NO854552L

NO854552L - Integrert laser-hode og lavinduktans pulsdannende krets for pulsede glasslasere.

Info

Publication number: NO854552L
Application number: NO85854552A
Authority: NO
Inventors: David J Lucero; Claudio G Parazzoli; Metin S Mangir
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Priority date: 1984-12-26
Filing date: 1985-11-14
Publication date: 1990-07-30
Also published as: DE3544862A1; SE8600078D0; IT8548903A0; GB2227877B; GB8531290D0; FR2637742A1; GB2227877A; US4876693A

Description

Foreliggende oppfinnelse angår lasere og mer bestemt utstyr som gir høyenergipulser fra gasslasere.

Avstandsmåleutstyr med laser benyttes for å bestemme avstanden fra en avstandsmåler til et fjerntliggende objekt. For å få best mulig oppløsningsevne i en laseravstandsmåler, må et system av denne art være istand til å frembringe pulser som har forholdsvis høye energinivåer, men som bare spenner over overordentlig korte tidsintervaller. Et ønsket toppnivå for energi i et slikt system, ligger i e.t megawatt område. Den totale energi som sendes i en av disse pulser, bør ligge i nærheten av 100 millijoul. Varigheten av en slik puls målt ved halvdelen av toppamplituden for energinivået, er tilnærmet 60 nanosekunder. For best mulige egenskaper ved avstandsmålere som anvender en blende som er delt mellom sender oa mottaaer. må den totale lenade av pulsene være

ro

mindre enn et mikrosekund, d.v.s. at på et mikex-sekund eller mindre fra opptreden av toppverdien, må energinivået avta med en faktor som er lik 10

Kravene til formgivning som vekt, størrelse og volum, vil ytterligere komplisere de detaljer som dikterer konstruk-sjonen av systemet. Slike begrensninger når det gjelder formgivning, krever ofte at det aktive volum på slike laseravstandsmålere skal ligge mellom 15-20 kubikk centimeter. CO- laser avstandsmålere som idag er tilgjengelige, kan vanligvis frembringe pulser på 35-50 millijoul med energi over et tidsrom på 2 mikrosekunder. Denne pulslengde på 2 mikrosekunder kan skape alvorlige vanskeligheter som fører til en nedsettelse av avstandsmålerens evne til å måle avstander nøyaktig.

Årsaken til denne manglende evne ved avstandsmålere til oppløsning av pulser, er knyttet til mangelen på skarphet i formen på utgangsbølgen. Som sammenligning med den ideelle høye, smale puls som er vist på fig. 1, gjengir fig. 2 en utgangspuls som inneholder mindre energi og er langt

Viktig informasjon

Av arkivmessige grunner har Patentstyret for denne allment tilgjengelige patentsøknad kun tilgjengelig dokumenter som inneholder håndskrevne anmerkninger, kommentarer eller overstrykninger, eller som kan være stemplet "Utgår" eller lignende. Vi har derfor måtte benytte disse dokumentene til skanning for å lage en elektronisk utgave.

Håndskrevne anmerkninger eller kommentarer har vært en del av saksbehandlingen, og skal ikke benyttes til å tolke innholdet i dokumentet.

Overstrykninger og stemplinger med "Utgår" e.l. indikerer at det under saksbehandlingen er kommet inn nyere dokumenter til erstatning for det tidligere dokumentet. Slik overstrykning eller stempling må ikke forstås slik at den aktuelle delen av dokumentet ikke gjelder.

Vennligst se bort fra håndskrevne anmerkninger, kommentarer eller overstrykninger, samt eventuelle stemplinger med "Utgår" e.l. som har samme betydning.

mindre skarp eller spisset. Denne mangel på pulsdefinisjon, resulterer ofte i at avstandsmåleren ikke er istand til å skjeldne mellom to adskilte mål som står tett sammen. De

skundære bølgetopper som følger den primære topp i bølge-

formen,som vist på fig. 2, gjør slike bølgeformer uegnet til anvendelse i laseravstandsmålere.

