DE3138680A1 - Pulsed vapour laser - Google Patents
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Abstract
Description
Impuls-Damplaser Impulse damper laser
Die Erfindung betrifft pulsierende Dampflaser (Impuls-Dampflaser). Derartige Laser können beispielsweise in Laser-Nachrichtensystemen, für die optische Ortung, zur Sondierung der Atmosphäre, in der Holographie, in der Medizin usw benutzt werden. The invention relates to pulsating steam lasers (pulse steam lasers). Such lasers can be used, for example, in laser communication systems for optical Locating, used to probe the atmosphere, in holography, in medicine, etc. will.
Es ist ein Impuls-Dampflaser bekannt (P.A. Bochan et al., PTE 1 (1974),160 - 161), bei dem die Aufheizung der aktiven Substanz mit einem als koaxialer Ofen ausgebildeten Hochtemperaturerhitzer erfolgt, der die Gasentladungsröhre umgreift, aber mit ihr keine Vakuumverbindung hat, wobei das Pumpen durch eine periodische Impulsentladung erreicht wird. Dieser Laser ist kompliziert aufgebaut, und der Hochtemperaturerhitzer ist ferner wegen des luftgefüllten Zwischenraums zwischen der Gasentladungsröhre und dem Erhitzer nicht: effektiv; der Laser besitzt schließlich nur geringe Zuverlässigkeit, da längs der Gasentladungsröhre ein großer Temperaturgradient entsteht, der zur Zerstörung der vakuumdichten keramischen Wandung der Röhre führt. A pulsed steam laser is known (P.A. Bochan et al., PTE 1 (1974), 160 - 161), in which the heating of the active substance with a coaxial furnace trained high-temperature heater takes place, which surrounds the gas discharge tube, but with it has no vacuum connection, the pumping being carried out by a periodic Pulse discharge is achieved. This laser is complicated, and so is the high temperature heater is also because of the air-filled space between the gas discharge tube and the heater not: effective; after all, the laser has little reliability, since a large temperature gradient arises along the gas discharge tube, which leads to Destruction of the vacuum-tight ceramic wall of the tube leads.
Es ist auch ein Impuls-Metalldampflaser mit hoher Strahlungsimpuls-Folgefrequenz bekannt, bei dem das Pumpen und die Aufheizung des aktiven Laservolumens mit einer periodischen Impuls entladung erfolgen (A. E. Kirillov, B. P. Polunin, A. N. Soldatov und W. F. Fedorov, Sammelheft des Konstruktionsbüros "Optika", "Meßgeräte zur Ermittlung der Kennwerte von erdnahen Atmosphärenschichten", Tomsk. 1977, S. 59 - 79). It is also a pulsed metal vapor laser with high radiation pulse repetition frequency known, in which the pumping and heating of the active laser volume with a periodic pulse discharge take place (A. E. Kirillov, B. P. Polunin, A. N. Soldatov and W. F. Fedorov, collective booklet of the design office "Optika", "Measuring devices for determination the characteristic values of near-earth atmospheric layers ", Tomsk. 1977, pp. 59-79).
Dieser Laser enthält eine Gasentladungsröhre mit eingebauten Elektroden, die mit einer Induktivität überbrückt ist, sowie einen Speicherkondensator, einen Schalter, der die Entladung des Speicherkondensators über die Gasentladungsröhre bewirkt, eine Ladeschaltung zur Aufladung des Speicherkondensators und einen Aul6'seimpulsgenerator. This laser contains a gas discharge tube with built-in electrodes, which is bridged with an inductance, as well as a storage capacitor, one Switch that discharges the storage capacitor through the gas discharge tube causes a charging circuit to charge the storage capacitor and an output pulse generator.
Bei diesem bekannten Laser setzt die Lichterzeugung an der Vorderflanke des Stromimpulses ein und dauert 20 bis 30 ns, während die Dauer des Stromimpulses 200 bis etwa 300 ns beträgt. Nach Abbruch der Lichtemission entlädt sich der Speicherkondensator über das aktive Medium der Gasentladungsröhre weiter, wobei diese restliche Energie des Pumpimpulses unnütz verbraucht wird. In this known laser, the generation of light begins on the leading edge of the current pulse and lasts 20 to 30 ns, while the duration of the current pulse 200 to about 300 ns. After the light emission has stopped, the storage capacitor discharges Continue through the active medium of the gas discharge tube, with this remaining energy of the pump impulse is wasted.
