NO164806B - Gasslaser for eksitering ved kondensatorutladning. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en gasslaser hvor gassen eksiteres av en kondensatorutladning.

En kjent laser av denne type er beskrevet i den publiserte franske patentansøkning nr. 2.356.297 i navnet Battelle Memorial Institute. Nevnte laser omfatter nærmere bestemt et optisk resonanshulsrom anordnet langs en akse og fylt med aktiv gass, to elektroder i kontakt med den aktive gass og sammenkoblet over en induksjonsvikling, samt anordnet på hver sin side av aksen, to kondensatorer som hver har et dielektrisk avstandsstykke og to plater, idet hver elektrode utgjør en kondensatorplate, samt en krets for ladning av kondensatorene. De to elektroder utgjøres av plater som er anordnet rett overfor hverandre og hvis ene sider, sammen med de dielektriske avstandsstykker, avgrenser en laserpassasje langs nevnte akse og som inneholder den aktive lasergass. Nevnte laser utløses ved hjelp av en gnistenhet hvis elektroder er koblet til hver sin sideflate av kondensatorene.

En sådan laser har to hovedulemper, nemlig for det første at det ofte vil være nødvendig å innstille avstanden mellom gnistenhetens elektroder, samt også å skifte ut disse elektroder. Lav pålitelighetsgrad og kort levetid er en følge av begge disse forhold.

For det annet vil det plasma som bygges opp i gnistenheten hver gang laseren utløses først bli slukket etter forholdsvis lang tid, og det er derfor umulig å utløse laseren i høy takt, hvilket i praksis vil si ved en frekvens på mer enn 10 - 50 kHz.

På denne bakgrunn er det et formål for foreliggende oppfinnelse å overvinne disse ulemper og frembringe en gasslaser hvor laseren utløses av kondensatorutladningen, men likevel kan bringes til å arbeide ved vesentlig høyere utløsnings-frekvens og med større pålitelighet.

Foreliggende oppfinnelse gjelder således en gasslaser for eksitering ved kondensatorutladning, idet laseren omfatter et optisk resonanshulrom anordnet langs en akse og med innhold av en aktiv lasergass, to innbyrdes motstående elektroder i kontakt med den aktive gass og anordnet på hver sin side av nevnte akse, to kondensatorer som hver omfatter et dielektrisk legeme samt to kondensatorplater som danner hver sin av nevnte elektroder, således at de dielektriske legemer og nevnte elektroder avgrenser en laserpassasje anordnet langs nevnte akse for å romme den aktive gass, mens en ladningskrets er anordnet for ladning av kondensatorene og omfatter en transformator hvis primærvikling er koblet i serie med en primærkondensator og hvis ytterender av sekundærviklingen er koblet til hver sin kondensatorplate, en elektrisk strømkilde for oppladning av primærkondensatoren og utstyr for styring av kondensatorens utladning gjennom primærviklingen på sådan måte at det induseres tilstrekkelig strøm i sekundærviklingen til oppladning av laserkondensatorene i sådan grad at en elektrisk utladning frembringes mellom elektrodene for å eksitere det aktive gassmedium til å danne en laserstråle.

På denne bakgrunn av kjent teknikk fra ovenfor angitte FR-A 2.356.297, samt FR-2.182.732 har så gasslaseren i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at den videre omfatter en isolert leder som er anordnet parallelt med laseraksen i den aktive gass og nær en av elektrodene, en høyspenningsgenerator for elektriske pulser og hvis polklemmer er koblet henholdsvis til nevnte leder og den elektrode som befinner seg nær denne leder, og en forsinkelseskrets forbundet med en styreinngang for nevnte generator for elektriske pulser og nevnte utstyr for styring av primærkondensatorens utladning, idet kretsens forsinkelse er fastlagt slik at generatoren før laserkondensatorens ladespenning når tennspenningsnivået mellom elektrodene bringes til å avgi en høyspenningspuls av sådan art at det dannes en koronautladning rundt lederens isoleringsrør og som er i stand til umiddelbart å utløse elektriske utladninger mellom elektrodene.

