Die
Erfindung bezieht sich auf einen Bandleiterlaser mit einem instabilen
Resonator.The
This invention relates to a stripline laser having an unstable one
Resonator.
Die
Eigenschaften eines aus einem Resonator austretenden Laserstrahls
werden wesentlich von den Eigenschaften der den Resonator bildenden
optischen Komponenten und den Eigenschaften des innerhalb des Resonators
befindlichen aktiven Mediums beeinflusst. Sowohl die optischen Komponenten innerhalb
des Resonators, dazu zählen
insbesondere die Resonatorspiegel, als auch das aktive Medium selbst,
werden insbesondere bei Hochleistungslasern aufgrund der hohen Leistungsdichte
thermisch hoch belastet. Dies führt
zu einer Änderung
ihrer optischen Eigenschaften, beispielsweise zu einer durch innere
Spannungen verursachten Verformung der Resonatorspiegel, die abhängig von
der eingebrachten Anregungsleistung ist. Diese Änderung wiederum hat unmittelbare
Auswirkung auf die Eigenschaften des aus dem Resonator austretenden
Laserstrahls.The
Properties of a laser beam emerging from a resonator
become substantially of the properties of the resonator forming
optical components and the properties of the inside of the resonator
affected active medium influenced. Both the optical components within
of the resonator, including
in particular the resonator mirrors, as well as the active medium itself,
especially in high power lasers due to the high power density
thermally highly loaded. this leads to
to a change
their optical properties, for example to an internal
Strain induced deformation of the resonator mirror, which depends on
the introduced excitation power is. This change in turn has immediate
Effect on the properties of the resonator emerging from the resonator
Laser beam.
Aus
der DE 44 28 194 C2 ist
es beispielsweise zur Kompensation der bei hoher Laserleistung auftretenden
Verformung der Resonatorspiegel bekannt, wenigstens einen der Resonatorspiegel
auf ihrer Rückseite
mit einer steuerbaren Wärmequelle
zu versehen, um die zu einer Verformung des Resonatorspiegels führenden
inneren Spannungen zu reduzieren.From the DE 44 28 194 C2 For example, in order to compensate for the deformation of the resonator mirrors occurring at high laser power, it is known to provide at least one of the resonator mirrors on its rear side with a controllable heat source in order to reduce the internal stresses leading to a deformation of the resonator mirror.
Insbesondere
bei sogenannten ebenen diffusionsgekühlten CO2-Bandleiterlasern
(Slablasern), wie sie beispielsweise aus der US 4,719,639 A oder aus der EP 0 305 893 A2 bekannt
sind, hat sich nun gezeigt, dass im Hochleistungsbereich eine leistungsabhängige Steuerung
des Wärmeeintrags
in den Resonatorspiegel nicht mehr ausreicht, um die Eigenschaften
des aus dem Resonator austretenden Laserstrahls konstant zu halten.
Vielmehr hat sich ergeben, dass es bei großflächigen Entladungsgeometrien,
wie sie bei Hochleistungslasern im kW-Bereich erforderlich sind,
unabhängig
von der in den Resonator zwischen die Elektroden eingekoppelten
Hochfrequenzleistung zu Einbrüchen
der am Einsatz- oder Prozessort verfügbaren Laserleistung kommt.
Dabei wurde beobachtet, dass diese Leistungseinbrüche im Pulsbetrieb
bei bestimmten Schaltfrequenzen f einer getaktet über die
großflächigen Elektroden
in das laseraktive Medium eingespeisten Hochfrequenzleistung auftreten.In particular, in so-called planar diffusion-cooled CO 2 -Bandleiterlasern (Slablasern), as for example from the US 4,719,639 A or from the EP 0 305 893 A2 are known, it has now been shown that in the high power range, a performance-dependent control of the heat input into the resonator is no longer sufficient to keep the properties of the emerging from the resonator laser beam constant. Rather, it has been found that with large-area discharge geometries, as required in high-power lasers in the kW range, irrespective of the high-frequency power coupled into the resonator between the electrodes, breakdowns of the laser power available at the application or processing location occur. It was observed that these power dips in pulse mode occur at certain switching frequencies f of a clocked high-frequency power fed into the laser-active medium via the large-area electrodes.
Dies
ist in der graphischen Darstellung gemäß 15 zu
erkennen, in der der Messwert der am Prozessort verfügbaren Ausgangslaserleistung
P gegen die Schaltfrequenz f bei durch entsprechende Tastverhältnisse
konstant eingestellter mittlerer elektrischer Anregungsleistung
aufgetragen ist (Kurve a). Der Figur ist zu entnehmen, dass es bei
bestimmten Schaltfrequenzen f, im dargestellten Beispiel bei einem
2,5-kW-Modul mit einer Elektrodenfläche von 0,2m2,
zu „resonanzähnlichen" Leistungseinbrüchen insbesondere
im Bereich f > 1 kHz
kommt.This is in the graph according to 15 can be seen in which the measured value of the output laser power P available at the processor location is plotted against the switching frequency f at constant average electrical excitation power set by appropriate duty cycles (curve a). The figure shows that at certain switching frequencies f, in the example shown, with a 2.5 kW module with an electrode area of 0.2 m 2 , "resonance-like" power drops occur, in particular in the range f> 1 kHz.
Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Bandleiterlaser
mit einem instabilen Resonator anzugeben, bei dem die vorstehend
genannten Probleme vermieden sind.Of the
The invention is based on the object, a stripline laser
with an unstable resonator, in which the above
mentioned problems are avoided.
Die
genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
mit einem Laser mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen
Merkmalen ist bei einem Bandleiterlaser mit einem instabilen Resonator,
bei dem sich ein Lasergas zwischen flächenhaft ge dehnten Elektroden
befindet, die einen schmalen Entladungsraum mit einer Längsausdehnung
und einer Querausdehnung festlegen, der zumindest an seinen Stirnflächen mit
seiner Umgebung fluidisch verbunden ist, und die an einen getaktet
betriebenen Hochfrequenzgenerator angeschlossen sind, vorgesehen,
zumindest an einer der Längsseiten
des Entladungsraumes zumindest auf einem wesentlichen Teil seiner
Längsausdehnung
eine Abdeckung zur Unterdrückung
einer akustischen Schwingung des Lasergases anzuordnen.The
said object is according to the invention
solved
with a laser having the features of claim 1. According to these
Features is in a stripline laser with an unstable resonator,
in which a laser gas between areal stretched electrodes
which has a narrow discharge space with a longitudinal extent
and define a transverse extent, at least at its end faces with
fluidly connected to its environment and timed to one
operated high-frequency generator are connected, provided,
at least on one of the long sides
the discharge space at least on a substantial part of his
longitudinal extension
a cover for suppression
to arrange an acoustic vibration of the laser gas.
Die
Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die eingangs anhand
von 15 erläuterten
Leistungseinbrüche
ihre Ursache im wesentlichen darin finden, dass bedingt durch die
Schaltfrequenz f der an den Elektroden getaktet angelegten Hochfrequenzspannung
resonanzartige räumliche Entladungsstrukturen
auftreten, die zu einer strukturierten und von der Schaltfrequenz
f abhängigen
Modulation der Dichte des sich im Entladungsraum befindlichen Lasergases
und zu resonanzartigen akustischen Schwingungen führen, wobei
insbesondere ausgeprägte
und besonders störende
Querschwingungen entstehen. Mit anderen Worten: Ein Teil der eingekoppelten
HF-Leistung wird in Bewegungsenergie des Lasergases umgewandelt.
Die damit einhergehenden verursachten Druck- und Temperaturänderungen
bewirken eine Änderung
des Brechungsindex des laseraktiven Mediums, so dass sich die Abbildungseigenschaften
innerhalb des Resonators ändern
und insbesondere bei einem konfokalen instabilen Resonator die Konfokalitätsbedingung
nicht mehr erfüllt
ist. Dies hat zur Folge, dass der aus dem Resonator austretende
Laserstrahl nicht mehr parallel sondern unter einem Winkel zur von
den Resonatorspiegeln gebildeten optischen Achse aus dem Resonator
austritt. Der Laserstrahl breitet sich somit nicht mehr in Sollrichtung
auf einer Systemachse des dem Resonator optisch nachgeschalteten
Strahlführungs- und
Strahlformungssys tems aus, das unter anderem auch Raumfilter oder
Blenden aufweist. Durch die Abweichung von der Sollrichtung wird
somit ein Teil des um seine Mittenachse eine symmetrische, annähernd eine
gaußförmige Intensitätsverteilung
aufweisenden Laserstrahls ausgeblendet bzw. ausgefiltert und steht
somit am Prozessort nicht mehr als Nutzleistung zur Verfügung. Mit
anderen Worten: Der unmittelbar aus dem Resonator austretende Laserstrahl
ist zwar in seiner Leistung im wesentlichen unverändert, steht
aber durch die schiefwinklige Ausbreitung zur System- oder Sollrichtung
nicht mehr vollständig
zur Verfügung.The invention is based on the finding that the beginning of 15 explained power failures find their cause essentially in the fact that due to the switching frequency f of clocked at the electrodes applied high-frequency voltage resonance-like spatial discharge structures occur, leading to a structured and dependent on the switching frequency f modulation of the density of the laser gas located in the discharge space and resonance-like acoustic Vibrations lead, in particular pronounced and particularly disturbing transverse vibrations arise. In other words, part of the coupled RF power is converted into kinetic energy of the laser gas. The associated pressure and temperature changes cause a change in the refractive index of the laser-active medium, so that the imaging properties change within the resonator and especially in a confocal unstable resonator, the Konfokalitätsbedingung is no longer satisfied. This has the consequence that the laser beam emerging from the resonator no longer emerges from the resonator in parallel but at an angle to the optical axis formed by the resonator mirrors. The laser beam thus no longer propagates in the desired direction on a system axis of the resonator optically downstream Strahlführungs- and Strahlformungssys system, which includes, inter alia, spatial filters or apertures. As a result of the deviation from the desired direction, a part of the axis about its center axis becomes symmetrical, approximately a Gaussian intensity distribution Send laser beam faded out or filtered out and is thus no longer available as useful power at the processing location. In other words, the laser beam emerging directly from the resonator is essentially unchanged in its power, but is no longer completely available due to the oblique propagation to the system or desired direction.
