DE102005017371A1

DE102005017371A1 - High-pressure discharge lamp especially for solid state lasers has discharge tube and hot-operated cathode rod with a reduction of gas space volume in the region of the cathode rod

Info

Publication number: DE102005017371A1
Application number: DE200510017371
Authority: DE
Inventors: Uwe Prof. Dr. Krönert; Jeremy Woffendin
Original assignee: Heraeus Noblelight Ltd
Current assignee: Heraeus Noblelight Ltd
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2007-01-11

Abstract

A high-pressure discharge lamp comprises a discharge tube and a hot-operated cathode rod. There is a reduction of gas space volume in the region of the cathode rod. Preferably the volume reduction is by reducing the internal diameter of the tube in the region of the cathode rod. Independent claims are also included for the following: (A) A production process for the above; (B) A process to reduce the tube volume;and (C) A production process for a laser pumped lamp as above.

Description

Die vorliegende Erfindung gleicht eine Hochleistungsentladungslampe mit stiftförmiger Kathode an alte Lasergerätetypen an. Die angepasste Laserlampe umfasst eine so genannte Stiftkathode, die in Form eines Stabs vorliegt und kein spitzes Ende hat. Solche Laserlampen sind aus US 2003/3161377 bekannt und haben im Vergleich zu Standardlampen, die mit einer Kathode mit spitzem Ende versehen sind, eine längere Lebensdauer.The The present invention resembles a high-intensity discharge lamp with pin-shaped Cathode to old laser device types at. The adapted laser lamp comprises a so-called pin cathode, which is in the form of a staff and has no pointed end. Such Laser lamps are known from US 2003/3161377 and have in comparison to standard lamps provided with a cathode with a pointed end, a longer one Lifespan.

Solche Lampen finden in Hochleistungsfestkörperlasern (HPSSL, high-power solid-state laser) Verwendung. Darunter fallen Laser, in denen als laseraktives Medium ein Laserkristall eingesetzt wird. Der Kristall kann jede beliebige Form haben, jedoch ist die scheibenförmige oder stabförmige Ausführung üblich.Such Lamps find in high-power solid-state lasers (HPSSL, high-power solid-state laser) use. This includes lasers in which as laser-active medium, a laser crystal is used. The crystal can have any shape, however, is the disc-shaped or rod-shaped Execution usual.

Ein ernsthaftes Problem bei alten Lasergerätetypen stellt der Startvorgang dar, weil die Steuerungen dieser alten Lasergerätetypen den Startvorgang nicht zuverlässig steuern können. Obwohl solche Lasergeräte unter hohem Aufwand angepasst werden können, wurden üblicherweise die alten Standardlampen mit kurzer Lebensdauer eingesetzt, so dass die Lasersteuerung das Lasergerät zuverlässig steuert und umfangreiche Investitionen vermieden werden.One A serious problem with old laser device types is the startup process because the controls of these old types of laser devices do not start reliable can control. Although such laser devices can be adjusted at high cost, were usually the old standard lamps with short life used, so that the Laser control the laser device reliable controls and extensive investments are avoided.

Bei der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass alte Lasergerätetypen den Startvorgang einer lasergepumpten Lampe über ein Maß der Lampenspannung nach einem bestimmten Zeitraum, typischerweise nach einigen Millisekunden, steuern, nachdem die Lampe einem Hochspannungsauslöseimpuls ausgesetzt wurde. Fällt die Lampenzündung aus, nimmt die Lampenspannung den Maximalwert der Leerlaufspannung der Lampenstromversorgung an. Bei einem Ausfall ist sie jedoch signifikant höher als die bei normalem Lampenbetrieb erwartete Spannung. Wird eine zu hohe Spannung erkannt, stoppt die Lasersteuerung den Lampenstartvorgang und geht in den Ausfallzustand über.at In the present invention, it has been recognized that old types of laser devices the starting process of a laser-pumped lamp via a measure of the lamp voltage after a certain period, typically after a few milliseconds, control after the lamp a high-voltage trigger pulse was suspended. falls the lamp ignition off, the lamp voltage takes the maximum value of the open circuit voltage the lamp power supply. In case of failure, however, it is significantly higher than the voltage expected during normal lamp operation. Becomes one too high voltage detected, the laser control stops the lamp starting process and goes into the failure state.

Der mit einer Stiftkathode versehene neue Lampentyp kann nach der Lampenzündung kurzfristig eine höhere Lampenspannung annehmen, die bei Standardlampen mit spitzer Kathode nicht bekannt ist. Dieses Überschwingen der Spannung ist nicht eine Folge des Ausfalls der Lampenzündung, sondern eine Eigenschaft der Stiftkathodenlampe, bei der der Abstand zwischen der Kathode und dem Quarzglas entlang der Kathode groß ist. Nach einigen Millisekunden fällt die Lampenspannung auf die bei normalem Lampenbetrieb erwartete Spannung ab.Of the provided with a pen cathode new lamp type can shortly after lamp ignition a higher one Lamp voltage, the standard lamps with pointed cathode not known. This overshoot the voltage is not a consequence of the failure of the lamp ignition, but a property of the pen cathode lamp where the distance between the cathode and quartz glass along the cathode is large. To a few milliseconds falls the lamp voltage to the expected in normal lamp operation Tension off.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die beim Startvorgang alter Lasergerätetypen bestehenden Probleme der neuen Hochleistungslaserlampen zu lösen, die eine Stiftkathode aufweisen und daher eine längere Lebensdauer besitzen.The The present invention sets itself the task of starting up old laser device types existing Problems of new high-power laser lamps that solve a pen cathode and therefore a longer one Own life.

