NO167118B

NO167118B - LASER STROEMFORSYNING.

Info

Publication number: NO167118B
Application number: NO83834888A
Authority: NO
Inventors: Ellwyn Angle; John Wilkerson
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Priority date: 1982-05-03
Filing date: 1983-12-30
Publication date: 1991-06-24
Also published as: NO167118C; NO834888L

Description

Foreliggende oppfinnelse angår laser-strømforsyning av den art som angitt 1 Innledningen til krav 1. The present invention relates to a laser power supply of the type specified in 1 Introduction to claim 1.

Mens foreliggende oppfinnelse her vil bli beskrevet med henvisning til en bestemt utførelsesform og en bestemt anvendelse er det klart at oppfinnelsen ikke er begrenset til denne. Fagmannen på området og de som har kjennskap til oppfinnelsens lære vil innse at ytterligere modifikasjoner og anvendelser er mulig Innenfor dens ramme. While the present invention will be described here with reference to a specific embodiment and a specific application, it is clear that the invention is not limited to this. Those skilled in the art and those familiar with the teachings of the invention will realize that further modifications and applications are possible within its scope.

Tidligere gasslaserenergitilførsler hvor tilpasningen av utladnlngslamper og blinkrørenergitilførsler slik som de viste i US patent nr. 3 235 769 og nr. 3 430 159. Som vist i US patent nr. 3 351 870 var disse tidlige systemene høy-spennings-likestrømsforsyninger med opptransformerlngstrans-formatorer, likerettingskretser, vakuumrør, pulsdannelses-nettverk og forskjellige induktorer og kondensatorer. Earlier gas laser power supplies where the adaptation of discharge lamps and flash tube power supplies such as those shown in US Patent No. 3,235,769 and No. 3,430,159. As shown in US Patent No. 3,351,870, these early systems were high-voltage direct current supplies with step-up transformers , rectifier circuits, vacuum tubes, pulse forming networks and various inductors and capacitors.

Når høyttrykksgasslaserne ble utviklet ble det funnet at likestrøms-strømforsyningene var uegnet med hensyn til påliteligheten ved starting av laseraksjonen. Llkestrømsfor-syningene var dessuten utilstrekkelig, upålitelig og omfangsrik for å kunne anvendes ved romfarten til moderne høyttrykksgasslasere. When the high-pressure gas lasers were developed, it was found that the DC power supplies were unsuitable in terms of reliability when starting the laser action. The electricity supplies were also insufficient, unreliable and bulky to be used in space travel for modern high-pressure gas lasers.

Radiofrekvenspumplngen kom i tillegg til høyttrykksgass-laserproblemet. US patent nr. 4 169 251 viser f.eks. en gasslaser med RF-eksitering. En typisk RF-pumpet høyttrykks-gasslaser krever et høyt elektrisk felt for pålitelig starting. Det nødvendige feltet for starting kan være tre ganger større enn det nødvendige for kjøringen. Radio frequency pumping added to the high pressure gas laser problem. US patent no. 4,169,251 shows e.g. a gas laser with RF excitation. A typical RF-pumped high-pressure gas laser requires a high electric field for reliable start-up. The required field for starting can be three times larger than that required for driving.

Tidligere RF-pumpelnnretnlnger må følgelig ha lmpedans-tllpasnlngskretser med faste elementer justert for å tilveiebringe et kompromiss mellom det høye feltet nødvendig for startingen av lmpedanstllpasnlngen nødvendig for virkningsfull drift. Slike kretser har i alminnelighet en LC-resonanskrets med spoleuttak for en opptransformering av Impedansen på f.eks. 4:1. Ved forsøk på et slikt kompromiss kunne disse fastelementskretsene ikke bli optimalisert for starting og heller ikke for virkningsgraden. Det er således blitt Innsett at der er et behov for en høyttrykksgasslaser RF-strømforsyning som tilveiebringer et høyt elektrisk felt for startingen og en impedanstilpasning mellom strøm-forsyningen og lasermediumet for energioverføring med høy virkningsgrad i løpet av operasjonen ved stabil tilstand. Earlier RF pump controllers must therefore have impedance matching circuits with fixed elements adjusted to provide a compromise between the high field required for starting the impedance matching necessary for effective operation. Such circuits generally have an LC resonant circuit with a coil outlet for an up-transformation of the impedance of e.g. 4:1. By attempting such a compromise, these solid state circuits could not be optimized for starting nor for efficiency. It has thus been realized that there is a need for a high-pressure gas laser RF power supply that provides a high electric field for start-up and an impedance match between the power supply and the laser medium for high-efficiency energy transfer during steady-state operation.