Et utførelseseksempel av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet og sammenlignet med kjent teknikk under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser en kjent laserutførelse ved et tverrsnitt gjennom laserlegemet. Fig. 2 viser et lengdesnitt gjennom laserlegemet langs det antydede plan II-II i fig. 1. Fig. 3 viser en utførelse av laseren i henhold til oppfinnelsen ved et tverrsnitt gjennom laserlegemet. Fig. 4 viser et lengdesnitt gjennom laserlegemet langs det antydede plan IV-IV i fig. 3.

I fig. 1 er det vist et tverrsnitt gjennom et laserlegeme 1 langs et plan som er et angitt ved I-l i fig. 2. Dette laserlegeme omfatter to rektangulære stålplater 1 og 2 som er innbyrdes parallelle og vendt mot hverandre.

To dielektriske legemer 4 og 5 i form av parallellepipeder er fast anordnet mellom platene 2 og 3. Legemene 4 og 5 er anordnet parallelt og med innbyrdes avstand, således at det dannes en passasje 6 i laserens lengderetning' mellom disse legemer og med en akse 7 vinkelrett på figurplanet for fig. 1. Legemene 4 og 5 utgjøres fortrinnsvis av blokker av en ferroelektrisk keramisk substans med høy dielektrisitets-konstant, f.eks. bariumtitanat. De sideflater av legemene 4 og 5 som ikke befinner seg i kontakt med platene 2 og 3 kan være dekket av et lag av epoksy-harpiks 8. Platene 2 og 3 danner således sideflatene for to kondensatorer og C2, som er koblet i parallell, idet dielektrika for disse kondensatorer utgjøres av henhv. legeme 4 og legeme 5.

De respektive midtpartier av platene 2 og 3 som ikke befinner seg i kontakt med legemene 4 og 5, er hver utstyrt med et avrundet fremspring 9 med sylinderformet overflate parallelt med aksen 7. Disse fremspring strekker seg innover i passasjen 6 og danner derved ytterendene av to elektroder som er vendt mot hverandre.

Et optisk resonanshulrom er anordnet langs aksen 7. Som det vil fremgå av fig. 2 er dette hulrom utstyrt med to speil 10

og 11 som er fast forbundet med ytterendene av passasjen 6 og lukker denne. Speilet 10 er et totaltreflekterende speil,

mens speilet 11 er delvis gjennomtrengelig for-laserstråling.

Det indre hulrom i passasjen 6 er fylt med en aktiv lasergass, som i foreliggende utførelseseksempel utgjøres av en blanding av nitrogen og svovelheksafluorid SP5, men kan også utgjøres av en blanding av halogener og edelgasser.

Ytterendene av en sekundær-vikling 12 i en transformator 13 er koblet til hver sin av de to metallplater 2 og 3. Den ene ende av transformatorens primærvikling 14 er forbundet med den ene sideflate i en primærkondensator 15 hvis annen sideplate er koblet til anoden av en tyristor 16, hvis katode er koblet til den annen ytterende av viklingen 14. Sammen-koblingspunktet mellom kondensatoren 15 og tyristoren 16 er forbundet med den positive pol for en elektrisk strømkilde 17 over en lademotstand. 18 og en bryter 19. Den negative pol for strømkilden 17 koblet til katodesiden av tyristoren 16. De to utgangsklemmer for en styrekrets 20 er koblet henhv. til katoden og styreelektroden. for tyristoren 16.

Den kjente laser som er beskrevet ovenfor og vist i fig. 1 og 2 arbeider på følgende måte.