Die vorliegende Erfindung stellt sich besonders die Aufgabe, eine Laseranregungslampe vorzusehen, deren Verhalten beim Startvorgang im Vergleich zum vorigen Stand der Technik zuverlässiger ist.The The present invention has the particular object, a laser excitation lamp whose behavior at startup compared to the previous one The state of the art is more reliable.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine Verminderung des Gasraumvolumens im Bereich der Stiftkathode, insbesondere durch eine Verminderung des Abstands zwischen der Kathode und der Quarzglasröhre, vorzugsweise durch einen reduzierten Innendurchmesser der Röhre entlang der Kathode.The solution This task is achieved by reducing the gas space volume in the field of pen cathode, in particular by a reduction the distance between the cathode and the quartz glass tube, preferably through a reduced inside diameter of the tube along the cathode.

Die vorliegende Erfindung verändert die Eigenschaften der Laserlampe auf eine Weise, die einen Vergleich des zeitabhängigen Ansprechens der Lampenspannungsreaktion auf den Zündstrom mit dem bei Standardlampen mit spitzer Kathode auftretenden Ansprechen zulässt. Dies ermöglicht eine zuverlässige Verwendung von Laserlampen mit heißer Stiftkathode in alten Lasergeräten.The the present invention changes the properties of the laser lamp in a way that compares of the time-dependent Response of the lamp voltage response to the ignition with the response occurring with standard lamps with pointed cathode allows. this makes possible a reliable one Use of laser lamps with hot pen cathode in old laser devices.

Somit sind an den Laserstromversorgungen, die bereits bei Kunden weltweit in Gebrauch sind, keine kostspieligen Änderungen erforderlich. Die Lebensdauer der lasergepumpten Lampe kann durch die zuverlässigere Zündcharakteristik verlängert werden.Consequently are at the laser power supplies that are already at customers worldwide in use, no costly changes are required. The Lifespan of the laser pumped lamp can be improved by the more reliable ignition characteristics extended become.

Gut bewährt haben sich Entladungsröhren aus Quarzglas. Solch eine Quarzglasröhre weist an einer beliebigen Stelle entlang der Kathode einen geringeren Innendurchmesser als im Entladungsbereich auf. Daher umfasst die vorliegende Erfindung auch eine Laserlampe mit einem kleinen Abstand zwischen der Quarzglasröhre und der Kathode, insbesondere einen Abstand von höchstens 2 mm, vorzugsweise einen Abstand von höchstens 1 mm und ganz bevorzugt einen Abstand von höchstens 0,5 mm. Andererseits ist der Abstand ausreichend groß, so dass das Stiftende durch Wärmeleitung nicht wirkungsvoll gekühlt wird. Bei einem Abstand von 0,1 mm, insbesondere bei einem Abstand von 0,2 mm, findet die Kühlung der Kathode durch Wärmeleitung praktisch nur über der Lampendichtung und der Stromeinspeisung statt. Die Temperatur kann bei einem Wert über 1.800 °C aufrecht erhalten werden.Well proven have discharge tubes made Quartz glass. Such a quartz glass tube has a lower one at any point along the cathode Inner diameter than in the discharge area. Therefore, the present invention also provides a laser lamp with a small distance between the quartz glass tube and the cathode, in particular a distance of at most 2 mm, preferably a distance of at most 1 mm and most preferably a distance of at most 0.5 mm. On the other hand, the distance is sufficiently large, so that the End of the pin by heat conduction not effectively cooled becomes. At a distance of 0.1 mm, especially at a distance of 0.2 mm, the cooling takes place the cathode by heat conduction practically only over the lamp seal and the power supply instead. The temperature can be over at a value 1,800 ° C be maintained.

Das Gasraumvolumen entlang der Kathode kann vermindert werden, indem der Abstand zwischen der Kathode und der Quarzummantelung entlang der Kathode reduziert wird.The gas space volume along the cathode can be reduced by the distance between the cathode and the quartz jacket ent long the cathode is reduced.

Es ist nicht nötig, den Bereich des verminderten Volumens über die gesamte Länge der Kathode auszudehnen. Außerdem stellt die Stiftspitze keinen kritischen Faktor für den Bereich des verminderten Volumens dar. Das verminderte Volumen kann auch einen Bereich von 0,5 mm vor der Kathodenspitze einnehmen, sollte aber nicht 3 mm vor der Stiftkathodenspitze überschreiten. Es ist ebenso nicht nötig, dass das andere Ende des verminderten Volumenbereichs bis zu der Durchführungsdichtung hinten an der Stiftkathode reicht. Somit kann sich der verminderte Volumenbereich an einer beliebigen Stelle zwischen der Durchführungsdichtung und der Stiftkathode entlang befinden und kann sich optional geringfügig bis über die Stiftspitze des Kathodenspitzenbereichs erstrecken. Vorzugsweise erstreckt sich das verminderte Volumen von einer Stelle, die sich 0,5 mm hinter der Kathodenspitze befindet, bis zur Durchführungsdichtung der Kathode. Die Form des verminderten Bereichs ist unwesentlich, so dass der verminderte Bereich jede beliebige Form annehmen kann. Vorzugsweise ist der Bereich des verminderten Volumens zylinderförmig.It is not necessary, the area of reduced volume over the entire length of the Cathode stretch. Furthermore the pen tip does not pose a critical factor for the area The diminished volume can also be a But should be 0.5 mm in front of the cathode tip do not exceed 3 mm in front of the pin cathode tip. That `s how it is not necessary that the other end of the reduced volume area to the grommet at the back of the pen cathode. Thus, the diminished Volume range anywhere between the grommet and the pin cathode are located along and can optionally be slightly above the Pen nib of the cathode tip area extend. Preferably The reduced volume extends from a site that is 0.5 mm behind the cathode tip, to the grommet the cathode. The shape of the diminished area is negligible, so that the diminished area can take any shape. Preferably, the region of reduced volume is cylindrical.

