DE102012222469A1

DE102012222469A1 - Diffusionsgekühlte Gaslaseranordnung und Verfahren zur Einstellung der Entladungsverteilung bei einer diffusionsgekühlten Gaslaseranordnung

Info

Publication number: DE102012222469A1
Application number: DE102012222469.6A
Authority: DE
Inventors: Markus Schwandt; Stefan Knupfer; Gerold Mahr
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: TRUMPF LASER- UND SYSTEMTECHNIK SE, DE
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: KR102096683B1; JP2016502764A; JP6223462B2; WO2014086493A1; DE102012222469B4; US20150270678A1; US10090633B2; KR20150091340A; CN104854763B; CN104854763A

Abstract

Eine diffusionsgekühlte Gaslaseranordnung (1) mit einer ersten und einer zweiten Elektrode (2, 5) sowie einem zwischen den Elektroden (2, 5) angeordnetem Entladungsspalt (4), wobei auf zumindest einer der Elektroden (5) entladungsspaltseitig ein Dielektrikum (13) angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Dicke d/εres des Dielektrikums (13) zur Beeinflussung der Entladungsverteilung im Entladungsspalt (4) entlang zumindest einer Dimension der Elektrode (5), auf der das Dielektrikum (13) angeordnet ist, variiert, wobei d die Dicke des Dielektrikums (13) und εres die resultierende Dielektrizitätszahl des Dielektrikums (13) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine diffusionsgekühlte Gaslaseranordnung mit einer ersten und zweiten Elektrode sowie einem zwischen den Elektroden angeordneten Entladungsspalt, wobei auf zumindest einer der Elektroden entladungsspaltseitig ein Dielektrikum angeordnet ist.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Einstellung der Entladungsverteilung bei einer diffusionsgekühlten Gaslaseranordnung mit einer ersten und einer zweiten Elektrode sowie einem zwischen den Elektroden angeordneten Entladungsspalt, wobei auf zumindest einer der Elektroden entladungsspaltseitig ein Dielektrikum angeordnet ist, bei dem eine Hochfrequenzleistung flächig in den Entladungspalt eingekoppelt wird.
Die Gaslaseranordnung weist stirnseitig an den sich zugesandten Elektroden Resonatorspiegel auf, die den Laserstrahl reflektieren und im Innern der Gaslaseranordnung halten.
Hochleistungslaser mit Lichtleistungen größer 500 W können bei der Laserbearbeitung eingesetzt werden, beispielsweise zum Markieren von Metallen oder Nichtmetallen, zum Schneiden, Schweißen und Bearbeiten von Materialien, wie z. B. Metallen.
Das Design von industriellen Lasern wird so gewählt, dass ein möglichst großer Wirkungsgrad und eine maximale Leistung erzielt werden. Sie werden bestimmt durch die Fähigkeit des Gaslasers, unerwünschte Wärme abzuführen. Das Abführen von Wärme kann entweder durch Diffusion zu gekühlten Wandungen oder durch die Umwälzung des Lasergases erfolgen. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit diffusionsgekühlten Lasern.