Mens tyristoren 16 befinner seg i ikke-ledende tilstand, lades kondensatoren 15 ved lukking av bryteren 19. Kondensatoren 15 bringes så til å utlades gjennom viklingen 14 ved å bringe tyristoren 16 i ledende tilstand under styring fra kretsen 20. Denne utladning frembringer en indusert spenning i sekundærviklingen 12 av transformatoren 13, og denne induserte ;spenning sørger for oppladning av de to kondensatorer Ci og C2 som er parallellkoblet i laserlegemet 1. Så snart spenningen mellom platene 2 og 3 når tennspenningen mellom laserelektrodene 9, dannes det mellom disse elektroder en utladning som frembringer en laserutstråling i hulrommet mellom speilene 10, 11 og fører til at en laserpuls 21 forlater hulrommet gjennom speilet 11.

Primærkondensatoren 15 kan f.eks. lades opp til en spenning mellom 100 og 500 volt, mens de to sekundære-kondensatorer lades opp i løpet av et tidsintervall på omkring 0,1 - 10 mikrosekunder etter den styrte utladning av kondensatoren 15. Andelen av SF6 i lasergassen innstilles til omkring 1 % for å bestemme spenningen av utladningen mellom elektrodene, idet tennspenningen vil være høyere jo høyere andel av SFg i lasergassen. Kondensatorene utlades i løpet av meget kort

- tid (omkring 1 nanosekund).

Det vil således være mulig å utløse laseren meget hyppig, f.eks. med en frekvens på mer enn 100 kHz i drift.

I dette tilfellet vil det da være nødvendig å frembringe en strømning av aktiv gass i passasjen 6 ved hjelp av kjente midler, som ikke er vist.

Den kjente laserkonstruksjon som er vist i fig. 1 og 2 er meget pålitelig og har lang levetid, da den enhet som frembringer utladning av primærkondensatoren 15 i primærviklingen 14 er en styrbar likeretter av halvledertype og som praktisk talt ikke er gjenstand for noen slitasje. Tyristoren 16 kan erstattes av en transistor eller av en felt-effekttransistor. Dette gjør det mulig å ytterligere øke laserens utladningstakt.

Det er funnet at laserens effektfaktor (laserstrålens energi/energi lagret i kondensatorene) er større enn 2 °/oo, idet den lagrede energi i kondensatorene er 40 mJ og pulsenergien i laserstrålen er 100 uJ.

Fig. 3 og 4 viser en utførelse av laseren i henhold til oppfinnelsen. Denne utførelse omfatter komponenter av samme art som i den viste laser i fig. 1 og 2, og disse komponenter har da samme henvisningstall som tidligere.

I fig. 3 er det vist et laserlegeme i et tverrsnitt langs et plan III-III i fig. 4. Dette laserlegemet har to rektangulære stålplater 2 og 3 som er hovedsakelig parallelle og vendt mot hverandre.

To dielektriske legemer 4 og 5 i form av parallellepipeder er festet mellom platene 2 og 3. Legemene 4 og 5 er anordnet parallelt med hverandre og med innbyrdes avstand, således at det dannes en passasje 6 i laserens lengderetning mellom disse legemer og med en akse 7 vinkelrett på tegningsplanet i fig. 3. Legemene 4 og 5 utgjøres fortrinnsvis av blokker av ferroelektrisk keramisk material med høy dielektrisitets-konstant, f.eks. bariumtitanat. Som vist, kan de sideflater av legemene 4 og 5 som ikke er i kontakt med platene 2 og 3 være dekket med et lag av epoksy-harpiks 8. Platene 2 og 3 danner kondensator-platene i to kondensatorer og C2 som er koblet i parallell, mens dielektrika i disse kondensatorer er legemene 4 og 5.

Midtpartiet av platene 2 og 3, som ikke befinner seg i kontakt med legemene 4 og 5, er utstyrt med hvert sitt avrundede fremspring, slik som 9. Disse fremspring rager inn i passasjen 6 med sylinderoverflater parallelt med passasjens akse 7, således at det dannes to elektroder vendt mot hverandre.