En teknikk som er blitt anvendt for å få pulser med høyere energi og større skarphet, er å øke gasstrykket i laser-forsterkningsmediet. Denne metode benyttes i en elektrisk sperrelaser, der eksiteringsenergien påtrykkes et gassmedium i en retning perpendikulært på laserhulrommets optiske akse. I stedet for å holde en CC^blanding av karbon diok-syd, nitrogen og helium på 1 atmosfære, kan gasslasere arbeide ved det mangedobbelte av en atmosfære, for å frembringe laserpulser med høy energi og kort tidsvarighet.

Et forsøk på å frembringe pulser med høy utgang, er beskrevet i US PS nr. 4.185.255. Anordningen innbefatter

et par elektroder som står parallelt med hverandre rundt et laserrør som inneholder gassen. En forholdsvis stor generatorenhet er koblet til disse elektroder og avgir store energimengder for å utløse gasslasere og derved frembringe forholdsvis høye utgangspulser på flere kilo-joul. Problemet med dette apparat er at det ikke er istand til å frembringe utgangspulser med høy verdi slik det kreves for en i og for seg kjent avstandsmåler. Hvis gasstrykket i en slik anordning øker vesentlig slik at CC^gassblandingen holdes på omtrent 5 atmosfærer, vil anordningen være istand til å avgi den nødvendige energiutgang. Et problem som oppstår ved det økte arbeidsgasstrykk, er uønsket elektrisk lysbueenergi over utladningselektroden, noe som i høy grad nedsetter laserens utgangsenergi. Det er mulig å redusere sannsynligheten for lysbuedannelse ved å øke induktansen i kretsen, noe som på sin side reduserer den elektriske pulsbredde.

En annen teknikk som anvendes for å frembringe kraftigere : utgangspulser, ville være å benytte en elektro -optisk Q-vender. En slik fremgangsmåte innbefatter et passende krystall, f.eks. kadmium tellurid for å styre laserpulsenes form og energi. Denne fremgangsmåte krever en hel del ytterligere utstyr og en egen kraftkilde og blir lett ut-satt for skader på krystallet og mistilpasning som skyldes hårdhendt bruk.

Det ville være meget fordelaktig å kunne komme frem til

et integrert laserhode som er istand til å frembringe overordentlig korte utgangspulser med høy energi. En slik løsning ville fylle et lenge følt behov som har oppstått ved de løpende forsøk laserindustrien og den optiske in-dustri har utført og fortsetter å utføre for å utvikle kommunikasjons-og målesystemer der det kreves pålitelige, varige og rimelige lasere med høy energiutgang. Den fort-satte utvikling og fremstilling av lasere med høyenergi-utgang, har selv skapt et behov for en oppfinnelse som er egnet til bruk i en kontakt laseravstandsmåler der det kan frembringes 100 millijouls utgangspulser med en pulslengde på mindre enn 1 mikrosekund. Ingen av de tidligere kjente anordninger har en effektiv og rimelig løsning på dette problem som man står overfor når det gjelder avstands-måleteknologi. Et slikt integrert laserhode ville i det ideelle tilfelle være egnet til å arbeide innenfor et meget lite volum, i et typisk tilfelle 15-20 kubikk centimeter, slik at det ville være istand til å kunne benyttes under en lang rekke forhold og omgivelser. Et integrert laserhode av denne art, ville videre være istand til å kunne benyttes innenfor mange militære-og sivile felt over et bredt område av temperaturer og pulsutgangshastigheter.

Foreliggende oppfinnelse overvinner og unngår de problemer man har stått ovenfor i tidligere anordninger ved å benytte en egenartet utførelse som øker energiutgangsnivåene uten særlig økning i tilført energi. Oppløsningen som er

bygget inn i foreliggende oppfinnelse sørger for de\

lavest mulig induktans i utladningsbanen for den elektriske strøm som flyter fra lagringskondensatoren i det inte-

grerte laserhode til utladningselektrodene som tenner laser-lyset. Denne kretsinduktans holdes på en minst mulig verdi ved at man sørger for at avstanden fra energilagrings-mediet til utladningselektrodene er et absolutt minimum.