Ulempene ved tidligere kjente anordninger blir i hovedsaken overvunnet ved hjelp av strømforsyningen ifølge foreliggende oppfinnelse. Som nærmere beskrevet nedenfor er foreliggende oppfinnelse konstruert for å tilveiebringe det høye elektriske feltet nødvendig for starting 1 tillegg til en automatisk omjustering etter laseraksjonen er startet for å tilveiebringe en optimal impedanstilpasning for energiover-føring med høy virkningsgrad i løpet av den stabile tilstand. The disadvantages of previously known devices are mainly overcome by means of the power supply according to the present invention. As described in more detail below, the present invention is designed to provide the high electric field necessary for starting 1 in addition to an automatic readjustment after the laser action has started to provide an optimal impedance matching for energy transfer with high efficiency during the steady state.

Som tidligere nevnt blir ulempen ved tidligere kjente anordninger overvunnet ved hjelp av en strømforsyning av den innledningsvis nevnte art hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige uselvstendige kravene. As previously mentioned, the disadvantage of previously known devices is overcome by means of a power supply of the kind mentioned at the outset, the characteristic features of which appear in claim 1. Further features of the invention appear in the other non-independent claims.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere med henvisning til figuren som viser en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. The invention shall be described in more detail with reference to the figure which shows a preferred embodiment of the present invention.

Figuren viser en laser 10 som inneholder foreliggende oppfinnelses prinsipper. Den har en radiofrekvens (RF) strømforsyning 12 og en ekvivalent krets for et laserhulrom 14. RF-forsyningen 12 er en standardtype i 500 til 100 watt-klassen. Den foretrukne utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er vist mellom RF-strømforsyningen 12 og laserhulrommet 14. Deri innbefatter en kobler 16 som lnnbe-fatter en forsterker 18 tilkoblet for å motta RF-signaler tilført fra RF-strømforsyningen 12. The figure shows a laser 10 which contains the principles of the present invention. It has a radio frequency (RF) power supply 12 and an equivalent circuit for a laser cavity 14. The RF supply 12 is a standard type in the 500 to 100 watt class. The preferred embodiment of the present invention is shown between the RF power supply 12 and the laser cavity 14. It includes a coupler 16 which includes an amplifier 18 connected to receive RF signals supplied from the RF power supply 12.

