DD291424A5 - ARRANGEMENT FOR GENERATING A HOMOGENEOUS LASER BEAM PROFILE - Google Patents
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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}The invention relates to an arrangement for generating a homogeneous laser beam profile in which in a known per se arrangement, the Elektrodenflaechen plan formed and partially provided with a dielectric. There are proposed two ways of applying the dielectric. First, a coating-like, for example, galvanically applied layer, on the other hand, a mask-like cover. Both embodiments of the electrode surfaces can be produced relatively easily in comparison to those in known arrangements and, moreover, are distinguished by improved, very steep edge elevations with an approximately rectangular laser beam profile. Electrode surfaces plan; Dielectric; galvanic coating; thin film; solid material; Mask; rectangular intensity profile}
Description
Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
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.The invention relates to an arrangement for producing a homogeneous laser beam profile, for example for pulse gas lasers. Gas lasers are increasingly used for material processing, for example for drilling, scribing and labeling.
Charakteristik dos bekannten Standes der TechnikCharacteristics of the known prior art
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.To achieve high laser powers in TE pulsed lasers, a homogeneous energy input into the active medium is necessary. For this purpose, electrical arrangements with electrode profiles are required which generate a sufficiently homogeneous electric field. It is desirable a largely rectangular distribution of the laser intensity over the beam cross section, i. In a given area the field strength should be approximately constant and decrease rapidly outside this area.
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.The known arrangements have metal full electrodes, between which the discharge takes place. Depending on the electric field strength, the surfaces of the electrodes, between which the discharge process takes place, have complicated flat curved surfaces (profiles) which are rounded towards the sides. Predicting these profiles against extensive calculations.
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.It should be noted that too strong curved sides, the electric field strength at the edges assumes too high values, which have undesirable flashovers result.
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).There are a variety of approaches to mathematically describe the electrode profiles that produce a laser beam profile that approximates the stated requirements. For example, US Pat. No. 4,523,320 describes the so-called Stapperts profiles. This is a method according to which one can calculate the profiles with arbitrarily chosen distribution of the electric field in the plane of symmetry. Other known possibilities are shown by the Rogowski profiles (W. Rogowski, Arch. Electrical Engineering 12,1 [19231], Chang ((TYChang, Rev. Scient. Instr. 44 [1973) 405] and Ernst (GJ 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.Disadvantage of all these electrode arrangements is the complicated production of the electrode profiles, which requires the use of NC machines. Furthermore, the intensity profile of the laser beam changes in width as a function of the energy fed into the laser plasma.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist eine einfache und kostengünstig herstellbare Anordnung zur Erzeugung eines homogenen Laserstrahlprofiles beispielsweise für Impulsgaslaser.The aim of the invention is a simple and inexpensive to produce arrangement for generating a homogeneous laser beam profile, for example for pulse gas laser.
-2- 291424 Darlegung dos Wesens dor Erfindung-2- 291424 Presentation of the essence of the invention
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.The object of the invention is to provide a einfcch producible arrangement for generating einos homogeneous, approximately rectangular laser beam profile with steep rise Danson whose Drolto is independent of the Enorgloolnspolsung in the laser plasma.
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.According to the invention the object is achieved in that in a bokannten arrangement of electrodes, for example in gas lasers, the Eloktrodonilächon plan formed and partially provide with a dielectric. For the type of application of the dielectric zwoi variants have been proposed. For oinon a üborzugsartig applied dielectric is possible, on the other hand in the form oiner mask.
Das liborzugartigo Dielektrikum kann ein in bekannter Weise vorgonommcnos Aufbringen dünnor Filme, galvanischer Überzüge aber auch fester Materialien soin.The liborzugartigo dielectric can in a known manner vorgonommcnos applying thinor films, galvanic coatings but also solid materials 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.With the mask, dio electrodon areas have been covered Dio attachment is done by known means. In order to exclude unwanted Üborschlägo, the Masko is greater in their total extent than dio to be covered Elektrodonflächo. It towers over these in all directions. The Eloktrodonflächen with the übzugzugartigon dielectric are rounded for the same reasons at the edges.
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.The width of the dielectric is chosen so that the average electric field in the covered electrode space changes only so much that koino discharge takes place and the field distribution in the discharge space is only minimally reduced.