Den minimale induktans oppnås ved å anbringe lagrings-kondensatorer i et stort sett sylindrisk eller ringformet mønster rundt utladningselektrodene inne i trykkaret. Den optimale minimuminduktans i kretsen blir ytterligere oppnådd ved sentrering av kondensatorene rundt en av utladningselektrodene. Selve kondensatorene byr på liten ytterligere induktans i kretsen, siden de er koblet gjennom de store arealer av metalliserte lag som er avsatt på deres innsider og utsider.

Det er derfor en hensikt med foreliggende oppfinnelse å

komme frem til en ny og meget fordelaktig forbedring av den vanlige fremgangsmåte til tilveiebringelse av høyenergi laserpulser i en gasslaser avstandsmåler.

En annen hensikt er å komme frem til en effektiv og rimelig anordning til frembringelse av meget korte og spisslignende pulser ved anvendelse av pulsgasslasere.

Ennu en hensikt med oppfinnelsen er å komme frem til et

integrert laserhode der man unngår problemene med for tidlig lysbuedannelse.

Andre formål og hensikter såvel som en mer fullstendig for-ståelse av foreliggende oppfinnelse, oppnås ved gjennomgåelse av den følgende beskrivelse av en foretrukket utførelsesform i tilknytning til tegningene.

Fig. 1 viser den ideelle bølgeform som skulle frembringes for anvendelse i en laseravstandsmåler, fig. 2 viser en typisk bølgeform som frembringes av eksi-sterende tilgjengelige CO2laserhoder som anvendes i av-standsmåleranordninger,

fig. 3 viser skjematisk tidligere anordninger der energi-lagringsmidler C1 og C2 er plassert direkte over og parallelt med utladningselektroder DE1 og DE2 med gnistutløser SGT anbragt direkte over energilagringsmiddelet,

fig. 4 viser et snitt gjennom foreliggende oppfinnelse,

tatt på tvers,

fig. 5 viser et snitt tatt etter linjen 5-5 på fig. 4,

gjennom foreliggende oppfinnelse, tatt langs lengdeaksen,

fig. 6 viser et koblingsskjerna over ekvivalentkretsen som utgjør foreliggende oppfinnelse og

fig. 7 viser en alternativ foretrukket utførelsesform for det integrerte laserhode, der man ser den enhetlige oppbygning av energilagringsanordning og utladningselektrode.

Figurene 4 og 5 viser det innvendige av det integrerte laserhode 10 med en resonator 12 i henholdsvis tverrsnitt og lengde-snitt. En vanlig gnistgaputløser 14 med utladningselektrode 15 i gnistgapet er koblet til en elektrisk inngangsledning

16 på toppen av anordningen for å tenne den elektriske utladning som påbegynner laservirkningen. Under gnistgap-utløseren 14 ligger ytre og indre stort sett sylindriske kondensatorer 22 og 24. Disse kondensatorer er fremstilt av lavinduktans kjeramisk materiale og er plettert med tynne metalliske lag 23 for lagring av store mengder elektrisk energi. Kondensatorene 22 og 24 er elektrisk koblet til laserhodet ved god kontakt mellom det metalliserte lag 23 på innsiden av den indre kondensator 24 og trykkaret 28

av metall. Trykkaret 28 inneholder gasslasermediet 20 som i et typisk tilfelle er en blanding av karbondioksyd, nitro-

gen og helium i et 1 til 1 til 8 forhold. Lasermediet 30 er omgitt av øvre og nedre tverrstilte utladningselektroder 32 og 34. Den øvre utladningselektrode 32 er elektrisk og mekanisk koblet til trykkaret 28 med fjærkontakter 33. Elektrisk energi føres til den nedre utladningselektrode 34 gjennom utladningskrafttilførselen 35. Understøttelsen 38

for krafttilførselen holder krafttilførselen 35 i laserhodet. En krafttilførselskobling 36 kobler krafttilførselen 35 til det utvendige metalliserte lag 23 for den utvendige kondensator 22 og til trykkaret 28 gjennom en lademotstand 52.