Die
Erfindung geht nun von der Überlegung aus,
dass die besonders störenden
Querschwingungen wirksam unterdrückt
werden können,
wenn der durch den längsseitigen
Spalt zwischen dem Entladungsraum und der Umgebung mögliche Gasaustausch
zumindest erschwert wird, so dass ein seitliches Ausschwingen des
Lasergases in den Raum außerhalb
der Elektroden behindert ist. Dadurch ist es möglich, den Hochfrequenzgenerator
mit frei variierbarer Taktfrequenz zu betreiben und auch solche Taktfrequenzen
zu nutzen, bei denen ohne Abdeckung besonders ausgeprägte Resonanzschwingungen
auftreten würden.The
Invention now starts from the consideration,
that the most disturbing
Transverse vibrations effectively suppressed
can be
if by the long side
Gap between the discharge space and the environment possible gas exchange
is at least made more difficult, so that a lateral swinging of the
Lasergases in the room outside
the electrodes is obstructed. This makes it possible to use the high-frequency generator
to operate with freely variable clock frequency and also such clock frequencies
to use, where without cover particularly pronounced resonant vibrations
would occur.
Zwar
ist aus der eingangs zitierten EP 0 305 893 A2 eine Anordnung bekannt, bei
der der Entladungsraum vollständig
abgeschlossen oder abgedichtet ist, d. h. auch in seiner Längsrichtung
von Seitenwänden
abgedeckt ist. Eine solche Lösung
hat sich jedoch bei Hochleistungslasern im industriellen Einsatz
als nicht sehr zweckmäßig erwiesen,
da trotz der durch die großflächigen Elektroden
und den kleinen Elektrodenabstand möglichen effizienten Kühlung des
Lasergases seine allmähliche
Zersetzung unvermeidlich ist, so dass ein langsamer Gasaustausch
erforderlich ist. Aus diesem Grunde hat sich in der Praxis die in
der EP 0 275 023 A1 vorgeschlagene
Lösung
durch gesetzt, den Entladungsraum seitlich offen zu lassen und am
seitlichen Spalt nur Abstandshalter zwischen den Elektroden anzubringen, um
einen ungehinderten Gasaustausch zu ermöglichen. Außerdem behindern starr mit
den Elektroden verbundene Seitenwände deren thermische Ausdehnung
und können
zu Verbiegungen führen,
die sich ebenfalls ungünstig
auf die Eigenschaften des Resonators auswirken. Darüber hinaus
treten die eingangs erläuterten
Probleme nur bei der Anregung des Lasergases mit einer getakteten
Hochfrequenzleistung auf, deren Verwendung in der EP 0 305 893 A2 nicht erwähnt ist.Although it is from the cited above EP 0 305 893 A2 an arrangement is known in which the discharge space is completely sealed or sealed, that is also covered in its longitudinal direction by side walls. Such a solution, however, has not been found to be very useful in high power lasers in industrial applications because, despite the efficient cooling of the laser gas by the large area electrodes and small electrode spacing, its gradual decomposition is inevitable, requiring slow gas exchange. For this reason, in practice, the in the EP 0 275 023 A1 proposed solution by set to leave the discharge space open at the side and at the lateral gap only spacers between the electrodes to install, to allow an unimpeded gas exchange. In addition, rigidly connected to the electrodes side walls hinder their thermal expansion and can lead to bends, which also adversely affect the properties of the resonator. Moreover, the problems explained at the outset only occur when the laser gas is excited with a pulsed high-frequency power whose use in the EP 0 305 893 A2 not mentioned.
In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die
Abdeckung über
die gesamte Längsseite
des Entladungsraumes. Dies verhindert auf der gesamten Längsseite
des Entladungsraumes ein seitliches Ausschwingen des Lasergases,
so dass das Entstehen von Querschwingungen wirksam unterdrückt ist.In
a preferred embodiment of the invention, the extends
Cover over
the entire longitudinal side
of the discharge space. This prevents on the entire longitudinal side
the discharge space a lateral decay of the laser gas,
so that the generation of transverse vibrations is effectively suppressed.
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verschließt die Abdeckung
den Entladungsraum seitlich, so dass durch den seitlichen Spalt
kein Gasaustausch zwischen mit der Umgebung stattfinden kann. Dadurch
ist das Entstehen von Querschwingungen sicher unterdrückt.In
Another embodiment of the invention closes the cover
the discharge space laterally, so that through the lateral gap
no gas exchange can take place between with the environment. Thereby
the generation of transverse vibrations is safely suppressed.
In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Abdeckung
gleitend an den Elektroden gelagert. Dadurch wird das Entstehen
von thermisch induzierten mechanischen Verbiegungen der Elektroden
durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten zwischen den vorzugsweise
metallischen Elektroden und der aus einem Isolator bestehenden Abdeckung
verhindert.In
a particularly advantageous embodiment is the cover
slidably mounted on the electrodes. This will be the origin
of thermally induced mechanical bending of the electrodes
by different coefficients of expansion between the preferably
metallic electrodes and the cover made of an insulator
prevented.
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine
aus einem elastischen Werkstoff bestehende Abdeckung vor gesehen.
In dieser Ausführungsform
ist das Entstehen von thermisch induzierten mechanischen Spannungen
auch bei einer Befestigung der Abdeckung an den Stirnflächen der Elektroden
weitgehend unterbunden.In
Another preferred embodiment of the invention is a
seen from an elastic material existing cover before.
