DE69005263T2

DE69005263T2 - Verbesserte Vorionisationselektrode für gepulste Gaslaser.

Info

Publication number: DE69005263T2
Application number: DE90119044T
Authority: DE
Inventors: Wayde H Affleck; David B Cohn; Robert E Eldridge
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1989-10-23
Filing date: 1990-10-04
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2010-10-05
Also published as: DE69005263D1; IL95786A; TR25724A; NO904553D0; JP2564423B2; JPH03151678A; EP0426993A3; IL95786A0; US4953174A; EP0426993A2; NO904553L; EP0426993B1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Laser im allgemeinen und insbesondere eine verbesserte Präionisationsvorrichtung für gepulste Gaslaser.

2. Beschreibung des nächstkommenden Standes der Technik

Transversal angeregte atmospherische (transversely excited atmospheric, "TEA") CO&sub2;-Laser sind wichtige Komponenten für verschiedene Entfernungsmesser, Bezeichner (designators) sowie für gepulste Radarsysteme. Ein zuverlässiges Design für derartige Laser ist von grundsätzlicher Bedeutung. Der Entladungs- Präionisator stellt eine zentrale Komponente für derartige Laser dar und bildet einen Hauptfaktor für die Gesamtkosten.
Hochdrucklaser wie beispielsweise Laser vom CO&sub2;-Typ setzen im allgemeinen ein Verstärkungsmedium ein, das durch eine rechteckige bzw. rechtwinklige Anode und eine gegenüberliegende Kathode definiert wird, die ein großes Längenverhältnis aufweisen. Das Verstärkungsmedium wird mittels gepulsten Entladungen angeregt, wobei die Pulse eine Dauer in der Größenordnung von 100 Nanosekunden oder weniger haben. Um eine einheitliche Entladung über das Verstärkungsmedium hinweg zu erzielen, wird eine einheitliche Präionisation benötigt. Die bewährten Vorrichtungen zur Erzielung einer einheitlichen Präionisation in kompakten taktischen Lasern basieren auf der Verwendung einer Hilfs-corona-Entladung (auxiliary corona discharge). Die Corona-Entladung erzeugt ultraviolette (UV) Strahlung, die das Verstärkungsmedium ionisiert.
Gemäß dem Stand der Technik sind Corona-Entladungen erzielt worden, indem man eine dritte, isolierte und geerdete Hilfselektrode benachbart zu den gepulsten Hauptentladungselektroden plaziert hat. Die Hilfselektrode verwendet typischerweise eine keramische Isolation, die als eine verteilte Kapazität dient. Demgemäß ist die Coronastärke zu der Leistung proportional, die für die Aufladung dieser verteilten Kapazität benötigt wird. Um eine große Kapazität und daher eine starke Corona-Entladung zu erzielen ist es wichtig, hohe dielektrische Feldstärken sowie einen intensiven Kontakt zwischen der keramischen Hilfselektrode und der Haupelektrode zu gewährleisten.
Um die hohen dielektrischen Feldstärken zu erreichen verwenden Präionisatoren gemäß dem Stand der Technik Stäbe mit kleinem Durchmesser ( 1,6 mm), welche in Keramikröhren mit kleiner Bohrung enthalten sind. Derartige Designs sind indessen zerbrechlich und können nicht länger als bis zu 15 Zentimetern (cm) hergestellt werden. Noch wichtiger ist jedoch, daß eine Ausrichtung mit der Hauptelektrode sehr schwer zu erreichen ist, weil ein Mangel an struktureller Steifigkeit vorliegt. Lösungsansätze, die Elektroden mit scharfen Kanten verwenden, sind nicht herstellbar und neigen aufgrund der intensiven Felder zu dielektrischen Durchschlägen.
Gemäß eines bekannten alternativen Designs ist die Trigger- Präionisationselektrode als ein Blatt bzw. als eine Lamelle ausgebildet, die in einen Schlitz in dem umgebenden Dielektrikum eingeführt wird. Dieser Lösungsansatz ist jedoch prohibitiv teuer und schwierig herzustellen.
Demgemäß leiden die Lösungsansätze für Präionisatoren gemäß dem Stand der Technik unter (1) Schwierigkeiten bei der Herstellung des benötigten kritischen und intensiven Kontaktes zwischen dem Präionisator-Isolator und der Hauptelektrode, (2) hohen Herstellungskosten, (3) den vergleichsweise kurzen Elektrodenlängen, die mit den benötigten Toleranzen herstellbar sind, und (4) dem hohen Spannungsdurchschlag des Isolators.
Die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 9 basieren auf der JP- A-1 151 277.