Die Laserlampe kann mit Röhren mit unterschiedlichen Innendurchmessern hergestellt werden. Danach wird eine Quarzglasröhre mit einem kleinen Innendurchmesser entlang der Kathode angeordnet.The Laser lamp can with tubes be manufactured with different inner diameters. After that becomes a quartz glass tube arranged with a small inner diameter along the cathode.

Die Röhre mit dem kleinen Innendurchmesser kann den gleichen Außendurchmesser wie die Röhre mit dem großen Innendurchmesser haben, und beide Röhren können fest aneinander angesetzt sein. In diesem Fall ist die Wand der Röhre mit dem kleinen Innendurchmesser stärker als die Wand der Röhre mit dem großen Innendurchmesser. Es ist auch zweckmäßigerweise möglich, eine Röhre in die andere Röhre einzuführen, um so den Gasraum im Bereich der Stiftkathode zu verringern. Darüber hinaus ist auch der Gebrauch von Quarzröhren zweckmäßig, bei denen der Außendurchmesser der einen Röhre fast gleich dem Innendurchmesser der anderen Röhre ist.The Tube with The small inner diameter can have the same outer diameter like the tube with the big one Inner diameter have, and both tubes can be firmly attached to each other. In this case, the wall of the tube with the small inner diameter stronger as the wall of the tube with the big one Inner diameter. It is also possible, a Tube in the other tube introduce, so as to reduce the gas space in the area of the pen cathode. Furthermore is also the use of quartz tubes appropriate, at which the outside diameter the one tube is almost equal to the inner diameter of the other tube.

In weiteren bevorzugten Ausführungen

– ist die Stiftkathode eine überwiegend stabförmige Lampenkathode, bei der der Teil nahe an der Stirnfläche des Stifts, der sich bis etwa 5 mm hinter der Spitze erstreckt, jede beliebige Form haben kann (zum Beispiel eine "abgerundete Stirnfläche" mit beliebigem Radius, der typischerweise dem Radius des Stifts selbst entspricht, oder kugelförmig),
– ist die Hülle der Lampe eine Entladungsröhre aus Quarzglas, die den Teil der Lampe abdeckt, wo die elektrische Entladung oder der Lichtbogen stattfindet; diese Röhre bestimmt die Eigenschaften des Lichtbogens, wie z.B. den Ort, den Durchmesser und die Temperatur des Lichtbogens,
– besteht der Quarz oder das Quarzglas aus äußerst reinem amorphen SiO₂. Dieses kann Dotierstoffe enthalten, damit bestimmte für den Lampenbetrieb erforderliche physikalische Eigenschaften erfüllt werden, wie zum Beispiel die Transparenz im optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Es kann sich dabei um natürlichen Quarz oder um synthetisches Quarzglas handeln. Im allgemeinen wird beliebiges amorphes SiO₂ verwendet, das eine hohe Temperaturbeständigkeit und im Wellenlängenbereich von 500 nm bis 1000 nm eine hohe Transparenz hat.

In further preferred embodiments

The pin cathode is a predominantly rod-shaped lamp cathode in which the portion close to the face of the pin extending to about 5 mm behind the point can have any shape (for example a "rounded face" of any radius, typically) corresponds to the radius of the pin itself, or spherical),
The shell of the lamp is a quartz glass discharge tube which covers the part of the lamp where the electrical discharge or the arc takes place; this tube determines the properties of the arc, such as the location, diameter and temperature of the arc,
- The quartz or quartz glass consists of extremely pure amorphous SiO ₂ . This may include dopants to meet certain physical properties required for lamp operation, such as transparency in the optical region of the electromagnetic spectrum. It may be natural quartz or synthetic quartz glass. In general, any amorphous SiO _{2 is} used which has a high temperature resistance and a high transparency in the wavelength range of 500 nm to 1000 nm.

Der durch die Lampendichtung führende Draht hat vorzugsweise einen Durchmesser von mindestens 1,5 mm und entspricht höchstens dem Innendurchmesser der die Dichtung bildenden Quarz- oder Glashülle, wie in 1 bis 3 gezeigt. Dann werden bei der Kühlung der Lampendichtung und Stromeinspeisung Temperaturen von höchstens 250 °C erreicht, so dass die externen Strom- und Mechanikadapter gegen Überhitzung geschützt sind.The wire passing through the lamp seal is preferably at least 1.5 mm in diameter and at most equal to the inner diameter of the quartz or glass envelope forming the seal, as in FIG 1 to 3 shown. Then, when cooling the lamp seal and power supply temperatures of at most 250 ° C are reached, so that the external power and mechanical adapters are protected against overheating.

Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:in the The invention will now be described by way of example with reference to FIGS described in the accompanying drawings. Show it:

1 zeigt einen Querschnitt durch den Endteil einer Lampe, die einen Kathodenstift 1 enthält, bei dem sich der kleinere Durchmesser der Quarzglasröhre im Bereich des Kathodenstifts befindet, angeschlossen an eine Röhre mit einem größeren Innen- und Außendurchmesser. 1 shows a cross section through the end part of a lamp, which is a cathode pin 1 contains, in which the smaller diameter of the quartz glass tube is in the region of the cathode pin, connected to a tube with a larger inner and outer diameter.

2 zeigt einen Querschnitt durch den Endteil einer Lampe, die einen Kathodenstift 1 enthält, bei dem sich der kleinere Durchmesser der Quarzglasröhre im Bereich des Kathodenstifts befindet, angeschlossen an eine Röhre mit dem gleichen Außendurchmesser, jedoch mit einem größeren Innendurchmesser. 2 shows a cross section through the end part of a lamp, which is a cathode pin 1 contains, in which the smaller diameter of the quartz glass tube is in the region of the cathode pin, connected to a tube with the same outer diameter, but with a larger inner diameter.