En av disse elektroder har et. indre hulrom 22 og fremspringet 9 som denne elektrode danner, har et antall åpninger, slik som 23, 24, 25, fordelt over elektrodeoverflaten. Disse åpninger danner da forbindelser mellom passasjen 6 og det indre hulrom 22.

En isolert leder som utgjøres av en nikkeltråd 26 inne i et glassrør 27, som også inneholder en ledende løsning 28, er anordnet inne i hulrommet 22.

En optisk hulromsresonator er anordnet langs aksen 7. Denne resonator har to speil 10 og 11 (fig. 7) som er fastlimt ved hver sin ytterende av passasjen 6, således at denne lukkes. Speilet 10 er et totaltreflekterende speil, mens speilet 11 er delvis gjennomtrengelig for laserstråling.

Det indre hulrom i passasjen 6 er fylt med en aktiv lasergass, f.eks. nitrogen.

De to ytterender av sekundærviklingen 12 i en transformator 13 er koblet til hver sin av de to metallplater 2 og 3. Den ene ende av transformatorens primærvikling 14 er forbundet til den ene sideplate av en primærkondensator 15, hvis annen sideplate er koblet til anoden av en tyristor 16, hvis katode er koblet til den annen ende av viklingen 14. Koblings-punktet mellom kondensatoren 15 og tyristoren 16 er forbundet med den positive pol for en likestrømskilde 17 gjennom en lademotstand 18 og en bryter 19. Den negative pol av

strømkilden 17 er forbundet med katodesiden av tyristoren 16.

De to utgangsklemmer for en styrekrets 20 er forbundet henhv. med styreelektroden for tyristoren 16 og den negative pol for strømkilden 17, samt dessuten til inngangen for en forsinkelseskrets 29 hvis utgang er koblet til inngangssiden av en høyspenningspulsgenerator 30, hvis utgangsklemmer er forbundet henhv. med lederen 26 og kondensatorplaten 3.

Den laserkonstruksjon som er beskrevet ovenfor og vist i fig.

3 og 4 arbeider på følgende måte.

Mens tyristoren 16 er ikke-ledende, lades kondenstoren 15 ved å lukke bryteren 19. Utladning av kondensatoren 15 gjennom viklingen 14 utløses så av styrekretsen 20 som bringer tyristoren 16 i ledende tilstand. Denne utladning gjør at en spenning induseres i transformatorens sekundærvikling 12, og denne induserte spenning sørger for tiltagende oppladning av de to parallellkoblede kondensatorer og C2-

Styrekretsen 20 utløser også en høyspenningspuls som avgis fra pulsgeneratoren 30 etter et tidsintervall som er bestemt tidsintervall som er bestemt av forsinkelseskretsen 29. Forsinkelsen i kretsen 29 er innstilt slik at høyspennings-pulsen avgis før oppladningen av kondenstorene og C2 når tennspenningen mellom laserelektrodene.

Så snart høyspenningspulsen er avgitt, dannes en koronautladning rundt isoleringsrøret 27 med ledende løsning 28 som omgir lederen 26. En ionisering av den aktive gass som følge av nevnte koronautladning frembringer umiddelbart en elektrisk utladning mellom de to laserelektroder. Under påvirkning fra denne utladning dannes en laserstråling mellom de to speil 10 og 11 i laserhulrommet. Denne stråling frembringer så en laserpuls 21 som forlater resonatoren gjennom speilet 11.

I praksis er forsinkelsen i kretsen 29 innstilt slik at koronautladningen finner sted ved en forut bestemt kondensatorladningsspenning som er noe lavere enn tennspenningen. Det bør imidlertid være klart at denne forut bestemte spenning ikke er kritisk og at den elektriske utladning som frembringes av koronautladningen kan oppnås ved en forut bestemt spenning som bare er 5. delen av tennspenningen.

