Die Erfindung betrifft einen Gastransportlaser, der einen optischen Hohlraumresonator, ein Laserrohr mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung für das gasförmige Lasermedium, eine Kathode und eine Mehrzahl von Anoden zur Erzeugung einer Gasentladung enthält.
Es sind Hochleistungs-Molekular-Gaslaser für Dauerbetrieb bekannt, in welchen der Strom eines Elektronenstrahles zur Vorionisierung des Lasermediums verwendet wird, bevor die elektrische Erregung durch eine unterstützende Gleichspannung erfolgt. Diese Spannung ist normalerweise so gewählt, dass der Betrieb bei einem derartigen Verhältnis von angelegtem, elektrischem Feld (E) zur molekularen Gasdichte (N) vor sich geht, welches eine optimale Erregung des Lasermediums theoretisch erlaubt; dieses Verhältnis E/N ist ausreichend klein, so dass selbst unterstützende Ent ladungen ohne die anfängliche Vorionisierung nicht vorkommen können, welche durch den Hochspannungs-Elektronenstrahl vom kleinen Strom bewirkt wird, der hilfsweise wirkt.
Es sind auch ähnliche Anordnungen beschrieben worden, wo hohe Frequenzen verwendet werden, um für eine kontinuierliche Vorionisierung der Entladung zu sorgen. Es werden Puls-Laser verwendet, in welchen zusätzliche Quellen von Ultraviolett-Photonen oder zusätzliche pulsförmige Entladungen für die Vorionisierung sorgen.
Der vorliegende Gastransportlaser ist ein viel einfacherer Laser, in welchem eine einzige Gleichstrom-Entladung quer sowohl zu der optischen Achse als auch zum Geschwindigkeitsvektor des Gasstromes aufrechterhalten wird.
Er hat folgende Vorteile:
1. Die Anschaffungs- und Betriebskosten einer zusätzlichen Ionisationsquelle sind beseitigt worden. Die Kosten nämlich, welche zur Anschaffung beispielsweise einer Hochspannungskanone für Glühelektronen erforderlich sind, stellen einen sehr beträchtlichen Teil der Herstellungskosten eines Hochleistungslasers dar.
2. Es ist nunmehr eine Spannungsquelle erforderlich. welche nur einige Kilovolt liefern muss. Die Kosten pro Kilowatt der elektrischen Leistung sind daher niedriger und die Strahlung bzw. elektrischen Gefahren, welche mit der Lieferung von mehr als Hunderten von Kilovolts verbunden sind, werden dadurch herabgesetzt.
3. Die optische Leistung kann auf sehr wenigen Wegen quer zur Entladung entnommen werden.
Der erfindungsgemässe Gastransportlaser ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Anode ein Vorwiderstand vorgeschaltet ist, und dass die Anoden und die Kathoden derart an geordnet sind, dass die elektrische Entladung senkrecht sowohl zur Strömungsrichtung des gasförmigen Lasermediums als auch zur optischen Achse des Hohlraums verläuft.
Eine erfindungsgemässe Ausführungsform wird nunmehr anhand der Zeichnung näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt einen vereinfachten, schematischen Schnitt durch einen Hochleistungs-Gastransportlaser.
Ein Laserrohr, im allgemeinen durch das Bezugszeichen 1 gekennzeichnet, hat an seiner einen Seite eine Eintrittsöffnung 2 für das gasförmige Lasermedium, wie z. B. das wohlbekannte CO2-N2-He-Mischgas, und an seiner anderen Seite eine Austrittsöffnung 3. In der Eintrittsöffnung 2 befindet sich ein Gitter 4, das den Zweck hat, die Strömung des gasförmigen Mediums im Bereich der eigentlichen Laser-Entladung L zu laminieren. Die Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums ist durch einen Pfeil veranschaulicht. In dem Laserrohr 1 befindet sich eine einzelne, hohle Kupferelektrode 5, die eine Kathode bildet, und eine Mehrzahl von Anoden 6. Die Elektroden 6 bestehen aus fünf Reihen von Kupferstäbchen 7. Die Stäbchenreihen liegen etwa 2 cm voneinander entfernt und die Stäbchen 7 in jeder Reihe sind etwa 9 mm voneinander entfernt angeordnet.
Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser der Stäbchen
7 4 mm, obwohl Durchmesser im Bereich von 3 bis 15 mm Verwendung fanden. Jedes Stäbchen 7 ist über einen Vorwiederstand 8 von etwa 4,4 k-Ohm mit einer Stromquelle verbunden. Die Widerstände 8 sind ausserhalb des Laserrohres
1 angeordnet.
Die Anoden 6 und die Kathode 5 liegen etwa 10 cm von einander entfernt zu beiden Seiten des Entladungsbereiches
L. Die Enden der Kathode 5 sind in bezug auf die Anoden 6 abgebogen, um den Anoden-Kathoden-Abstand und demzufolge die Länge des Entladungsbereiches L zu vergrössern; sie beträgt etwa 2,4 m.
In Betrieb wird eine Strömung von etwa 50 m s-1 in den
Entladungsbereich L erzeugt und eine Eingangsleistung von etwa 100 kW wird dem Entladungsbereich L zugeführt. Des halb ist es notwendig, dass die Anoden 6 und die Kathode gekühlt werden. Die Kathode 5 wird gekühlt, indem Wasser durch sie zirkuliert. Die Anoden-Stäbchen 7 werden gekühlt, indem Wasser durch nicht in der Zeichnung dargestellte kera mische Röhren strömt, wobei die Stäbchen 7 thermisch mit letzteren verbunden sind. Es ist auch möglich, dass die Stäb chen 7 in einen das Laserrohr 1 umgebenden Wassermantel hineinragen, wobei sie über ihre Kontaktlänge mit dem Was ser elektrisch isoliert werden müssen.
Auch ist es notwendig, das gasförmige Lasermedium zu kühlen. Eine geeignete Methode ist, das Lasermedium in einem geschlossenen Kühlkreislauf zirkulieren zu lassen, wel cher Kreislauf einen Wärmeaustauscher enthält.
PATENTANSPRUCH
Gastransportlaser, der einen optischen Hohlraumresona tor, ein Laserrohr mit einer Eintrittsöffnung und einer Aus trittsöffnung für das gasförmige Lasermedium, eine Kathode und eine Mehrzahl von Anoden zur Erzeugung einer Gasent ladung enthält, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Anode (7) ein Vorwiderstand vorgeschaltet ist, und dass die Anoden (6) und die Kathode (5) derart angeordnet sind, dass die elek trische Entladung senkrecht sowohl zur Strömungsrichtung des gasförmigen Lasermediums als auch zur optischen
Achse des Hohlraumes (1) verläuft.
UNTERANSPRÜCHE
1. Gastransportlaser nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Anoden (7) in einer Reihe angeordnet sind.
2. Gastransportlaser nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass Mittel zum Kühlen der Anoden (7) vorge sehen sind.
3. Gastransportlaser nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass Mittel zum Kühlen der Kathoden (5) vor gesehen sind.
4. Gastransportlaser nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das gasförmige Lasermedium in einem ge schlossenen Kreislauf zirkuliert.
5. Gastransportlaser nach Unteranspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, dass der Kreislauf Mittel zum Kühlen des gas förmigen Lasermdiums enthält.
6. Gastransportlaser nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kathodenelektrode (5) einen geraden
Abschnitt und gekrümmte Enden aufweist, und dass der ge rade Abschnitt dazu dient, den aktiven Teil der Kathodenelektrode (5) zu bilden.
7. Gastransportlaser nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Lasermedium ein Gemisch aus Kohlendioxyd, Stickstoff und Helium ist.
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The invention relates to a gas transport laser which contains an optical cavity resonator, a laser tube with an inlet opening and an outlet opening for the gaseous laser medium, a cathode and a plurality of anodes for generating a gas discharge.
There are known high-power molecular gas lasers for continuous operation, in which the current of an electron beam is used to pre-ionize the laser medium before the electrical excitation is carried out by a supporting direct voltage. This voltage is normally chosen so that the operation takes place at such a ratio of applied electric field (E) to molecular gas density (N) that theoretically optimal excitation of the laser medium is possible; this ratio E / N is sufficiently small that self-supporting discharges cannot occur without the initial pre-ionization, which is caused by the high-voltage electron beam from the small current that acts as an alternative.