In this embodiment
is the emergence of thermally induced mechanical stresses
even with a fastening of the cover to the end faces of the electrodes
largely prevented.
Vorzugsweise
besteht die Abdeckung aus einem polymeren Werkstoff, insbesondere
Teflon. Letzteres ist bei hoher elektrischer Spannungsfestigkeit
thermisch und chemisch besonders resistent.Preferably
the cover consists of a polymeric material, in particular
Teflon. The latter is at high electrical voltage resistance
thermally and chemically particularly resistant.
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist als Abdeckung
ein poröser,
gasdurchlässiger
Werkstoff vorgesehen. Dadurch ist sowohl das Entstehen von Querschwingungen
unterdrückt
als auch ein langsamer Gasaustausch zwischen dem Entladungsraum
und dem Außenraum
ermöglicht.In
Another preferred embodiment of the invention is as a cover
a porous,
gas-permeable
Material provided. This is both the emergence of transverse vibrations
repressed
as well as a slow gas exchange between the discharge space
and the outside space
allows.
Alternativ
oder ergänzend
hierzu ist zwischen Abdeckung und Elektroden ein Gaskanal vorgesehen,
der unter Umlenkung des Lasergases einen seitlichen Gasaustausch
ermöglicht.
Mit anderen Worten: Die Abdeckung verschließt zwar nicht mehr den Entladungsraum
auf seiner Längsseite, überdeckt
diesen in einer Draufsicht gesehen jedoch weiterhin vollständig. Der
Gaskanal enthält
hierzu einen in Draufsicht auf die Abdeckung nicht sichtbaren Kanalabschnitt,
der eine fluidische Verbindung zwischen dem Entladungsraum und dem
Außenraum herstellt.
Dadurch wird der Gasaustausch zwischen Entladungsraum und Außenraum
zusätzlich
verbessert. Ein solcher Gasaustausch mit einem Ballastvolumen ist
insbesondere bei Hochleistungslasern aufgrund der im Hochleistungsbereich
unvermeidlichen langsamen Zersetzung des Lasergases von Vorteil.alternative
or in addition
For this purpose, a gas channel is provided between the cover and the electrodes,
the deflection of the laser gas a lateral gas exchange
allows.
In other words, the cover no longer closes the discharge space
on its long side, covered
However, this seen in a plan view still complete. Of the
Gas channel contains
For this purpose, a not visible in plan view of the cover channel section,
a fluidic connection between the discharge space and the
Outdoor space produces.
As a result, the gas exchange between the discharge space and the outside space
additionally
improved. Such a gas exchange with a ballast volume is
especially in high power lasers due to the high power range
inevitable slow decomposition of the laser gas advantage.
In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein
zwischen den Resonatorspiegeln und den Elektroden befind licher und
sich in Richtung der Querausdehnung erstreckender Spalt (Querspalt)
ebenfalls mit einer Abdeckung (Querabdeckung) versehen. Durch diese
Maßnahme
wird ein Ausschwingen des Lasergases durch den Querspalt in den
Außenraum
verhindert, so dass gegebenenfalls entstehende Längsschwingungen ebenfalls wirksam
unterdrückt
werden. Eine solche Querabdeckung ist vorzugsweise in gleicher Weise
konstruktiv ausgestaltet wie die vorstehend erläuterten vorteilhaften Ausführungsformen
der Abdeckung des Längsspaltes.In a particularly preferred embodiment of the invention, between the resonator mirrors and the electrodes befind Licher and extending in the direction of transverse extension gap (cross gap) is also provided with a cover (cross cover). By this measure, a swinging of the laser gas through the transverse gap prevented in the outer space, so that any resulting longitudinal vibrations are also effectively suppressed. Such a cross-cover is preferably structurally designed in the same way as the above-described advantageous embodiments of the cover of the longitudinal gap.
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:
1 einen
erfindungsgemäßen Bandleiterlaser
in einer perspektivischen Prinzipdarstellung, 1 a stripline laser according to the invention in a perspective schematic representation,
2 bis 5 eine
weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Bandleiterlasers
in einer Seitenansicht auf die Längsseite,
einem Querschnitt parallel zur Querseite bzw. einer Draufsicht sowie
einem vergrößerten Ausschnitt
des Querschnittes parallel zur Querseite im Bereich des seitlichen
Längsspaltes, 2 to 5 a further embodiment of a strip conductor laser according to the invention in a side view on the longitudinal side, a cross section parallel to the transverse side or a plan view and an enlarged section of the cross section parallel to the transverse side in the region of the lateral longitudinal gap,
6 eine
alternative Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Bandleiterlasers
in einer der 5 analogen Darstellung, 6 an alternative embodiment of a stripline laser according to the invention in one of 5 analog representation,
7 und 8 eine
weitere alternative Ausführungsform
in einer Draufsicht bzw. einem vergrößerten Ausschnitt aus einem
Querschnitt parallel zur Querseite, 7 and 8th a further alternative embodiment in a plan view or an enlarged detail of a cross section parallel to the transverse side,
9 bis 11 und 12 bis 14 jeweils
Diagramme, in denen der räumliche
Verlauf des Druckes, der Dichte bzw. der Temperatur des Lasergases
bei Auftreten einer akustischen Resonanz in Querrichtung bei seitlich
offenem bzw. seitlich geschlossenen Entladungsraum aufgetragen sind, 9 to 11 and 12 to 14 in each case diagrams in which the spatial profile of the pressure, the density or the temperature of the laser gas are plotted in the case of occurrence of an acoustic resonance in the transverse direction with laterally open or laterally closed discharge space,
15 eine
graphische Darstellung, in der die am Prozessort verfügbare Ausgangsleistung
des Bandleiterlasers gegen die Frequenz für einen erfindungsgemäßen Bandleiterlaser
und für
einen Bandleiterlaser nach dem Stand der Technik dargestellt ist. 15 a graph showing the available at the processor power output of the strip laser against the frequency for a stripline laser according to the invention and for a stripline laser according to the prior art is shown.
