DD291424A5

DD291424A5 - Anordnung zur erzeugung eines homogenen laserstrahlprofiles

Info

Publication number: DD291424A5
Application number: DD33682189A
Authority: DD
Inventors: Juergen Lademann
Original assignee: Adw Zi Fuer Optik Und Spektroskopie,De
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1989-12-29
Publication date: 1991-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung eines homogenen Laserstrahlprofils bei der in einer an sich bekannten Anordnung die Elektrodenflaechen plan ausgebildet und partiell mit einem Dielektrikum versehen sind. Es werden zwei Moeglichkeiten der Aufbringung des Dielektrikums vorgeschlagen. Zum einen eine ueberzugartige, beispielsweise galvanisch aufgebrachte Schicht, zum anderen eine maskenhafte Abdeckung. Beide Ausfuehrungen der Elektrodenflaechen sind gegenueber denen in bekannten Anordnungen relativ einfach herstellbar und zeichnen sich darueber hinaus durch verbesserte, sehr steile Flankenanstiege mit einem annaehernd rechteckigen Laserstrahlprofil aus.{Elektroden; Elektrodenflaechen plan; Dielektrikum; galvanischer UEberzug; duenner Film; fester Material; Maske; rechteckiges Intensitaetsprofil}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Bei der Erfindung handelt es sich um eine Anordnung zur Erzeugung eines homogenen Laserstrahlprofiles, beispielsweise für Impulsgaslaser. Gaslaser werden in immer größerem Umfange auch für die Materialbcarbeitung, beispielsweise zum Bohren, Ritzen und Beschriften eingesetzt.

Charakteristik dos bekannten Standes der Technik

Für das Erreichen von hohen Laserleistungen in TE-Impulslasern ist eine homogene Energieeinspeisung in das aktive Medium notwendig. Dazu werden Elektro.. jnanordnungen mit Elektrodenprofilen benötigt, die ein ausreichend homogenes elektrisches Feld erzeugen. Es wird eine weitestgehend rechteckige Verteilung der Laserintensität über den Strahlquerschnitt angestrebt, d.h. in einem bestimmten Gebiet soll die Feldstärke annähernd konstant sein und außerhalb dieses Gebietes schnell abnehmen.

Die bekannten Anordnungen besitzen metallische Vollelektroden, zwischen denen die Entladung erfolgt. In Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke weisen die Flächen der Elektroden, zwischen denen sich der Entladungsvorgang vollzieht, komplizierte flach gewölbte, nach den Seiten hin abgerundete Oberflächen (Profile) auf. Der Ermittlung dieser Profile gegen umfangreiche Berechnungen voraus.

Dabei ist zu beachten, daß bei zu stark gekrümmten Seiten die elektrische Feldstärke an den Rändern zu hohe Werte annimmt, die unerwünschte Überschläge zur Folge haben.

Es gibt vielfältige Herangehensweisen, die Elektrodenprofile mathematisch zu beschreiben, die ein Laserstrahlprofil erzeugen, das den genannten Anforderungen nahekommt. Beispielsweise sind in der US-PS 4523320 die sogenannten Stapperts-Profile beschrieben. Dabei handelt es sich um eine Methode, gemäß der man die Profile bei beliebig gewählter Verteilung des elektrischen Feldes in der Symmetrieebene berechnen kann. Andere bekannte Möglichkeiten zeigen die Rogowski-Profile (W. Rogowski, Arch. Elektrotechnik 12,1 [19231), Chang ((T.Y.Chang, Rev. Scient.-lnstr. 44 [1973) 405) und Ernst (G.J.Ernst, Optics Comm. 47 11983147).

Nachteil all dieser Elektrodenanordnungen ist die aufwendige Fertigung der Elektrodenprofile, die den Einsatz von NC-Maschinen erfordert. Weiterhin, daß sich das 'ntensitätsprofil des Laserstrahles in seiner Breite in Abhängigkeit von der in das Laserplasma eingespeisten Energie ändert.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine einfache und kostengünstig herstellbare Anordnung zur Erzeugung eines homogenen Laserstrahlprofiles beispielsweise für Impulsgaslaser.