3 zeigt einen Querschnitt durch den Endteil einer Lampe, die einen Kathodenstift enthält, bei dem sich der kleinere Durchmesser der Quarzglasröhre im Bereich des Kathodenstifts befindet. Die Röhre mit dem größeren Innendurchmesser erstreckt sich über die gesamte Lampenlänge. Eine Röhre mit kleinerem Innendurchmesser wird entlang der Kathode eingeführt, um so einen verminderten Volumenbereich zu erzielen. 3 shows a cross section through the end portion of a lamp containing a cathode pin, wherein the smaller diameter of the quartz glass tube is in the region of the cathode pin. The tube with the larger inner diameter extends over the entire lamp length. A smaller inner diameter tube is inserted along the cathode to achieve a reduced volume range.

4 zeigt einen Plasmalichtbogen einer Glühkathode, der mehr als 50% der Kathodenstirnfläche einnimmt. 4 shows a plasma arc of a hot cathode, which occupies more than 50% of the cathode end face.

5 zeigt einen Plasmalichtbogen einer Kaltkathode, der weniger als 50% der Kathodenstirnfläche einnimmt. 5 shows a plasma arc of a Cold cathode, which occupies less than 50% of the cathode face.

6 zeigt ein vermindertes Volumen im Bereich der Spitze.

1) Im Beispiel gemäß 1 sind der Außendurchmesser und der Innendurchmesser A der Quarzglasröhre im Bereich des Kathodenstifts kleiner. Zudem ist die Wanddicke im Bereich des Kathodenstifts 1 stärker als im Hauptteil der Quarzröhre. Eine solche Ausführung kann leicht durch Verbinden 2 von zwei Quarzröhren erreicht werden. Vorzugsweise entspricht der Außendurchmesser der einen Röhre in etwa dem Innendurchmesser der anderen Röhre. Zudem ist die Wanddicke der Röhre mit dem kleineren Durchmesser vorzugsweise stärker. Der geringere Durchmesser muss dabei nicht der Gesamtlänge X des Kathodenstifts 1 entsprechen. Er kann durch den gesetzten Parameter gekürzt werden, der in Bezug auf X vorzugsweise klein ist. Vorzugsweise beträgt die Länge der Lampe 10 bis 40 cm. Die bevorzugte Länge der Stiftkathode beträgt ungefähr 1 bis 3 cm, und die bevorzugte Länge von Z beträgt höchstens 1 cm.
2) In einer weiteren Ausführungsform gemäß 2 haben die verschiedenen Röhren zwar den gleichen Außendurchmesser, jedoch hat die Röhre im Bereich des Kathodenstifts 1 eine stärkere Wanddicke, um so das erforderliche verminderte Volumen im Bereich des Kathodenstifts zu erzielen.
3) Eine weitere Ausführungsform gemäß 3 zeigt eine Quarzlampe, die aus einer im Bereich der Stiftkathode 1 mit einem Füllmaterial 3 gefüllten Röhre besteht. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Füllmaterial 3 um Quarzglas. Das Füllmaterial 3 ist von der Stiftkathode 1 beabstandet und kann auch von der Glasröhre beabstandet sein. Das Füllmaterial 3 ist vorzugsweise fest mit dem Bereich der Stiftkathode 1 verbunden. Bei dem Füllmaterial 3 handelt es sich vorzugsweise ebenso um eine Quarzröhre.
4) Das verminderte Volumen im Bereich der Spitze (6) kann an einer beliebigen Stelle nahe der Kathodenspitze angeordnet sein, um das verminderte Volumen an der Stelle vorzusehen, an der der Lichtbogenansatz stattfindet. Das Volumen kann vermindert werden, indem zwei Quarzröhren mit unterschiedlichen Durchmessern miteinander verbunden werden. Eine andere Methode ist die Einführung eines kurzen Quarzstücks mit kleinerem Durchmesser in die Entladungsröhre. Vorzugsweise entspricht der Außendurchmesser der inneren Röhre fast dem Innendurchmesser der äußeren Röhre. Es ist auch möglich, die Entladungsröhre während ihrer Herstellung auf der Drehmaschine einer Wärmeanwendung zu unterziehen und den Durchmesser der Entladungsröhre durch Verformen des Quarzmaterials auf die erforderliche Größe zu reduzieren.

6 shows a reduced volume in the area of the tip.

1) In the example according to 1 the outer diameter and the inner diameter A of the quartz glass tube in the region of the cathode pin are smaller. In addition, the wall thickness in the region of the cathode pin 1 stronger than in the main part of the quartz tube. Such an embodiment can be easily achieved by joining 2 be achieved by two quartz tubes. The outer diameter of one tube preferably corresponds approximately to the inner diameter of the other tube. In addition, the wall thickness of the smaller diameter tube is preferably stronger. The smaller diameter does not have to be the total length X of the cathode pin 1 correspond. It can be shortened by the set parameter, which is preferably small with respect to X. Preferably, the length of the lamp is 10 to 40 cm. The preferred length of the pen cathode is about 1 to 3 cm, and the preferred length of Z is at most 1 cm.
2) In a further embodiment according to 2 Although the different tubes have the same outer diameter, but the tube has in the region of the cathode pin 1 a thicker wall so as to achieve the required reduced volume in the region of the cathode pin.
3) Another embodiment according to 3 shows a quartz lamp, which consists of a in the range of the pin cathode 1 with a filling material 3 filled tube exists. Preferably, the filler material is 3 around quartz glass. The filling material 3 is from the pen cathode 1 spaced and may also be spaced from the glass tube. The filling material 3 is preferably fixed to the area of the pen cathode 1 connected. In the filler 3 it is also preferably a quartz tube.
4) The reduced volume in the area of the tip ( 6 ) may be located anywhere near the cathode tip to provide the reduced volume at the location where the arc attachment takes place. The volume can be reduced by connecting two quartz tubes of different diameters. Another method is the introduction of a short quartz piece of smaller diameter into the discharge tube. Preferably, the outer diameter of the inner tube is almost equal to the inner diameter of the outer tube. It is also possible to apply heat to the discharge tube during its manufacture on the lathe and to reduce the diameter of the discharge tube by deforming the quartz material to the required size.

