DE102004023750B4 - Method for operating a gas laser with a pulsed high-frequency voltage and operated according to this method gas laser - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben eines Gaslasers, insbesondere zum Betreiben eines Bandleiterlasers, dessen Gasentladungsstrecke (2) mit einer getakteten Hochfrequenzspannung (HF) gespeist wird, wobei die der Gasentladungsstrecke (2) zugeführte HF-Leistung bei einem Tastverhältnis v = 1 maximal ist, und bei dem die Amplitude der Hochfrequenzspannung (HF) in Abhängigkeit vom Tastverhältnis v derart gesteuert wird, dass diese zumindest in einem Bereich (B) des Tastverhältnisses v mit abnehmenden Tastverhältnis v stetig oder stufenförmig zunimmt oder bei einem Tastverhältnis v, das unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes vg liegt, zumindest annähernd konstant und größer ist, als bei einem Tastverhältnis v, das oberhalb dieses Grenzwertes vg liegt.Method for operating a gas laser, in particular for operating a stripline laser, the gas discharge path (2) with a pulsed high frequency voltage (HF) is fed, wherein the gas discharge path (2) supplied RF power at a duty cycle v = 1 is a maximum, and wherein the amplitude of the high-frequency voltage (HF) is controlled as a function of the pulse duty factor v such that it increases continuously or stepwise with decreasing duty cycle v at least in a range (B) of the pulse duty factor v or at a pulse duty factor v which is below a predetermined limit value v g , At least approximately constant and greater than at a duty cycle v, which is above this limit v g .
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Gaslasers, insbesondere zum Betreiben eines Bandleiterlasers, dessen Gasentladungsstrecke mit einer getakteten Hochfrequenzspannung gespeist wird, sowie auf einen nach diesem Verfahren betriebenen Gaslaser.The The invention relates to a method for operating a gas laser, in particular for operating a stripline laser whose gas discharge path is fed with a pulsed high-frequency voltage, as well as on a gas laser operated by this method.
Zur
Steuerung der Leistung eines Gaslasers in einem weiten Leistungsbereich,
insbesondere eines Bandleiterlasers, wie er beispielsweise in der
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Gaslasers, dessen Gasentladungsstrecke mit einer getakteten Hochfrequenzspannung gespeist wird, anzugeben, das auf einfache Weise einen sicheren Betrieb des Gaslasers über nahezu den gesamten Leistungsbereich ermöglicht. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde einen nach diesem Verfahren betreibbaren Gaslaser anzugeben.Of the The invention is based on the object, a method for operating a gas laser whose gas discharge path with a pulsed high-frequency voltage to provide that in a simple way a secure Operation of the gas laser over Allows almost the entire performance range. In addition, the invention is the task is based on a gas laser operable by this method specify.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.Regarding the Method, the task is solved with the features of claim 1.
Durch diese Maßnahmen ist ein sicherer Betrieb des Gaslasers im gesamten Leistungsbereich ermöglicht. Die Erfindung beruht dabei auf der überlegung, dass die Amplitude der von einem Hochfrequenzgenerator erzeugten Hochfrequenzspannung – unabhängig davon, ob es sich um einen Halbleitergenerator oder einen Röhrengenerator handelt – bei kleinem Tastverhältnis größer sein kann als die maximal zulässige Amplitude bei großem Tastverhältnis, da dieser trotz größerer Amplitude bei kleinem Tastverhältnis mit einer mittleren Leistung belastet wird, die kleiner ist als seine maximal zulässige mittlere Leistung. Mit anderen Worten: Es ist der Einsatz eines Hochfrequenzgenerators möglich, dessen maximale Leistungsabgabe ausgenutzt werden kann, und mit dem dennoch der Gaslaser auch im unteren Leistungsbereich noch sicher betrieben werden kann, da auch bei kleinem Tastverhältnis die dem Gaslaser aufgrund der größeren Amplitude zugeführte Leistung ausreicht, um ein sicheres Zünden sowie eine homogene Entladung herbeizuführen. Durch eine solche optimale Auslegung des Hochfrequenzgenerators sind der technische Aufwand und dementsprechend die Kosten für den Gaslaser erheblich verringert.By these measures is a safe operation of the gas laser in the entire power range allows. The invention is based on the consideration that the amplitude the high frequency voltage generated by a high frequency generator - regardless of whether it is a semiconductor generator or a tube generator acts - in small duty cycle to be taller can be considered the maximum allowable Amplitude at large Duty cycle, there this despite larger amplitude at a small duty cycle is loaded with an average power smaller than its maximum allowable average power. In other words, it is the use of one High-frequency generator possible, whose maximum power output can be exploited, and with Nevertheless, the gas laser even in the lower power range still safe can be operated because even with a small duty cycle the the gas laser due to the larger amplitude supplied Power is sufficient to ensure a safe ignition as well as a homogeneous discharge bring about. By such an optimal design of the high-frequency generator are the technical effort and accordingly the cost of the gas laser significantly reduced.
