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Gasentladungsrohr, insbesondere für Gaslaser Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrlchtung zur Erhöhung der Arbeitsleistung von Gasentladungsrohren,
insbesondere, wenn sie als elektrisch erregte Gaslaser verr wendet werden.
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Obwohl die Erfindung ganz allgemein bei.Gasentladungsrohren angewendet
werden kann, soll sie vorwiegend im Zusammenhang mit einem elektrisch angeregten
Gaslaser beschieben werden.
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Bis Jetzt ist in den üblichen elektrisoh angeregten Gas las ern die
Gas strömung laminar, und relativ niedrige Gasdrücke werden benutzt, um die richtigen
Laserbedingungen zu erzeugen. Die durch die Entladung erzeugten Ladungsträger diffundieren
durch das Gas zu den festen Wänden des Rohres und rekombinieren dort. Für eine stationäre
Entladung muß die Rate der Ion-Blektron-Paarbildung gleioLl ihrer Diffusionsrate
zur Röhrenwand sein, und die Rate der Ladungsbildung und Ladungsdiffusion hängt
vom Spannungsabfall und
vom Röhrendruck ab.
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Infolgedessen muß die elektrische Spannung am Rohr für Jeden gegebenen
Druck so eingestellt werden, daß die Rate der Ladungsbildung gleich der Rate der
Ladungsdiffusion ist, um einen stationären Betrieb zu unterhalten. Der erforderliche
Spannungsabfall an einem Entladungsrohr gegebenen Durchmessers verhält sich ungefähr
wie die Quadratwurzel des Gasdruckes im Rohr innerhalb eines ziemlich großen Gasdruokbereiehes.
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Der Laserbetrieb wird erreicht, wenn die Gasmoleküle in einer genügend
hohen Rate auf ein spezifisches Energieniveau angeregt werden, um eine Besetzungsumkehr
zu erzeugen, wobei sie von diesem Energieniveau sich abregen und ein Strahlungsquant
emittieren. Die Anregung der Laserstrahlung abgebenden aktiven Gasmoleküle auf ihr
richtiges Energieniveau hängt kritisch von der Energie der Ladungsträger im Entladungsrohr
ab, da die Anregung vor allem durch Stöße mit den Ladungsträgern vorgenommen wird.
Daher müssen zur Brzeugung der richtigen Laserbedingungen die Ladungsträger, insbesondere
die freien Nlektronen, eine bestimmte Energie innerhalb eines kleinen Bereichs aufweisen.
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AuBerdem ist die Energie der Elektronen in einem Bntladungsrohr proportional
dem Verhältnis von Entladungsspannung und Gasdruck. Aufgrund der erörterten Bedingungen
arbeitet das Gas im Entladungsrohr nur dann im Las erbetrieb, wenn das Verhältnis
von Entladungsspannung und Gasdruok innerhalb eines kleinen Intervalls gehalten
wird. Es ist daher ersichtlich, daß insoweit, als die Sntladungsspannung eine Funktion
des Gasdruckes ist, das spezifische
Verhältnis von Spannung zu Druck
nur innerhalb eines sehr kleinen Druckintervalls erzielt werden kann, wobei ein
optimaler Laserbetrieb für einen einzigen Druck erreicht wird. Die gegenwärtig verwendeten
Drücke liegen im Bereich von 10 bis 20 Torr, und die Diohte des Lasermediums ist
wie die Ausgangsleistung relativ niedrig. Ein typischer C02-Laser hat eine Ausgangsleistung
von bis zu 100 W/m Rohrlänge.
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Es ist bereits bekannt, daß die Ausgangsleistung durch Erhöhung der
Dichte oder Masse des Gases im Rohr erhöht werden kann. Versuche in dieser Riohtung
durch Erhöhung des Rohrdurchmessers sind Jedoch fehlgeschlagen, da der Druck bei
steigendem Durchmesser sinkt. Die Gasmasse kann auch durch Verlängerung des Rohres
erhöht werden. So soll mindestens ein Laser mit einer Länge von 100 m und einer
Ausgangsleistung von 2 - 8 kW gebaut worden sei, Es ersteht sich, daß ein derartiger
Laser aufgrund seiner Größe und Kosten nicht verwertbar ist.fur gewerbliche Zwecke.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren
anzugeben, durch das die bisherige gegenseitige Abhängigkeit von Rohrdurchmesser,
-spannung und Druck als festen Parameter beseitigt wird, so daß nur der Rohrdurchmesser
als fester Parameter bleibt. Anders ausgedrückt, es sollen Betriebsbedingungen geschaffen
werden, bei denen ein elektrisch angeregter Gaslaser im Laserbetrieb bei wesentlich
hbherem Druck betrieben werden kann, so daß einerseits die Ausgangsleistung des
Laserrohrs mit.