In dem durch die zylinderförmige Testlampe gepumten Laser wird ein stabförmiger Kristall aus NdYAG (Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat) oder ein ähnlicher durch zwei der oben erwähnten Laseranregungslampen gepumpter Kristall verwendet. Die Lampen und der Kristall sind in einer Kavität angeordnet, die die erforderlichen optischen Komponenten und thermischen Kühlkomponenten (Wasser) enthält. Ein Hochleistungsfestkörperlaser (HPSSL) besteht aus einer Kaskade zahlreicher solcher Kavitäten. Jede dieser Kavitäten liefert typischerweise eine Laserstrahlung von 500 bis 600 W, die aus einer Lampenleistung von 16 bis 22 kW umgewandelt wurde (die maximale Leistung jeder Lampe beträgt 11 kW, typischerweise 8 kW). Beim Testbeispiel sind 16 Kavitäten so angeordnet, dass sie einen Hochleistungsfestkörperlaser mit einer optischen Ausgangsleistung von 8 kW bilden.In through the cylindrical Test lamp pumped laser becomes a rod-shaped crystal of NdYAG (Neodymium Yttrium Aluminum Garnet) or a similar one by two of the above Laser Excitation Lamps Pumped Crystal Used. The lamps and the crystal are in a cavity arranged the required optical components and thermal cooling components Contains (water). A high-power solid-state laser (HPSSL) consists of a cascade of numerous such cavities. each these cavities typically provides a laser radiation of 500 to 600 W, the was converted from a lamp power of 16 to 22 kW (the maximum power of each lamp is 11 kW, typically 8 kW). In the test example, 16 cavities are arranged so that they a high-power solid-state laser form with an optical output power of 8 kW.

Der in 4 gezeigte Lichtbogenansatz ist ein so genannter diffuser Lichtbogenansatz 4 an der Kathode, der von Niederdrucklampen mit einem Betriebsdruck von höchstens 1.000 hPa und einem Entladungsstrom unter 5 A bekannt ist. Lasergepumpte Lampen haben einen hohen Betriebsdruck von mindestens 10.000 hPa und Betriebsströme in einem Bereich von typischerweise 5 bis 50 A. In diesem Betriebszustand wird ein diffuser Lichtbogenansatz 4 durch eine hohe Kathodentemperatur erreicht, die den starken Verengungseffekt von hohen Drücken überwindet. Die durch die hohe Kathodentemperatur erzielten guten Bedingungen für die Elektronenemission sind über der gesamten Fläche der Kathodenspitze vorhanden. Unter solchen Bedingungen bildet der Lichtbogenansatz 4 den Großteil des Bereichs der Spitze beziehungsweise mehr als 50% bis 100% des Bereichs der Spitze. Es scheint, dass der Lichtbogenansatz 4 den Bereich der Spitzenfläche vollständig und zusätzlich den folgenden Teil des Außenzylindermantels der Kathode abdeckt.The in 4 shown arc approach is a so-called diffuse arc approach 4 at the cathode, which is known from low-pressure lamps with an operating pressure of at most 1,000 hPa and a discharge current of less than 5 A. Laser-pumped lamps have a high operating pressure of at least 10,000 hPa and operating currents in a range of typically 5 to 50 A. In this operating state, a diffuse arc approach 4 achieved by a high cathode temperature, which overcomes the strong narrowing effect of high pressures. The good electron emission conditions achieved by the high cathode temperature are present over the entire area of the cathode tip. Under such conditions forms the arc approach 4 the majority of the area of the peak, or more than 50% to 100% of the area of the peak. It seems that the arc approach 4 the area of the top surface completely and additionally covers the following part of the outer cylinder jacket of the cathode.

Bei diesem Lichtbogenansatz ist die Temperatur gleichmäßig verteilt, mit niedrigen Temperaturgradienten (ca. 100 °C/mm) an der Kathodenspitze und niedriger Materialbelastung, wodurch eine höhere Beständigkeit des Materials gegen Erosion aufgrund von Änderungen der Kathodentemperatur erzielt wird. Die Ursache dieser zeitlichen Temperaturänderungen liegt in der Regulierung des Lampenstroms, durch die eine bestimmte Laserleistung für die jeweilige Anwendung erreicht werden soll. Bei dieser Regulierung handelt es sich um den so genannten "Schaltmodus", in dem die Lampe einige Sekunden lang (typischerweise 0,5 bis 20 Sekunden) unter voller Leistung steht und danach einige Sekunden lang auf niedrigen Strom geschaltet wird, um den Laser in den Standbymodus zu versetzen. Ist die Anwendung eine Chargenverarbeitung, wird der Laser 10 s zum Schneiden, Schweißen oder Bohren eingesetzt, wobei der Lampenstrom 40 A und die Lampenleistung 10 kW betragen. Während dann das Werkstück bewegt wird, geht der Laser für weitere 10 s in den Standbymodus, was einer Lampenleistung von 6 A oder 1 kW entspricht. Wird der Strom verändert, ändert sich auch entsprechend die Temperatur an der Kathode, z.B. 2.500 °C bei 40 A bis 2.000 °C bei 6 A. Die Lebensdauer solcher Kathoden kann mehr als 1.000 Stunden betragen, sogar im Schaltmodus.In this arc approach, the temperature is evenly distributed, with low temperature gradients (about 100 ° C / mm) at the cathode tip and low material stress, thus providing greater resistance to erosion of the material due to changes in cathode temperature. The cause of these temporal temperature changes lies in the regulation of the lamp current, by which a certain laser power is to be achieved for the respective application. This regulation is the so-called "switching mode" in which the lamp is at full power for a few seconds (typically 0.5 to 20 seconds) and then switched to low power for a few seconds to place the laser in the Suspend standby. If the application is batch processing, the laser becomes 10 s for cutting, welding or drilling, with a lamp current of 40 A and a lamp power of 10 kW. Then, while the workpiece is being moved, the laser goes into standby mode for another 10 seconds, which equates to a lamp power of 6 A or 1 kW. If the current is changed, the temperature at the cathode also changes accordingly, eg 2,500 ° C at 40 A to 2,000 ° C at 6 A. The life of such cathodes can be more than 1,000 hours, even in switching mode.