Bei Gaslasern, insbesondere CO₂-Lasern, muss darauf geachtet werden, dass eine möglichst gleichförmige Gasentladung stattfindet. Dies bedeutet, dass Spannungsänderungen über die Länge des Lasers möglichst vermieden werden müssen. Daher ist es bekannt, zusätzliche Induktivitäten vorzusehen, die zwischen innerer und äußerer Elektrode angeordnet sind. Dies bedeutet einen zusätzlichen Aufwand bei der Herstellung eines Lasers und damit verbundene höhere Kosten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen diffusionsgekühlten Gaslaser bereit zu stellen, bei dem unter Vermeidung von zusätzlichen Induktivitäten eine gleichmäßige Entladungsverteilung eingestellt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine diffusionsgekühlte Gaslaseranordnung mit einer ersten und einer zweiten Elektrode sowie einem zwischen den Elektroden angeordneten Entladungsspalt, wobei auf zumindest einer der Elektroden entladungsspaltseitig ein Dielektrikum angeordnet ist, wobei die dielektrische Dicke d/ε_res des Dielektrikums zur Beeinflussung der Entladungsverteilung im Entladungsspalt entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektrode, auf der das Dielektrikum angeordnet ist, variiert, wobei d die Dicke des Dielektrikums und ε_res die resultierende Dielektrizitätszahl des Dielektrikums ist. Die dielektrische Dicke d/ε_res des Dielektrikums ist hier definiert als der Quotient aus der Dicke d des Dielektrikums und der resultierenden Dielektrizitätszahl ε_res des Dielektrikums. Die resultierende Dielektrizitätszahl wird durch die Dielektrizitätszahlen der Materialien bestimmt, die sich an einer gegebenen Stelle zwischen der Elektrode und dem Entladungsspalt befinden. Mit der erfindungsgemäßen diffusionsgekühlten Gaslaseranordnung kann auf eine Umwälzung des Lasergases verzichtet werden, da dieses über die Wände des Lasers mittels Diffusionskühlung gekühlt werden kann. Durch die Variation der dielektrischen Dicke entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektrode ist es möglich, die Temperaturverteilung des Lasermediums (des Gases) entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektrode einzustellen. Insbesondere kann diese so eingestellt werden, dass sie nahezu konstant entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektrode ist. Dadurch, dass die dielektrische Dicke eingestellt wird, ist es nicht notwendig, zusätzlich Induktivitäten vorzusehen. Alternativ zur Einstellung einer konstanten Temperatur ist es denkbar, eine Gainverteilung entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektrode einzustellen. Durch die Anpassung bzw. Einstellung der dielektrischen Dicke ist es möglich, die Verteilung der eingekoppelten elektrischen Leistung so anzupassen, dass sich eine gewünschte Temperaturverteilung des Gases im Entladungsspalt einstellt. Der Begriff „Dimension” ist hierbei im Sinne einer Richtung zu verstehen, wobei eine Richtung geradlinig oder auch eine Umfangsrichtung, also gekrümmt sein kann, beispielsweise bei einer zylindrischen Elektrode.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Dielektrikum eine Variation der resultierenden Dielektrizitätszahl ε_res entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektrode aufweist, welche die dielektrische Dicke des Dielektrikums beeinflusst. Insbesondere kann eine vorgegebene Verteilung der resultierenden Dielektrizitätszahl ε_res eingestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die dielektrische Dicke dadurch beeinflusst werden, dass das Dielektrikum entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektrode eine Variation der Dicke aufweist, welche die dielektrische Dicke des Dielektrikums beeinflusst. Zur Einstellung der dielektrischen Dicke können daher entweder die Dicke d und/oder die resultierende Dielektrizitätszahl ε_res beeinflusst werden. Die Dielektrizitätszahl kann insbesondere durch die Auswahl der Materialien für das Dielektrikum eingestellt werden.
Die Verteilung der dielektrischen Dicke entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektrode kann stufenlos sein. Alternativ kann die Verteilung der dielektrischen Dicke entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektrode stufenförmig sein. Dabei können die Stufen gleiche oder unterschiedliche Längen, Höhen und/oder Breiten aufweisen. Die Verteilung der dielektrischen Dicke entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektrode kann somit nahezu beliebig eingestellt werden. Bei einer stufenförmigen Verteilung der dielektrischen Dicke kann die Verteilung insbesondere in mehr als zwei Abstufungen vorgesehen sein, bevorzugt in mehr als drei, besonders bevorzugt in mehr als sieben Abstufungen. Dadurch wird eine deutlich gleichmäßigere Einstellung der Temperatur ermöglicht.
Eine einfache Art und Weise der Einstellung der dielektrischen Dicke ergibt sich, wenn das Dielektrikum zumindest zwei Materialkomponenten mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen ε_r aufweist, wobei die Dicke zumindest einer Materialkomponente entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektrode variiert. Somit ergibt sich in Richtung Entladungsspalt, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der Elektrode eine variierende resultierende dielektrische Dicke.
Zumindest eine Materialkomponente kann sich vollständig über die Elektrodenfläche verteilen. So kann die Elektrodenfläche zusätzlich vor Korrosion geschützt werden.
Zumindest eine Materialkomponente kann eine über die Elektrodenfläche konstante Verteilung der Dielektrizitätszahl aufweisen. Das stellt eine kostengünstige Variante dar. Die Variation der dielektrischen Dicke kann durch die zweite Materialkomponente erfolgen.