Den således oppnådde elektriske utladning er særlig stabil og homogen og dens brennspenning er konstant. Fordelen ved den laser i henhold til oppfinnelsen som er vist i fig. 3 og 4 fremfor den kjente laser som er angitt i fig. 1 og 2, er at den har en energiutgang som kan være 5-10 ganger større. Videre er det observert bedre stabilitet for laserenergien, større tidspresisjon ved utløsning av laserpulsene, samt en sterk reduksjon av det frembragte radioelektriske forstyrrelsesnivå.

Den isolerte leder behøver naturligvis ikke være anordnet

inne i en hul elektrode i form av et gitter, slik som i den nettopp beskrevne utførelse, men kan også ganske enkelt være anordnet inne i laserpassasjen nær en elektrode og parallelt med passasjeaksen.

Videre kan den aktive gass utgjøres av en blanding av halogener og edelgasser for derved å danne eksimerlasere.

Endelig er det mulig å frembringe en strøm av aktiv gass i passasjen ved hjelp av kjente midler, særlig i det tilfellet hvor det er påkrevet å frembringe laserpulser i høy takt.

Laseren i henhold til oppfinnelsen kan anvendes for å eksitere farvestofflasere.

Claims (3)

1. Gasslaser for eksitering ved kondensatorutladning, idet laseren (1) omfatter et optisk resonanshulrom anordnet langs en akse (7) og med innhold av en aktiv lasergass, to innbyrdes motstående elektroder (2,3) i kontakt med den aktive gass og anordnet på hver sin side av nevnte akse, to kondensatorer som hver omfatter et dielektrisk legeme (4,5) samt to kondensatorplater som danner hver sin av nevnte elektroder, således at de dielektriske legemer (4,5) og nevnte elektroder (2,3) avgrenser en laserpassasje (6) anordnet langs nevnte akse (7) for å romme den aktive gass, mens en ladningskrets er anordnet for ladning av kondensatorene og omfatter en transformator (13) hvis primærvikling (14) er koblet i serie med en primærkondensator (15) og hvis ytterender av sekundærviklingen (12) er koblet til hver sin kondensatorplate (2,3), en elektrisk strømkilde (17) for oppladning av primærkondensatoren (15) og utstyr (20) for styring av kondensatorens utladning gjennom primærviklingen på sådan måte at det induseres tilstrekkelig strøm i sekundærviklingen (12) til oppladning av laserkondensatorene i sådan grad at en elektrisk utladning frembringes mellom elektrodene for å eksitere det aktive gassmedium til å danne en laserstråle, karakterisert ved at laseren (1) videre omfatter en isolert leder (26 - 28) som er anordnet parallelt med laseraksen (7) i den aktive gass og nær en av elektrodene (2,3), en høyspenningsgenerator (30) for elektriske pulser og hvis polklemmer er koblet henholdsvis til nevnte leder (26 - 28) og den elektrode (3) som befinner seg nær denne leder, og en forsinkelseskrets (29) forbundet med en styreinngang for nevnte generator for elektriske pulser og nevnte utstyr (20) for styring av primærkondensatorens utladning, idet kretsens forsinkelse er fastlagt slik at generatoren (30) før laserkondensatorens ladespenning når tennspenningsnivået mellom elektrodene (2,3) bringes til å avgi en høyspenningspuls av sådan art at det dannes en koronautladning rundt lederens isoleringsrør (27) og som er i stand til umiddelbart å utløse elektriske utladninger mellom elektrodene.

2. Gasslaser som angitt i krav 1, karakterisert ved at minst en av elektrodene (2, 3) har et avrundet fremspring (9) som rager inn i laserpassasjen (6).

3. Gasslaser som angitt i krav 2, karakterisert ved at den elektrode (3) som har et fremspring (9) også har et indre hulrom (22) samt et antall åpninger (23, 24, 25) som danner forbindelse mellom passasjen (6) og det indre (22) av fremspringet, og den isolerte leder (26 - 28) befinner seg inne i hulrommet (22).