
Danach wird die Schaltvorrichtung 36 leitend gemacht, um die
im Erhaltungskondensator 35 gespeicherte Energie in die be
reits induzierte Entladung zu injizieren, so daß das Lasergas
gepumpt wird (in Periode D in Fig. 22) und eine Laserstrah
lung emittiert. Ein Modus, in dem die Polarität der Spannung
des Erhaltungskondensators 35 die gleiche wie diejenige des
Spikerkondensators 33 ist, wird als "magnetischer Diodenmo
dus" bezeichnet.
Es ist ersichtlich, daß zur Erzielung einer höheren Lasere
nergie eine größere Energie im Erhaltungskondensator 35 ge
speichert werden muß. Aber die zu erzeugende Laserenergie ist
durch die Durchbruchspannung Vb begrenzt, weil der oben ge
nannte Erhaltungskondensator 35 auf eine unter der Durch
bruchauslösespannung Vb liegende Spannung aufladbar ist.
Bei einem bestimmten Abstand d zwischen den Hauptelektroden
31 und 32 und einem bestimmten Lasergasdruck p ist die Durch
bruchspannung Vb an den Hauptelektroden 31 und 32 durch die
Anstiegsrate der Spannung an den Hauptelektroden 31 und 32
bestimmt. Mit anderen Worten hängt sie von der Zeitkonstanten
Tc zum Aufladen des Erhaltungskondensators 35 ab. Je kleiner
also die Ladezeitkonstante Tc ist, umso höher kann die Durch
bruchspannung Vb gemacht werden. Auf der Basis dieser Bezie
hung wurde gefunden, daß es möglich ist, durch Verkürzen der
Ladezeitkonstanten Tc mehr Energie im Erhaltungskondensator
35 zu speichern und eine größere Laserenergie zu erzeugen.
Das oben erläuterte konventionelle Beispiel der Impulslaser-
Entladungspumpschaltung ist so ausgelegt, daß es eine kurze
Ladezeitkonstante Tc hat, um eine große Laserenergie zu er
zeugen. Die Verkürzung der Ladezeitkonstanten Tc zum Laden
einer höheren Energie in den Erhaltungskondensator 35 bedeu
tet eine Erhöhung der Energiemenge, die durch den Hochspan
nungsschalter 39 pro Zeiteinheit geht, und somit eine propor
tionale Erhöhung der Beanspruchung des Hochspannungsschalters
39. Insbesondere bei einem Impulslaser mit hoher Wiederho
lungsrate für industrielle Zwecke ist jedoch eine erhöhte Be
anspruchung des Hochspannungsschalters 39 insofern nachtei
lig, als die Ladespannung des Erhaltungskondensators und
damit die Wiederholungsfrequenz dadurch eingeschränkt werden,
so daß die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Lasers
verringert werden, und der Hochspannungsschalter 39 selbst
wird ebenfalls schneller verbraucht.
In dem Aufsatz "Ultralong optical-pulse corona preionized
XeCl-Laser", Rod S. Taylor, Kurt E. Leopold, Appl. Physics, Vol. 65,
No. 1, 1. January 1989, ist eine Laseroszillatorschaltung für
einen optisch gepulsten Excimer-Laser beschrieben, der einen
Spikerkreis und einen Erhaltungsladekreis aufweist. Beide
Kreise sind durch einen magnetischen Schalter trennbar. Der
magnetische Schalter ist so ausgebildet, daß er von einem
Aus-Zustand in einen Ein-Zustand umschaltet, nachdem die
Spannung an den Anschlüssen des Spikerkondensators die Durch
bruchspannung erreicht hat. Im Ergebnis dessen liegt eine
steil ansteigende Impulsspannung über die beiden Hauptelek
troden an, welche auf die elektrische Ladung von den Erhal
tungskondensatoren zurückzuführen ist.
In dem Aufsatz "Pulsed CO2 Laser Pumped by an All Solid-State
Magnetic Exciter", T. Shimada, et. al., Japanese Journal of
Applied Physics, Vol. 24, No. 11, November 1985, pp. L855-L857
wird ein Laser mit einer elektrischen Anregungsschaltung
vorgestellt, welche im repetitiv gepulsten Betrieb arbeitet.
Als besonderer Vorteil wird hier die Verwendung eines Fest
körperthyristors als Schaltelement herausgestellt. Der elek
trische Anregungskreis für den Laserkopf weist dort drei Stu
fen eines Magnetimpulskompressionskreises auf. Die Stufen des
Magnetimpulskompressionskreises sind im sekundären Stromkreis
eines Transformators angeordnet und dienen der Erhöhung der
Impulsanstiegsrate.
Ferner ist aus der GB 2 204 728 A eine Laseroszillatorschal
tung bekannt, bei der im Anregungskreis zum Auslösen einer
Gasentladung mehrere Pulskompressionsstufen vorgesehen sind.
Ausgehend von dem aus dem Aufsatz "Ultralong optical-pulse
corona preionized XeCl-Laser", R. S. Taylor, K. E. Leopold,
J. Appl. Phys. Vol. 65, No. 1, 1. January 1989, bekannten Stand der
Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine La
seroszillatorschaltung anzugeben, welche mit einfachen Mit
teln eine hohe Ausgangsleistung und einen hohen Wirkungsgrad
eines damit betriebenen Excimer-Lasers gestattet, wobei auch
bei höheren Anregungs-, Wiederholungsfrequenzen ein zuverläs
siges Betreiben des Excimer-Lasers möglich sein soll.
Diese Aufgabe wird durch eine Laseroszillatorschaltung mit
den Merkmalen von Patentanspruch 1 und durch eine Laseroszil
latorschaltung mit den Merkmalen von Patentanspruch 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Laseroszillatorschaltung
sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Ein Vorteil der Erfindung besteht dabei in der Bereitstellung
einer Laseroszillatorschaltung, die so ausgelegt ist, daß sie
im Betrieb mit hoher Wiederholungsrate eine geringe Schwan
kung der Ausgangsleistung aufweist.
Ferner besteht ein Vorteil der Erfindung in der Bereitstel
lung einer Laseroszillatorschaltung mit sehr guter Laserlei
stung und hoher Zuverlässigkeit auf einem hohen Laserener
giepegel, indem die Beanspruchung des Hochspannungsschalters
verringert und dadurch seine Verschlechterung verhindert
wird.
Gemäß der Erfindung wird eine Laseroszillatorschaltung ange
geben, die aufweist:
ein Lasergehäuse mit einem Lasergas;
eine erste und eine zweite Hauptelektrode, die im Gehäuse ein ander gegenüberstehend angeordnet sind;
einen Spikerkondensator, der den beiden Hauptelektroden parallelge schaltet ist;
einen Erhaltungskondensator, der über einen schaltbaren magnetischen Isolator den beiden Hauptelektroden parallelgeschaltet ist;
eine Spikerkondensator- Ladestromquelle zum Aufladen des Spikerkondensators,
und eine Erhaltungskondensator-Ladestromquelle, die den Erhaltungskon densator mit entgegengesetzter Polarität relativ zum Spiker kondensator durch die Spikerkondensator-Ladestromquelle auf lädt,
wobei zuerst der Erhaltungskondensator auf eine vorbestimmte Ladespannung und anschließend der Spikerkonden sator von der Spikerkondensator-Ladestromquelle aufgeladen wird; die Laseroszillatorschaltung ist dabei dadurch gekenn zeichnet, daß der schaltbare magnetische Isolator während des Ladens des Spikerkondensators durch die Spikerladestromquelle mit einer Polarität, die derjenigen des Erhaltungskondensa tors, der zuerst von der Erhaltungskondensator- Ladestromquelle aufgeladen wurde, entgegengesetzt ist, von seinem Ausschaltzustand in seinen Einschaltzustand umschal tet, bevor die Ladespannung an den Anschlüssen des Spikerkon densators eine Durchbruchspannung erreicht, welche die Auslö sung einer Entladung zwischen dem Paar von ersten und zweiten Hauptelektroden ermöglicht, so daß die im Erhaltungskondensa tor gespeicherte Ladung zum Spikerkondensator übertragen wird, um die Entladung zwischen den beiden Hauptelektroden mit einer der Spikerladestromquelle entgegengesetzten Polari tät auszulösen, wobei der Laseroszillator repetitiv arbeitet und die Erhaltungskondensator-Ladestromquelle wenigstens eine Stufe eines Magnetimpulskompressionskreises aufweist.