-2- 291424 Darlegung dos Wesens dor Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist, eine einfcch herstellbare Anordnung zur Erzeugung einos homogenen, annähernd rechteckigen Laserstrahlprofils mit steilen Anstiegsdankon anzugeben, dessen Drolto unabhängig von der Enorgloolnspolsung in das Laserplasma ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einer an sich bokannten Anordnung von Elektroden, beispielsweise in Gaslasern, die Eloktrodonilächon plan ausgebildet und partiell mit einem Dielektrikum vorsehen sind. Für die Art der Aufbringung des Dielektrikums worden zwoi Varianten vorgeschlagen. Zum oinon ist ein üborzugsartig aufgebrachtos Dielektrikum möglich, zum anderen eines in Form oiner Maske.

Das liborzugartigo Dielektrikum kann ein in bekannter Weise vorgonommcnos Aufbringen dünnor Filme, galvanischer Überzüge aber auch fester Materialien soin.

Mit der Maske worden dio Elektrodonflächen abgedeckt Dio Befestigung erfolgt mit bekannten Mitteln. Um unerwünschte Üborschlägo auszuschließen, ist die Masko in ihrer Gesamtausdehnung größer als dio abzudeckende Elektrodonflächo. Sie überragt diese nach allen Seiten. Die Eloktrodonflächen mit den üborzugartigon Dielektrikum sind aus den gleichen Gründen an den Kanten gerundet.

Die Breite des Dielektrikums wird so gewählt, daß sich das mittlere elektrische Feld im abgedeckten Elektrodenraum nur um soviel ändert, daß koino Entladung erfolgt und sich dio Feldverteilung im Entladungsraum nur minimal reduziert.

Als Werkstoffe für das Dielektrikum sind alle don - beispielsweise im Gaslaser herrschenden - Entladungsbedingungon standhaltenden nichtleitenden Matorialion geoignet.

Die erfindungsgomäßo Anordnung hat bei gleichen Einsatzbedingungon gegenüber don bekannten den Vorteil, daß die Elektrodenflächen einfache, leicht herstellbare geometrische Oberflächen aufweison. Darüber hinaus ist das Gebiet der Entladung im Elektrodenraum fest definiert und somit ein konstanter, in seiner Breite vorgegebener Laserquerschnitt erreichbar.

Weiterhin wird durch das auch außerhalb des Entladungsbereiches wirkende mittlere elektrische Feld vor dom Durchschlag dio Feldvortoilung im Entladungsboroich soweit homogenisiert, daß mit der Elektrodenanordnung sohr steile, gegenüber den bekannten Anordnungen verbesserte Flankenstiege des Lasorstrahlquerschnittcs erreicht werden.

Die Elektrodenanordnung ermöglicht auch, den Gaskreislauf konstruktiv so zu gestalten, daß er unmittelbar an dio elektrische Abdeckung anschließt und dadurch die bisher auftretenden unerwünschten Verwirbolungen des Lasorgases vor don Elektroden entfallen.

Im Zusammenhang mit der wirtschaftlichen Verwertung ergeben sich beispielsweise bei der Materialbearbeitung wesentliche Vorteile. Mit den bekannten Anordnungen hatten alle Bohrungen in ihrer Tiefe infolge des sich abschwächenden Laserstrahlprofil s einen konischen Verlauf. Durch die wesentlich verbesserte gleichbleibende Strahlqualität über den Strahlquerschnitt sind woitestgohond zylindrische Bohrungen möglich, bei Keramik übor eine Tiefe von z. B. 2 mm.

Ein anderes Anwendungsgebiet ist das Ritzen odor Beschriften beliebiger Unterlagen. Durch dio verbesserte Strahlqualität ist die Ausleuchtung homogener und das Ergebnis ein Schriftbild gleicher Intensität.

Ausfuhrungsbelspiele

Die Erfindung soll nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispiele! - näher erläutert werden. Die einzelnen Figuren zeigen

Fig. 1: eine Elektrode mit einem überzugartig aufgebrachten Dielektrikum

Fig. 2: eine Elektrode mit einem maskenartigen Dielektrikum

Fig. 3: den Entladungskanal im Querschnitt

Fig.4: die graphische Darstellung eines Laserprofiles.