In die Gaslaseranordnung wird elektrische Leistung bei einer hohen Frequenz (Hochfrequenzleistung) flächig in den Entladungspalt eingekoppelt. Die Frequenz liegt in einem Bereich zwischen 1 MHz und 300 MHz insbesondere zwischen 10 MHz und 100 MHz. Besonders bevorzugt zwischen 70 MHz und 90 MHz. Die eingekoppelte elektrische Leistung ist größer als 2 kW. Die räumliche Ausdehnung der Elektrodenflächen beträgt mindestens 500 mm in der Länge und mindestens 300 mm in der Breite. Eine solche Mindestgröße für die Elektroden ist erforderlich, um eine ausreichend große Laserleistung zu erzeugen. Die Vorrichtung mit der Verteilung der dielektrischen Dicke entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektrode hat den vorteilhaften zusätzlichen Effekt, dass eine wellenlängenbedingte räumliche Verteilung der elektrischen Feldstärke im Entladungsspalt eingestellt werden kann. Insbesondere kann eine sehr gleichmäßige Verteilung der elektrischen Feldstärke eingestellt werden, die für eine optimale Nutzung der elektrischen Leistung gewünscht ist. Das funktioniert dann besonders gut, wenn nicht nur die Verteilung der resultierenden Dielektrizitätszahl variiert, sondern auch die räumliche Ausdehnung des Dielektrikums sich zumindest entlang einer Dimension, insbesondere über die Elektrodenfläche, verändert.
Zumindest eine Materialkomponente kann eine entlang einer Dimension, insbesondere über die Elektrodenfläche, variierende Dicke aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Dielektrikum zumindest zwei Materialkomponenten mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen ε_r aufweisen, wobei die Materialkomponenten, insbesondere in Lagen, in Richtung Entladungsspalt übereinander angeordnet sind und das Dickenverhältnis der zumindest zwei Materialkomponentenlagen entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektrode variiert. Dabei ergibt sich die resultierende Dielektrizitätszahl ε_res aus den Dielektrizitätszahlen der Materialschichten in Richtung Entladungsspalt, insbesondere senkrecht zur Elektrodenoberfläche.
Zur Einstellung der dielektrischen Dicke kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Dielektrikum zumindest zwei Materialkomponenten mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen ε_r aufweist, wobei zumindest in einem Bereich eine Materialkomponente von der anderen Materialkomponente eingeschlossen oder durch diese begrenzt ist. Insbesondere kann zumindest in einem Bereich eine Materialkomponente vollständig in der anderen Materialkomponente eingeschlossen sein. Die eingeschlossene Materialkomponente kann dabei unterschiedliche geometrische Formen einnehmen. Weiterhin ist es denkbar, dass beispielsweise Luft als eine Materialkomponente in der anderen Materialkomponente eingeschlossen ist. Lufteinschlüsse können daher gezielt dazu eingesetzt werden, die dielektrische Dicke einzustellen.
Für Laseranwendungen ist es besonders vorteilhaft, wenn das Dielektrikum eines oder mehrerer der Materialien Wasser, Keramik, PTFE, Luft oder Polyethylen umfasst. Diese Materialien haben sehr unterschiedliche Dielektrizitätszahlen, so dass durch Kombination von mehreren dieser Materialien besonders einfach und gezielt eine dielektrische Dicke eingestellt werden kann. Weiterhin kann beispielsweise Wasser zusätzlich zur Kühlung verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei der Verwendung von einer ersten festen Materialkomponente, die eine weitere nicht feste Materialkomponente, also ein Fluid einschließt oder deren Raum eingrenzt. Das Fluid kann dann auch noch zur Kühlung eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft hat sich als Fluid Wasser herausgestellt, da es eine relativ hohe Dielektrizitätszahl von größer 50 aufweist und durch die eingesetzte Hochfrequenzleistung nicht nachteilhaft chemisch verändert wird.