Die Amplitude der Hochfrequenzspannung kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit abnehmenden Tastverhältnis stufenförmig zunehmen. Dies lässt sich schaltungstechnisch auf besonders einfache Weise realisieren.The Amplitude of the high-frequency voltage can in the method according to the invention with decreasing duty cycle stepwise increase. This leaves realize itself in terms of circuitry in a particularly simple manner.
Ein im gesamten Leistungsbereich möglichst gleichmäßiges Betriebsverhalten des Gaslasers wird erzielt, wenn die Amplitude zumindest in einem vorgegebenen Bereich des Tastverhältnisses mit abnehmendem Tastverhältnis in mehreren Stufen, vorzugsweise stetig zunimmt.One throughout the performance range as uniform as possible operating behavior of the gas laser is achieved when the amplitude at least in one predetermined range of the duty cycle with decreasing duty cycle in several stages, preferably steadily increasing.
Insbesondere ist die Amplitude in einem Bereich unterhalb des vorgegebenen unteren Grenzwertes zumindest annähernd konstant.Especially the amplitude is in a range below the given lower one Limit value at least approximately constant.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zum Erzeugen der Hochfrequenzspannung ein freischwingender Röhrengenerator mit einer Gitterröhre verwendet, und die Amplitude der Hochfrequenzspannung wird durch die Amplitude des zum Gitter der Gitterröhre fließenden Gitterstroms gesteuert.In A preferred embodiment of the method is for generating the high-frequency voltage uses a free-running tube generator with a grid tube and the amplitude of the high frequency voltage is determined by the amplitude of the to the grid of the grid tube flowing Grid current controlled.
Bezüglich des Gaslasers wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 5, dessen Vorteile sich ebenso wie die Vorteile der ihm nachgeordneten Untersprüche sinngemäß aus den Vorteilen der jeweils zugeordneten Verfahrensansprüche ergeben.Regarding the Gas laser will solve the problem with the features of claim 5, its advantages as well how the advantages of the subordinate subordinates from the advantages of each associated method claims result.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:to further explanation The invention is based on the embodiments referred to the drawing. Show it:
Gemäß
Die
Gasentladungsstrecke
Die
zum Erzeugen einer freien Schwingung erforderliche Rückkopplung
zur Kathode K erfolgt über
die Rückkopplungskapazität C3. Durch
diese Rückkopplung
wird der Ausgangsleistung der Gitterröhre
Ein
Heizkreis
Die
Amplitude IG,amp des vom Gitter G in diesem
Fall zur Kathode K fließenden
Gitterstroms IG ist bestimmt einerseits
durch die Summe aus einem in den Gitterkreis
Der
Gitterschalter
Wenn,
wie dies im Stand der Technik der Fall ist, der zwischen Masse und
Gitter liegende Widerstand konstant und derart ausgelegt ist, dass
bei maximalem Tastverhältnis
v = 1 und vorgegebenem Wert der Kathodenkreisinduktivität L3, d.h.