Laserresonatorens hulrom 12 som innbefatter et gasskammer

30 er omgitt av resonatorspeilene 42 og 44. Laserens utgangskoblingsspeil 42 holdes riktig innrettet av speiljusterende festeanordninger 40. Speilet 44 som holdes i riktig innret-ning av trykkaret 28, er en total reflektor.

Ved den øvre del av det integrerte laserhode 10, tjener gnist-gaputløseren 14 som pulstennanordning ved denne utførelses-form for oppfinnelsen. Utløseren innbefatter to innvendige utløserelektroder 15 og er koblet i serie mellom utløser-inngangsledningen 16 og induktorspolen 18. Gnistgaputløseren 14 er en vanlig anordning som er kommersielt tilgjengelig. Gnistgaputløseren som ble anvendt ved byggingen av foreliggende oppfinnelse, kan fåes fra EG&G Company, Model nr. GP20B-33. Induktorspolen 18, som benyttes for å tilpasse kretsens impe-dans, har i et typisk eksempel fra 200 til 500 nanohenri og er forbundet med en høyspenningselektrode 20 som kobler gnistgaputløseren 14 sammen med den utvendige metalliserte flate av den indre sylindriske kondensator 24, så vel som det metalliserte lag 23 mellom de to kondensatorer 22 og 24. Returelektroden 25 er festet til utsiden av den ytre sylindriske kondensator 22. Elektroden 29 er elektrisk koblet til trykkaret 28.

Fig. 6 viser den ekvivalente elektriske krets som de oven-nevnte komponenter danner. Gnistgaputløseren 14 er koblet i parallell med den øvre sylindriske kondensator 22 som på sin side er koblet i serie med den nedre sylindriske kondensator 24. Induktorspolen 18 er koblet i serie mellom kondensatoren 22 og gnistgaputløseren 14.

De øvre og nedre utladningselektroder 32 og 34 er vist skjematisk fastholdt av kjeramisk isolerende materiale 31 og er koblet i parallell med tandem kondensatorene 22 og 24.^Kretsen som er gjengitt på fig. 6, blir vanligvis betegnet som en L.C. omformer. De to kondensatorer C. og C2blir ladet ved elektroden 20. Ved slutning av kretsen med gnistgapet 14, vil spenningen ved elektroden 32 stige fra null til omtrent det dobbelte av verdien for elektroden 32, noe som starter utladningen i gassblandingen i kammeret 30.

Begge kondensatorer 22 og 24 har metalliserte utsider 23. Alle utsidene av kondensatorene med unntagelse av deres ender, er belagt med dette metalliserte lag. Denne foretrukne utførelsesform med dobbelte sylindriske kjeramiske kondensatorer, løser det problem man står overfor i teknik-kens stand ved å redusere induktansen av kretsen fra omtrent 250 nanohenri til omtrent 25 nanohenri, en forbedring på

en full størrelsesorden.

Fig. 7 viser en alternativ foretrukket utførelse der kondensatoren og utladningselektrodene er bygget sammen til en enhetlig anordning. Den ringlignende eller toruslignende langstrakte konstruksjon 45 er et enkelt stykke av stort sett sylindrisk kjermisk kondensatormateriale, innbefattende to invendige sløyfelignende fremspring 46 og 47 som hver har stort sett flate parallelle utladningsflater som erstatter

de enkelte utladningselektroder. Utsiden av den ringlignende konstruksjon er helt belagt med et metallisert lag 48 som er forbundet med en høyspenningskilde 53. De indre fremspring 46 og 47 er på lignende måte belagt med metalliserte lag