Insbesondere im Zusammenhang mit Koaxiallasern kann es vorteilhaft sein, wenn an einer Elektrode eine mittige Leistungseinspeisung vorgesehen ist und die resultierende Dielektrizitätszahl ε_res des Dielektrikums bei einer mittigen Leistungseinspeisung bis zum Ende der Elektrode, insbesondere stetig, abnimmt. Durch diese Maßnahme kann eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die Länge des Lasers bewirkt werden.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass an einer Elektrode eine Leistungseinspeisung an einem der beiden Enden der Elektroden vorgesehen ist und die resultierende Dielektrizitätszahl ε_res des Dielektrikums von der mittigen Leistungseinspeisung bis zum Rand der Elektrode, insbesondere stetig, abnimmt. Die elektrische Leistung, insbesondere die Hochfrequenzleistung im oben beschriebenen Bereich kann so besonders gleichmäßig eingekoppelt werden.
Weiterhin kann an einer Elektrode eine mittige Leistungseinspeisung vorgesehen sein und die resultierende Dielektrizitätszahl ε_res des Dielektrikums kann von der mittigen Leistungseinspeisung bis zum Rand der Elektrode, insbesondere stetig, zunehmen.
Weiterhin kann an einer Elektrode eine Leistungseinspeisung an einem der beiden Enden der Elektroden vorgesehen sein und die resultierende Dielektrizitätszahl ε_res des Dielektrikums kann von der mittigen Leistungseinspeisung bis zum Rand der Elektrode, insbesondere stetig, zunehmen. In diesem Fall gibt es eine mittige Leistungseinspeisung und eine Leistungseinspeisung am Rand.
Die Gaslaseranordnung kann als Slab-Laser ausgebildet sein. Diese Ausführung zeichnet sich durch zwei sich größtenteils in einer Ebene ausbreitende Elektroden aus. Der Laserstrahl wird in solchen Anordnungen oftmals durch die Elektroden geführt. Mit der Verteilung der dielektrischen Dicke können die Leistungseinkopplung und die Temperaturverteilung eingestellt werden.
Die Gaslaseranordnung kann als Koaxial-Laser ausgebildet sein. Diese Anordnung zeichnet dadurch aus, dass eine Elektrode als Innenleiter und eine Elektrode als Außenleiter in einer zylindrischen Anordnung vorgesehen ist. Der Laserstrahl wird in solchen Anordnungen oftmals nicht durch die Elektroden geführt, sonder kann sich als so genannter Freistrahl frei im Gasentladungsraum ausbreiten. Das bedeutet, dass der Laserstrahl nicht durch eine geometrische Anordnung, z. B. die Elektroden selbst, geführt wird, sondern sich im Gasentladungsraum zwischen den Elektroden frei ausbildet. Ein solcher Strahl bildet sich in der Regel konkav aus. Er verbreitert sich zu den Resonatorspiegeln hin und weist zwischen den Resonatorspiegeln eine geringere räumliche Ausdehnung auf.
Wenn der Abstand der Elektroden entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektroden variiert, kann ein Entladungsspalt eingestellt werden, dessen Breite nicht konstant ist. Durch diese Maßnahme kann gezielt die Form des Strahls eingestellt werden. Bei Freistrahl-Lasern kann mit dieser Anordnung eine verbesserte Einkopplung der Leistung erreicht werden.
Dabei kann zumindest eine Elektrode eine im Schnitt hyperbelförmige Oberfläche aufweisen, die der anderen Elektrode zugewandt ist. Die gegenüberliegende Elektrode kann eben sein oder ebenfalls eine hyperbelförmige Oberfläche aufweisen. Bei einem Koaxial-Laser kann die Elektrodenoberfläche im Schnitt gesehen eine hyperbelförmige Oberfläche aufweisen.
Zumindest eine Materialkomponente kann eine über die Elektrodenfläche variierende Dicke aufweisen, die der räumlichen Ausdehnung des Strahls angepasst ist. So kann die Leistung noch gleichmäßiger eingekoppelt werden. Die räumliche Ausdehnung der zumindest einen Materialkomponente ist dem konkaven Laserstrahl gut angepasst, wenn sie selbst eine konvexe Struktur mit einer in der Mitte der Elektroden dickeren Ausdehnung als am Rand der Elektrode aufweist. Die Form kann stufenförmig in mehreren Stufen erfolgen oder stufenlos, hyperbel- oder ellipsenförmig sein.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Oberflächen der beiden Elektroden zueinander parallel angeordnet sind.