Daneben wird dabei das Plasma zusätzlich ionisiert, ferner steigt die Gastemperatur an, wodurch sich eine höhere Besetzung der metastäbilen Niveaus ergibt, die die unteren Laserniveaus darstellen. Nach dem Abfall des Stromimpulses wird der Speicherkondensator aufgeladen; das Plasma bleibt jedoch in der Impulspause leitend, weshalb durch die Gasentladungsröhre weiterhin Strom fließt, der eine hohe Elektronenkonzentration in der Entladung aufrechterhält und eine noch höhere Besetzung der metastabilen Niveaus begünstigt. Diese Vorgänge führen zu einer Verlängerung der Zeit, in der das Plasma vor dem nächsten Stromimpuls den Ausgangszustand erreichen soll, und somit zur Einschränkung der Impulsfolgefrequenz. Außerdem verursacht dieses störende Pumpen des aktiven Gasmediums eine Verringerung der Energie der Emissionsimpulse und der mittleren Emissionsleistung.In addition, the plasma is also ionized and rises the gas temperature, creating a higher occupation of the metastable Results in levels that represent the lower laser levels. After the current pulse has dropped the storage capacitor is charged; however, the plasma remains in the interpulse period conductive, which is why current continues to flow through the gas discharge tube, which is a high Electron concentration in the discharge is maintained and an even higher population of metastable levels. These operations lead to an extension the time in which the plasma reaches its initial state before the next current pulse should, and thus to limit the pulse repetition rate. Besides, this causes disturbing pumps of the active gas medium a reduction in the energy of the emission pulses and the mean emission power.
Der Erfindung liegt die Auf gabe zugrunde, eine verbesserte Speiseschaltung für Impuls-Dampflaser anzugeben, die es ermöglicht, die der Entladung nach dem Abfall des Emissionsimpulses zugeführte Energie ganz oder teilweise abzuleiten und dadurch die zur Wiederherstellung des Plasmaausgangszustands nach dem Emissionsimpuls erforderliche Zeit zu verkürzen, also die optimale Folgefrequenz der Emissionsimpulse und somit die mittlere Leistung der Impulslaser zu erhöhen. The invention is based on the task of an improved feed circuit specify for pulsed vapor laser, which allows the discharge after the waste of the emission pulse to derive all or part of the energy supplied and thereby that required to restore the plasma output state after the emission pulse To shorten the time, i.e. the optimal repetition frequency of the emission pulses and thus to increase the average power of the pulsed laser.
Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst. The problem is solved according to the claims.
Der erfindungsgemäße Impuls-Dampflaser weist eine Gasentladungsröhre mit Elektroden, die durch eine Induktivität überbrückt ist, und einen an die Gasentladungsröhre angeschlossenen Speicherkondensator mit einer zu seiner Aufladung vorgesehenen Ladeschaltung und einem von einer Auslöseschaltung gesteuerten Schalter auf, der die Entladung des Speicherkondensators über die Gasentladungsröhre bewirkt, und ist gekennzeichnet durch eine parallel zur Gasentladungsröhre liegende Steuereinheit zur Steuerung der Entladung in der Gasentladungsröhre mit einem gesteuerten Element, dessen Widerstand im leitenden Zustand kleiner ist als der Widerstand der leitenden Gasentladungsröhre und einer an das gesteuerte Element angeschlossenen Verzögerungsleitung, die mit der Auslöseschaltung zur Auslösung des Schalters verbunden ist. The pulsed vapor laser according to the invention has a gas discharge tube with electrodes bridged by an inductance and one on the gas discharge tube connected storage capacitor with one to his Charging provided charging circuit and a switch controlled by a trigger circuit which causes the storage capacitor to discharge via the gas discharge tube, and is characterized by a control unit lying parallel to the gas discharge tube to control the discharge in the gas discharge tube with a controlled element, whose resistance in the conductive state is smaller than the resistance in the conductive state Gas discharge tube and a delay line connected to the controlled element, which is connected to the trigger circuit for triggering the switch.