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gegebenen Durchmesser ohne Erhöhung seiner Länge vergrößert wird und
andererseits ein großer Bereich von Ausgar,gs.eSstungen mit demselben Rohr ermöglicht
wird.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Turbulenzströmung im
Rohr erzeugt wird, um das konvektive seitliche Durohmischen der Gasmoleküle senkrecht
zur mittleren Fluidrichtung zu erhöhen und so einen Betrag zu erreichen, der gleich
oder größer als der Betrag bei Laminarströmung ist.
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Nach Erreichen des seitlichen Durchmischens werden die Spannung und
der Druck unabhängig voneinander, so daß eine Erhöhung des Druckes und/oder der
Spannung, ferner eine Erhöhung der Masse und eine Zunahme der Ausgangsleistung ermöglicht
werden.
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Durch das turbulente konvektive seitliche Durchmischen wird die Kopplung
von Druck und Spannung aufgehoben, so daß Druck und Spannung unabhängig variierbare
Parameter werden.
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Dadurch wird es möglich, das richtige Verhältnis von Spannung zu Druck
zur Einstellung des Laserbetriebs durch Variieren des Drucks, der Spannung oder
beider Parameter für ein Rohr gegebenen Durchmessers zu bestimmen, was innerhalb
eines großen Bereichs vorgenommen werden kann. Infolgedessen können geeignete Entladungsbedingungen
für Laserbetrieb bei bedeutend höheren Drücken und damit auch höheren Gasdichten
als bisher erzielt werden.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 schematisch einen elektrisch angeregten Gaslaser
mit Einweg-Absaugbetrieb; Fig. 2 ein Diagramm, das die Erhöhung der Ausgangslei
Stlltlg durch die erfindungsgemäße Lehre angibt;
Fig. 3 ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel eines elektrisch angeregten Gaslasers; und Fig. 4 einen Schnitt
4-4 nach Fig. 3.
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Da die Bauelemente der gezeigten Vorrichtungen für sich bekannt sind,
brauchen sie nicht in allen Einzelheiten beschrieben zu werden. In Fig. 1 hat das
Entladungsrohr 10 einen Durchmesser von 2,5 cm und eine Länge von 30 cm oder einem
Mehrfachen davon. Für praktischeAnwendungen ist in Ansehung von Größe und Kosten
eine relativ kurze Rohrlänge wünschenswert, so daß eine Länge von etwa 1 m das wünschenswerte
Maximum darstellt.
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Er£indungsgemäß wird Turbulenz im Rohr 10 erzeugt, indem Gas unter
Druck aus einer Kammer 12 über ein Absperrorgan 13 in das Einlaß ende des Rohres
10 eingespeist und aus diesem über das Auslaßende durch eine Pumpe 14 abgesaugt
wird.
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Wie bereits erwähnt wurde, soll die Turbulenz im Rohr ein konvektives
seitliches Durchmischen des Gases bewirken, das mindestens doppelt so groß wie das
durch natürliches Mischen erreichte ist. Die Größe der Turbulenz und des konvektiven
seitlichen Durchmischens hängen von der Reynolds-Zahl ab. Bekanntlich errechnet
sich die Reynolds-Zahl durch Multiplikation der Fluidgeschwindigkeit mit dem Rohrdurchmesser
und Division durch die kinematische Viskosität oder Zähigkeit des Fluids. Eine Reynolds-Zahl
von etwa 2000 bildet die untere Grenze der gewünschten Turbulenz, darüber steigen
mit zunehmender Reynolds-Zahl die Turbulenz und der seitliche Transport ungefähr
proportional zur Fluidgeschwindigkeit.