Zusammenfassung der Erfindung

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung Laser zu verbessern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung die in Lasern verwendete Corona-Entladungsvorrichtung zu verbessern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Präionisations-Elektrodenvorrichtung zu verbessern, die in gepulsten Gaslasern verwendet wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Präionisatordesign bereitzustellen, das die Schwierigkeiten für den Erhalt des benötigten unmittelbaren Kontaktes zwischen dem Präionisator-Isolator und der Hauptelektrode beseitigt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein preiswerteres Präionisatordesign bereitzustellen.
Und schließlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Präionisator bereitzustellen, der gegen hohe Spannungsdurchschläge resistent ist.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Bereitstellung einer isolierenden Röhre oder eines Isolierrohres erzielt, die eine Präionisatorelektrode mit grobem Durchmesser (beispielsweise 6,35 mm) umgibt. Der Präionisator mit grobem Querschnitt sorgt für den benötigten Pegel an Präionisationsstrahlung, während er die mit der Stärke und der Ausrichtung verbundenen Probleme des Standes der Technik beseitigt.
Eine Laser-Präionisator-Vorrichtung und ein Laser gemäß der vorliegenden Erfindung sind jeweils in den Ansprüchen 1 und 9 definiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die eben zusammengefaßte Erfindung wird im folgenden detaillierter in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben, in der zeigt:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Lasers, der eine Elektrodenanordnung gemäß der bevorzugten Ausführungsform umfaßt;
Fig. 2 eine longitudinale Ansicht, die der Fig. 1 entlang der Linie 2-2 entnommen worden ist;
Fig. 3 eine vergrösserte Ansicht eines Teiles der Elektrodenanordnung, die im Querschnitt in Fig. 1 dargestellt ist.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Eine Präionisation von Hochdruck-CO&sub2;-Laserentladungen kann durch eine Vielzahl von Maßnahmen erreicht werden. Indessen wird im Hinblick auf kompakte und widerstandsfähige Einrichtungen der Lösungsansatz der Corona-Entladung am meisten bevorzugt. Die grundlegende Geometrie von Corona-Entladungsanordnungen gemäß dem Stand der Technik besteht aus einer Block- bzw. Stabelektrode (bar electrode) mit einem geringen Durchmesser, die mit einem Isolator ummantelt und benachbart zu der gepulsten Haupt-Hochspannungsentladungsröhre angeordnet wird. Der Trigger und die Hauptelektroden fungieren als die Platten eines Kondensators und das Dielektrikum ist das Kapazitanzmedium. Bei Anlegung eines Hochspannungspulses an die Hauptelektrode bewirkt das intensive elektrische Feld einen Gasdurchschlag auf und nahe der Isolatoroberfläche, wobei ultraviolette (UV) Photonen freigesetzt werden. Die UV-Photonen durchdringen das Hauptentladungsvolumen und ionisieren das Gas dort einheitlich bei einem niedrigen Pegel. Die Hauptentladung folgt dem unmittelbar.
Gemäß früheren Techniken nahm die Trigger-Elektrode die Form eines Stabes mit geringem Durchmesser an, und das Dielektrikum nahm die Form einer keramischen Röhre mit kleinem Durchmesser an. Aufgrund der geringen Längen, in denen keramische Röhren verfügbar sind ist dieser Lösungsansatz auf Laser mit geringen Verstärkungslängen (ungefähr 15 cm) begrenzt. Weiterhin muß die Röhre fest gegenüber der Hauptelektrode gehalten werden, was in einer kompakten Geometrie mit hohen Feldspannungen (high field stress) schwierig zu erreichen ist. Schließlich erhöht dieses bekannte Design nach dem Stand der Technik den kapazitiven Verschiebungsstrom, indem die dielektrische Feldstärke erhöht wird und bei den benötigten Betriebsbedingungen wird ein dielektrischer Durchschlag oft auftreten.