ein Lasergehäuse mit einem Lasergas;
eine erste und eine zweite Hauptelektrode, die im Gehäuse ein ander gegenüberstehend angeordnet sind;
einen Spikerkondensator, der den beiden Hauptelektroden parallelge schaltet ist;
einen Erhaltungskondensator, der über einen schaltbaren magnetischen Isolator den beiden Hauptelektroden parallelgeschaltet ist;
eine Spikerkondensator- Ladestromquelle zum Aufladen des Spikerkondensators,
und eine Erhaltungskondensator-Ladestromquelle, die den Erhaltungskon densator mit entgegengesetzter Polarität relativ zum Spiker kondensator durch die Spikerkondensator-Ladestromquelle auf lädt,
wobei zuerst der Erhaltungskondensator auf eine vorbestimmte Ladespannung und anschließend der Spikerkonden sator von der Spikerkondensator-Ladestromquelle aufgeladen wird; die Laseroszillatorschaltung ist dabei dadurch gekenn zeichnet, daß der schaltbare magnetische Isolator während des Ladens des Spikerkondensators durch die Spikerladestromquelle mit einer Polarität, die derjenigen des Erhaltungskondensa tors, der zuerst von der Erhaltungskondensator- Ladestromquelle aufgeladen wurde, entgegengesetzt ist, von seinem Ausschaltzustand in seinen Einschaltzustand umschal tet, bevor die Ladespannung an den Anschlüssen des Spikerkon densators eine Durchbruchspannung erreicht, welche die Auslö sung einer Entladung zwischen dem Paar von ersten und zweiten Hauptelektroden ermöglicht, so daß die im Erhaltungskondensa tor gespeicherte Ladung zum Spikerkondensator übertragen wird, um die Entladung zwischen den beiden Hauptelektroden mit einer der Spikerladestromquelle entgegengesetzten Polari tät auszulösen, wobei der Laseroszillator repetitiv arbeitet und die Erhaltungskondensator-Ladestromquelle wenigstens eine Stufe eines Magnetimpulskompressionskreises aufweist.
Bei dieser Laseroszillatorschaltung kann das im Gehäuse be
findliche Lasergas als Gasstrom in das Gehäuse und aus dem
Gehäuse strömen.
Die Kapazität des Erhaltungskondensators ist bevorzugt erheb
lich größer als die des Spikerkondensators, und der Absolut
wert der Spikerladespannung |VS| ist bevorzugt nicht kleiner
als das 0,6fache desjenigen der Durchbruchspannung |Vb|, und
die Streuinduktivität Ls entlang der Schleife, durch die der
Entladestrom des Erhaltungskondensators fließt, ist bevorzugt
viel kleiner als die Streuinduktivität L1 entlang der Schlei
fe, durch die der Entladestrom des Spikerkondensators fließt.
Der magnetische Isolator ist bevorzugt so ausgelegt, daß sei
ne Charakteristiken der folgenden Beziehung genügen:
(Bs + Br)S < 1/2(VOPFN - Vb)Δtb
mit Bs = Sättigungsmagnetflußdichte,
Br = Restmagnetflußdichte,
S = Kernquerschnittsfläche des Magnetmaterials im magnetischen Isolator,
VOPFN = Spikerladespannung,
Vb = Selbstdurchbruchspannung und
Δtb = Zeitverzögerung zwischen der Auslösung des entgegengesetzten Ladens des Spikerkondensators und dem Selbstdurchbruch des Lasers.
Br = Restmagnetflußdichte,
S = Kernquerschnittsfläche des Magnetmaterials im magnetischen Isolator,
VOPFN = Spikerladespannung,
Vb = Selbstdurchbruchspannung und
Δtb = Zeitverzögerung zwischen der Auslösung des entgegengesetzten Ladens des Spikerkondensators und dem Selbstdurchbruch des Lasers.
Bevorzugt weist die Schaltung eine Vorionisationsquelle zur
Vorionisation des Lasergases in einem Raum zwischen den bei
den Hauptelektroden auf und arbeitet bevorzugt repetitiv mit
einer Wiederholungsfrequenz von wenigstens dreimal pro Sekun
de.
Außerdem kann die Vorionisationsquelle bevorzugt die Vorioni
sation des Lasergases nach der Auslösung des Ladevorgangs des
Erhaltungskondensators und vor der Auslösung des Ladevorgangs
des Spikerkondensators auslösen und die Durchbruchspannung an
den beiden Hauptelektroden, die durch Anlegen eines steil an
steigenden Impulses ausgebildet wird, so regeln, daß sie kon
stant ist.
Aus dem vorgenannten Grund kann die Zeitkonstante zum Laden
des Erhaltungskondensators bevorzugt im Bereich von 1-5 µs
liegen, und der Strom für die Vorionisation kann bevorzugt
100-500 ns vor dem Auslösen des Ladevorgangs des Spikerkon
densators zu fließen beginnen.
Diese Laseroszillatorschaltung kann ferner eine Einrichtung
zur Steuerung des Betriebszeitpunktes der Vorionisationsquel
le nach Maßgabe der Frequenz des repetitiven Betriebs aufwei
sen.
Ferner kann die Laseroszillatorschaltung bevorzugt aufweisen:
eine Einrichtung zum Detektieren des Betriebs des magneti
schen Impulskompressionskreises bzw. Magnetimpulskompressi
onskreises und zum Erzeugen eines Detektiersignals,
einen Triggersteuerkreis zur Erzeugung eines Signals, das die Spi kerkondensator-Ladestromquelle zum Laden des Spikerkondensa tors mit vorbestimmter Verzögerung nach der Erzeugung des De tektiersignals auslöst, und
eine Steuereinrichtung zum Einstellen des Zeitpunkts zum Laden des Erhaltungskondensa tors nach Maßgabe des Ladezeitpunkts des Spikerkondensators.
einen Triggersteuerkreis zur Erzeugung eines Signals, das die Spi kerkondensator-Ladestromquelle zum Laden des Spikerkondensa tors mit vorbestimmter Verzögerung nach der Erzeugung des De tektiersignals auslöst, und
eine Steuereinrichtung zum Einstellen des Zeitpunkts zum Laden des Erhaltungskondensa tors nach Maßgabe des Ladezeitpunkts des Spikerkondensators.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Laseros
zillatorschaltung angegeben mit: einem Lasergehäuse mit einem
Lasergas; einer ersten und einer zweiten Hauptelektrode, die
einander in dem Gehäuse gegenüberstehen; einem Spikerkonden
sator, der den beiden Hauptelektroden parallelgeschaltet ist;
einem Erhaltungskondensator, der über eine Schaltvorrichtung
den beiden Hauptelektroden parallelgeschaltet ist; einer er
sten Stromquelle zum Laden des Spikerkondensators; einer
zweiten Stromquelle zum Laden des Erhaltungskondensators über
einen Hochspannungsschalter; und einer Vorionisationsquelle
zum Vorionisieren des Lasergases in einem Raum zwischen den
beiden Hauptelektroden; dabei ist die Laseroszillatorschal
tung dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stromquelle zum
Laden des Erhaltungskondensators wenigstens eine Stufe eines
magnetischen Impulskompressionskreises bzw. Magnetimpulskom
pressionskreises aufweist.
Bei diesem Aspekt der Erfindung kann die Polarität, mit der
der Erhaltungskondensator geladen wird, mit derjenigen des
Spikerkondensators identisch sein. Das Gas im Gehäuse kann
als Gasstrom in das Gehäuse ein- bzw. aus dem Gehäuse aus
strömen. Ferner kann diese Laseroszillatorschaltung aufwei
sen: eine Einrichtung zum Detektieren des Betriebs des magne
tischen Impulskompressionsschaltkreises und zum Erzeugen
eines Detektiersignals, eine Triggersteuereinrichtung, der
ein Signal zum Anstoßen der ersten Stromquelle zum Laden des
Spikerkondensators mit einer vorbestimmten Verzögerung nach
der Erzeugung des Detektiersignals liefert, und eine Steuer
einrichtung zum Einstellen des Zeitpunkts zum Laden des Er
haltungskondensators nach Maßgabe des Ladezeitpunkts des Spi
kerkondensators.