Das gesteuerte Element kann zweckmäßigerweise mit einem Festwiderstand und einem gesteuerten Schalter aufgebaut werden, an dessen Steuereingang die Verzögerungsleitung angeschlossen wird. The controlled element can expediently with a fixed resistor and a controlled switch, at whose control input the delay line is connected.
Zur Steigerung des Laserwirkungsgrades ist es ferner günstig, als gesteuertes Element wenigstens eine zusätlihe Gasentladungsröhre zu verwendens WobFi der Widerstand jeder nächstfolgenden zusätzlichen Gasentladungsröhre im leitenden Zustand kleiner als der-Widerstand der davor liegenden leitenden Gasentladungsröhre sein soll. To increase the laser efficiency, it is also favorable than controlled element to use at least one additional gas discharge tube WobFi the resistance of each subsequent additional gas discharge tube in the conductive State less than the resistance of the conductive gas discharge tube in front of it should be.
Der erfindungsgemäße Impuls-Dampflaser zeichnet sich durch eine hohe optimale Folgefrequenz der Emissionsimpulse und somit durch eine hohe mittlere Leistung der Laserstrahlung aus. The pulsed vapor laser according to the invention is characterized by a high optimal repetition frequency of the emission pulses and thus a high average power the laser radiation.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Lasers ist sein gegenüber den herkömmlichen Impuls-Dampflasern höherer Wirkungsgrad, insbesondere, wenn als gesteuertes Element wenigstens eine zusätzliche Gasentladungsröhre verwendet wird. Another advantage of the laser according to the invention is its over conventional pulsed steam lasers Efficiency, in particular, if at least one additional gas discharge tube is used as a controlled element will.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen näher erläutert; es zeigen: Fig. 1: einen Impuls-Dampflaser mit seiner Speiseschaltung, in der ein Schalter und ein ohm'scher Widerstand als gesteuertes Element dienen; Fig. 2: eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Impuls-Dampflasers, bei der drei zusätzliche Gasentladungsröhren als gesteuertes Element herangezogen sind, und Fig. 3: die Lage des Erregungsstromimpulses und des Emissionsimpulses relativ zueinander. The invention is illustrated below with the aid of exemplary embodiments and the drawings explained in more detail; They show: FIG. 1: a pulsed vapor laser with its feed circuit, in which a switch and an ohmic resistor as serve controlled element; Fig. 2: a further development of the pulse steam laser according to the invention, in which three additional gas discharge tubes are used as a controlled element and Fig. 3: the position of the excitation current pulse and the emission pulse relative to each other.
Der in Fig. 1 dargestellte Impuls-Dampflaser, zB ein Metalldampflaser, umfaßt eine Gasentladungsröhre 1, die in einem Resonator 2 koaxial angeordnet ist, sowie einen Speicherkondensator 3 und einen mit dem letzteren in Reihe liegenden Schalter 4. Der Speicherkondensator 3 und der Schalter 4 sind an die Elektroden 5 der Gasentladungsröhre 1 angeschlossen. Ferner sind eine Ladeschaltung 6 zum Aufladen des Speicherkondensators 3, eine an die Elektroden 5 parallel zur Gasentladungsröhre 1 liegende Induktivität 7 und eine ebenfalls parallel zur Gasentladungsröhre 1 angeschlossene Steuereinheit 8 zur Steuerung der Entladung in der Gasentladungsröhre 1 vorgesehen. Die Steuereinheit 8 besteht aus einem gesteuerten Element, dessen Widerstand im leitenden Zustand kleiner als der Widerstand der leitenden Gasentladungsröhre 1 ist, sowie aus einer Verzögerungseinheit 9, die im gegebenen Fall eine Verzögerungsleitung ist. The pulsed vapor laser shown in Fig. 1, e.g. a metal vapor laser, comprises a gas discharge tube 1 which is arranged coaxially in a resonator 2, and a storage capacitor 3 and one in series with the latter Switch 4. The storage capacitor 3 and the switch 4 are connected to the electrodes 5 of the gas discharge tube 1 connected. A charging circuit 6 is also provided for charging of the storage capacitor 3, one to the electrodes 5 parallel to the gas discharge tube 1 lying inductance 7 and also parallel to the gas discharge tube 1 connected control unit 8 for controlling the discharge in the gas discharge tube 1 provided. The control unit 8 consists of a controlled element whose Conductive resistance less than the resistance of the conductive gas discharge tube 1, as well as from a delay unit 9, which in the given case is a delay line is.