Im Vergleich dazu handelt es sich bei dem Lichtbogenansatz 5 gemäß 5 um einen so genannten kontrahierten Ansatz (Spot-Modus), der für Hochdrucklampen mit einer Kaltkathode typisch ist, bei denen die Kathodentemperaturen einiges unter 1.800 °C betragen. Diese Kathoden sind normalerweise mit einem Emittermaterial versehen, das die Betriebsfunktion der Kathode herabsetzt, so dass die Elektronenemission bei Temperaturen unter 1.800 °C stattfinden kann, selbst um Ströme von 50 A zu erzielen. Die Temperatur wird auf einem niedrigen Wert gehalten, um die durch die Verdampfung des Elektrodenmaterials auftretende Erosion zu reduzieren. Diese Lampen sind wohlbekannt und arbeiten im Dauerstrommodus zufriedenstellend. Im Spot-Modus dagegen deckt der Lichtbogenansatz 5 einen kleinen Bereich der Kathode ab, deren Temperatur z.B. 1.700 °C beträgt und die einen Durchmesser von 1 mm oder weniger hat, umgeben von Material mit einer sehr viel niedrigeren Temperatur, was zu Temperaturgradienten von bis zu 10.000 °C/mm führt. Wird der oben beschriebene Schaltmodus bei dieser Art von Kathoden angewendet, führt dies zu einer sehr viel höheren mechanischen Belastung als im Fall der Stiftkathode mit diffusem Lichtbogenansatz. Die Lebensdauer dieser Art von Kathoden ist im Vergleich zur Stiftkathode 1 mit diffusem Lichtbogenansatz 4 kürzer. Kathoden dieses Typs erreichen im Schaltmodus selten eine Lebensdauer über 250 Stunden.In comparison, this is the arc approach 5 according to 5 a so-called contracted approach (spot mode), which is typical for high-pressure lamps with a cold cathode, in which the cathode temperatures are well below 1,800 ° C. These cathodes are typically provided with an emitter material which reduces the operational function of the cathode so that electron emission can occur at temperatures below 1800 ° C, even to achieve currents of 50A. The temperature is maintained at a low level to reduce the erosion caused by the evaporation of the electrode material. These lamps are well known and work satisfactorily in continuous current mode. In spot mode, on the other hand, the arc approach covers 5 a small area of the cathode, the temperature of which is for example 1,700 ° C and which has a diameter of 1 mm or less, surrounded by material with a much lower temperature, which leads to temperature gradients of up to 10,000 ° C / mm. Applying the switching mode described above to this type of cathode results in a much higher mechanical load than in the case of the diffused arc studded cathode. The lifetime of this type of cathode is compared to the pen cathode 1 with diffuse arc approach 4 shorter. Cathodes of this type rarely achieve a life of over 250 hours in the switching mode.

Der Startvorgang einer Gasentladungslampe ist ein komplizierter zeitabhängiger Prozess, in dem das Lampengas aus dem kalten Zustand (Raumtemperatur), in dem es einen guten Isolator darstellt, in den heißen Zustand (7.000 bis 15.000 K bei Edelgasentadungslampen), in dem ausreichend Elektronen-/Ionenpaare vorhanden sind, überführt wird, um den elektrischen Strom durch das Gas zu leiten. Dieser Vorgang wird am Beispiel eines typischen lampengepumpten NdYAG-Lasers (z.B. Trumpf-Laser HL 4006 D) beschrieben.Of the Starting a gas discharge lamp is a complicated time-dependent process in which the lamp gas from the cold state (room temperature), in which makes it a good insulator, in the hot state (7,000 to 15,000 K in noble gas discharge lamps) in which sufficient Electron / ion pairs are present, is transferred to the electrical To conduct electricity through the gas. This process is exemplified by a typical lamp-pumped NdYAG laser (e.g., Trump laser HL 4006 D) described.

Allerdings ist die Zündung einer Lampe ein statistischer Prozess, der aus den unterschiedlichsten Gründen fehlschlagen kann. Bei einem solchen Fehlschlag kann der Lichtbogen nicht oder aufgrund von Instabilitäten des Lichtbogen-Elektroden-Übergangs während des vorübergehenden Ungleichgewichtsvorgangs der Zündung (es ist schwierig, hier Zahlen vorzulegen; möglicherweise 1 aus 1000 guten sauberen Lampen).Indeed is the ignition a lamp a statistical process that consists of the most diverse establish can fail. In such a failure, the arc not or due to instabilities of the arc-electrode junction while of the temporary Imbalance process of ignition (It's hard to put numbers here, maybe 1 out of 1000 good ones clean lamps).