49 og 50 som vil virke som elektroder. De to metalliserte lag 49 og 50 på innsiden av toruskonstruksjonen, belegger de to parallelle mot hverandre vendte fremspring 4 6 som tjener som elektroder og stikker også forbi disse til motstående indre vegger for å øke systemets kapasitet. De to elektroder er elektrisk koblet sammen med et ledende lag 51 med høy motstand. Materialet 51 kan bestå av halv-leder materiale for å frembringe utladninger før ionisering. Det invendige lag 50 er elektrisk koblet til jord. Belegget 51 danner en likestrømkontakt med jord under ladningen av kondensatorene. Materialet 51 gjør det da mulig for elektroden å bli elektrisk isolert når L.C.omformeren begynner utladning av kondensatorene. Denne alternative utførelses-form er, når det gjelder oppbygning, likeverdig med den ut-førelse som er beskrevet ovenfor og tjener til å vise at foreliggende oppfinnelse kan utøves på en lang rekke forskjellige former og i forskjellige versjoner for å tilfreds-stille hvilke som helst begrensninger når det gjelder form-givningen .

Selv om foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet i

detalj under henvisning til en foretrukket utførelsesform, vil personer med vanlige kunnskaper på området være klar over at forskjellige modifikasjoner og endringer kan gjøres uten at man derved avviker fra oppfinnelsens ånd og ramme. Den foretrukne utførelsesform som er beskrevet i detalj ovenfor, er illustrerende og ikke på noen måte begrensende. Foreliggende oppfinnelse kan f.eks. utøves med like for-delaktige resultater i excimerlasere, nitrcgenlasere og karbonmonoksydlasere såvel som en hvilken som helst annen laser som krever korte pulser med høy strøm.

Claims

1. Integrert laserhodeanordning for pulsede gasslasere, karakterisert ved at den omfatter: a) utladningselektrodeanordninger, og b) energilagringsanordninger som har minimal induktans mellom energilagringsanordningen og utladningselektrodeanordningen.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at energilagringsanordningen omfatter en ringformet kondensator.

3. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at energilagringsanordningen omfatter en hovedsaklig sylindrisk kondensator.

4. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at energilagringsanordningen omfatter en stort sett sylindrisk kondensator laget av kjeramisk materiale .

5. Anordning som angitt i krav 4, karakterisert ved at kondensatoren er dannet ved å belegge en flerhet av dens motstående utvendige flater med et ledende lag.

6. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at energilagringsanordningen omfatter et par i hverandre stående koaksiale stort sett sylindriske kjeramiske kondensatorer med belagte metalliserte lag liggende på langs langs hver av de i hverandre stående kondensatorer for å danne elektrisk forbindelse mellom par av kondensatorene, at utladningselektrodeanordningen omfatter en rekke utladningselektroder i avstand fra hverandre og at kondensatorene står omtrent koaksialt med den utladningselektrode som er forbundet med en høyspenningskilde.

7. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at kondensatorene er nøyaktig koaksiale og konsentriske i lengderetningen med den utladningselektrode som er forbundet med en høyspenningskilde.

8. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den minimale induktansverdi mellom energilagringsanordningen og utladningselektrodeanordningen er mindre enn eller lik 25 nanohenri.

9. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at energilagringsanordningen og utladningselektrodeanordningen omfatter: en enhetlig langstrakt torus konstruksjon laget av et dielektrisk materiale og med første og andre mot hverandre vendte invendige fremspring med stort sett parallelle flater, der både de første og andre fremspring har tynne ledende lag som tjener både som energilagringsanordning og som utladningselektrodeanordning for den integrerte laserhodeanordning, med et av fremspringene elektrisk koblet til jord, hvilke ledende lag videre er kjennetegnet ved at de strekker seg forbi de mot hverandre vendte plane flater av fremspringene, slik at de blir liggende hovedsaklig på motstående sider av innsiden av den torusformede konstruksjon, hvilke ledende lag videre er forbundet med et par overlappende lag av motstandsmateriale og mens den torusformede konstruksjon er videre kjennetegnet ved at dens utside er belagt med et ledende lag som er elektrisk forbundet med en høyspenningskilde.