Similar arrangements have also been described where high frequencies are used to provide continuous pre-ionization of the discharge. Pulse lasers are used, in which additional sources of ultraviolet photons or additional pulse-shaped discharges ensure pre-ionization.
The present gas transport laser is a much simpler laser in which a single direct current discharge is maintained across both the optical axis and the velocity vector of the gas stream.
It has the following advantages:
1. The acquisition and operating costs of an additional ionization source have been eliminated. This is because the costs that are required to purchase a high-voltage gun for glow electrons, for example, represent a very considerable part of the production costs of a high-power laser.
2. A voltage source is now required. which only has to deliver a few kilovolts. The costs per kilowatt of electrical power are therefore lower and the radiation or electrical hazards associated with the delivery of more than hundreds of kilovolts are thereby reduced.
3. The optical power can be drawn across the discharge in very few ways.
The gas transport laser according to the invention is characterized in that each anode is preceded by a series resistor, and that the anodes and the cathodes are arranged in such a way that the electrical discharge runs perpendicular both to the flow direction of the gaseous laser medium and to the optical axis of the cavity.
An embodiment according to the invention will now be described in more detail with reference to the drawing. The drawing shows a simplified, schematic section through a high-power gas transport laser.
A laser tube, generally identified by the reference number 1, has on one side an inlet opening 2 for the gaseous laser medium, such as. B. the well-known CO2-N2-He mixed gas, and on its other side an outlet opening 3. In the inlet opening 2 there is a grid 4, which has the purpose of the flow of the gaseous medium in the area of the actual laser discharge L. laminate. The direction of flow of the gaseous medium is illustrated by an arrow. In the laser tube 1 there is a single, hollow copper electrode 5, which forms a cathode, and a plurality of anodes 6. The electrodes 6 consist of five rows of copper rods 7. The rod rows are about 2 cm apart and the rods 7 in each Row are about 9 mm apart.
In the embodiment described here, the diameter of the rods is
7 4 mm, although diameters ranging from 3 to 15 mm have been used. Each rod 7 is connected to a current source via a series resistor 8 of approximately 4.4 kohm. The resistors 8 are outside the laser tube
1 arranged.
The anodes 6 and the cathode 5 are about 10 cm apart on both sides of the discharge area
L. The ends of the cathode 5 are bent with respect to the anodes 6 in order to increase the anode-cathode distance and, consequently, the length of the discharge area L; it is about 2.4 m.
In operation there is a flow of about 50 m s-1 in the
Discharge area L is generated and an input power of about 100 kW is supplied to the discharge area L. It is therefore necessary that the anodes 6 and the cathode are cooled. The cathode 5 is cooled by circulating water through it. The anode rods 7 are cooled by water flowing through kera mix tubes, not shown in the drawing, the rods 7 being thermally connected to the latter. It is also possible that the rods 7 protrude into a water jacket surrounding the laser tube 1, whereby they have to be electrically isolated over their contact length with the water.
It is also necessary to cool the gaseous laser medium. A suitable method is to let the laser medium circulate in a closed cooling circuit, which circuit contains a heat exchanger.
PATENT CLAIM
Gas transport laser, which contains an optical cavity resonator, a laser tube with an inlet opening and an outlet opening for the gaseous laser medium, a cathode and a plurality of anodes for generating a gas discharge, characterized in that each anode (7) is preceded by a series resistor, and that the anodes (6) and the cathode (5) are arranged in such a way that the elec trical discharge is perpendicular both to the flow direction of the gaseous laser medium and to the optical
Axis of the cavity (1) runs.
SUBCLAIMS
1. Gas transport laser according to claim, characterized in that the anodes (7) are arranged in a row.
2. Gas transport laser according to claim, characterized in that means for cooling the anodes (7) are provided.
3. Gas transport laser according to claim, characterized in that means for cooling the cathodes (5) are seen before.
4. Gas transport laser according to claim, characterized in that the gaseous laser medium circulates in a closed loop GE.
5. Gas transport laser according to dependent claim 4, characterized in that the circuit contains means for cooling the gaseous laser medium.
6. Gas transport laser according to claim, characterized in that the cathode electrode (5) is a straight one
Has section and curved ends, and that the straight section serves to form the active part of the cathode electrode (5).
7. Gas transport laser according to claim, characterized in that the gaseous laser medium is a mixture of carbon dioxide, nitrogen and helium.
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