Forsterkerens 18 utgang er forbundet med en induktor 20 med en vikling som igjen er forbundet med et uttak til en Induktor 22. En kondensator 24 er forbundet mellom utgangen til forsterkeren 18 og Jord. I tillegg til forsterkeren 18 kommer lnduktoren 20 og kondensatoren 24, har kobleren 16 også en andre induktor 26 med en vikling som er forbundet med jord via motstanden 28 ved en ende. En kondensator 30 er forbundet mellom den andre ende av lnduktoren 26 og Jord. Koblerens utgang er anordnet ved forbindelsen mellom lnduktoren 26 og kondensatoren 30. Koblerens utgang er forbundet med enden til en RF-drossel 32 hvis andre ende er forbundet med en kilde ned et negativt potensial (ikke vist). Også forbundet med koblerens utgang er en Shottky eller en strømførende detektordiode 34. KAtoden til dioden 34 er forbundet med et knutepunkt mellom motstanden 36, kondensatoren 38 og en Inngang til en annen forsterker 40. De frie endene til motstanden 36 og kondensatoren 38 er forbundet med jord. Den andre Inngang til forsterkeren 40 er forbundet med en variabel motstand 42 som har en ende forbundet med en kilde med positiv potensialfaktor (Ikke vist) og den andre enden er forbundet med Jord. Forsterkerens 40 utgang er forbundet med en motstand 44 med den frie ende forbundet med Jord og en andre er RF-drossel 46 via en gjennommatnings-kondensator 48. Motstanden 44 tilveiebringer en llke-spenningsretur for operasjonsforsterkeren 40. Motstanden 42 tilveiebringer et referansepotensial for forsterkeren 40. De frie endene til gjennommatnlngskondensatoren 48 er også forbundet med Jord. De frie endene til RF-drosselen 46 er forbundet med et sett med varaktordloder 50 og 52. Som vist på figuren er varaktordiodene katodeforbundet ved for-blndelsesstedet med RF-drossel 46. Anoden til dioden 50 er forbundet med en kondensator 54. Den frie enden av kondensatoren 54. Den frie enden av kondensatoren 54 og anoden til dioden 52 er forbundet over endene til lnduktoren 22. Anoden til dioden 52 og lnduktoren 22 er også forbundet med jord. Utgangen til strømforsyningen Ifølge foreliggende oppfinnelse fremkommer ved snittet mellom kondensatoren 54 og lnduktoren 22. Den er vist forbundet med laser-ekvivalent-kretsen 14 representert av kondensatoren 56 og 58 og motstanden 60. Typiske parametere for komponentene vist på figuren er vist i The output of the amplifier 18 is connected to an inductor 20 with a winding which in turn is connected to an outlet of an Inductor 22. A capacitor 24 is connected between the output of the amplifier 18 and Earth. In addition to the amplifier 18, the inductor 20 and the capacitor 24, the coupler 16 also has a second inductor 26 with a winding which is connected to ground via the resistor 28 at one end. A capacitor 30 is connected between the other end of the inductor 26 and Earth. The coupler's output is arranged at the connection between the inductor 26 and the capacitor 30. The coupler's output is connected to the end of an RF choke 32 whose other end is connected to a source down a negative potential (not shown). Also connected to the output of the coupler is a Shottky or current-carrying detector diode 34. The cathode of the diode 34 is connected to a junction between the resistor 36, the capacitor 38 and an Input to another amplifier 40. The free ends of the resistor 36 and the capacitor 38 are connected to earth. The second input to the amplifier 40 is connected to a variable resistance 42 which has one end connected to a source with a positive potential factor (Not shown) and the other end is connected to Earth. The output of the amplifier 40 is connected to a resistor 44 with the free end connected to ground and a second is RF choke 46 via a feed-through capacitor 48. The resistor 44 provides a low voltage return for the operational amplifier 40. The resistor 42 provides a reference potential for the amplifier 40 The free ends of feed-through capacitor 48 are also connected to Ground. The free ends of the RF choke 46 are connected to a set of varactor diodes 50 and 52. As shown in the figure, the varactor diodes are cathode connected at the junction with the RF choke 46. The anode of the diode 50 is connected to a capacitor 54. The free end of the capacitor 54. The free end of the capacitor 54 and the anode of the diode 52 are connected across the ends of the inductor 22. The anode of the diode 52 and the inductor 22 are also connected to ground. The output of the power supply according to the present invention appears at the intersection between the capacitor 54 and the inductor 22. It is shown connected to the laser equivalent circuit 14 represented by the capacitor 56 and 58 and the resistor 60. Typical parameters for the components shown in the figure are shown in

tabellen under tabell I. the table under table I.

Ved drift, siden gassutladning ikke har bestått, er gassen i laserhulrommet 14 ikke ionisert og laserrøret vil fremkomme elektrisk som en kondensator 56. Den vil ha en kapasitet som vil være en funksjon av laserlengden, elektrodebredde, elektrodeadsklllelse, og det dielektriske materiale til laserboret. Den avstemte kretsen fremlagt av lnduktoren 22, kondensatoren 54, og varaktordlodene 50 og 52 blir for-håndsinnstilt av kondensatoren 4 og den ekvivalente serie-kapasiteten til varaktordioden 50 og 52 som er et resultat av den elektriske forspenningsspenningen +Vjj ved katodeforbin-delsen mellom varaktordlodene 50 og 52. Kapasitansen til varaktordlodene 50 og 52 og kondensatoren 54 og 56 er i resonans med lnduktoren 22 ved RF-frekvensen som driver laseren. Resonansen for kretsen 21 sikrer den maksimale spenningen ved laser 14 og laseren 14 slås på. During operation, since gas discharge has not occurred, the gas in the laser cavity 14 is not ionized and the laser tube will appear electrically as a capacitor 56. It will have a capacity that will be a function of the laser length, electrode width, electrode coating, and the dielectric material of the laser drill. The tuned circuit provided by the inductor 22, the capacitor 54, and the varactor leads 50 and 52 is preset by the capacitor 4 and the equivalent series capacitance of the varactor diodes 50 and 52 which results from the electrical bias voltage +Vjj at the cathode junction between the varactor leads 50 and 52. The capacitance of the varactor leads 50 and 52 and the capacitor 54 and 56 is in resonance with the inductor 22 at the RF frequency driving the laser. The resonance for the circuit 21 ensures the maximum voltage at the laser 14 and the laser 14 is switched on.