Das Dielektrikum kann an seiner dicksten Stelle eine Dicke von mindestens 1 mm aufweisen. Vorteilhafter ist eine noch größere Dicke von mindestens 5 mm. Besonders vorteilhaft haben sich noch größere Dicken von mindestens 10 mm erwiesen. Die Dicke sollte insbesondere größer als ein Hundertstel der Länge der Elektroden der Gaslaseranordnung betragen. Besonders vorteilhaft hat sich auch eine Dicke erwiesen, die größer als ein Tausendstel der Wellenlänge ist, die durch die Frequenz der einkoppelnden Hochfrequenzleistung bestimmt wird. Bei solchen Dicken und besonders bei Einkopplung von Hochfrequenzleistung in den oben beschriebenen Bereichen kann einer unerwünschten Einkoppel-Leistungsverteilung auf der Fläche der Elektroden, die sich auf Grund von Wellenlängeneffekten ergibt, entgegengewirkt werden. Wie bereits erwähnt, werden für hohe Laser-Leistungen gewisse minimale Flächen für die Elektroden benötigt. Um überhaupt zu diffussionsgekühlten Lasern zu kommen, muss die elektrische eingekoppelte Energie möglichst verlustarm in Laserlicht umgesetzt werden. Dafür ist eine Frequenz in den oben beschriebenen Bereichen besonders gut geeignet. Allerdings bilden sich bei Frequenzen zwischen 10 MHz und 100 MHz auf eine Elektrodenfläche, deren eine Länge größer als 500 mm ist, bereits stehende Wellen aus. Diesem Effekt kann durch die Anordnung mit einer variierenden dielektrischen Dicke, entgegengewirkt werden.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei einer Mindestdicke des Dielektrikums von 1 mm, 5 mm bzw. 10 mm. Bei der Ausbildung der Gasentladung, die ihrerseits zur Ausbildung des Laserstrahls erforderlich ist, bildet sich zwischen Laserstrahl und Elektroden bzw. zwischen Laserstrahl und dielekrischem Material eine Randschicht. Diese Randschicht weist eine Kapazität und eine Induktivität auf, die die elektrische Leistungseinkopplung beeinflusst. Im Ergebnis führt das dazu, dass sich die Wellenlänge verkleinert. Damit verstärken sich die unerwünschten Effekte der Ausbildung von stehenden Wellen. Auch diesem Effekt kann durch die Anordnung mit einer variierenden dielektrischen Dicke entgegengewirkt werden. Dazu ist eine Mindestdicke des Dielektrikums notwendig, die wie oben beschrieben auch nach den Abmessungen der Elektroden und der Wellenlänge der eingekoppelten HF-Leistung bestimmt werden kann.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Verfahren zur Einstellung der Entladungsverteilung bei einer diffusionsgekühlten Gaslaseranordnung mit einer ersten und einer zweiten Elektrode sowie einen zwischen den Elektroden angeordneten Entladungsspalt, wobei auf zumindest einer der Elektroden entladungsspaltseitig ein Dielektrikum angeordnet ist, bei dem eine Hochfrequenzleistung flächig in den Entladungsspalt eingekoppelt wird, wobei die Verteilung der flächig eingekoppelten HF-Leistung eingestellt wird, indem die dielektrische Dicke d/ε_res des Dielektrikums zur Beeinflussung der Entladungsverteilung im Entladungsspalt eingestellt wird, wobei d die Dicke des Dielektrikums und ε_res die resultierende Dielektrizitätszahl des Dielektrikums ist.
Dabei kann die resultierende Dielektrizitätszahl durch die Kombination von Materialkomponenten mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen ε_r eingestellt werden.
Weiterhin kann die Verteilung der dielektrischen Dicke über die Kombination von Materialkomponenten mit unterschiedlichen geometrischen Formen eingestellt werden. Dabei können unterschiedliche zweidimensionale geometrische Formen oder dreidimensionale geometrische Formen eingestellt werden. Insbesondere kann auch eine Materialkomponente in einer dreidimensionalen Form in der anderen Materialkomponente eingeschlossen sein.
Es kann eine vorgegebene, insbesondere konstante, Temperaturverteilung der Entladung über den Entladungsspalt, insbesondere die Länge des Entladungsspalts, durch die Einstellung der dielektrischen Dicke eingestellt werden.
Alternativ kann eine vorgegebene Gainverteilung über den Entladungsspalt durch die Einstellung der dielektrischen Dicke eingestellt werden.