Bei dieser Ausführungsform ist das gesteuerte Element mit einem Festwiderstand 10 und einem mit ihm in Reihe liegenden Schalter 11 aufgebaut, wobei die Verzögerungsleitung 9 zwischen dem Steuereingang desSchalters 11 und dem Ausgang der zur Auslösung des Schalters 4 vorgesehenen Auslöseschaltung 12 liegt. Im vorliegenden Fall ist die Auslöseschaltung 12 ein Auslöseimpulsgenerator, dessen Ausgang ebenfalls an den Steuereingang des Schalters 4 angeschlossen ist.In this embodiment, the controlled element is with a fixed resistor 10 and a switch 11 in series with it, the delay line 9 between the control input of the switch 11 and the output of the to trigger the Switch 4 provided trigger circuit 12 is located. In the present case, the Trigger circuit 12 is a trigger pulse generator, the output of which is also sent to the Control input of switch 4 is connected.
Die in Fig. 2 dargestellte Weiterbildung des Impulslasers unterscheidet sich vom Dampf-Impulslaser nach Fig. 1 dadurch, daß das gesteuerte Element aus drei zusätzlichen Gasentladungsröhren 13, 14, 15 besteht, die parallel zur Gasentladungsröhre 1 über je eine Verzögerungseinheit 16, 17 bzw 18 angeschlossen sind. Die Gasentladungsröhren 13., 14, 15 sind ähnlich wie die Gasentladungsröhre 1 aufgebaut und unterscheiden sich von ihr nur durch ihren Widerstand im leitenden Zustand, wobei der Widerstand der Gasentladungsröhre 1 im leitenden Zustand kleiner ist als der Widerstand der leitenden Gasentladungsröhre 1 und der Widerstand jeder darauffolgenden zusätzlichen Gasentladungsröhre 14, 15 im leitenden Zustand kleiner als der Widerstand der davor liegenden Röhre. Die Kennwerte der Verzögerungseinheiten 16, 17, 18 sind so gewählt, daß die Ankunft des Erregungsimpulses an der Gasentladungsröhre 13 mit dem Zeitpunkt der Emissionsunterbrechung in der Haupt-Gasentladungsröhre 1 zusammenfällt, während die Ankunft des Erregungsimpulses an jeder nächstfolgenden zusätzlichen Gasentladungsröhre 14, 15 mit dem Emissionsabfall in der davor liegenden Röhre übereinstimmt. Dies wird durch entsprechende Wahl der Verzögerungszeit der Verzögerungseinheiten 16, 17, 18 erreicht. The further development of the pulse laser shown in FIG. 2 differs differs from the vapor pulse laser according to FIG. 1 in that the controlled element consists of three additional gas discharge tubes 13, 14, 15, which are parallel to the gas discharge tube 1 are connected via a delay unit 16, 17 and 18, respectively. The gas discharge tubes 13., 14, 15 are constructed similarly to the gas discharge tube 1 and differ differs from it only by its resistance in the conductive state, the resistance of the gas discharge tube 1 in the conductive state is smaller than the resistance of the conductive gas discharge tube 1 and the resistance of each subsequent additional Gas discharge tube 14, 15 in the conductive state is less than the resistance of the previous one lying Tube. The characteristic values of the delay units 16, 17, 18 are chosen so that the arrival of the excitation pulse at the gas discharge tube 13 with the time of the interruption of emission in the main gas discharge tube 1 coincides with the arrival of the excitation pulse at each successive one additional gas discharge tube 14, 15 with the emission drop in the one in front of it Tube matches. This is done by choosing the delay time accordingly Delay units 16, 17, 18 reached.