Eine Querschnittsansicht eines TEA-Lasers, welcher eine Corona-Entladungsanordnung verwendet, die im Hinblick auf den Stand der Technik verbessert ist, ist in Fig. 1 dargestellt. Dieser Laser enthält eine Hauptentladungsanode 11 und eine Hauptentladungskathode 13, die auf jeweiligen oberen und unteren Oberflächen eines Lasergehäuses 14 angeordnet sind. Die Anode 11 und die Kathode 13 bestehen aus konventionellen metallischen Elementen, die mit dem Gehäuse 14 verschweißt oder in einer sonstigen Art und Weise befestigt sind. Wie in Fig. 2 angedeutet, wird die Anode 11 und die Kathode 13 zwischen den longitudinalen Enden 23, 25 des Lasers angeordnet, welche jeweils eine jeweilige Apertur 27, 29 aufweisen, um dort optische Reflektorbefestigungen 31, 33 anzufügen, die auf einer zentralen Achse 35 liegen.
Die Präionisatorvorrichtung, die erste und zweite Präionisatorelektroden 15, 17 umfaßt, wird auf beiden Seiten der Anode 11 angeordnet. Die Präionisatorelektroden 15, 17 werden durch eine Verbindung über einen Draht mit der Kathode 13 (Erde) geerdet.
Ein Hochspannungspuls wird an die Anode 11 von einer Hochspannungspulsquelle 19 kommend angelegt, wobei diese mit der Anode 11 und der Kathode 13 verbunden ist. Dieser Puls legt den kleinen Energiebetrag an, welcher nötig ist, um die Vorläufer-Präionisations-Entladung zu aktivieren sowie die Energie, die nötig ist, um das lasende Medium 20 zwischen den Hauptelektroden 11, 13 zu pumpen.
In einer Ausführungsform beträgt die Breite des Querschnittes der Hauptelektroden 15, 17, welche in Fig. 1 dargestellt sind, 3 cm und die Länge 1 (vgl. die Fig. 2) beträgt jeweils 30 cm. Der Anoden-Kathodenabstand beträgt 1,5 cm. Die Präionisatorelektroden 15, 17 umfassen jeweils eine quadratische keramische Röhre 16, welche beispielsweise aus Aluminiumoxyd, bearbeitbarem Glas (machinable glass), Keramik, Mika oder anderen geeigneten Dielektrikums bestehen kann. Jede keramische Röhre 16 enthält einen leitenden Metallstab 18, welcher beispielsweise aus Kupfer oder einem anderen geeigneten Leiter hergestellt sein kann. Die Breite der keramischen Röhre "w" beträgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform 1,2 cm, während der Durchmesser des Stabes 18 0,635 cm beträgt.
Der leitende Stab 18 kann mit einer Schlupffassung in die keramische Röhre eingepaßt und mittels Schrauben oder anderen konventionellen Vorrichtungen befestigt werden. Die keramischen Röhren 16 werden benachbart zu der Anode 11 positioniert, und zwar indem man sie an der Wandung des Gehäuses 10 befestigt, wobei man erneut konventionelle mechanische Verbindungen oder Klebevorrichtungen verwendet. Alternativerweise kann an das Innere einer jeden Röhre 16 auch ein Metallbelag aufgebracht werden, um die gewünschte Elektrode zu bilden.
Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Präionisators 15 und der Anode 11 und illustriert die Hauptgesichtspunkte des Präionisationsprozesses. In der Anwesenheit eines Hochspannungsfeldes zwischen der Präionisator-Metall-stabelektrode 18 und der Oberfläche der Anode 11 findet eine Oberflächenentladung statt, bei der UV-Photonen 43 emittiert werden. Diese Photonen 43 bewirken eine Präionisation der Hauptentladung und erlauben die Ausbildung einer einheitlichen Glimmentladung.
Es ist wichtig, dar man eine umfangreiche Versorgung mit UV- Photonen 43 sicherstellt. Die Versorgung hängt von der Stärke der Oberflächenentladung ab. Die Oberflächenentladung dauert solange an, bis die verteilte Kapazität 41 in der dielektrischen Keramik 16 vollständig aufgeladen ist. Daher wird die Entladung umso größer, je größer die Kapazität ist.