Als Werkstoffe für das Dielektrikum sind alle don - beispielsweise im Gaslaser herrschenden - Entladungsbedingungon standhaltenden nichtleitenden Matorialion geoignet.As materials for the dielectric are all don - geoignet - for example, prevailing in the gas laser - discharge conditions holding non-conductive 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.The erfindungsgomäßo arrangement has the same Einsatzbedingungon don over the known advantage that the electrode surfaces simple, easy to produce geometric surfaces aufweison. In addition, the area of the discharge in the electrode space is firmly defined and thus a constant, predetermined in its width laser cross-section achievable.
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.Furthermore, by acting also outside the discharge area middle electric field before dome breakdown dio field pre-homogenization in the discharge boroich so far that with the electrode arrangement so steep, compared to the known arrangements improved edge slopes of the Lasorstrahlquerschnittcs be achieved.
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.The electrode assembly also makes it possible to design the gas circuit constructively so that it connects directly to dioelectric electrical cover and thereby eliminate the previously occurring unwanted Verwirbolungen the laser gas before don electrodes.
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.In connection with the economic utilization, for example, in material processing significant advantages. With the known arrangements all holes had a conical shape in depth due to the weakening laser beam profile s. Due to the significantly improved consistent beam quality over the beam cross-section are cylindrical woitestgohond possible, in ceramics over a depth of 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.Another area of application is the scratching or marking of any documents. Due to the improved beam quality, the illumination is more homogeneous and the result is a typeface of the same intensity.
AusfuhrungsbelspieleAusfuhrungsbelspiele
Die Erfindung soll nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispiele! - näher erläutert werden. Die einzelnen Figuren zeigenThe invention will be described below with reference to two embodiments! - be explained in more detail. The individual figures show
Fig. 1: eine Elektrode mit einem überzugartig aufgebrachten DielektrikumFig. 1: an electrode with a coating applied dielectric
Fig. 2: eine Elektrode mit einem maskenartigen Dielektrikum2 shows an electrode with a mask-like dielectric
Fig. 3: den Entladungskanal im QuerschnittFig. 3: the discharge channel in cross section
Fig.4: die graphische Darstellung eines Laserprofiles.4: the graphical representation of a laser profile.
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.FIG. 1 shows an electrode 1 whose discharge surface 2 is provided with a dielectric 3 applied in the manner of a coating. The electrode 1 is 300mm long and made of aluminum. Its cross section is 10 χ 30mm 2 . The electrode surface is flat and goes to the edges in a radius of about 5mm. As a dielectric, a 50 pm thick aluminum oxide layer (Al 2 Oa) was applied by electroplating in a known manner. The layer extends over the entire length of the electrode, but only at the edges in a width of 10mm, so that for the burning of the discharge, a central surface 5 of the electrode surface remains uncovered.
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.FIG. 2 shows the electrode mask-covered with dom dielectric. The electrode is identical to that described in Fig. 1, except that its edges are not rounded. The dielectric 3 is larger in size than the electrode surface 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.It surmounted this on all sides with a projection 6 of 10mm. The size of the cut-out 4 of the mask is selected as a function of the respective desired discharge area and in the example 10 × 300 mm 2 .
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.In Figure 3, the discharge channel is shown in cross section. To see is the discharge space 7 with the electrode surfaces 2, which are acted upon by the dielectric 3.
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.In laser operation, a pulse-shaped discharge between the electrodes 1 is ignited, whereby the CO 2 amplification medium is excited and the laser process is initiated. The gas mixture used consists of CO 2 : N 2 : He = 0.2 atm: 0.2 atm: 0.6 atm. The electrical charge takes place in the discharge space 7 between the uncovered central area 5 of the electrode surfaces 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.Advantageously, it is shown that due to the outer boundary 8 of the electrode space 7 through the dielectric 3, the discharge width is always constant, regardless of the size of the energy supplied.
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.In contrast, the discharge space in the known discharge arrangements due to the curved electrode surfaces was "open" and thus the discharge width in dependence on the power supply variable.
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.and are characterized by improved, very steep Flankonanstlego the laser profile. They also make it possible to construct the Gaskretalauf constructive so that the immediately adjoins the dielectric 3 and thereby the hitherto occurring disturbing confusion of the laser gas in front of the electrodes 1 are avoided.
der Beispiele bestätigt.the examples confirmed.
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Cited By (3)
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1989
- 1989-12-29 DD DD33682189A patent/DD291424A5/en not_active IP Right Cessation
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