Weiterhin kann die dielektrische Dicke des Dielektrikums eingestellt werden, indem zumindest zwei dielektrische Materiallagen in Richtung Entladungsspalt gesehen übereinander verwendet werden, wobei die Dicke zumindest einer Materiallage entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektrode, die das Dielektrikum trägt, variiert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1a eine teilweise Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße diffusionsgekühlte Gaslaseranordnung;
1b eine sich ergebende Leistungs- und Temperaturverteilung eines Koaxial-Lasers ohne Einstellung der dielektrischen Dicke bei bezogen auf die Länge mittiger Leistungseinspeisung;
1c eine gewünschte Temperaturverteilung bei einem Koaxial-Laser;
2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der diffusionsgekühlten Gaslaseranordnung der 1a;
3 eine Schnittdarstellung durch eine Elektrode mit zwei unterschiedlichen Materiallagen, die das Dielektrikum bilden;
4 eine Schnittdarstellung durch eine Elektrode mit einem Dielektrikum, bestehend aus zwei Materialien, wobei sich die Dicke der Materialien kontinuierlich entlang zumindest einer Dimension der Elektrode ändert;
5 eine weitere Schnittdarstellung durch eine Elektrode mit Dielektrikum, wobei eine Materialschicht entlang zumindest einer Dimension der Elektrode eine unterschiedliche Dicke aufweist;
6 eine Schnittdarstellung durch eine Elektrode mit Dielektrikum, wobei in einer ersten Materialschicht eine zweite Materialschicht eingelagert ist;
7 eine Elektrode mit bezogen auf die Breite mittiger Einspeisung;
8 eine Elektrode mit bezogen auf die Fläche mittiger Einspeisung.
Die 1a zeigt eine diffusionsgekühlte Gaslaseranordnung 1 in einer teilweisen Schnittdarstellung. Die Gaslaseranordnung 1 weist eine äußere Elektrode 2 auf, in der Kühlrohre 3 für ein Kühlmittel angeordnet sind. Die äußere Elektrode 2 ist aus Metall ausgebildet und mit Masse verbunden. Direkt unterhalb der Elektrode 2 befindet sich der Entladungsspalt 4. Die zweite Elektrode ist mit der Bezugsziffer 5 gekennzeichnet.
Über dieser zweiten Elektrode 5 befindet sich ein Dielektrikum, welches mehrere Materiallagen aufweist. Auf der Elektrode 5 ist zunächst eine Wasserschicht 6 angeordnet. Darüber befindet sich eine Materialschicht 7, die aus PTFE ausgebildet ist. Darüber befindet sich wiederum eine Materialschicht 8 aus Wasser, auf die eine Materialschicht 9 aus Keramik folgt. Das Dielektrikum auf der entladungsspaltseitigen Seite der Elektrode 5 besteht daher im Ausführungsbeispiel aus vier unterschiedlichen Materialien, die jeweils eine eigene Dielektrizitätskonstante ε_r aufweisen. Eine Variation der dielektrischen Dicke d/ε_res ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel durch eine über die Fläche bzw. Länge der Elektrode 5 unterschiedliche Dicke des Dielektrikums, welches hier nicht zu sehen ist, sondern erst in der vergrößerten Darstellung der 2.
Der 1a kann man noch entnehmen, dass die Leistungseinspeisung bezogen auf die Länge der Elektrode 5 mittig an der Stelle 10 erfolgt.
Bei einem Koaxial-Laser, wie er in der 1a gezeigt ist, ergibt sich bei mittiger Einspeisung der Leistung eine Leistungsverteilung gemäß dem Diagramm 1b. Dies bedeutet, dass die Leistung bei der Einspeisung ein Maximum einnimmt und zu den beiden Enden des Koaxiallasers hin abnimmt. Dies führt auch zu einem Temperaturverlauf T, wie er in der 1b gezeigt ist. Gewünscht ist jedoch ein Temperaturverlauf T, wie er in der 1c dargestellt ist, d. h. eine konstante Temperatur über die Länge des Lasers. Dies wird erreicht durch Einstellung der dielektrischen Dicke über die Länge des Gaslasers bzw. über die Fläche der Elektrode 5.