Um eine große Kapazität sicherzustellen, ist es wünschenswert, eine dünne dielektrische Wand zwischen dem Stab 18 und der Anode 11 zu haben, sowie einen großen Kontaktbereich zwischen der Präionisatorelektrode 15 und der Anode 11. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden diese Merkmale erzielt, indem man eine große, quadratische keramische Röhre 16 und eine innere Elektrode 18 mit großem Durchmesser verwendet. Der Bereich der Röhrenbreite "w" und der Bereich des inneren Elektrodendurchmessers liegen ungefähr jeweils zwischen 1/2 bis 1-1/2 cm und 0,3 bis 0,9 cm. Dies ist der ungefähre Bereich, in dem die Dimensionen variiert werden können und in dem die Vorteile der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die Bereitstellung einer festen, leicht auszurichtenden Struktur noch erzielt werden, die in langen Längen hergestellt werden können, während ein Hochspannungsdurchschlag des Dielektrikums verhindert wird. Jedes einzelne Design wird den Durchmesser des Stabes 18 an die Breite "w" der quadratischen keramischen Röhre 16 geeignet anpassen, um die gewünschte Kapazität zu erzielen.
In Betrieb sind verschiedene Präionisatoren des zuvor offenbarten Typs betrieben worden, und zwar ohne Ausfälle für viele Millionen Schüsse bei einer 200-Hz-Wiederholungsrate. Die Spannungen lagen in einer Größenordnung von 25 kV und die gesamte gespeicherte Energie lag bei 6 Joule pro Puls. Ein Laser, der mit den oben beschriebenen Dimensionen ausgelegt worden ist, zeigte einen Betrieb mit einer langen Lebensdauer, und zwar mit einer Ausgangsenergie pro Puls von 350 mJ. Weiterhin ist gezeigt worden, daß die Präionisatoren 15, 17 leicht mit der Hauptelektrode 11 auszurichten sind sowie leicht in einer preiswerten und robusten Anordnung eingesetzt werden können. Die Schwierigkeit bei der Ausrichtung von Präionisatoren gemäß dem Stand der Technik, die ernsthafte Kompromisse im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit verlangten, sind eliminiert worden.
Wie zuvor diskutiert worden ist, bedingten Präionisatoren gemäß dem Stand der Technik eine Röhre mit kreisförmigem Querschnitt, die den einzigen Typ darstellt, der mit kleinen Durchmessern und den benötigten Toleranzen hergestellt werden kann, wohingegen die bevorzugte Ausführungsform den Lösungsansatz einer quadratischen Röhre einsetzt. Der vergrößerte Oberflächenbereich, der mit der flachen Wand der quadratischen Röhre erzielt wird (im Gegensatz zu dem linienartigen Kontakt einer kreisförmigen Röhre gemäß dem Stand der Technik) scheint die verlangte verteilte Kapazität zu ermöglichen, während Feldspannungen (field stress) in dem Dielektrikum aufgrund der Verwendung einer Präionisator-Stabelektrode mit großem Durchmesser vermindert werden.
Wie zuvor erwähnt worden ist, erzielten die Einrichtungen gemäß dem Stand der Technik eine große Kapazität, indem sie erheblich kleinere Querschnitte verwendeten, wobei allerdings in einem solchen Fall die Steifigkeit verlorenging, Hochspannungsdurchschläge des Dielektrikums oft auftraten und nur kurze Elektroden hergestellt werden konnten. Die bevorzugte Ausführungsform löst diese Probleme durch die Verwendung einer robusten keramischen Röhrenanordnung, die 30 cm lang hergestellt worden ist und die die Problembereiche verhindert, die mit hohen Feldstärken und keramischen Durchschlägen verbunden sind. Zusätzlich kann die bevorzugte Ausführungsform separat vom Rest der Elektrodenstruktur hergestellt werden. Schließlich kann die bevorzugte Ausführungsform an beide Polaritäten der Entladung anpaßt werden, so dar sie bei beiden Hauptelektroden 11, 13 angeordnet werden kann.