bei auf eine feste Resonanzfrequenz abgestimmten Kathodenkreis
Um
dies zu vermeiden, ist gemäß der Erfindung
eine Steuerschaltung
Im
Ausführungsbeispiel
gemäß
Im
Diagramm gemäß
Die Kurve a (Kreuze) zeigt die Gitterstromamplitude IG,amp und Kurve b (Dreiecke) den mittleren Gitterstrom IG,av bei fehlender Steuerschaltung und konstantem Gitterwiderstand RG. Den Kurven ist zu entnehmen, dass die Gitterstromamplitude IG,amp annähernd konstant ist und der mittlere Gitterstrom IG,av entsprechend dem zunehmenden Tastverhältnis v linear ansteigt. Der konstante Gitterwiderstand muss in diesem Fall derart ausgelegt sein, dass bei einem Tastverhältnis v = 1 (100%) sichergestellt ist, dass der maximale mittlere Gitterstrom IG,avmax, bzw. die maximale Gitterverlustleistung der Gitterröhre nicht überschritten wird. Bei einem Bandleiterlaser mit großen Entladungsflächen und/oder hohem Betriebsdruck der Entladungsstrecke ist bei kleinem Tastverhältnis v die Amplitude der Hochfrequenzspannung, also die HF-Leistung zu klein, um eine vollflächige homogene Entladung zu erzeugen. Bei Netzschwankungen kann es zur Kontraktion der Entladung kommen, welche zu einem Laserleistungseinbruch oder zur Beschädigung der Elektrodenoberfläche der Entladungsstrecke führt. Auch bei herkömmlichen Gaslasern kommt es unter diesen Bedingungen zu Instabilitäten der Gasentladung.The curve a (crosses) shows the grid current amplitude I G, and curve b (triangles) the average grid current I G, av in the absence of control circuit and constant grid resistance R G. It can be seen from the curves that the grid current amplitude I G, amp is approximately constant and the average grid current I G, av increases linearly in accordance with the increasing duty cycle v. The constant grid resistance has to be designed in this case such that it is ensured at a pulse duty ratio v = 1 (100%) that the maximum average grid current I G, avmax , or the maximum grid power loss of the grid tube is not exceeded. In the case of a stripline laser with large discharge areas and / or high operating pressure of the discharge path, the amplitude of the high-frequency voltage, ie the RF power, is too small for a small duty cycle v to produce a homogeneous homogeneous discharge over the whole area. In the event of mains fluctuations, the discharge may contract, which leads to a laser power breakdown or damage to the electrode surface of the discharge path. Even with conventional gas lasers, instabilities of the gas discharge occur under these conditions.
Kurven c (Rauten) und d (Quadrate) zeigen eine Situation, wie sie vorliegt, wenn eine den Steuerwiderstand RS entweder kontinuierlich oder aber in wenigstens 10 Stufen steuernde Steuerschaltung gemäß der Erfindung Verwendung findet. Bis zu einem unteren Grenzwert vg des Tastverhältnisses v von etwa 45% wird die Gitterstromamplitude IG,amp (Kurve c) ausschließlich durch den Gitterwiderstand RG begrenzt, so dass diese bei niedrigerem Tastverhältnis konstant und signifikant größer ist als in der Betriebsart gemäß Kurve a. Mit anderen Worten: In der erfindungsgemäßen Betriebsart (Kurve c) ist bei einem Tastverhältnis v < vg der gesamte Gitterwiderstand nur durch den konstanten Gitterwiderstand RG gegeben und annähernd um einen Faktor 2 kleiner als die Summe aus konstantem Gitterwiderstand RG und einem maximalen Steuerwiderstand RS,max.Curves c (diamonds) and d (squares) show a situation as it exists when a control circuit according to the invention, which controls the control resistor R S either continuously or in at least 10 stages, is used. Up to a lower limit v g of the duty cycle v of about 45%, the grid current amplitude I G, amp (curve c) is limited only by the grid resistance R G , so that it is constant and significantly larger at a lower duty cycle than in the operating mode according to the curve a. In other words, in the operating mode according to the invention (curve c) the total grid resistance is only given by the constant grid resistance R G and approximately a factor of 2 less than the sum of constant grid resistance R G and a maximum control resistance at a duty ratio v <v g R S, max .