Das Diagramm von Fig. 3 zeigt die gegenseitige zeitliche Lage des Erregungsimpulses und des Emissionsimpulses, wobei die Kurve 19 den Erregungsstromimpuls und die Kurve 20 den Emissionsimpuls darstellt und auf der Abszisse die Zeit, auf der Ordinate oben die Amplitude des Emissionsimpulses in relativen Einheiten und auf der Ordinate unten die Amplitude des Stromimpuls es ebenfalls in relativen Einheiten angetragen sind. The diagram of Fig. 3 shows the mutual temporal position of the Excitation pulse and emission pulse, curve 19 being the excitation current pulse and curve 20 represents the emission pulse and the time on the abscissa the ordinate above the amplitude of the emission pulse in relative units and on the ordinate below the amplitude of the current pulse is also in relative units are requested.
Der erfindungsgemäße Impuls-Dampflaser arbeitet wie folgt: Wenn als gesteuertes Element der gesteuerte Schalter 11 und der Festwiderstand 10 verwendet werden, wird der Speicherkondensator 3 (Fig. 1) über die die Elektroden 5 der Gasentladungsröhre 1 miteinander verbindende Induktivität 7 von der Ladeschaltung 6 bis auf die Betriebsspannung aufgeladen. Der von der Auslöseschaltung 12 erzeugte Auslöseimpuls gelangt zum Gitter des Schalters 4, zB eines Thyratrons, und zur Verzögerungsleitung 9. Der Schalter 4 spricht nun an, wobei die Spannung vom Kondensator 3 den Elektroden der Gasentladungsröhre 1 zugeführt wird. In der Gasentladungsröhre 1 tritt dann eine impulsförmige elektrische Entladung auf. The pulsed vapor laser according to the invention works as follows: If as controlled element of the controlled switch 11 and the fixed resistor 10 are used are, the storage capacitor 3 (Fig. 1) over the electrodes 5 of the gas discharge tube 1 interconnecting inductance 7 from the charging circuit 6 to the operating voltage charged. The trigger pulse generated by the trigger circuit 12 reaches the grid the switch 4, for example a thyratron, and for Delay line 9. The switch 4 now responds, the voltage from the capacitor 3 being applied to the electrodes the gas discharge tube 1 is supplied. In the gas discharge tube 1 then occurs a pulsed electrical discharge.
Durch die Vorderflanke des Stromimpulses (Kurve 19 in Fig. 3) wird das aktive Lasermedium gepumpt, wobei sich inverse Niveaubesetzung ergibt und ein Laserstrahlungsimpuls (Kurve 20) erzeugt wird. Im Zeitpunkt des Emissionsimpulsabfalls durchläuft der Auslöseimpuls die Verzögerungsleitung 9 (Fig. 1) und gelangt zum gesteuerten Element, also zum Eingang des gesteuerten Schalters 11, der geschlossen wird, wobei der Festwiderstand 10 die Entladung in der Gasentladungsröhre 1 mit einem kleineren Widerstandswert als dem des Entladungsplasmas überbrückt. Dadurch wird der durch die Gasentladungsröhre 1 fließende Strom verringert und das störende Pumpen der Atomniveaus des Arbeitsmediums (schraffierter Teil des Stromimpulses in Fig. 3) beseitigt. By the leading edge of the current pulse (curve 19 in Fig. 3) the active laser medium is pumped, resulting in inverse level occupation and a Laser radiation pulse (curve 20) is generated. At the time of the emission pulse drop the trigger pulse passes through the delay line 9 (Fig. 1) and arrives at the controlled element, so to the input of the controlled switch 11, which is closed is, the fixed resistor 10 the discharge in the gas discharge tube 1 with a smaller resistance value than that of the discharge plasma bridged. Through this the current flowing through the gas discharge tube 1 is reduced and the disturbing Pumping the atomic level of the working medium (hatched part of the current pulse in Fig. 3) eliminated.