Bei dieser gemäß der Erfindung aufgebauten Laseroszillator
schaltung wird das Aufladen des Spikerkondensators durch den
Schaltbetrieb des magnetischen Isolators, der in einen Kreis
eingeschaltet ist, der den Erhaltungskondensator mit den
Hauptelektroden verbindet, sehr schnell auf entgegengesetzte
Polarität umgeschaltet, und an die Hauptelektroden wird eine
Spannung mit sehr steilem Anstieg angelegt. Außerdem kann
durch Parallelschalten des Vorionisators mit dem Spikerkon
densator die durch die Vorionisation im Lasergehäuse erzeugte
Elektronendichte in einfacher Weise und in einer einfachen
Konstruktion erhöht werden.
Die Laseroszillatoreinrichtung mit dem Vorionisator kann so
ausgelegt sein, daß sie nur die Vorionisation innerhalb einer
bestimmten Verzögerungszeit nach der Auslösung des Ladens des
Erhaltungskondensators ausführt. Je länger also die Verzöge
rungsdauer ist, umso höher wird die Auslösespannung für den
Selbstdurchbruch im repetitiven Betrieb. Mit anderen Worten
kann viel mehr Laserpumpenergie im Erhaltungskondensator ge
speichert werden. Da sie außerdem so ausgelegt sein kann, daß
die Vorionisation vor dem Auslösen des Ladevorgangs des Spi
kerkondensators mit entgegengesetzter Polarität ausgelöst
wird, wird die Zeit bis zum Auslösen der Entladung verkürzt,
und die Entladung kann bei einer bestimmten Spannung statt
finden, bevor die Spannung an den Hauptelektroden die erste
Spitzenspannung Vp1, erreicht.
Die Erfindung bietet also den Vorteil, daß eine Laseroszilla
torschaltung mit hoher Ausgangsleistung, hoher Stabilität und
gutem repetitivem Betriebsverhalten angegeben wird.
Der durch Entladung gepumpte Laseroszillator nach der Erfin
dung, bei dem der magnetische Impulskompressionskreis paral
lel zu dem Ladekondensator und dem Erhaltungskondensator ge
schaltet ist, bietet den Vorteil, daß die Beanspruchung des
Hochspannungsschalters verringert und die Zeitkonstante zum
Laden des Erhaltungskondensators verkürzt wird und daß ferner
eine Lasereinrichtung mit sehr gutem Betriebsverhalten, lan
ger Standzeit und hoher Zuverlässigkeit realisierbar ist.
Durch Vorsehen einer Detektiereinrichtung, die den Betrieb
des magnetischen Impulskompressionskreises detektiert, und
des mit Verzögerung arbeitenden Triggergenerators kann ferner
der Laseroszillator den Zeitpunkt zum Aufladen des Erhal
tungskondensators präzise so einstellen, daß dies dem Zeit
punkt zum Aufladen des Spikerkondensators entspricht. Der
Vorteil liegt also darin, daß Schwankungen der Laserausgangs
leistung erheblich vermindert werden.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer
Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh
rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1A ein Schaltbild einer entladungsgepumpten Laserein
richtung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 1B ein Schaltbild einer entladungsgepumpten Laserein
richtung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 Diagramme, die den Betrieb der Schaltung von Fig.
1A erläutern;
Fig. 3 ein Diagramm von repetitiven Schwingungscharakteri
stiken der Schaltung von Fig. 1A;
Fig. 4 ein Diagramm der Lasergasdruckabhängigkeit einer
Lasereinrichtung, wobei ein Schienenspaltschalter
verwendet wird;
Fig. 5 ein Diagramm, das die Betriebscharakteristik des
magnetischen Isolators des Ausführungsbeispiels von
Fig. 1A zeigt;
Fig. 6 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung mit einem magnetischen Impulskompres
sionskreis und einer Erhaltungskondensator-Lade
stromquelle;
Fig. 7 Diagramme, die den Betrieb der Schaltung nach Fig.
6 verdeutlichen;
Fig. 8 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels
mit einem zweistufigen magnetischen Impulskompres
sionskreis gemäß der Erfindung;
Fig. 9 ein Schaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels
mit magnetischem Impulskompressionskreis und einem
Spannungsumpolungskreis gemäß der Erfindung;
Fig. 10 Diagramme, die den Betrieb der Schaltung von Fig. 9
verdeutlichen;
Fig. 11 bis 15 jeweils ein Schaltbild eines weiteren Ausführungs
beispiels, das eine Modifikation des Ausführungs
beispiels von Fig. 6 ist;
Fig. 16 ein Schaltbild eines Beispiels der konventionellen
entladungsgepumpten Lasereinrichtung;
Fig. 17 Diagramme, die den Betrieb der Schaltung von Fig.
16 verdeutlichen;
Fig. 18 ein Ersatzschaltbild der Einrichtung von Fig. 16;
Fig. 19 ein Schaltbild eines weiteren Beispiels der konven
tionellen entladungsgepumpten Lasereinrichtung;
Fig. 20 Diagramme, die den Betrieb der Schaltung von Fig.
19 zeigen;
Fig. 21 ein Schaltbild der konventionellen entladungsge
pumpten Lasereinrichtung mit einer Vorrichtung zur
Vorionisation des Lasergases und einer modifizier
ten Erhaltungskondensator-Ladestromquelle; und
Fig. 22 ein Diagramm, das den Betrieb der Schaltung von
Fig. 21 verdeutlicht.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im folgenden
anhand der Fig. 1A und 1B zwei Ausführungsbeispiele von aus
dem Stand der Technik bekannten Laseroszillatorschaltungen
beschrieben, bevor die eigentliche Erfindung erläutert wird.
Die Schaltung von Fig. 1A gemäß dem Stand der Technik gleicht
stark der Schaltung mit konventionellem Schaltmodus nach Fig.
19, und gleiche bzw. äquivalente Teile sind mit den gleichen
Symbolen bzw. Bezugszeichen versehen. 23 bezeichnet zusätz
lich die Richtung des Lasergasstroms. Die Schaltung unter
scheidet sich aber von der bekannten Schaltung zumindest be
züglich der Betriebscharakteristik des magnetischen Isolators
13. Die Betriebscharakteristiken der Einrichtung von Fig. 1A
werden unter Bezugnahme auf die Diagramme von Fig. 2 erläu
tert.
Nachstehend wird der Betrieb der Schaltung dieses Beispiels
beschrieben. Der Erhaltungskondensator 11 ist zuerst von der
Erhaltungskondensator-Ladestromquelle 12 auf eine vorbestimm
te Ladespannung VOPFN aufgeladen worden. Dann wird der Spiker
kondensator 6 von der ihn mit entgegengesetzter Polarität
aufladenden Spikerladestromquelle 21 aufgeladen. In diesem
Fall ist die Polarität der an den Bereich zwischen den Haup
telektroden 3 und 4 anzulegenden Spannung Vg negativ, wie in
Fig. 2(a) gezeigt ist. Wenn dieser Ladezustand aufrechterhal
ten wird, erhöht sich die Spannung Vg weiter in negativer
Richtung, wie die Strichlinienkurve in Fig. 2(a) zeigt, und
wenn sie die hypothetische Durchbruchspannung Vb erreichen
würde, sollte die Anregungsentladung 5 ausgelöst worden sein.
Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jedoch der ma
gnetische Isolator 13 so ausgelegt, daß er zu einem Zeitpunkt
(Umschaltpunkt) einschaltet, zu dem die Spannung Vg den Pegel
Vs erreicht, der ausreichend kleiner als die Spannung Vb ist
und zeitlich ausreichend weit vorher erreicht wird. Zu diesem
Zeitpunkt fließt die im Erhaltungskon
densator 11 gespeicherte Ladung in einem Zug in den Spiker
kondensator 6, und der Spikerkondensator 6 wird sehr schnell
mit derselben Polarität wie der Erhaltungskondensator 11 auf
geladen. Dann wird zu einem Zeitpunkt, zu dem die Spannung
den Pegel Vb1 erreicht, der einen größeren Absolutwert als
die Durchbruchspannung Vb in negativer Richtung hat, eine
gleichförmige Anregungsentladung 5 ausgelöst. Zu diesem Zeit
punkt fließt die im Erhaltungskondensator 11 gespeicherte La
dung in den Hauptentladungsbereich zur Durchführung einer La
serschwingung.