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Der tatsächliche quantitative Einfluß der Turbulenz auf die Laserausgangsleistung
hängt auch von den Eigenschaften des verwendeten Gases ab, insbesondere vom Verhältnis
der kinematischen Viskosität des Gases zu seinem ambipolaren Diffusionskoeffizienten,
wobei dieses Verhältnis gewöhnlich Schmidt-Zahl genannt wird. Der Einfluß der Turbulenz
auf die Laserausgangsleistung nimmt zu, wenn die Schmidt-Zahl infolge des verwendeten
Gases oder Gemisches ansteigt. Die Schmidt-Zahl für die meisten Gase und Gasgemische
ist größer als 0,1 und typisch größenordnungsmäßig 1.
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Obwohl die Rate der Ladungsbildung immer eine Funktion des Gasdruckes
und der Entladungsspannung bleibt, hängt erfindungsgemäß die Rate des Ladungsträgertransports
zur Rohrwand von der Turbulenz ab und ist daher nicht mehr nur durch den Druck und
die Entladungsspannung bestimmt. Obwohl das Gleichgewicht zwischen der Rate der
Ladungstrkgerbildung und der Transportrate zur Wand für stationären Betrieb aufrecht
erhalten werden muß, kann erfindungsgemäß, da der seitliche Transport durch die
Turbulenzströmung bestimmt wird, die Ladungsbildung bestimmt werden, indem der Gasdruck
die Entladungsspannung oder beide Größen, und zwar unabhängig voneinander, variiert
werden. Auf diese Weise wird die gegenseitige Abhängigkeit von Gasdruck und Entladungsspannung
beseitigt, so daß der Rohrdurchmesser der einzige feste Parameter ist.
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Zum Beispiel kann der Gasdruck im Rohr festgelegt werden, während
die Entladungsspannung variiert wird, und die Entladung durch geeignete Einstellung
der Oasgesohwindigkeit im Rohr aufreohterhalten werden, nämlich durch Steuerung
der
Intensität der Turbulenz. Umgekehrt kann die Entladungsspannung vorgegeben werden,
während der Gasdruck variiert und die Entladung durch Einstellung der Gasgeschwindigkeit
unterhalten wird.
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Um den Laserbetrieb einzustellen, wird die Rate des Ladungsträgertransports
zu den Wänden über die Intensität der Turbulenz durch Anderung der Gasgeschwindigkeit
gesteuert, während die Rate der Ladungsbildung gesteuert wird, indem sowohl der
Gasdruck als auch die Entladuiigsspannung proportional zueinander variiert werden,
so daß ihr Verhältnis, das die Elektronenenergien im Rohr bestimmt, auf einem festen
Wert gehalten wird, der die gevmnscllten Laserbedingungen gewährleistet. Die Erhöhung
der Entladungsspannung erhöht die Eingangsleistung des Rohres, die Rate der Ladungsbildung
und den seitlichen Ladungsträgertl7ansport im Rohr und damit sowohl die Anregungsrate
der neutralen Moleküle als auch die Zahl der Laserstrahlung emittierenden aktiven
Moleküle. Die Erhöhung des Gasdruckes bewirkt eine Zunahme der Gesamtdichte des
Gases im Rohr und damit auch der Konzentration der Laserstrahlung emittierenden
aktiven Moleküle, die alle zu einer Erhöhung der Laserausgangsleistung beitragen.
Die Ausgangsleistung eines Rohres mit gegebenem Durchmesser wird nur durch die Grenze
der Turbulenzintensität begrenzt, die in einem Rohr dieses Durchmessers erhalten
werden kann.
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Das in der Vorrichtung von Fig. I verwendete Gas kann z.B. ein Gemisch
von He, N2 und C02 mit einer Schmidt-zz von etwa I sein. Wie bereits erwähnt wurde,
wird das Gas hunter Druck aus der Kammer 12 in das Einlaßende des Ilollrs 10
eingespeist
und durch die Pumpe 14 am Auslaßende abgesaugt.