Så snart laservirkningen starter blir kretselementene 58 og 60 tillagt parallelt med den avstemte kretsen 21 som således senker resonansfrekvensen 21 og reduserer den belastede Q. Tankkretsen 21 er trukket bort fra resonans, som utgjør en lmpedansfellpasnlng til RF-kilden 12 ved uttaksspolen 22. Retnlngskopleren 16 avføler det økede reflektet i bølgen på grunn av feiltilpasningen. Den reflekterte bølge represen-terer returtapet som er gjenstand for foreliggende oppfinnelse til minimum. Kobleren diskrimineres ved avfølingen av den reflekterte bølgen mellom fremover og reflektert energi. Den tilveiebringer et utløpssignal til dioden 34 ved mottakelse av reflektert energi. Dioden 34 blir frakoplet fra et negativt likestrømspotensial ved hjelp av RF-drossel 32. Dette tillater forspenning av dioden 34 ved tilnærmet 100 A for å tilveiebringe styrbar følsomhet og impedans. Utgangen til kobleren 16 slår på dioden 34 som igjen tilveiebringer et signal til lavpassfilter 35 frembrakt av motstanden 36 og kondensatoren 38. Et filtrert elektrisk signal som represen-terer returtapet blir derved tilveiebrakt for forsterkeren 40 for forsterkning. Den blir ført tilbake til varaktordlodene 50 og 52 via RF-drossel 46 og gjennommatningskondensatoren 48. RF-drossel 46 og gjennommatnlngskondensatoren 48 tilveiebringer RF-isolasjon som tillater llkestrømsslgnalet ført til varaktordlodene mens vekselstrømmen frakobles. Spenningen Vg blir øket med tilbakekoblingen fra forsterkeren 40 slik at kapasiteten til varaktordlodene 50 og 52 blir redusert ved en størrelse lik økningen i kåpasitansen 58 til laserhulrommet ved 14. Kretsen er Igjen i resonans. Impedansen ved RF-kllden er Igjen tilpasset med varaktordlodene 50 og 52 tilkoblet ved riktig spenning +Vg. Kretsen vil opprettholde riktig forspenning på varaktordlodene i en retning for å bringe den avstemte kretsen 21 til resonans. Kretsen er således selvstabiliserende og vil opprettholde laserutgangen tilnærmet konstant ved å opprettholde RF-drlvenergien konstant. As soon as the laser action starts, the circuit elements 58 and 60 are added in parallel with the tuned circuit 21 which thus lowers the resonant frequency 21 and reduces the loaded Q. The tank circuit 21 is pulled away from resonance, which forms an impedance matching to the RF source 12 at the tap coil 22. The directional coupler 16 senses the increased reflection in the wave due to the misalignment. The reflected wave represents the return loss which is the subject of the present invention to a minimum. The coupler is discriminated by sensing the reflected wave between forward and reflected energy. It provides an output signal to diode 34 upon receipt of reflected energy. Diode 34 is disconnected from a negative DC potential by RF choke 32. This allows diode 34 to be biased at approximately 100 A to provide controllable sensitivity and impedance. The output of the coupler 16 switches on the diode 34 which in turn provides a signal to the low pass filter 35 produced by the resistor 36 and the capacitor 38. A filtered electrical signal representing the return loss is thereby provided to the amplifier 40 for amplification. It is fed back to the varactor leads 50 and 52 via RF choke 46 and feed-through capacitor 48. RF choke 46 and feed-through capacitor 48 provide RF isolation which allows the current signal to be fed to the varactor leads while the AC is disconnected. The voltage Vg is increased by the feedback from the amplifier 40 so that the capacity of the varactor leads 50 and 52 is reduced by an amount equal to the increase in the cap capacitance 58 of the laser cavity at 14. The circuit is again in resonance. The impedance at the RF source is again matched with the varactor leads 50 and 52 connected at the correct voltage +Vg. The circuit will maintain proper bias on the varactor leads in one direction to bring the tuned circuit 21 into resonance. The circuit is thus self-stabilizing and will maintain the laser output approximately constant by maintaining the RF drlv energy constant.

