DE69312739T2 - Verbesserte gaslinse - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Fokussierung eines elektromagnetischen Strahls und insbesondere auf die Fokussierung eines Laserstrahis mit einer Linse, die durch den Zusammenprall von Stoßwellen in einem Gas erzeugt wird.
• Zur Zeit richtet sich viel Aufmerksamkeit auf die Entwicklung von starken Lasern und einer Optik, die fähig ist, deren Strahlen zu fokussieren. Solche Strahlen sind sowohl in der Industrie als auch in der Forschung für solche Zwecke wie Bohren, Schneiden und Schweißen von Materialien nützlich. Man fokussiert normalerweise den Strahl mit Linsen aus einem festen Material, das wegen seiner Durchsichtigkeit im Wellenlängenbereich des betreffenden Lasers ausgewählt wird. Infrarote Strahlen werden z. B. mit Linsen aus teuren Materialien wie ZnSe oder Germanium fokussiert. Sichtbare Strahlung hingegen wird mit Glas und ultraviolette Strahlung mit Quarz fokussiert. Alle drei Sorten von Strahlung können auch mit Gaslinsen fokussiert werden, wobei heiße und kalte Luft verwendet wird, um das Licht zu brechen. Solche optischen Systeme sind aber aus mindestens zwei Gründen unbefriedigend: erstens sind Festkörperlinsen empfindlich und müssen unter äußerst sauberen Bedingungen benutzt werden, unter Bedingungen also, die normalerweise im industriellen Bereich nicht vorliegen. Auch sind Festkörperlinsen begrenzt im Hinblick auf die Strahlintensität: intensive Laserstrahlen führen öfters zur Explosion optischer Komponenten.
• Zweitens sind gewöhnliche Gaslinsen, obwohl sie große Intensitäten fokussieren können, optisch schwach und dazu mechanisch schwer und unhandlich. Das französische Patent Nr. 2 410 293 beschreibt z. B. verschiedene Methoden, um Dichtewellen in der Atmosphäre zur Fokussierung von Sonnenstrahlen zu erzeugen. Und Martynenko et al. beschreibt in Revue de Physique Appliquée Vol 13, No. 7, Juli 1978, verschiedene Gaslinsen, die mit heißen und kalten Rohren thermisch erzeugte Dichtegradienten benutzen. Keine dieser Anordnungen kann aber eine, stärkere Fokussierung erreichen.
• Die Mehrheit der Anwendungen in Forschung und in Industrie verlangen stärkere Linsen, also kürzere Brennweiten. Auch müssen die Linsen leicht und kompakt sein.
• Es ist Zweck der vorliegenden Erfindung, eine Gaslinse bereitzustellen, die kompakt ist und auch intensive Strahlen gut zu fokussieren vermag.
• Die vorliegende Erfindung erfüllt, wie in Anspruch 1 erläutert, folgende Bedingungen.
• Vorzugsweise werden die Funkenstrecken in einer zylindrischen Kammer angeordnet. Die Kammer begrenzt die Stoßwellen und enthält auch das eventuell von Luft verschiedene Gas. Die Kammer verfügt über zwei koaxiale Öffnungen, um den elektromagnetischen Strahl durchzulasssen.
• Man bemerke, daß der Ausdruck Funkenstrecke ein paar Elektroden bezeichnet, zwischen denen eine elektrische Entladung erzeugt werden kann.
• Die hohe zentrale Dichte kann durch eine Elektronik erreicht werden, die gleichzeitig mehrere, um einen Kreis gleichmäßig verteilte Funken erzeugt.
• Die Funken werden mit zwei kreisförmig angeordneten Gruppen spitzer Elektroden mit einem Abstand im Millimeterbereich durch das Anlegen einer Spannung von mehreren Tausend Volt erzeugt.
• Gase, die zur Bildung von Linsen geeignet sind, sind Luft, Kohlendioxid und Mischungen oder Dämpfe mit einem höheren Berechnungsindex als Luft.
• Es folgt die Beschreibung eines Beispiels für die Verwirklichung der Erfindung anhand der beigelegten Skizze.
• Gemäß dieser Skizze besteht eine Apparatur zur Fokussierung eines elektromagnetischen Strahls aus einer zylindrischen Kammer (1) aus isolierendem Material, mit einem inneren Durchmesser von 6 cm und einem Wandabstand von 1 cm. Innerhalb der Kammer (1) liegen 16 Nadeln (2) paarweise gegenüber angeordnet, um acht Funkenstrecken (3) zu bilden, die so einen Kreis von 5 cm Durchmesser formen. Die Nadeln (2) werden an eine in der Skizze nicht gezeigte, Hochspannungsversorgungseinheit angeschlossen, die einen Impuls von etwa 50 Joule in weniger als einer Mikrosekunde bei einer Spannung bis zu 20 kV liefern kann. Die acht Funkenstrecken (3) werden elektrisch in Serie geschaltet, damit alle Entladungen gleichzeitig stattfinden.
• Die Funken (4), die zwischen den Elektroden gebildet werden, erzeugen Stoßwellen, die zur Mitte des Kreises konvergieren, wo sie einen Bereich hoher Dichte bilden, der als kurzlebige Linse (5) fungiert. Ein gepulster elektromagnetischer Strahl (6), der die Linse (5) gleichzeitig entlang der Achse durchkreuzt, wird so in einem scharfen Brennpunkt (7) fokussiert.
• Einen kontinuierlichen elektromagnetischen Strahl (6) kann die Apparatur impulsmodulieren. Falls die Linse (5) in einem Laserhohlraum angeordnet ist, kann sie die Leistung des Lasers durch die sogenannte Q-Schaltung erhöhen.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Fokussierung eines elektromagnetischen Strahls, wobei eine zylindrische Kammer (1) mit axialem Eintritts- und Austrittsfenster dem Strahl (6) erlaubt, einen Punktfokus (7) zu bilden, sowie eine Methode zur gleichzeitigen Erzeugung mehrerer elektrischen Entladungen (4) im Gas, wobei die Entladungen geometrisch im gleichem Abstand von der optischen Achse und gleich weit voneinander entfernt liegen, und dabei Stoßwellen erzeugen, deren Ausbreitung durch die Kammerwand (1) begrenzt ist, und die zusammenwirken, um eine kurzlebige optische Linse zu bilden (6), die den Strahl fokussieren kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Erzeugung von elektrischen Entladungen zwischen mehreren Paaren einander gegenüberliegender Elektroden stattfindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher ein Mittel zum Gaseinlaß in die Kammer (1) vorhanden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, bei welcher ein Mittel zur Bewegung des Gases innerhalb der Kammer (1) vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, bei welcher es eine Methode zur Erzeugung elektrischer Impulse mit etwa 20 kV Spannung und etwa 50 J Energie und einer Pulsdauer von weniger als einer Mikrosekunde gibt sowie eine Methode, bei der dieser Impuls gleichzeitig durch alle Elektrodenpaare läuft.