Claims

1. Laser- Präionisationsvorrichtung (15, 17) mit:

einem Dielektrikum (16) mit rechteckigem Querschnitt; und

einer Elektrode (18), dadurch gekennzeichnet, daß

das Dielektrikum (16) mit rechteckigem Querschnitt eine Röhre (16) ist und die Elektrode (18), welche einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, innerhalb der Röhre (16) angeordnet ist und einen Durchmesser in dem Bereich von 3 bis 9 mm aufweist.

2. Die Präionisationsvorrichtung (15, 17) nach Anspruch 1, worin die Elektrode (18) aus einem Metallstab (18) besteht.

3. Die Präionisationsvorrichtung nach Anspruch 2, worin der Metallstab (18) mit einer Schlupfpassung in die Röhre (16) eingefügt wird.

4. Die Präionisationsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Elektrode (18) einen Metallbelag umfaßt, der innerhalb der Röhre (16) aufgebracht ist.

5. Die Präionisationsvorrichtung nach Anspruch 2, worin der Durchmesser des Metallstabes (18) 6,35 mm beträgt.

6. Die Präionisationsvorrichtung nach Anspruch 5, worin die dielektrische Röhre (16) aus einem keramischen Material besteht.

7. Die Präionisationsvorrichtung nach Anspruch 2, worin die dielektrische Röhre (16) im Querschnitt quadratisch ist.

8. Die Präionisationsvorrichtung nach Anspruch 7, worin die dielektrische Röhre (16) in der Größenordnung von 12 mm² liegt.

9. Ein Laser (10) mit:

einem Gehäuse (14), das erste und zweite gegenüberliegende Seiten aufweist;

ersten (11) und zweiten (13) Hauptelektroden, welche jeweils auf der ersten und zweiten gegenüberliegenden Seite befestigt sind;

ersten (15) und zweiten (17) Präionisationselektroden, die auf jeder Seite von einer der ersten (11) und zweiten (13) Hauptelektroden befestigt sind, wobei die erste (15) und zweite (17) Präionisationselektrode jeweils ein rechteckiges Dielektrikum (16) und eine leitende Elektrode (18) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß

das rechteckige Elektrikum (16) eine Röhre (16) ist und die leitende Elektrode (18) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und innerhalb der Röhre (16) angeordnet ist.

10. Der Laser nach Anspruch 9, worin die rechteckige Röhre (16) eine quadratische Röhre (16) ist.

11. Der Laser nach Anspruch 10, worin die Röhre (16) in der Größenordnung von 12 mm² liegt.

12. Der Laser nach Anspruch 10, worin die leitende Elektrode (18) im Durchmesser in dem Bereich von 3 bis 9 mm liegt.

13. Der Laser nach Anspruch 9, worin die leitende Röhre (16) einen Durchmesser von ungefähr 6,35 mm aufweist.