Die Laserstrahlung wird mit Hilfe des Resonators 2 geformt. The laser radiation is shaped with the aid of the resonator 2.
Wenn als gesteuertes Element der Steuereinheit 8 zur Steuerung der Entladung zusätzliche Gasentladungsröhren 13, 14, 15 (Fig. 2) verwendet werden, arbeitet der erfindungsgemäße Impuls-Dampflaser wie folgt: Der Speicherkondensator 3 wird von der Ladeschaltung 6 über die Induktivität 7 aufgeladen. Aufgrund des Signals der Auslöseschaltung 12 spricht der Schalter 4 an, wobei die Spannung an die Elektroden 5 der Gasentladungsröhre 1 und die Verzögerungseinheiten 16, 17, 18 angelegt wird. If as a controlled element of the control unit 8 to control the Discharge additional gas discharge tubes 13, 14, 15 (Fig. 2) are used, the pulsed vapor laser according to the invention works as follows: The storage capacitor 3 is charged by the charging circuit 6 via the inductance 7. Because of the Signal the trigger circuit 12, the switch 4 responds, wherein the voltage across the electrodes 5 of the gas discharge tube 1 and the delay units 16, 17, 18 is applied.
Beim Abfall des Emissionsimpulses in der Gasentladungsröhre 1 durchläuft der Spannungsimpuls die Verzögerungsleitung 16 und gelangt zur Gasentladungsröhre 13, in der auch eine Impulsentladung erfolgt, die zur Entstehung der Laserstrahlung führt. Da der Widerstand der Gasentladungsröhre 13 im leitenden Zustand kleiner ist als der Widerstand der Gasentladungsröhre 1 in der leitenden Phase, wird dieser Energie entzogen. Im Zeitpunkt des Emissionsimpulsabfalls in der Gasentladungsröhre 13 kommt der Spannungsimpuls über. die Verzögerungsleitung 17 an der Gasentladungsröhre 14 an, in der das Pumpen des aktiven Mediums erfolgt, usw.When the emission pulse falls in the gas discharge tube 1 passes through the voltage pulse travels the delay line 16 and reaches the gas discharge tube 13, in which a pulse discharge also takes place, which leads to the creation of the laser radiation leads. Since the resistance of the gas discharge tube 13 in the conductive state is smaller is in the conductive phase as the resistance of the gas discharge tube 1, this becomes Energy withdrawn. At the time of the emission pulse drop in the gas discharge tube 13 comes the voltage pulse. the delay line 17 on the gas discharge tube 14 in which the active medium is pumped, etc.
Bei jeder Gasentladungsröhre 13, 14, 15 und 1 wird die Laserstrahlung mit Hilfe der Resonatoren 2 geformt. With each gas discharge tube 13, 14, 15 and 1, the laser radiation formed with the aid of the resonators 2.
Wenn die maximale Laserstrahlungsleistung erreicht werden soll, können alle Gasentladungsröhren 1, 13,14, 15 in einer optischen Achse angeordnet werden, wobei alle darauffolgenden Röhren i3, 14, 15 als Verstärker der Emission der davor liegenden Röhren 1, 13 bzw 14 arbeiten; ferner können zwischen ihnen optische Verzögerungsleitungen eingefügt werden, die es ermöglichen, die Emissionsimpulse der verschiedenen Röhren zur zeitlichen Übereinstimmung zu bringen. If the maximum laser radiation output is to be achieved, can all gas discharge tubes 1, 13, 14, 15 are arranged in an optical axis, with all subsequent tubes i3, 14, 15 as amplifiers of the emission of the previous one lying tubes 1, 13 and 14 work; furthermore, optical delay lines can be used between them be inserted that allow the emission pulses of the various tubes to bring them to a temporal coincidence.
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Claims (4)
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Family
ID=6142900
Family Applications (1)
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| DE19813138680 Granted DE3138680A1 (en) | 1981-09-29 | 1981-09-29 | Pulsed vapour laser |
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3138680A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
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|---|---|
| DE3138680C2 (en) | 1989-03-09 |
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