16 und 17 weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Bandleiterlasers
in einem Längsschnitt,
bei denen ein sich zwischen den Elektroden und den Resonatorspiegeln
befindlicher Spalt ebenfalls mit einer Abdeckung versehen ist. 16 and 17 Further advantageous embodiments of a stripline laser according to the invention in a longitudinal section, in which a gap located between the electrodes and the resonator is also provided with a cover.
Gemäß 1 umfasst
ein Bandleiterlaser einen instabilen Resonator 2, im dargestellten
Ausführungsbeispiel
ein konfokaler instabiler Resonator des negativen Zweigs, zwischen
dessen konkaven Resonatorspiegeln 4a und 4b sich
ein Lasergas LG, im Ausführungsbeispiel
ein CO2 oder CO als laseraktives Medium
enthaltendes Gasgemisch, befindet. Die Anregung des Lasergases LG
erfolgt durch eine elektrische Hochfrequenzentladung zwischen zwei
voneinander nur im Millimeterbereich beabstandeten flächenhaft
ausgedehnten Elektroden 6. Ein solcher Bandleiterlaser
ist beispielsweise in der eingangs zitierten US 4,719,639 A und der EP 0 305 893 A2 näher erläutert.According to 1 For example, a stripline laser includes an unstable resonator 2 in the illustrated embodiment, a confocal unstable resonator of the negative branch, between its concave resonator mirrors 4a and 4b there is a laser gas LG, in the embodiment a CO 2 or CO as a laser-active medium containing gas mixture. The excitation of the laser gas LG takes place by means of an electrical high-frequency discharge between two areally extended electrodes spaced apart from one another only in the millimeter range 6 , Such a stripline laser is, for example, in the cited above US 4,719,639 A and the EP 0 305 893 A2 explained in more detail.
Die
Resonatorspiegel 4a, b sind von den Stirnseiten der Elektroden 6 beabstandet
angeordnet, wobei der Abstand in der Prinzipdarstellung der Figur übertrieben
eingezeichnet ist und in der Praxis ebenfalls nur im Millimeterbereich
liegt.The resonator mirrors 4a , b are from the end faces of the electrodes 6 spaced apart, wherein the distance in the schematic diagram of the figure is exaggerated and in practice is also only in the millimeter range.
Aus
dem Resonator 2 tritt ein Laserstrahl LS aus, der sich
im Idealfall auf der optischen Systemachse A ausbreitet. Dem Bandleiterlaser
sind noch eine Reihe von optischen Komponenten zur Strahlführung, beispielsweise
Umlenkspiegel, und Strahl formung, beispielsweise Raumfilter und
Linsen, nachgeordnet, die aus Gründen
der Übersichtlichkeit in
der Figur nicht dargestellt sind und zur Führung des Laserstrahls LS zum
Prozessort dienen.From the resonator 2 emerges a laser beam LS, which propagates on the optical system axis A in the ideal case. The stripline laser are still a number of optical components for beam guidance, such as deflecting mirror, and beam shaping, such as spatial filters and lenses, downstream, which are not shown for reasons of clarity in the figure and are used to guide the laser beam LS to the processor.
Die
Einkopplung der von einem Hochfrequenzgenerator erzeugten Hochfrequenzspannung HF
erfolgt getaktet (gepulst) mit einer frei variierbaren (einstellbaren)
Schaltfrequenz f, um eine einfache Steuerung der mittleren Ausgangsleistung
des Bandleiterlasers zu ermöglichen.The
Coupling of the high frequency voltage HF generated by a high frequency generator
is clocked (pulsed) with a freely variable (adjustable)
Switching frequency f, for easy control of the average output power
allow the band conductor laser.