Im übrigen ist der Anstieg der Spannung im Laufe des Aufla
dens des Spikerkondensators 6 im Einschaltzustand des magne
tischen Isolators 13 in dem Ersatzschaltbild von Fig. 18 ver
anschaulicht. In diesem Fall ist der Leitungswiderstand Rs in
der Schleife, durch die der Strom in fließt, vernachlässigt,
weil er ausreichend klein ist. Aus dem gleichen Grund wird
auch der Einfluß der den Spikerkondensator entgegengesetzt
aufladenden Ladestromquelle 21 vernachlässigt. Zusätzlich
wird angenommen, daß c1 << c2 ist, was allgemein in einem Schal
tungssystem mit Spiker/Erhaltungskondensator der Fall ist.
Unter den obigen Bedingungen ist die mittlere Spannungsan
stiegsrate, bis der Spikerkondensator seine Spitzenspannung
in der Schaltung erreicht, durch die folgende Gleichung wie
dergegeben:
(dV2/dt)ave = (1/π) . 2(VOPFN - Vs) . (Ls . C2)-1/2 (3).
Indem man die Variablen in der obigen Gleichung durch die
folgenden typischen Werte ersetzt:
VOPFN = 10 kV
Vs = -20 kV
Ls = -40 nH und
c2 = 6 nF
Vs = -20 kV
Ls = -40 nH und
c2 = 6 nF
wird die Rate (dV2/dt)ave = 1230 kV/µs erhalten.
Dieser Wert ist angenähert dreimal so groß wie derjenige, der
mit derselben Formel mit der im Schaltmodus arbeitenden kon
ventionellen Schaltung erreicht wird.
Der Hauptgrund für den sehr schnellen Spannungsanstieg liegt
darin, daß die Induktivität Ls auf einen Wert begrenzt ist,
der kleiner als L1 ist, was aus einem Vergleich der Gleichung
(3) mit der Gleichung (2) hervorgeht. Infolgedessen wird an
den Bereich zwischen den Hauptelektroden 3 und 4 eine Span
nung mit sehr schnellem Anstieg angelegt, und es wird eine
stabilere und gleichmäßigere Anregungsentladung erhalten. Au
ßerdem wird bei gleicher Ladeenergiemenge eine höhere Aus
gangsleistung und ein höherer Wirkungsgrad sowie eine gute
Reproduzierbarkeit der Laserschwingung erreicht.
Nachstehend werden die Resultate von Experimenten beschrie
ben, die die Überlegenheit dieser Betriebsart (nachstehend
als "Polaritätsumkehrmodus" bezeichnet) gegenüber den anderen
Betriebsarten (Schaltmodus) beweisen.
Das Diagramm von Fig. 3 faßt die Ausgangscharakteristiken bei
der repetitiven Schwingung unter den gleichen Betriebsbedin
gungen sowohl im Schalt- als auch im Polaritätsumkehrmodus
zusammen. Wie daraus ersichtlich ist, beginnt die Ausgangs
leistung im Schaltmodus abzunehmen, wenn die Wiederholungs
frequenz 300 Hz übersteigt, wie auch in der vorhergehenden
Beschreibung des Standes der Technik erläutert wurde, wogegen
im Polaritätsumkehrmodus eine im wesentlichen lineare Erhö
hung der Ausgangsleistung bis zu 500 Hz beobachtet wird. Es
wird davon ausgegangen, daß dies auf der unterschiedlichen
Gleichmäßigkeit der Spikerentladungen sowie auf dem Vorhan
densein der Ruheperiode in dem vom Erhaltungskondensator ge
lieferten Anregungsstrom basiert und in der Hauptsache auf
den Unterschied der Anstiegsraten der Spannungen zurückgeht,
die zum Zeitpunkt der Auslösung der Spikerentladung anliegen.
Das Diagramm von Fig. 4 faßt ein Ergebnis des Experiments zu
sammen. Dabei ist die Ausgangskennlinie einer Schaltung ge
zeigt, die anstelle des magnetischen Isolators einen Schie
nenspaltschalter im Einzelimpulsbetrieb verwendet. Im Fall
des Schienenspaltschalters ist es möglich, entweder den
Schaltmodus oder den Polaritätsumkehrmodus durch einfaches
Ändern des Drucks des Arbeitsgases zu wählen. Wie das Dia
gramm zeigt, wird eine Erhöhung der Ausgangsleistung von ca.
20% mit dem Polaritätsumkehrmodus gegenüber dem Schaltmodus
erreicht. Es wird angenommen, daß der Grund für diesen Unter
schied auf der unterschiedlichen Gleichförmigkeit der Spike
rentladungen basiert, und zwar hauptsächlich wegen der Unter
schiede der Anstiegsgeschwindigkeiten der Spannungen, die zum
Zeitpunkt der Auslösung der Spikerentladung anliegen. Ein
weiterer möglicher Grund kann sein, daß im Polaritätsumkehr
modus eine effektivere Spikerentladung realisierbar ist, und
zwar, weil im Schaltmodus die Richtung des vom Spikerkonden
sator zugeführten Stroms relativ zu derjenigen vom Erhal
tungskondensator entgegengesetzt ist, während im Polari
tätsumkehrmodus beide gleich sind.
Wie ferner aus der obigen Gleichung (3) ersichtlich ist,
sollte die Ladespannung VS des Spikerkondensators 6 unmittel
bar vor dem Schalten des magnetischen Isolators 13 bevorzugt
einen großen Absolutwert haben, um dadurch den Anstieg der
Spannung an den Hauptelektroden zu verbessern, und die La
despannung VS zu diesem Zeitpunkt sollte den folgenden Wert
haben:
|VS| ≧ 0,6. |Vb| ,
um einen stabilen Betrieb durchführen zu können.
Das Diagramm von Fig. 5 zeigt die zeitliche Abhängigkeit der
an die Hauptelektroden 3 und 4 angelegten Spannung Vg bei
Verwendung des magnetischen Isolators 13. In der Anfangsphase
wird der Spikerkondensator 6 ebenfalls von der Erhaltungskon
densator-Ladestromquelle 12 bis auf VOPFN aufgeladen. Auch in
diesem Zustand ist es möglich, den Spikerkondensator von der
Spikerpolaritätsumkehr-Ladestromquelle 21 in negativer Rich
tung aufladen zu lassen. Der magnetische Isolator 13 ist so
ausgelegt, daß er zu einem Zeitpunkt gesättigt ist, zu dem
die Spannung Vg den Pegel VS für die hypothetische Durch
bruchspannung Vb in negativer Richtung erreicht. Mit anderen
Worten sind die Sättigungsmagnetflußdichte BS, eine Restma
gnetflußdichte Br und eine Kernquerschnittsfläche S des Ma
gnetmaterials im magnetischen Isolator so gewählt, daß der
Magnetfluß des Magnetmaterials im magnetischen Isolator zu
einem Zeitpunkt gesättigt ist, zu dem er einen durch den
schraffierten Bereich bezeichneten Integrationswert B er
reicht.
Wenn also eine Zeitdauer ΔtS als die Zeitdauer von der Auslö
sung der Spikerpolaritätsumkehr-Ladestromquelle 21 bis zu ei
nem Zeitpunkt, zu dem die Spannung der Stromquelle den Pegel
VS erreicht, angenommen wird, ist der schraffierte Bereich B
durch die folgende Gleichung repräsentiert:
(BS + Br)S = 1/2(VOPFN - Vs)ΔtS,
wobei dieser Bereich kleiner als die Fläche eines ähnlichen
Dreiecks mit verlängerter Grundlinie ΔtS ist, die bis zu ei
nem Zeitpunkt erforderlich wäre, zu dem die Spannung die hy
pothetische Durchbruchspannung Vb erreicht haben sollte, und
zwar:
(BS + Br)S = 1/2(VOPFN - Vb)Δtb.
Daher sollte der magnetische Isolator so ausgelegt sein, daß
er der folgenden Beziehung genügt:
(BS + Br)S < 1/2(VOPFN - Vb)Δtb.
In der Schaltung von Fig. 1B, die ein weiteres Beispiel gemäß
dem Stand der Technik zeigt, ist eine gesonderte Vorionisati
onsquelle 29 vorgesehen, um die Funktionsweise der vorherge
henden Beispiele zu verbessern.