10. Integrert laserhodeanordning for pulsede gasslasere, karakterisert ved at den omfatter: a) pulsstartanordninger, b) energilagringsanordning som har minimal induktans mellom energilagringsanordningen og en rekke tverrstilte utladningselektroder og der utladningselektrodene er anbragt inne i c) laserresonatoranordningen som innbefatter et trykkar og som dessuten inneholder et kammer, inneholdende et gasslasermedium til frembringelse av laserpulser med høy energi.

11. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at pulstenneanordningen omfatter : en gnistgaputløser koblet i serie mellom en strøm-kilde og en induktor, hvilken induktor videre er koblet til energilagringsanordningen og en lademotstand koblet over rekken av utladningselektroder .

12. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at energilagringsanordningen omfatter en ringformet kondensator.

13. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at energilagringsanordningen omfatter en stort sett sylindrisk kondensator.

14. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at energilagringsanordningen omfatter en stort sett sylindrisk kondensator laget av kjeramisk materiale .

15. Anordning som angitt i krav 14, karakterisert ved at kondensatoren er dannet ved belegning av en rekke av dens motstående utsider med et ledende lag.

16. Anordning som angitt i krav 14, karakterisert ved at energilagringsanordningen omfatter et par i hverandre stående koaksiale stort sett sylindriske kjeramiske kondensatorer med belagte metalliserte lag forløpende i lengderetningen langs hver av kondensatorene som står i hverandre for å danne elektrisk kontakt mellom paret av kondensatorer, hvilke utladningselektrodeanordninger omfatter en rekke utladningselektroder som står i avstand fra hverandre innbefattende en høyspenningselektrode og en elektrode koblet til jord og der kondensatorene står i et tilnærmet koaksialt forhold til høyspenningselektroden som er forbundet med pulstenneanordningen som på sin side er forbundet med en høyspennings-kilde og hvilke kondensatorer videre er anbragt slik at de stort sett omslutter den jordkoblede utladningselektrode.

17. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at kondensatorene er nøyaktig koaksiale og konsentriske i lengderetningen med utladningselektroden som er forbundet med den side av pulstenneanordningen som frem-bringer høyspenningen.

18. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at laserresonatoranordningen omfatter: et utgangskoblingsspeil og et totalt reflekterende speil som ligger nær ved de tilhørende ender i lengderetningen av trykkaret, inneholdende det nevnte kammer som er fyllt med en gassblanding under trykk.

19. Anordning som angitt i krav 18, karakterisert ved at gassblandingen omfatter karbondioksyd, nitrogen og helium i et 1 til 1 til 8 forhold.

20. Anordning som angitt i krav 16, karakterisert ved at utladningselektroden er mekanisk og elektrisk koblet til trykkaret ved hjelp av ledende fjærklemmer som er utført i ett med elektroden.

21. Anordning som angitt i krav 10, karakterisert ved at den minimale induktansverdi mellom energi lagringsanordningen og utladningselektrodeanordningen er mindre enn eller lik 25 nanohenri.

22. Anordning'som angitt i krav 10, karakterisert ved at energilagringsanordningen omfatter: en enhetlig, langstrakt toruskonstruksjon med stort sett parallelle flater, innvendige fremspring, første og andre mot hverandre vendte i det vesent-lige parallellflatede innvendige fremspring, der både de første og andre fremspring har tynne ledende lag som tjener både som energilagringsanordning og som de tverrstilte utladningselektroder for den integrerte laserhodeanordning, der ett av fremspringene er elektrisk koblet til jord, hvilke ledende lag dessuten er kjennetegnet ved at de strekker seg forbi de mot hverandre vendte parallelle flater av fremspringene, slik at de blir stående stort sett på motstående sider av det indre av den torusformede konstruksjon, hvilke ledende lag videre er forbundet med et par overlappende lag av motstandsmateriale og ved at den torusformede konstruksjon videre er kjennetegnet ved at dens utvendige flate er belagt med et ledende lag som er elektrisk forbundet til en høyspenningskilde.

23. Anordning som angitt i krav 21, karakterisert ved at den minimale induktansverdi mellom energilagringsanordningen og utladningselektrodeanordningen er mindre enn eller lik 25 nanohenri.