In der Fig. 1 ist eine Elektrode 1 dargestellt, deren Entladungsfläche 2 mit einem überzugartig aufgebrachten Dielektrikum 3 versehen ist. Die Elektrode 1 ist 300mm lang und besteht aus Aluminium. Ihr Querschnitt ist 10 χ 30mm². Die Elektrodenfläche ist plan und geht zu den Rändern hin in einen Radius von ca. 5mm über. Als Dielektrikum wurde eine 50pm dicke Aluminiumoxidschicht (AI₂Oa) in bekannter Weise galvanisch aufgebracht. Die Schicht erstreckt sich über die gesamte Länge der Elektrode, doch nur an deren Rändern in einer Breite von je 10mm, so daß für das Brennen der Entladung eine Mittelfläche 5 der Elektrodenfläche unbedeckt bleibt.

Die Fig. 2 zeigt die mit dom Dielektrikum maskenartig abgedeckte Elektrode. Die Elektrode ist identisch mit der unter Fig. 1 beschriebenen, nur daß ihre Kanten nicht gerundet sind. Das Dielektrikum 3 ist in seinen Abmessungen größer als die Elektrodenfläche 2.

Es überragt diese nach allen Seiten mit einem Überstand 6 von 10mm. Die Größe des Ausschnittes 4 der Maske wird in Abhängigkeit von der jeweils gewünschten Entladungsfläche gewählt und ist im Beispiel 10 χ 300mm².

In Fig.3 ist der Entladungskanal im Querschnitt dargestellt. Zu sehen Ist der Entladungsraum 7 mit den Elektrodenflächen 2, die mit dem Dielektrikum 3 beaufschlagt sind.

Im Laserbetrieb wird eine impulsförmige Entladung zwischen den Elektroden 1 gezündet, wodurch das CO₂-Verstärkungsmedium angeregt und der Laservorgang eingeleitet wird. Das verwendete Gasgemisch besteht aus CO₂:N₂:He = 0,2atm:0,2atm:0,6atm. Die elektrische Ladung erfolgt im Entladungsraum 7 zwischen der unbedeckten Mittelfläche 5 der Elektrodenflächen 2.

Vorteilhaft zeigt sich dabei, daß aufgrund der äußeren Begrenzung 8 des Elektrodenraumes 7 durch das Dielektrikum 3 die Entladungsbreite unabhängig von der Größe der eingespeisten Energie immer konstant ist.

Im Gegensatz dazu war der Entladungsraum in den bekannten Entladungsanordnungen infolge der gewölbten Elektrodenflächen „offen" und damit die Entladungsbreite in Abhängigkeit von der Energieeinspeisung veränderlich.

Die in den Ausführungsboispielon beschriebenen Anordnungen dor Elektroden sind gegenüber den bekannten einfach

herzustellen und zeichnen sich durch verbesserte, sehr steile Flankonanstlego des Laserprofiles aus. Sie ermöglichen außerdem,den Gaskretalauf konstruktiv so zu gestalten, daß der unmittelber an das Dielektrikum 3 anschließt und dadurch die bislangauftretenden störonden Verwirrungen des Lasergases vor den Elektroden 1 vermieden werden.

Mit der erfindungsgemäßcn Anordnung werden Laserintensitäten mit einer im Querschnitt annähernd rechteckigen Intensitätsverteilung 9, wie in Fig.4 dargestellt, orreicht. Die im Woson der Erfindung angegebonen Vorteile Im Zusammenhang mit der Matorialbearbeitung haben sich in beiden Fällen

der Beispiele bestätigt.

Claims

1. Anordnung zur Erzeugung eines homogenen Laserstrahlprofiles, dadurch gekennzeichnet, daß in einer an sich bekannten Elektrodenanordnung die Elektrodenflächen plan ausgebildet und partiell mit einem Dielektrikum versehen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum überzugsartig an den Rändern auf die Elektrodenflächen aufgebracht sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenflächen an den Rändern gerundet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum die Elektrodenfläche maskenartig abdeckt und an den Rändern übersteht.

5. Anordnung nach Anspruch 1,2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dadurch hervorgerufene Änderung des mittleren elektrischen Feldes zum Abbruch der Entladung führt, ohne dasselbe vor dem Durchschlag wesentlich zu reduzieren

6. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum eine galvanische Schicht ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum ein dünner Film ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1 und 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum eine feste Auflag „ι.

9. Anordnung nach Anspruch 1 und 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für das Dielektrikum alle den Entladungsbedingungen im Laser standhaltenden nichtleitenden Materialien geeignet sind.