Die Grundkonstruktion sowie die Funktionsweise der Schaltung
von Fig. 1B entsprechen der Schaltung der Fig. 1A mit der
Ausnahme, daß zur Vorionisation die gesonderte Stromversor
gung 29 vorgesehen ist.
In diesem Fall wird jedoch zu einem Zeitpunkt, zu dem die
Spannung Vg zwischen den Hauptelektroden 3 und 4a nach dem
Laden des Erhaltungskondensators 11 durch dessen Ladestrom
quelle 11 ausreichend angestiegen ist, die Stromquelle 29 für
die Vorionisation aktiviert und führt eine Spannung an die
zweite Hauptelektrode 4a und die Hilfselektrode 25. Dann be
ginnt aufgrund des Anlegens der Spannung ein Vorionisations
strom ip1 zu fließen und induziert eine Koronaentladung zwi
schen den Öffnungen in der Hauptelektrode 4a und entlang der
Oberfläche eines dielektrischen Körpers 24. Durch diese
"Oberflächen-Koronaentladung" nimmt das Lasergas in der La
serzone, in der die Anregungsentladung 5 stattfindet, einen
schwach ionisierten Zustand an. In einer Phase, in der sich
die Vorionisation beträchtlich ausbildet, erreicht die Span
nung Vg zwischen den Hauptelektroden 3 und 4a den Pegel VOPFN,
der gleich der vorbestimmten Ladespannung des Erhaltungskon
densators 11 ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Spikerlade
stromversorgung 21 aktiviert und beginnt mit der Aufladung
des Spikerkondensators 6 mit umgekehrter Polarität. Wenn die
Spannung Vg den Pegel VS erreicht, dessen Polarität VOPFN ent
gegengesetzt ist, wird der magnetische Isolator 13 aktiviert
und ermöglicht einen schnellen Ladungsübergang vom Erhal
tungskondensator 11 zum Spikerkondensator 6. Durch diesen La
dungsübergang wird an den Raum zwischen den Hauptelektroden 3
und 4a eine sehr schnelle Impulsspannung angelegt, wodurch
zuverlässig eine Entladung mit einer Spannung Vb1 nahe der
ersten Spitzenspannung Vp1 ausgelöst wird, und zwar deshalb,
weil die Vorionisation des eingeschlossenen Gases bereits
während des Aufladens des Erhaltungskondensators 11 begonnen
hatte und die Elektronenvervielfachung mit einem bestimmten
Grad räumlicher Gleichförmigkeit bis zu dieser Ladespannung
bereits ausgebildet wurde. Die Anregungsentladung 5 zu diesem
Zeitpunkt ist eine gleichförmige und stabile Entladung und
kann eine Laserschwingung mit hohem Wirkungsgrad realisieren,
weil die Entladung unter gleichmäßiger Vorionisation und aus
reichender Überspannung ausgelöst wird. Da die Vorionisation
ferner in einer Phase stattfindet, in der die Ladespannung
des Erhaltungskondensators 11 einer vorbestimmten Spannung
VOPFN angenähert ist, kann auch im repetitiven Betrieb eine
Spannung mit einer Tendenz zum Selbstdurchbruch in gewissem
Umfang auf einem hohen Pegel gehalten werden.
Die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Strom iP1
für die Vorionisation zu fließen beginnt, und dem Zeitpunkt,
zu dem der Spikerkondensator 6 mit entgegengesetzter Polari
tät aufgeladen wird, wird mit ΔtPI angenommen. Der Optimal
wert von ΔtPI kann Null sein oder bevorzugt nahe Null liegen,
und zwar im Hinblick auf die Unterdrückung des Selbstdurch
bruchs, indem ein möglichst hoher Wert der Ladespannung VOPFN
erzielt und eine möglichst hohe Ausgangsleistung des Lasers
realisiert wird. Im Gegensatz dazu ist die Vorgabe einer Ver
zögerungszeit bestimmter Dauer zum zuverlässigen Auslösen der
Entladung zu einem Zeitpunkt, zu dem die Spannung den ersten
Spitzenwert Vp1 nach dem Schaltvorgang bei VS erreicht, uner
läßlich. Der Erhaltungskondensator 11 muß zwar mit einer
Zeitkonstanten von 1-5 µs im repetitiven Betrieb aufgeladen
werden; es wurde aber gefunden, daß für den XeC1-Laser im
Hinblick auf Ausgangsleistung und Stabilität ein optimaler
Wert von ΔtPI zu diesem Zeitpunkt irgendwo zwischen 100 und
500 ns liegt.
Fig. 6 ist ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer
Impulslaser-Entladungspumpschaltung. Dabei sind Teile und
Komponenten, die dem konventionellen Beispiel von Fig. 21
entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und wer
den nicht erneut beschrieben. Bei dieser Schaltung bezeichnet
45 allgemein einen magnetischen Impulskompressionskreis mit
einer sättigungsfähigen Drossel 42 und einem Kondensator 43.
In der Erhaltungskondensator-Ladestromquelle 37 ist eine La
dezeitkonstanten-Einstellinduktivität 44 vorgesehen, um die
Ladezeitkonstante des Ladekondensators 43 vorzugeben. Ferner
ist eine Vorionisationsquelle bzw. -einrichtung 41 zur Vorio
nisation des Lasergases in dem Raum zwischen den beiden
Hauptelektroden 31, 32 vorgesehen.
Nachstehend wird die Funktionsweise der Schaltung von Fig. 6
beschrieben. In den Diagrammen von Fig. 7 bezeichnen das Im
pulsdiagramm (a) eine Änderung der Spannung, die zwischen ei
nem Paar von Hauptelektroden 31 und 32 anzulegen ist, und das
Impulsdiagramm (b) eine über die Zeit auftretende Änderung
der Spannung am Kondensator 43 dieses magnetischen Impulskom
pressionskreises.
Wenn der Hochspannungsschalter 39 einschaltet, wird die im
Ladekondensator 38 gespeicherte Energie zuerst zum Kondensa
tor 43 des magnetischen Impulskompressionskreises überführt,
und zwar durch den Hochspannungsschalter 39 und die Entla
dungszeitkonstanten-Einstellinduktivität 44, und wird dort
gespeichert (Periode E in Fig. 7(a) und Fig. 7(b)). Dabei
kann die Beanspruchung des Hochspannungsschalters 39 ausrei
chend stark reduziert werden, indem der Kondensator 43 dieses
magnetischen Impulskompressionskreises 45 langsam nach Maßga
be der Leistungsfähigkeit des Hochspannungsschalters 39, die
durch die Entladezeitkonstanten-Einstellinduktivität 44 be
stimmt ist, geladen wird.
In der Schaltungsanordnung dieses Ausführungsbeispiels nach
Fig. 6 ist die sättigungsfähige Drossel 42 des magnetischen
Impulskompressionskreises 45 bereits vorher so eingestellt
worden, daß sie einen Schaltvorgang zu einem Zeitpunkt durch
führt, zu dem die gesamte im Ladekondensator 38 gespeicherte
Energie auf den Kondensator 43 dieses magnetischen Impulskom
pressionskreises 45 übergeht. Durch diese Einstellung wird
die im Kondensator 43 des magnetischen Impulskompressions
kreises 45 gespeicherte Energie zum Erhaltungskondensator 35
über die sättigungsfähige Drossel 42 des magnetischen Impuls
kompressionskreises 45 und die Ladezeitkonstanten-Einstell
induktivität 40 übertragen, und gleichzeitig geht auch die
Energie vom Ladekondensator 38 auf den Spikerkondensator 33
über, wodurch die Spannung an den Hauptelektroden 31 und 32
erhöht wird (in der Periode A von Fig. 7). Eine Obergrenze der
Spannung ist durch die Entladungsauslösespannung Vb an den
Hauptelektroden 31 und 32 bestimmt.
Je kürzer die Zeitkonstante Tc zum Laden des Erhaltungskon
densators 35 ist, umso höher wird die Entladungsauslösespan
nung Vb, wie in bezug auf den Stand der Technik nach Fig. 21
bereits erläutert wurde.