Med en foretrukket utførelsesform som beskrevet ovenfor, er det klart at oppfinnelsen ikke er begrenset til den. De som har tilgang til oppfinnelsens lære, en fagmann på området, vil innse at modifikasjoner er mulig innenfor dens ramme. Frakoblingskretsen 16 kan f.eks. bli erstattet av en kvart-bølgeoverføringslinje for å sikre fordelen ved foreliggende oppfinnelse uten å avvike fra dens ramme. En nullforspen-nlngsdlode kunne dessuten bli anvendt i stedet for Shottky eller strømførende detektordlode anvendt i denne oppfinnelsen. Andre lavpassfiltere og variable resonanskretser kunne naturligvis bli anvendt uten å avvike fra oppfinnelsens ramme. Det er derfor forsøkt ved kravene å dekke enhver slik modifikasjon. With a preferred embodiment as described above, it is clear that the invention is not limited thereto. Those having access to the teachings of the invention, one skilled in the art, will recognize that modifications are possible within its scope. The disconnection circuit 16 can e.g. be replaced by a quarter-wave transmission line to ensure the benefit of the present invention without departing from its scope. Furthermore, a zero-bias voltage diode could be used in place of the Shottky or current-carrying detector diode used in this invention. Other low-pass filters and variable resonance circuits could of course be used without deviating from the framework of the invention. An attempt has therefore been made in the requirements to cover any such modification.

Claims

1. Laser power supply including a variable impedance matching device (21) for matching the impedance of a laser cavity (14) to an RF energy source (12), characterized by a device (16) for sensing a change in the impedance of the laser cavity (14) , a device (40-52) for changing the impedance of the variable impedance matching device (21) in response to sensed change in the impedance of the laser cavity (14), wherein the RF source (12) is optimally coupled to the laser cavity (14) to improve the start-up and facilitate an optimal energy transfer.

2. Power supply according to claim 1, characterized in that the sensing device (16) has a device for sensing RF energy reflected from the laser cavity (14) and that the impedance changing device (40-52) has a device connected to the sensing device for changes in the impedance of the variable impedance matching device ( 21) due to the reflected RF energy sensing device to minimize RF energy reflected from the cavity, whereby the RF source is continuously optimally coupled with the laser cavity to improve start-up and facilitate optimal energy transfer.

3. Power supply according to claim 1 or 2, characterized in that the variable impedance matching device (21) includes a variable capacitor (50, 52).

4. Power supply according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the device (16) for sensing a change in the impedance of the laser cavity (14) is a directional coupler.

5. Power supply according to claims 1-4, characterized in that the device (40-52) for changing the impedance of the variable impedance matching device (21) includes components (32, 34, 40) for providing an amplified RF-isolated direct current signal to the variable capacitor ( 50, 52) which corresponds to the sensed change in the Impedance of the laser cavity (14).

6. Power supply according to claims 1-5, characterized in that the device (21) for matching the impedance of the laser cavity (14) is a tuned circuit and further includes an inductor (22) and a capacitor (54).

7. Power supply according to claims 1-6, characterized in that the device (16) for sensing a change in the impedance of the laser cavity (14) also has a low-pass filter (35).

8. Power supply according to claims 1-7, characterized in that the directional coupler has an inductor (20, 26) with a winding.

9. Power supply according to claims 1-8, characterized in that the device (40-52) for changing the impedance of the impedance matching device (21) has an amplifier (40), an RF choke (46) and a feed-through capacitor (48).

10. Power supply According to claims 7-9, characterized in that the device (16) for sensing a change in the impedance of the laser cavity (14) also includes a device for controlling the sensitivity and impedance of the low-pass filter (35).