Die
Elektroden 6 legen einen schmalen quaderförmigen Entladungsraum 7 mit
einer sich zwischen den Resonatorspiegeln 4a, 4b parallel
zur Systemachse A erstreckenden Längsausdehnung 8 und
einer dazu senkrechten Querausdehnung 10 fest. Der zwischen
den Elektroden 6 gebildete sich in Längsrichtung erstreckende Spalt,
d.h. die schmale Längsseite
des Entladungsraumes 7, ist auf beiden Seiten mit einer
Abdeckung 12 versehen. Diese Abdeckung 12 dient
zur Unterdrückung
der bei Einspeisung der getakteten Hochfrequenzleistung bei bestimmten
Schaltfrequenzen f entstehenden und besonders ausgeprägten akustischen
Querschwingung des Lasergases LG. Eventuell entstehende Längsschwingungen
sind in der Praxis nicht in gleicher Weise ausgeprägt, da die
relativ nahe am Querspalt angeordneten Resonatorspiegel 4a,
b bereits eine in der Praxis häufig
ausreichende Unterdrückung
dieser Längsschwingungen
bewirken.The electrodes 6 create a narrow cuboid discharge space 7 with one between the resonator mirrors 4a . 4b longitudinal extent extending parallel to system axis A. 8th and a perpendicular transverse extent 10 firmly. The between the electrodes 6 formed in the longitudinal direction extending gap, ie the narrow longitudinal side of the discharge space 7 , is on both sides with a cover 12 Mistake. This cover 12 is used to suppress the feeding of the clocked high-frequency power at certain switching frequencies f resulting and particularly pronounced acoustic transverse vibration of the laser gas LG. Any resulting longitudinal vibrations are not pronounced in the same way in practice, since the arranged close to the transverse gap resonator 4a , b already in practice often sufficient suppression of these longitudinal vibrations cause.
Als
Werkstoffe für
die Abdeckung 12 kommen grundsätzlich alle elektrisch nichtleitenden Werkstoffe
in Betracht, die bei niedrigen dielektrischen Verlusten thermisch
hinreichend stabil sind, beispielsweise keramische Werkstoffe oder
Quarzglas. Besonders geeignet sind Werkstoffe, die zusätzlich leicht
ver formbar oder elastisch sind, beispielsweise polymere Werkstoffe,
insbesondere Teflon PTFE. Um einen langsamen seitlichen Gasaustausch
zu ermöglichen
oder zu erleichtern aber zugleich das Entstehen von Schwingungen
zu unterdrücken
ist insbesondere die Verwendung von porösen Werkstoffen, beispielsweise
Faserverbundwerkstoffe oder offenzellige Schaumwerkstoffe, von Vorteil.As materials for the cover 12 In principle, all electrically non-conductive materials are considered, which are sufficiently thermally stable at low dielectric losses, for example ceramic materials or quartz glass. Particularly suitable are materials which are additionally easily ver formable or elastic, for example, polymeric materials, in particular Teflon PTFE. To allow or facilitate slow side gas exchange but to In particular, the use of porous materials, such as fiber composites or open-cell foam materials, is advantageous in suppressing the formation of vibrations.
Gemäß 2 sind
die Elektroden 6 über eine
Mehrzahl von Abstandshaltern 14 miteinander verbunden,
die ihren Abstand festlegen. Durch die Verwendung von voneinander
beabstandeten, relativ schmalen Abstandshaltern 14 ist
sichergestellt, dass einer thermischen Ausdehnung der Elektroden 6 in Längs- und
in Querrichtung möglichst
wenig Widerstand entgegengesetzt wird. Dadurch ist ein Verbiegen
der Elektroden 6 und eine damit verbundene Störung der
Wellenleitereigenschaften des von den Elektroden 6 gebildeten
Hohlraumes (Entladungsraum 7) weitgehend vermieden. Der
sich in Längsausdehnung 8 erstreckende
seitliche Spalt ist hinter den Abstandshaltern 14 durch
die Abdeckung 12 verschlossen, die sich im dargestellten
Ausführungsbeispiel über die
gesamte Längsausdehnung 8 erstreckt.According to 2 are the electrodes 6 over a plurality of spacers 14 connected to each other, which set their distance. By using spaced, relatively narrow spacers 14 ensures that thermal expansion of the electrodes 6 In the longitudinal and in the transverse direction as little resistance as possible is opposed. This is a bending of the electrodes 6 and an associated perturbation of the waveguide properties of the electrode 6 formed cavity (discharge space 7 ) largely avoided. The in longitudinal extension 8th extending side gap is behind the spacers 14 through the cover 12 closed, which in the illustrated embodiment over the entire longitudinal extent 8th extends.
Gemäß 3 sind
die Elektroden 6 an ihrer Längsseite jeweils mit einer
Stufe oder einem Absatz 20 versehen, so dass eine Vertiefung
gebildet wird, in der die Abdeckung 12 zwischen dem Entladungsraum 7 und
den Abstandshaltern 14 angeordnet ist. Dies ermöglicht die
Verwendung einer konstruktiv besonders einfach aufgebauten Abdeckung 12 in
Form eines zusammenhängenden
Streifens.According to 3 are the electrodes 6 on its long side each with a step or a paragraph 20 provided so that a recess is formed, in which the cover 12 between the discharge space 7 and the spacers 14 is arranged. This allows the use of a structurally particularly simple design cover 12 in the form of a coherent strip.