Bei diesem Aspekt der Erfindung ist der magnetische Impuls
kompressionskreis 45 zwischen dem Ladekondensator 38 und dem
Erhaltungskondensator 35 vorgesehen. Daher kann die Ladezeit
konstante Tc um mehrere Bruchteile der Zeitdauer verkürzt
werden, die zum Ladungsübergang vom Ladekondensator 38 auf
den Kondensator 43 benötigt wird, ohne daß die Beanspruchung
des Hochspannungsschalters 39 erhöht wird. Somit kann die
Durchbruchspannung Vb ausreichend hoch gemacht werden, so daß
der Erhaltungskondensator 35 mehr Energie speichern kann.
Anschließend wird am Spikerkondensator 33 durch die Spikerla
destromquelle 34 eine hohe Spannung induziert, so daß sich
zwischen den Hauptelektroden 31 und 32 eine Entladung ausbil
det, wenn die Spannung an den Hauptelektroden den Pegel Vb
übersteigt (Periode B von Fig. 7). Wenn sich die Entladung
ausbildet, fällt die Spannung an den Hauptelektroden 31 und
32 abrupt ab (Periode C von Fig. 7), und dann wird der magne
tische Isolator 36 eingeschaltet. Dadurch wird die im Erhal
tungskondensator 35 gespeicherte große Energiemenge durch den
magnetischen Isolator 36 in die erzeugte Entladung injiziert,
so daß das Lasergas angeregt (Periode D von Fig. 7) und eine
hohe Laserenergie erzeugt wird.
Eine wichtige weitere Ausführungsform ist eine Einrichtung
mit "Polaritätsumkehrmodus" nach den Fig. 9 und 10, wobei die
Polarität der Ladespannung des Erhaltungskondensators 35 zu
derjenigen des Spikerkondensators 33 entgegengesetzt ist, was
im Gegensatz zu dem vorbeschriebenen "Dioden-Modus" steht,
der unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 von Beispiel 2 er
läutert wurde.
Bei diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 sind die Teile und
Komponenten, die Fig. 6 entsprechen, mit den gleichen Bezugs
zeichen versehen und werden nicht mehr beschrieben. 46 be
zeichnet einen Spannungspolaritätsumkehrkreis.
Nachstehend wird die Funktionsweise dieser Schaltungsanord
nung unter Bezugnahme auf die Diagramme der Fig. 10 beschrie
ben, wobei das Impulsdiagramm 10(a) Spannungsänderungen an
den Hauptelektroden 31 und 32 und das Impulsdiagramm 10(b)
die Spannungsänderung des Kondensators 43 des magnetischen
Impulskompressionskreises zeigt. Wenn der Hochspannungsschal
ter 39 eingeschaltet wird, geht die im Ladekondensator 38 ge
speicherte Energie auf den Kondensator 43 des magnetischen
Impulskompressionskreises 45 durch den Hochspannungsschalter
39 und den Spannungspolaritätsumkehrkreis 46 über und wird
darin gespeichert, obwohl die Polarität der Spannung positiv
ist (Periode E von Fig. 10). Wenn dann die gesamte im Lade
kondensator 38 gespeicherte Energie auf den Kondensator 43
für den magnetischen Impulskompressionskreis übergegangen
ist, geht die gespeicherte Energie durch die sättigungsfähige
Drossel 42 des magnetischen Impulskompressionskreises 45 und
die Schalteinrichtung 36 auf den Erhaltungskondensator 35 und
durch die sättigungsfähige Drossel 42 des magnetischen Im
pulskompressionskreises auf den Spikerkondensator 33 über,
wodurch die Spannung an den Hauptelektroden 31 und 32 an
steigt (Periode A von Fig. 10).
Zu dem Zeitpunkt, zu dem das Aufladen des Erhaltungskondensa
tors 35 beendet ist, tritt eine bestimmte Spannung an beiden
Enden des Spikerkondensators 33 auf. Der Spikerkondensator 33
hat entgegengesetzte Polarität zu der Ladespannung des Erhal
tungskondensators 35 von der Spikerladestromquelle 34.
Gleichzeitig erfolgt durch Sättigung des magnetischen Isola
tors 36 ein plötzlicher Übergang der Ladung vom Erhaltungs
kondensator 35 zum Spikerkondensator 33. Dadurch wird am Spi
kerkondensator 33 eine hohe Spannung induziert, und wenn die
Spannung an den Hauptelektroden den Pegel Vb übersteigt, ent
wickelt sich eine Entladung zwischen den Hauptelektroden 31
und 32 (Periode B von Fig. 10). Wenn sich die Entladung aus
bildet, wird die im Erhaltungskondensator 35 gespeicherte
Energie durch die Schalteinrichtung 36 in die ausgebildete
Entladung injiziert, wodurch das Lasergas angeregt wird (Pe
riode D von Fig. 10) und einen Laserstrahl emittiert. Der
Spannungspolaritätsumkehrkreis 46 bei diesem Ausführungsbei
spiel hat nicht nur die Funktion, die Beanspruchung des Hoch
spannungsschalters zu vermindern, sondern auch dessen Ver
schlechterung zu verhindern, weil die sättigungsfähige
Drossel 42 des magnetischen Impulskompressionskreises 46 das
Anlegen der an den Hauptelektroden 31 und 32 sich ausbilden
den hohen Spannung direkt an den Hochspannungsschalter 39
verhindern kann.
Wie bereits beschrieben, wird der Vorgang des Aufladens des
Erhaltungskondensators 35 durch den Sättigungszustand der
sättigungsfähigen Drossel 42 des magnetischen Impulskompres
sionskreises ausgelöst. Die Bedingungen für den Sättigungszu
stand der sättigungsfähigen Drossel sind durch das Produkt
aus der an die sättigungsfähige Drossel anzulegenden Spannung
und der Zeit bestimmt, wobei dieses Produkt dem Integral der
Spannung Vi(t) am Kondensator 43 des magnetischen Impulskom
pressionskreises mit der Zeit, d. h. dem schraffierten Be
reich unter der Kurve (b) in Fig. 7, entspricht. Es ist daher
schwierig, den Zeitpunkt der Ladungsbeendigung für den Erhal
tungskondensator 35 dem Betriebszeitpunkt der Spikerlade
stromquelle 34 zuzuordnen, weil der Zeitpunkt des Sättigungs
zustands der sättigungsfähigen
Drossel 42 des magnetischen Impulskompressionskreises sich
mit der Spannung ändert.
Das Schaltbild von Fig. 11 ist ein Ausführungsbeispiel, das
diese Schwierigkeit überwinden soll, und zeigt ein Schal
tungsbetriebszeitpunkt-Steuersystem. Entsprechende Komponen
ten und Teile wie im ersten Ausführungsbeispiel sind mit den
gleichen Bezugszeichen versehen, und die im vorhergehenden
Beispiel gegebene Beschreibung gilt sinngemäß. Gegenüber dem
Beispiel nach Fig. 9 weist dieses Beispiel die folgenden Un
terschiede und Merkmale auf. 47 bezeichnet ein Spannungsmeß
instrument, das den Sättigungs/Nichtsättigungszustand der
sättigungsfähigen Drossel 42 des magnetischen Impulskompres
sionskreises detektiert, und 48 ist ein verzögerter Trigger
generator. Der Triggergenerator 48 erzeugt ein Triggersignal
zur Aktivierung der Spikerladestromquelle 34 nach Eingang des
Detektiersignals, das von einer Verzögerung bestimmter Dauer
gefolgt ist.
Da bei dieser Schaltung der Vorgang des Ladens des Erhal
tungskondensators 35 durch den Kondensator 43 des magneti
schen Impulskompressionskreises durch den Sättigungszustand
der sättigungsfähigen Drossel 42 des Impulskompressionskrei
ses ausgelöst wird, fällt die Spannung am Kondensator 43 des
magnetischen Impulskompressionskreises ab, und der Spannungs
abfall wird vom Spannungsmeßinstrument 47 detektiert, und
dann wird die Spikerladestromquelle 34 aufgrund des Meßergeb
nisses aktiviert. Da die Zeitkonstante Tc zum Laden des Er
haltungskondensators 35 durch die Induktivität 40 zur Vorgabe
der Ladezeitkonstanten festgelegt ist, kann der Zeitpunkt der
Ladungsbeendigung des Erhaltungskondensators 35 exakt auf den
Aktivierungszeitpunkt der Spikerladestromquelle 34 einge
stellt werden.