Bei einem Ausfall kann der Lichtbogen nicht auf die oben beschriebene Weise hergestellt werden, so dass der Lampenwiderstand wieder sehr hohe Werte einnimmt. Daraus resultiert eine hohe Spannung, die maximal der Leerlaufspannung der jeweiligen Stromversorgung entspricht, die typischerweise 500 bis 1.000 V beträgt.at a failure, the arc can not on the above described Be prepared so that the lamp resistance again very much high values. This results in a high voltage, the maximum corresponds to the open circuit voltage of the respective power supply, which is typically 500 to 1,000 volts.

Um eine Beschädigung des Lasers beziehungsweise des Stromregulierungssystems zu vermeiden, wird dieser Zündausfall detektiert, was zu einer Abschaltung der Stromversorgung und einer Fehlermeldung für den Benutzer führt. Der Detektor benutzt die zu einem bestimmten Zeitpunkt (typischerweise 1-10 ms nach der Zündung) herrschende Lampenspannung als sicheren Sensor für den Lampenzustand. Normalerweise beträgt die Spannung 3 bis 7 ms nach der Zündung ungefähr 300 V. Also wird die Spannung z.B. nach 5 ms gemessen. Übersteigt sie dann nicht einen Wert von z.B. 400 V, entscheidet das System, dass die Zündung erfolgreich war. Übersteigt die Spannung einen Wert von z.B. 400 V, wird von einem Ausfall der Zündung ausgegangen, und das Regulierungssystem geht in den Ausfallzustand. Für dieses Verfahren müssen Kenntnisse über das zeitliche Verhalten des Lampenzündvorgangs und über reproduzierbare Zündbedingungen über die Lebensdauer der Lampe vorhanden sein. Die obigen Ausführungen machen klar, dass dieses Verhalten für den jeweils in Gebrauch befindlichen Lampentyp eindeutig ist.Around a damage to avoid the laser or the current regulation system, will this ignition failure detected, causing a shutdown of the power supply and an error message for the User leads. The detector uses at a certain time (typically 1-10 ms after ignition) prevailing lamp voltage as a safe sensor for the lamp state. Usually is the voltage 3 to 7 ms after ignition about 300 V. So the voltage e.g. measured after 5 ms. Exceeds them then not a value of e.g. 400 V, the system decides that the ignition was successful. exceeds the voltage has a value of e.g. 400 V, is due to a failure of ignition and the regulatory system goes into default. For this Need to process Knowledge about the temporal behavior of the lamp ignition process and about reproducible Ignition conditions over the Life of the lamp be present. The above statements Make it clear that this behavior is appropriate for each in use Lamp type is unique.

Lampen vom Standardtyp haben eine spitze Kathode, die den vollen Durchmesser der Entladungsröhre in einem Bereich von einigen Millimetern hinter der Spitze erreicht. Die Kathode berührt dann fast das Quarzmaterial, wodurch ein Gasspalt von ungefähr 10 bis 20 μm entsteht, so dass das Gas eine Kühlung bewirkt und die Temperatur der Kathode auf einem niedrigen Wert gehalten wird. Diese Ausführung sowie das Vorhandensein des Emittermaterials, das eine Kaltkathode befähigt, Elektronen zu emittieren, führt zu einem kontrahierten Lichtbogenansatz (Spot-Modus), der selbst beim Startvorgang der Lampe an der Spitze der Kathode deutlich aus fällt. Somit zeigen diese Lampen ein reproduzierbares Zündverhalten, das leicht für das oben beschriebene Zündverfahren verwendet werden kann.lamps of the standard type have a pointed cathode, the full diameter the discharge tube reached in a range of a few millimeters behind the top. The cathode touches then almost the quartz material, creating a gas gap of about 10 to 20 μm arises, so the gas is cooling causes and the temperature of the cathode at a low value is held. This execution and the presence of the emitter material, which is a cold cathode capable, Emits electrons leads to a contracted arc approach (spot mode), the self clearly drops when starting the lamp at the top of the cathode. Consequently These lamps show a reproducible ignition behavior that is easy for the above described ignition method can be used.

Aus US 2003/3161377 sind Lampen mit einer Stiftelektrode bekannt, bei denen die Kathode keine spitze Form hat und die kein Strahlermaterial haben. Außerdem ist um die Kathode, d.h. zwischen der Kathode und der Entladungsröhre, viel Raum vorhanden.Out US 2003/3161377 lamps are known with a pin electrode, in where the cathode has no pointed shape and no emitter material. Furthermore is around the cathode, i. between the cathode and the discharge tube, a lot Room available.

Fehlermeldungen finden typischerweise bei einem aus 50 beziehungsweise bei einem aus 100 Lampenstartvorgängen ab dem Kaltzustand statt. Bei einem Laser mit 16 Kavitäten und 32 Lampen ist es sehr wahrscheinlich, dass jeden zweiten Tag beim Start des Lasers eine Fehlermeldung ausgegeben wird. In einer Werkstatt mit 10 Lasern geschieht dies zweimal täglich in einem Raum.Error messages typically arrive one out of 50 or one out of 100 lamp starts from the cold state instead. For a laser with 16 cavities and 32 lamps, it is very likely that an error message will be given every other day when the laser is started. In a workshop with 10 lasers, this happens twice a day in a room.

Ein solcher Ausfall ist nicht schwerwiegend. Der Laser kann erneut gestartet werden, und erfahrungsgemäß verläuft der zweite Start erfolgreich. Dennoch sinkt das Vertrauen des Kunden zum Produkt.One such failure is not serious. The laser can be restarted be, and experience shows the runs second start successful. Nevertheless, the trust of the customer decreases to the product.