Würde nun bei wachsendem Tastverhältnis v der gesamte Gitterwiderstand ausschließlich weiterhin durch den festen Gitterwiderstand RG bestimmt werden, so würde spätestens bei einem Tastverhältnis v von etwa 45% der maximal zulässige mittlere Gitterstrom IG,avmax (Kurve d) überschritten werden. Dies wird nun gemäß der Erfindung dadurch verhindert, dass ab einem unteren Grenzwert vg des Tastverhältnisses v von etwa 45% der steuerbare Widerstand RS, beispielsweise diskontinuierlich der erste Widerstand R1, zugeschaltet wird. Bei weiterem Anstieg des Tastverhältnisses v werden entweder sukzessive weitere Widerstände Ri zugeschaltet oder der Widerstandswert eines kontinuierlich veränderbaren steuerbaren Widerstandes stetig erhöht. Die Steuerschaltung ist dabei so ausgelegt, dass die Gitterstromamplitude IG,amp und damit die Amplitude der Hochfrequenzspannung HF mit wachsendem Tastverhältnis v derart reduziert wird, dass der mittlere Gitterstrom IG,av den maximal zulässigen mittleren Gitterstrom IG,avmax nicht überschreitet, wobei im Ausführungsbeispiel der mittlere Gitterstrom IG,av ab einem Tastverhältnis v = 0,5 (50%) annähernd konstant und etwa gleich dem maximal zulässigen mittleren Gitterstrom IG,avmax ist, wie dies Kurve d (Quadrate) zeigt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt die Gitterstromamplitude IG,amp in einem Bereich B des Tastverhältnisses v zwischen einem von Null verschiedenen unteren Grenzwert vg und einem oberen Grenzwert, der im Ausführungsbeispiel dem maximalen Tastverhältnis (v) entspricht. Grundsätzlich sind aber auch Ausgestaltungen möglich, bei denen der untere Grenzwert vg = 0 und/oder der obere Grenzwert kleiner als 1 sein kann.If the entire grid resistance were then exclusively determined by the fixed grid resistance R G with increasing pulse duty factor v, the maximum permissible average grid current I G, avmax (curve d) would be exceeded at the latest at a pulse duty factor v of approximately 45%. This is now prevented according to the invention in that from a lower limit v g of the duty cycle v of about 45% of the controllable resistor R S , for example, discontinuously the first resistor R 1 , is switched on. With further increase of the duty ratio v, either further resistors R i are successively connected or the resistance value of a continuously variable controllable resistor is steadily increased. The control circuit is designed so that the grid current amplitude I G, and thus the amplitude of the high frequency voltage HF with increasing duty cycle v is reduced such that the average grid current I G, av the maximum allowable average grid current I G, avmax does not exceed in the exemplary embodiment, the mean grid current I G, av from a duty cycle v = 0.5 (50%) is approximately constant and approximately equal to the maximum permissible average grid current I G, avmax , as shown by curve d (squares). In the illustrated embodiment, the grid current amplitude I G, amp takes in a range B of the duty cycle v between a non-zero lower limit value v g and an upper limit, which in the embodiment of the maxima len duty cycle (v) corresponds. In principle, however, embodiments are also possible in which the lower limit value v g = 0 and / or the upper limit value can be less than 1.
Im
Diagramm gemäß
In
der alternativen Ausführungsform
gemäß
- 22
- GasentladungsstreckeGas discharge path
- 44
- Elektrodenelectrodes
- 66
- Röhrengeneratortube generator
- 88th
- Gitterröhremesh tube
- 1010
- Anodenkreisanode circuit
- 1212
- ParallelschwingkreisParallel resonant circuit
- 1414
- Heizkreisheating circuit
- 1616
- Gitterschaltergrid switch
- 1717
- Kathodenkreiscathode circuit
- 1818
- Gitterkreisgrid circuit
- 20, 4020 40
- Steuerschaltungcontrol circuit
- 22, 4222 42
- Vorstufepreliminary stage
- 2424
- Steuerschaltercontrol switch
- 2626
- Operationsverstärkeroperational amplifiers
- vv
- Tastverhältnisduty cycle
- vg v g
- Grenzwertlimit
- BB
- BereichArea
- PWM PWM
- pulsweitenmoduliertes Steuersignalpulsewidth modulated control signal
- SS
- Steuersignalcontrol signal
- US U S
- GittersperrspannungGrid reverse voltage
- RS R S
- steuerbarer Widerstandcontrollable resistance
- RG R G
- Gitterwiderstandgrid resistor
- RV R V
- Vorwiderstanddropping resistor
- IG,amp I G, amp
- GitterstromamplitudeGrid current amplitude
- IG,avmax I G, avmax
- mittlerer, maximaler Gitterstrom medium, maximum grid current
- LGLG
- Lasergaslaser gas
- HFHF
- HochfrequenzspannungRF voltage
- HVHV
- GleichspannungDC
- AA
- Anodeanode
- KK
- Kathodecathode
- GG
- Gittergrid
- L1, L2L1, L2
- Schwingkreisinduktivitätresonant
- L3L3
- KathodenkreisinduktivitätKathodenkreisinduktivität
- C1C1
- Koppelkapazitätcoupling capacitance
- C2C2
- SchwingkreiskapazitätResonant circuit capacitance
- C3C3
- RückkopplungskapazitätFeedback capacitance
- C4C4
- Gitterkapazitätgrid capacity
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- KathodenkreiskapazitätCathode circuit capacity
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: MEISSNER BOLTE PATENTANWAELTE RECHTSANWAELTE P, DE Representative=s name: MEISSNER BOLTE & PARTNER GBR, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: MEISSNER BOLTE PATENTANWAELTE RECHTSANWAELTE P, DE |
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R071 | Expiry of right |