Der Darstellung der 2 kann man entnehmen, dass sowohl die Oberfläche 11 der Elektrode 2 als auch die Oberfläche 12 des Dielektrikums 13, insbesondere der Materiallage 9, gekrümmt ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Oberflächen der Elektrode 2 und der Materiallage 9 und somit des Dielektrikums 13 im Schnitt eine hyperbelförmige Krümmung auf. Dies hat zur Folge, dass die dielektrische Dicke entlang der gestrichelten Linie 14, d. h. in der Mitte der Elektrode 5 bezogen auf deren Länge anders ist als entlang der gestrichelten Linie 15, d. h. am Ende des Lasers. Durch diese Maßnahme und geeignete Wahl der Materialien 6–9 kann die Leistungsverteilung über die Länge der Gaslaseranordnung und damit die Temperaturverteilung so eingestellt werden, dass sich über die Länge des Lasers eine konstante Temperatur ergibt.
In 2 sind auch die Resonatorspiegel 16 und der Laserstrahl 17 gezeigt, der sich konkav zwischen den Resonatorspiegeln 16 ausbreitet. Zwischen dem Laserstrahl 17 und den dem Laserstrahl 17 zugewandten Seiten der Elektrode 2 bzw. der Materiallage 9 liegt die Randschicht 18.
Würde die Leistung nicht wie in der 1a dargestellt, an der Stelle 10 sondern an einem Ende eingespeist, müsste die dielektrische Dicke anders eingestellt werden, um eine konstante Temperaturverteilung zu erhalten.
Die 3 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Elektrode 20 auf der ein Dielektrikum 21 angeordnet ist. Das Dielektrikum 21 umfasst eine erste Materialschicht 22 und eine zweite Materialschicht 23. Die zweite Materialschicht 23 ist in der ersten Materialschicht 22 eingebettet und zeigt einen stufenförmigen Verlauf. Dies bedeutet, dass die dielektrische Dicken entlang der Linien 24, 25, 26 unterschiedlich sind, da die jeweiligen Dielektrizitätskonstanten ε_r des ersten und zweiten Materials 22, 23 einen unterschiedlichen Beitrag zur resultierenden Dielektrizitätszahl ε_res leisten.
In der Darstellung der 4 ist eine Elektrode 30 gezeigt, auf der sich ein Dielektrikum 31 befindet, welches ein erstes Material 32 und ein zweites Material 33 aufweist. Unschwer ist zu erkennen, dass sich die Dicke sowohl des ersten Materials 32 als auch des zweiten Materials 33 kontinuierlich über die Länge der Elektrode 30 und damit auch entlang zumindest einer Dimension der Elektrode 30 ändert. Somit ergeben sich entlang der Linien 34, 35 unterschiedliche dielektrische Dicken, da die Beiträge der Materialien 32, 33 mit jeweils unterschiedlichem ε_r zur resultierenden dielektrischen Dicke unterschiedlich sind.
In der 5 ist eine Elektrode 40 gezeigt, die entladungsspaltseitig ein Dielektrikum 41 trägt. Dieses setzt sich aus zwei Materialien 42, 43 zusammen, wobei die Materialschicht 42 eine konstante Dicke aufweist und die Materialschicht 43 hyperbelförmig geformt ist. Die Dicke der dielektrischen Schicht 43 variiert somit über die Länge bzw. Fläche der Elektrode 40. Daraus resultieren entlang der gestrichelten Linien 44, 45 unterschiedliche dielektrische Dicken.
In der 6 ist eine Elektrode 50 gezeigt, die ein Dielektrikum 51 aufweist. Das Dielektrikum 51 weist ein erstes Material 52 und ein zweites Material 53 auf, wobei das zweite Material 53 vollständig in das erste Material 52 eingeschlossen ist und insbesondere kugelförmig ausgeformt ist. Beispielsweise könnte es sich bei dem zweiten Material 53 um kugelförmige Lufteinschlüsse handeln. Dies hat zur Folge, dass die dielektrische Dicke entlang der Linien 54, 55 unterschiedlich ist.
Die 7 zeigt eine Elektrode 70, wie sie beispielsweise bei einem Slab-Laser zum Einsatz kommen könnte. Gezeigt ist her eine bezogen auf die Breite der Elektrode 70 mittige Einspeisung 71, die sich jedoch an einem Ende bezogen auf die Länge der Elektrode 70 befindet.