Eine Verwendung von Lampen mit Stiftelektrode und dem Vorteil einer längeren Lebensdauer findet somit nicht die volle Akzeptanz der Kunden.A Use of lamps with pin electrode and the advantage of a longer life thus does not find the full acceptance of the customers.

Dieses Problem kann zum einen gelöst werden, indem die Steuereinheit für die Lampenleistung so modifiziert wird, dass sie für die nun geänderten Eigenschaften der neuen Stiftlampe angewendet werden kann. Diese Methode begrenzt jedoch die Anwendung der Stiftkathodenlampe auf neue Lasersysteme, was den Markt für die Stiftlampen verkleinert und die Lagerungs- und Lieferungsverwaltung erschwert.This Problem can be solved on the one hand by modifying the lamp power control unit so will that for you the now changed properties the new pen lamp can be applied. This method is limited however, the application of the pen cathode lamp to new laser systems, what the market for reduced the pen lamps and made the storage and delivery management more difficult.

Zum anderen kann dieses Problem gelöst werden, indem die modifizierte Ausführung der Steuereinheit für die Lampenleistung auf bereits auf dem Markt befindliche Laser angewendet wird, z.B. durch den Austausch einer Leiterplatte oder durch die Verwendung einer anderen Software für die Mikroprozessoreinheit. Dies führt zu enormen Kosten, die durch die Wartung von Lasergeräten weltweit entstehen und wegen des während der Angleichung an die geänderte Ausführung erforderlichen Produktionsstops nicht von allen Kunden akzeptiert werden.To the others this problem can be solved by the modified version the control unit for the lamp power applied to already on the market lasers is, e.g. by replacing a printed circuit board or by the Use of other software for the microprocessor unit. this leads to At an enormous cost, due to the maintenance of laser devices worldwide arise and because of during the alignment with the changed execution Required production stops not accepted by all customers become.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem gelöst, indem die Stiftkathodenlampe so modifiziert wird, dass sie bei der Lampenzündung wirklich kompatibel mit der Standardlampe ist. Dies wird erreicht durch eine Verminderung des Gasvolumens an der Kathode und der Kathodenspitze und um die Kathode und die Kathodenspitze. Jetzt erreicht das System in der Zündphase der Lampe eine größere Stabilität. Die Stabilität wird sogar noch höher, wenn das Gasvolumen an der Kathodenspitze und um diese herum auf den kleinstmöglichen Wert vermindert wird, was immer noch die Kathode mit hoher Temperatur und diffusem Lichtbogenansatz bereitstellt. Die Stiftlampe hat jetzt eine grundlegende neue Eigenschaft hinzugewonnen: Sie ist in Bezug auf die Lampenzündung mit Standardlampen kompatibel. Die Lampe kann nun in jedem beliebigen Laser eingesetzt werden, und jede Einschränkung auf ein bestimmtes Herstelldatum des Lasersystems ist hinfällig geworden.According to the invention this Problem solved, by modifying the pen cathode lamp so that it is at the lamp ignition really compatible with the standard lamp. This is achieved by a reduction of the gas volume at the cathode and the cathode tip and around the cathode and the cathode tip. Now the system reaches in the ignition phase the lamp a greater stability. The stability is even even higher, if the gas volume at the cathode tip and around it the smallest possible Value is reduced, which is still the cathode with high temperature and diffuse arc approach. The pin lamp has now gained a fundamental new feature: it is related on the lamp ignition with Standard lamps compatible. The lamp can now be used in any Lasers are used, and any limitation on a specific date of manufacture the laser system is obsolete become.

Claims

Embodiment of a laser excitation lamp with a discharge tube and a hot-powered one Cathode in the form of a pencil, characterized by a reduction of the gas space volume in the area of the pen cathode.

Arrangement of a lamp according to claim 1, wherein the reduced volume between the cathode feedthrough seal and 3 mm in front of the cathode extending along the pin area Completely or partially covers.

Configuration of a lamp according to one of the preceding Claims, characterized in that the volume reduction is achieved by the inner diameter of the discharge tube in the area of the pen cathode is reduced.

Configuration of a lamp according to one of the preceding Claims, characterized in that the volume reduction is achieved by reducing the volume of the discharge tube in the area of the pen cathode filled becomes.

Configuration of a lamp according to one of the preceding Claims, characterized in that the distance between the cathode surface and the cathode facing surface of the surrounding material of the reduced volume greater than 0.5 mm.

Configuration of a lamp according to one of the preceding Claims, characterized in that the diameter of the pen is less than 3 mm.

Configuration of a lamp according to one of the preceding Claims, the one hot cathode the tip is supplied with a temperature of more than 1800 ° C.

Configuration of a lamp according to one of the preceding Claims, the lamp seal and the power supply are the only ones with the cathode coupled heat conductor are.

Configuration of a lamp according to one of the preceding Claims, the diameter of the leading through the lamp seal Wires bigger than 0.9 mm and smaller than the inner diameter of the seal forming Quartz or glass case is.

Configuration of a lamp according to one of the preceding Claims, wherein the reduced volume is cylindrical.

Method of making a glow plug Cathode comprehensive laser pumped lamp, characterized by the reduction of the gas space around the cathode.

Method for reducing the volume of the discharge tube laser-pumped lamp in the area of the pen cathode, characterized that a material is used in this area, in particular a quartz glass tube.

Method for producing a laser-pumped lamp according to claim 1, characterized in that quartz glass tubes with different inner diameter are connected together and a quartz glass tube is arranged with a small diameter along the cathode.

Use of a laser-pumped lamp in a laser device of the type HPSSL (high power solid state laser), characterized in that the laser lamp has a pen cathode and the gas space around the cathode with respect to the gas space of the others discharge tube is reduced.