In 5 ist
zu erkennen, dass die Elektroden 6 mit in Längsrichtung
verlaufenden Führungsnuten 22 versehen
sind, die zur Führung
und räumlichen
Fixierung der leistenförmigen
Abde ckung 12 dienen. Im Ausführungsbeispiel liegt die Abdeckung 12 an den
Wandflächen
der Führungsnuten 22 an.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist ein seitlicher Gasaustausch zwischen dem Entladungsraum 7 und
der Umgebung nur möglich,
wenn die Abdeckung 12 aus einem porösen Material besteht. Um thermische Spannungen
zu vermeiden, ist die Abdeckung 12 lediglich in die Führungsnuten 22 eingeschoben
und dort gleitend gelagert.In 5 it can be seen that the electrodes 6 with longitudinally extending guide grooves 22 are provided, which for guiding and spatial fixation of the strip-shaped Abde ckung 12 serve. In the embodiment, the cover is located 12 on the wall surfaces of the guide grooves 22 at. In this embodiment, a lateral gas exchange between the discharge space 7 and the environment only possible if the cover 12 made of a porous material. To avoid thermal stresses, the cover is 12 only in the guide grooves 22 inserted and stored there sliding.
Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 6 ist
nur eine der einander gegenüberliegenden
Elektroden 6 mit einer Nut 22 zur Führung der
Abdeckung 12 versehen. Zwischen Abdeckung 12 und
der nicht mit der Nut 22 versehenen Elektrode 6 ist
ein Spalt 23a vorgesehen, der gemeinsam mit einem in einer
durch den Pfeil angedeuteten seitlichen Draufsicht auf die Abdeckung
nicht sichtbaren Spalt 23b zwischen dem Absatz 20 und
der Abdeckung 12 einen schmalen, im Schnitt L-förmigen Gaskanal
bildet, der einen Gasaustausch zwischen dem Entladungsraum 7 und dem
Außenraum
auch dann ermöglicht,
wenn die Abdeckung 12 aus einem gasundurchlässigen Werkstoff
besteht. Die Abdeckung 12 überdeckt weiterhin den seitlichen
Spalt des Entladungsraumes 7 in seiner gesamten Breite
und vorzugsweise auch Länge, so
dass der Gasaustausch nur unter Umlenkung des Lasergases in dem
von der Abdeckung 12 verdeckten, durch den Spalt 23b gebildeten
Kanalabschnitt erfolgen kann. Dadurch ist trotz eines möglichen Gasaustausches
das Entstehen von Querschwingungen wirksam unterdrück.In the embodiment according to 6 is just one of the opposing electrodes 6 with a groove 22 for guiding the cover 12 Mistake. Between cover 12 and not with the groove 22 provided electrode 6 is a gap 23a provided, which together with a in a direction indicated by the arrow lateral view of the cover not visible gap 23b between the paragraph 20 and the cover 12 forms a narrow, in section L-shaped gas channel, the gas exchange between the discharge space 7 and the outside space also allows when the cover 12 consists of a gas-impermeable material. The cover 12 continues to cover the lateral gap of the discharge space 7 in its entire width and preferably also length, so that the gas exchange only under deflection of the laser gas in the of the cover 12 hidden, through the gap 23b formed channel section can take place. As a result, the generation of transverse vibrations is effectively suppressed despite a possible gas exchange.
Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 7 und 8 ist
die Abdeckung 12 aus einer Mehrzahl voneinander beabstandeter
und einander unter Bildung eines Spaltes 24 überdeckender
Abdeckelemente 120 gebildet. Die Abdeckelemente 120 sind
hierzu in zwei durch den Spalt 24 beabstandete Reihen versetzt
zueinander angeordnet, so dass ein langsamer seitlicher Gasaustausch
nur durch Umlenkung über den
Spalt 24 möglich
ist.In the embodiment according to 7 and 8th is the cover 12 from a plurality of spaced apart and each other to form a gap 24 Covering cover elements 120 educated. The cover elements 120 are in two through the gap 24 spaced rows arranged offset to one another, so that a slower lateral gas exchange only by deflection over the gap 24 is possible.
Im
Diagramm gemäß 9 ist
der Druck des Lasergases – im
Ausführungsbeispiel
ein Gasgemisch aus He, N2 und CO2 mit einer auf das Volumen bezogenen Gemischzusammensetzung
im Verhältnis
3:2:1 – bei
einer Schaltfrequenz = 1,375 kHz bei seitlich offenem Entladungsraum
in Querrichtung x aufgetragen, wie er in einer Modellrechnung für einen Entladungsmodul
mit den Abmessungen 1m × 0,2m, einem
Elektrodenabstand von 1,55mm, bei einem Ausgangsgasdruck von 180hPa
(Gasdruck in der Umgebung der Elektroden) und einer cw-Laserleistung
von 2,7kW bei einem Tastverhältnis
von 0,5 errechnet wurde. Die Frequenz f = 1,375kHz entspricht dabei
dem Grundmode einer freien ungedämpften akustischen
Querschwingung. Dem Diagramm ist zu entnehmen, dass der Druck in
der Mitte des Entladungsraumes um einen Faktor 2 höher ist
als an seinen Rändern.
In gleicher Weise ist in der Mitte des Entladungsraumes gemäß 10 die
Dichte und gemäß 11 die
Temperatur signifikant erhöht.