Im vorhergehenden Beispiel 4 dient ein Spannungsmeßgerät zum
Messen des Sättigungs/Nichtsättigungszustands der sättigungs
fähigen Drossel 42 des magnetischen Impulskompressionskrei
ses; selbstverständlich wird der gleiche Vorteil erzielt,
wenn die Spannung am Erhaltungskondensator 35 gemessen wird
(Fig. 12).
In einer modifizierten Schaltungsanordnung gemäß Fig. 14 wird
ein Strommeßgerät 49 verwendet, um den Sättigungs/Nichtsätti
gungszustand der sättigungsfähigen Drossel 42 des magneti
schen Impulskompressionskreises 45 zu messen.
In einer anderen modifizierten Schaltungsanordnung nach Fig.
13 ist an der sättigungsfähigen Drossel 42 des magnetischen
Impulskompressionskreises eine Sekundärwicklung 42a vorgese
hen, und die Spannung an der Sekundärwicklung wird gemessen,
um den Sättigungs/Nichtsättigungszustand zu detektieren. Als
Sekundärwicklung kann dabei eine ursprünglich in der sätti
gungsfähigen Drossel 42 des magnetischen Impulskompressions
kreises vorgesehene Rückstellwicklung abgewandelt werden.
Die Entladungsauslösespannung ändert sich im übrigen mit der
Wiederholungsfrequenz im repetitiven Impulslaser. Wenn daher
der Laser ungeachtet der Wiederholungsfrequenz unter den
gleichen Betriebsbedingungen arbeitet, wird die Entladung in
stabil, und die Änderung der Laserausgangsleistung wird somit
unerwünscht groß.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 15 ist ein Steuersystem
zur Lösung des vorgenannten Problems vorgesehen, wobei die
durch den bereits erwähnten verzögerten Triggergenerator 48
vorgegebene Verzögerungszeit zu einer Funktion der Wiederho
lungsfrequenz gemacht und die Verzögerungszeit nach Maßgabe
der Wiederholungsfrequenz gewählt wird. Die hier definierte
Verzögerungszeit ist ein Intervall zwischen dem Zeitpunkt, zu
dem der Hochspannungsschalter einschaltet, und dem Zeitpunkt,
zu dem die Spikerladestromquelle 34 aktiviert wird.
Zusätzlich zu der Schaltung nach Fig. 11 sind in der Schal
tung nach Fig. 15 zu diesem Zweck ein Frequenzmesser 50 und
ein mit dem verzögerten Triggergenerator 48 gekoppelter Ver
zögerungssteuerkreis 51 vorgesehen. Dem Frequenzmesser 50
wird ein weiterer Triggerimpuls zugeführt, der ebenfalls den
Hochspannungsschalter 39 aktiviert, und er zählt die Trig
gerimpulse und erzeugt auf der Basis des Zählwerts ein Steu
ersignal für den Verzögerungssteuerkreis 51. Der Verzöge
rungssteuerkreis 51 berechnet eine geeignete Verzögerungszeit
auf der Basis der vorher darin gespeicherten Informationen
und liefert einen Verzögerungszeitbefehl an den Triggergene
rator 48. Der Triggergenerator 48 wird aufgrund des Signals
vom Spannungsmeßgerät 47 als Bezugszeitpunkt wirksam und er
zeugt ein Triggersignal zur Aktivierung der Spikerladestrom
quelle 34 nach Ablauf der geeigneten Verzögerungszeit, die in
dem vom Verzögerungssteuerkreis 51 zugeführten Befehl enthal
ten ist.
Durch das Vorsehen dieser Einrichtungen wird die Laseraus
gangsleistung stabiler, und es wird ein repetitiver Impulsla
ser hoher Zuverlässigkeit realisiert.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele zeigen Schaltungsanord
nungen mit nur einer Stufe des magnetischen Impulskompressi
onskreises 45; es kann aber auch ein magnetischer Vielstufen-
Impulskompressionskreis vorgesehen sein, um die Ladezeitkon
stante zu verkürzen, wie Fig. 8 zeigt.
Claims (10)
1. Laseroszillatorschaltung, umfassend:
ein mit einem Lasergas gefülltes Lasergehäuse,
eine erste und eine zweite Hauptelektrode (31, 32), die in dem Gehäuse einander gegenüberstehend angeordnet sind,
einen Spikerkondensator (33), der den beiden Hauptelektroden (31, 32) parallelgeschaltet ist,
einen Erhaltungskondensator (35), der den beiden Hauptelektroden (31, 32) über einen schaltbaren magnetischen Isolator (36) parallelgeschaltet ist,
eine Spikerkondensator-Ladestromquelle (34) zum Aufladen des Spikerkondensators (33) und
eine Erhaltungskondensator-Ladestromquelle (37), die den Er haltungskondensator (35) mit einer Polarität auflädt, die der Aufladung des Spikerkondensators (33) durch die Spikerkon densator-Ladestromquelle (34) entgegengesetzt ist, wobei zuerst der Erhaltungskondensator (35) auf eine vorbestimmte Ladespannung (VOPFN) und anschließend der Spikerkondensator (33) von der Spikerkondensator-Ladestromquelle (34) aufgeladen wird,dadurch gekennzeichnet,
daß der schaltbare magnetische Isolator (36) derart ausgebil det ist, daß er während des Ladens des Spikerkondensators (33) durch die Spikerkondensator-Ladestromquelle (34) mit einer Polarität, die derjenigen des von der Erhaltungskondensator- Ladestromquelle (37) aufgeladenen Erhaltungskondensators (35) entgegengesetzt ist, vom AUS-Zustand in den EIN-Zustand umschaltet, bevor die Ladespannung (VS) an den Anschlüssen des Spikerkondensators (33) eine Durchbruchspannung (Vb) erreicht, die die Auslösung einer Entladung zwischen dem Paar von ersten und zweiten Hauptelektroden (31, 32) ermöglicht, so daß die im Erhaltungskondensator (35) gespeicherte Ladung zum Spikerkon densator (33) übertragen wird, um die Entladung zwischen den neiden Hauptelektroden (31, 32) mit einer Polarität zu bewirken, die derjenigen der Spikerkondensator-Ladestromquelle (34) entgegengesetzt ist, wobei der Laser-Oszillator repetitiv arbeitet und die Erhaltungskondensator-Ladestromquelle wenigstens eine Stufe eines Magnetimpulskompressionskreises aufweist.
ein mit einem Lasergas gefülltes Lasergehäuse,
eine erste und eine zweite Hauptelektrode (31, 32), die in dem Gehäuse einander gegenüberstehend angeordnet sind,
einen Spikerkondensator (33), der den beiden Hauptelektroden (31, 32) parallelgeschaltet ist,
einen Erhaltungskondensator (35), der den beiden Hauptelektroden (31, 32) über einen schaltbaren magnetischen Isolator (36) parallelgeschaltet ist,
eine Spikerkondensator-Ladestromquelle (34) zum Aufladen des Spikerkondensators (33) und
eine Erhaltungskondensator-Ladestromquelle (37), die den Er haltungskondensator (35) mit einer Polarität auflädt, die der Aufladung des Spikerkondensators (33) durch die Spikerkon densator-Ladestromquelle (34) entgegengesetzt ist, wobei zuerst der Erhaltungskondensator (35) auf eine vorbestimmte Ladespannung (VOPFN) und anschließend der Spikerkondensator (33) von der Spikerkondensator-Ladestromquelle (34) aufgeladen wird,dadurch gekennzeichnet,
daß der schaltbare magnetische Isolator (36) derart ausgebil det ist, daß er während des Ladens des Spikerkondensators (33) durch die Spikerkondensator-Ladestromquelle (34) mit einer Polarität, die derjenigen des von der Erhaltungskondensator- Ladestromquelle (37) aufgeladenen Erhaltungskondensators (35) entgegengesetzt ist, vom AUS-Zustand in den EIN-Zustand umschaltet, bevor die Ladespannung (VS) an den Anschlüssen des Spikerkondensators (33) eine Durchbruchspannung (Vb) erreicht, die die Auslösung einer Entladung zwischen dem Paar von ersten und zweiten Hauptelektroden (31, 32) ermöglicht, so daß die im Erhaltungskondensator (35) gespeicherte Ladung zum Spikerkon densator (33) übertragen wird, um die Entladung zwischen den neiden Hauptelektroden (31, 32) mit einer Polarität zu bewirken, die derjenigen der Spikerkondensator-Ladestromquelle (34) entgegengesetzt ist, wobei der Laser-Oszillator repetitiv arbeitet und die Erhaltungskondensator-Ladestromquelle wenigstens eine Stufe eines Magnetimpulskompressionskreises aufweist.
2. Laseroszillatorschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Absolutwert der Spikerladespannung (|VS|) im Umschalt
zeitpunkt nicht weniger als das 0,6-fache der Durchbruchspan
nung (|Vb|) beträgt und daß die Streuinduktivität (LS) entlang der
Schleife, durch die der Entladungsstrom des Erhaltungskonden
sators (35) fließt, wesentlich kleiner als die Streuindukti
vität (L1) entlang der Schleife ist, durch die der Entladungs
strom des Spikerkondensators (33) fließt.
3. Laseroszillatorschaltung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der schaltbare magnetische Isolator (36) so ausgelegt ist,
daß seine Charakteristik der folgenden Beziehung genügt:
(Bs + Br)S < ½(VOPFN - Vb)Δtb
mit Bs = Sättigungsmagnetflußdichte,
Br = Restmagnetflußdichte,
S = Kernquerschnittsfläche des Magnetmaterials im magnetischen Isolator,
VOPFN = Erhaltungsladespannung,
Vb = inhärente Durchbruchspannung und
Δtb = zeitliche Verzögerung zwischen dem Auslösen der umgekehrten Spikeraufladung und dem inhärenten Durchbruch des Lasers.
(Bs + Br)S < ½(VOPFN - Vb)Δtb
mit Bs = Sättigungsmagnetflußdichte,
Br = Restmagnetflußdichte,
S = Kernquerschnittsfläche des Magnetmaterials im magnetischen Isolator,
VOPFN = Erhaltungsladespannung,
Vb = inhärente Durchbruchspannung und
Δtb = zeitliche Verzögerung zwischen dem Auslösen der umgekehrten Spikeraufladung und dem inhärenten Durchbruch des Lasers.
4. Laseroszillatorschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
wobei weiterhin eine Vorionisationsquelle (41) zur Vorionisa
tion des Lasergases in einem Raum zwischen den beiden Haupt
elektroden (31, 32) vorgesehen ist und die Laseroszillator
schaltung im repetitiven Betrieb mit einer Wiederholungsfre
quenz von wenigstens dreimal pro Sekunde arbeitet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorionisationsquelle (41) die Vorionisation des
Lasergases nach der Auslösung des Ladevorganges des Erhal
tungskondensators (35) und vor der Auslösung des Ladevorganges
des Spikerkondensators (33) auslöst, und daß die durch das
Anlegen eines steil ansteigenden Impulses sich ausbildende
Durchbruchsspannung (Vb) an den beiden Hauptelektroden (31, 32)
auf einen Konstantwert geregelt wird.
5. Laseroszillatorschaltung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zeitkonstante zum Aufladen des Erhaltungskondensators
(35) im Bereich von 1-5 µs liegt und der Strom für die
Vorionisation 100-500 ns vor dem Auslösen des Ladevorganges
des Spikerkondensators (33) ausgelöst wird.
6. Laseroszillatorschaltung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die den Betriebszeitpunkt
der Vorionisationsquelle (41) nach Maßgabe der Frequenz des
repetitiven Betriebes steuert.
7. Laseroszillatorschaltung nach einem der vorangegangenen
Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet durch:
eine Einrichtung zum Detektieren des Betriebes des Magnet impulskompressionskreises und zum Erzeugen eines Detektier signals,
einen Triggersteuerkreis, der ein Signal zum Auslösen der Spikerkondensator-Ladestromquelle (34) zum Aufladen des Spikerkondensators (33) mit einer vorbestimmten Verzögerung nach der Erzeugung des Detektiersignals erzeugt, und
eine Steuereinrichtung zum Einstellen des Zeitpunktes zum Auf laden des Erhaltungskondensators (35) nach Maßgabe des Lade zeitpunktes des Spikerkondensators (33).
eine Einrichtung zum Detektieren des Betriebes des Magnet impulskompressionskreises und zum Erzeugen eines Detektier signals,
einen Triggersteuerkreis, der ein Signal zum Auslösen der Spikerkondensator-Ladestromquelle (34) zum Aufladen des Spikerkondensators (33) mit einer vorbestimmten Verzögerung nach der Erzeugung des Detektiersignals erzeugt, und
eine Steuereinrichtung zum Einstellen des Zeitpunktes zum Auf laden des Erhaltungskondensators (35) nach Maßgabe des Lade zeitpunktes des Spikerkondensators (33).
8. Laseroszillatorschaltung, umfassend:
ein Lasergehäuse, das mit einem Lasergas gefüllt ist,
eine erste und eine zweite Hauptelektrode (31, 32), die einander gegenüberstehend im Gehäuse angeordnet sind,
einen Spiker kondensator (33), der den beiden Hauptelektroden (31, 32) parallelgeschaltet ist,
einen Erhaltungskondensator (35), der den beiden Hauptelektroden über eine Schaltvorrichtung (36) parallelgeschaltet ist,
eine erste Stromquelle (34) zum Aufladen des Spikerkondensa tors,
eine zweite Stromquelle (37) zum Aufladen des Erhaltungskon densators über einen Hochspannungsschalter (39) und
eine Vorionisationsquelle (41) zur Vorionisation des Lasergases in einem Raum zwischen den beiden Hauptelektroden (31, 32),
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stromquelle (37) zum Laden des Erhaltungskon densators (35) wenigstens eine Stufe eines Magnetimpulskom pressionskreises (45) aufweist.
ein Lasergehäuse, das mit einem Lasergas gefüllt ist,
eine erste und eine zweite Hauptelektrode (31, 32), die einander gegenüberstehend im Gehäuse angeordnet sind,
einen Spiker kondensator (33), der den beiden Hauptelektroden (31, 32) parallelgeschaltet ist,
einen Erhaltungskondensator (35), der den beiden Hauptelektroden über eine Schaltvorrichtung (36) parallelgeschaltet ist,
eine erste Stromquelle (34) zum Aufladen des Spikerkondensa tors,
eine zweite Stromquelle (37) zum Aufladen des Erhaltungskon densators über einen Hochspannungsschalter (39) und
eine Vorionisationsquelle (41) zur Vorionisation des Lasergases in einem Raum zwischen den beiden Hauptelektroden (31, 32),
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stromquelle (37) zum Laden des Erhaltungskon densators (35) wenigstens eine Stufe eines Magnetimpulskom pressionskreises (45) aufweist.
9. Laseroszillatorschaltung nach Anspruch 8,
gekennzeichnet durch:
eine Einrichtung (47) zum Detektieren des Betriebes des Magnetimpulskompressionskreises (45) und zum Erzeugen eines Detektiersignals,
eine Triggersteuereinrichtung (48) zum Er zeugen eines Signals zum Auslösen der ersten Stromquelle (34) zum Aufladen des Spikerkondensators (33) mit einer vorbe stimmten Verzögerung nach Erzeugung des Detektiersignals und
eine Steuereinrichtung zum Einstellen des Ladezeitpunktes für den Erhaltungskondensator (35) nach Maßgabe des Ladezeit punktes des Spikerkondensators (33).
eine Einrichtung (47) zum Detektieren des Betriebes des Magnetimpulskompressionskreises (45) und zum Erzeugen eines Detektiersignals,
eine Triggersteuereinrichtung (48) zum Er zeugen eines Signals zum Auslösen der ersten Stromquelle (34) zum Aufladen des Spikerkondensators (33) mit einer vorbe stimmten Verzögerung nach Erzeugung des Detektiersignals und
eine Steuereinrichtung zum Einstellen des Ladezeitpunktes für den Erhaltungskondensator (35) nach Maßgabe des Ladezeit punktes des Spikerkondensators (33).
10. Laseroszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Lasergas als Gasstrom durch das Lasergehäuse geleitet
wird.
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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US5181217A (en) | 1993-01-19 |
DE4124741A1 (de) | 1992-09-10 |
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