Eine alternative Einspeisung ist in der 8 bei der Elektrode 80 gezeigt, wo an der Stelle 81 eine mittige Einspeisung bezogen auf die Fläche der Elektrode erfolgt.

Claims

Diffusionsgekühlte Gaslaseranordnung (1) mit einer ersten und einer zweiten Elektrode (2, 5) sowie einem zwischen den Elektroden (2, 5) angeordnetem Entladungsspalt (4), wobei auf zumindest einer der Elektroden (5) entladungsspaltseitig ein Dielektrikum (13) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Dicke d/ε_res des Dielektrikums (13) zur Beeinflussung der Entladungsverteilung im Entladungsspalt (4) entlang zumindest einer Dimension, insbesondere über die Fläche, der Elektrode (5), auf der das Dielektrikum (13) angeordnet ist, variiert, wobei d die Dicke des Dielektrikums (13) und ε_res die resultierende Dielektrizitätszahl des Dielektrikums (13) ist.
Gaslaseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (13) eine Variation der resultierenden Dielektrizitätszahl ε_res entlang zumindest einer Dimension der Elektrode (5) aufweist, welche die dielektrische Dicke des Dielektrikums (13) beeinflusst.
Gaslaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (13) entlang zumindest einer Dimension der Elektrode eine Variation der Dicke aufweist, welche die dielektrische Dicke des Dielektrikums (13) beeinflusst.
Gaslaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der dielektrischen Dicke entlang zumindest einer Dimension der Elektrode (5, 30) stufenlos oder stufenförmig mit mindestens zwei, insbesondere mindestens drei Abstufungen ist.
Gaslaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (13, 21, 31, 41, 51) zumindest zwei Materialkomponenten (6–9, 22, 23, 32, 33, 42, 43, 52, 53) mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen ε_r aufweist, wobei die Dicke zumindest einer Materialkomponente (9, 22, 23, 32, 33, 43, 53) entlang zumindest einer Dimension der Elektrode (5, 20, 30, 40, 50) variiert.
Gaslaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (13, 21, 31, 41, 51) zumindest zwei Materialkomponenten mit (6–9, 22, 23, 32, 33, 42, 43, 52, 53) unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen ε_r aufweist, wobei die Materialkomponenten (6-9, 22, 23, 32, 33, 42, 43, 52, 53) in Richtung Entladungsspalt übereinander angeordnet sind und das Dickenverhältnis der zumindest zwei Materialkomponentenlagen (6–9, 22, 23, 32, 33, 42, 43, 52, 53) entlang zumindest einer Dimension der Elektrode variiert.
Gaslaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (13, 21, 31, 41, 51) zumindest zwei Materialkomponenten (6–9, 22, 23, 32, 33, 42, 43, 52, 53) mit unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen ε_r aufweist, wobei zumindest in einem Bereich eine Materialkomponente (23, 53) von der anderen Materialkomponente eingeschlossen oder durch diese begrenzt ist.
Gaslaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (13, 21, 31, 41, 51) eines oder mehrere der Materialien Wasser, Keramik, PTFE, Luft, Polyethylen umfasst.
Gaslaseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (13, 21, 31, 41, 51) eine Dicke von mindestens 1 mm aufweist oder größer als ein Hundertstel der Länge einer Elektrode oder größer als ein Tausendstel einer durch die Frequenz einer einzukoppelnden elektrischen Hochfrequenzleistung bestimmten Wellenlänge ist.
Verfahren zur Einstellung der Entladungsverteilung bei einer diffusionsgekühlten Gaslaseranordnung mit einer ersten und einer zweiten Elektrode (2, 5) sowie einem zwischen den Elektroden (2, 5) angeordneten Entladungsspalt (4), wobei auf zumindest einer der Elektroden (2, 5) entladungsspaltseitig ein Dielektrikum (13) angeordnet ist, bei dem eine Hochfrequenzleistung flächig in den Entladungspalt (4) eingekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der flächig eingekoppelten HF-Leistung eingestellt wird, indem die dielektrische Dicke d/ε_res des Dielektrikums (13) zur Beeinflussung der Entladungsverteilung im Entladungsspalt (4), eingestellt wird, wobei d die Dicke des Dielektrikums (13) und ε_res die resultierende Dielektrizitätszahl des Dielektrikums (13) ist.