Diese Modulation führt
zu einer Veränderung
der Ausbreitungsbedingungen für
den Laserstrahl innerhalb des Resonators und somit zu der eingangs
erläuterten Richtungsinstabilität des aus
dem Resonator austretenden Laserstrahls.In the diagram according to 9 is the pressure of the laser gas - in the exemplary embodiment, a gas mixture of He, N 2 and CO 2 with a volume-related mixture composition in the ratio 3: 2: 1 - at a switching frequency = 1.375 kHz at laterally open discharge space in the transverse direction x plotted as he in a model calculation for a discharge module with the dimensions 1m × 0.2m, an electrode spacing of 1.55mm, with a source gas pressure of 180hPa (gas pressure around the electrodes) and a cw laser power of 2.7kW at a duty cycle of 0, 5 was calculated. The frequency f = 1.375kHz corresponds to the fundamental mode of a free undamped acoustic transverse vibration. The diagram shows that the pressure in the middle of the discharge space is a factor 2 is higher than at its edges. In the same way is in the middle of the discharge space according to 10 the density and according to 11 the temperature increased significantly. This modulation leads to a change in the propagation conditions for the laser beam within the resonator and thus to the initially described directional instability of the laser beam emerging from the resonator.
Den 12 bis 14 ist
zu entnehmen, dass diese signifikante Modulation der Dichte bei gleicher
Schaltfrequenz f = 1,375kHz zumindest nach der numerischen Modellrechnung
vollständig
verschwindet, wenn der Entladungsraum an seinen Längsseiten
geschlossen wird.The 12 to 14 It can be seen that this significant modulation of the density at the same switching frequency f = 1.375 kHz completely disappears, at least according to the numerical model calculation, when the discharge space is closed at its long sides.
In 15 veranschaulicht
die Messkurve b die Auswirkung der Anbringung einer seitlichen Abdeckung
auf die am Prozessort verfügbare
Ausgangsleistung P des Laserstrahls. In der Figur ist zu erkennen,
dass durch die erfindungsgemäße Maßnahme die Abhängigkeit
der Ausgangsleistung P von der Schaltfrequenz f weitgehend eliminiert
ist.In 15 FIG. 9B illustrates the trace B of the effect of mounting a side cover on the output power P of the laser beam available at the process location. In the figure it can be seen that the dependence of the output power P of the switching frequency f is largely eliminated by the inventive measure.
In
den Ausführungsformen
gemäß 16 und 17 ist
zu erkennen, dass die Resonatorspiegel 4a, b einen geringen
Abstand zu den Stirnflächen 60 der
Elektroden 6 aufweisen, so dass sich in Querrichtung, d.
h. senkrecht zur Zeichenebene erstreckende relativ schmale Querspalte 30 ergeben, durch
die grundsätzlich
ein Ausschwingen des Lasergases LG möglich ist.In the embodiments according to 16 and 17 it can be seen that the resonator mirrors 4a , b a small distance to the end faces 60 the electrodes 6 have, so that in the transverse direction, that is perpendicular to the plane extending relatively narrow transverse column 30 result, by the swinging of the laser gas LG is basically possible.
Gemäß 16 sind
in diese Querspalten 30 im Bereich der Stirnfläche jeder
Elektrode 6 Querabdeckungen 32 eingebracht, die
jeweils in im Resonatorspiegel befindlichen Nuten 34 geführt sind
und an die Stirnfläche 60 angrenzen.
In diesem Ausführungsbeispiel
besteht die Querabdeckung 32 analog zum Ausführungsbeispiel
der 5 aus einem porösen, elastischen und elektrisch
isolierenden Werkstoff, durch den das Lasergas LG langsam strömen kann.According to 16 are in these cross-columns 30 in the area of the end face of each electrode 6 cross covers 32 introduced, each in grooves located in the resonator mirror 34 are guided and to the end face 60 adjoin. In this embodiment, the transverse cover 32 analogous to the embodiment of 5 made of a porous, elastic and electrically insulating material, through which the laser gas LG can flow slowly.
17 zeigt
eine in Analogie zum Ausführungsbeispiel
gemäß 6 gestaltete
Querabdeckung 32, die an den Resonatorspiegeln 4a,
b fixiert ist und keinen mechanischen Kontakt zu den Elektroden 6 aufweist
sondern jeweils in eine in die Stirnfläche 60 eingebrachte
Nut 36 hineinragt und eine Umlenkung des Lasergases LG
bewirkt. In diesem Fall kann die Querabdeckung aus einem gasdichten, elektrisch
isolierenden Werkstoff bestehen. 17 shows an analogy to the embodiment according to 6 designed cross cover 32 attached to the resonator mirrors 4a , b is fixed and no mechanical contact with the electrodes 6 but each one in the face 60 introduced groove 36 protrudes and causes a deflection of the laser gas LG. In this case, the transverse cover may consist of a gas-tight, electrically insulating material.
In
den beiden Ausführungsbeispielen
gemäß 16 und 17 sind
die Querabdeckungen 32 jeweils in den Querspalt 30 eingebracht.
Grundsätzlich ist
es auch möglich,
die Querabdeckungen am Rand des Querspaltes 30 anzuordnen,
so dass sie nicht in den Querspalt hineinragt. Querabdeckungen 32 und Abdeckungen 12 (1 bis 8)
sind dabei vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass sie den gesamten
Entladungsraum 7 umschließen und akustisch abdichten.In the two embodiments according to 16 and 17 are the cross covers 32 each in the cross gap 30 brought in. In principle, it is also possible, the transverse covers at the edge of the transverse gap 30 to arrange so that it does not protrude into the transverse gap. cross covers 32 and covers 12 ( 1 to 8th ) are preferably coordinated so that they cover the entire discharge space 7 enclose and seal acoustically.