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Der gewünschte Druckabfall im Rohr sollte groß genug sein, um eine
Gasgeschwindigkeit von 150 - 180 m/sec und eine Turbulenz mit einer Reynolds-Zahl
von etwa 5000 zu ergeben.
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Zur elektrischen Anregung ist das Entladungsrohr mit mindestens zwei
Paaren von Elektroden 15 versehen, die in Längsrichtung des Rohres voneinander getrennt
und an eine geeignete Stromversorgung 16 angeschlossen sind. Zum optischen Oszillator
oder Resonator gehören Spiegel 17, die in der Nähe von Rohrfenstern angeordnet sind
sowie axial mit dem Entladungsrohr und der Gasströmung fluchten, so daß der optische
Resonanzraum gebildet wird.
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Durch Einstellen der Pumpe 34 und des Absperrventils bzw. Druckreglers
13 können der Gasdruck und die Gasgeschwindigkeit durch das Rohr gesteuert werden.
Beim Betrieb sollte anfangs eine Glimmentladung im Rohr 10 bei einem Gasdruck erzeugt
werden, der optimale Laserbedingungen und optimale Ausgangsleistung bei Laminarströmung
ergibt. Danach wird der Strömungsdurchsatz durch das Rohr bei diesem Druck allmählich
erhöht, bis eine genügend hohe Geschwindigkeit und damit Reynolds-Zahl Turbulenz
erzeugt. Bei weiterer Erhöhung der Gasgeschwindigkeit und der Reynolds-Zahl steigen
der Spannungsabfall im Entladungsrohr an, und die Intensität der Laserstrahlung
nimmt vorübergehend ab. Der Gasdurchsatz sollte Setzt über den Wert hinaus erhöht
werden, bei dem die Turbulenz erreicht wurde, jedoch vor Erreichen der Schallgeschwindigkeit.
Die Gasgeschwindigkeit sollte jetzt konstant gehalten und der Gasdruck allmählich
erhöht werden, wonach die Laserstrahlungsintensität zunimmt, ulld die Einstell Ungell
köniien fortgesetzt werden, bis
die gewünschte Ausgatirsleistung
oder der optimale Wert erreicht wird.
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In Fig. 2 ist die Erhöhung der Laserleistung zu sehen, die auf einem
K-E-Logarithmen-Papier (359-112) aufgetragen ist, von dem nur die Hauptlinien gezeigt
sind. Die Abszisse PO stellt die optimale Laserausgangsleistung für Laminarströmvglg
dar, wobei die Zahlenwerte auf der Abszisse die Reynolds-Zahl Re angeben. Die Ordinate
gibt die Ausgangs-Leistung für Turbulenzst rörnung an, wobei die Vollinlenkurve
rür Gas mit einer Schmidt-Zahl von 1 und die Strichlinienkurve für Gas mit einer
Scmidt-Zahl von 0,1 gilt.
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Der Ubergangspunkt von Laminar- zur Turbulenzströmung findet bei
Re = 2000 statt, und es ist deutlich ersichtlich, daß sowohl für ein Gas mit der
Schmidt-Zahl 1 als auch 0,1 eine Erhöhung der Ausgangsleistung erzielt wird.
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Die Erhöhung der Ausgangsleistung für ein Gas mit der Schmidt-Zahl
1 ist jedoch wesentlich größer. Es ist ferner zu entnehmen, daß die Ausgangsleistung
für ein Rohr gegebenen Durchmessers sich über einen großen Bereich erstreckt und,
wie bereits gesagt wurde, nur durch die Grenze der Turbulenz begrenzt ist, die in
einem Rohr gegebenen Durchmessers erzeugt werden kann.
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Obwohl Fig. 1 ein selbstoszillierendes Laserrohr zeigt, sind die
vorstehenden Uberlegungen auch für ein verstärkendes Laserrohr anwendbar. Die einzigen
notwendigen Anderungen bestehen im Entfernen der Spiegel 17, für die ein außen erzeugter
Laserstrahl vorzusehen ist, der an einem Ende des Rohres auf der optischen Achse
eintritt und am anderen Ende mit erhöhter Leistung austritt.
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Das in Fig. 3 und 4 abgebildete Ausführungsbeispiel ist eine Vorrichtung
mit geschlossenem, im wesentlichen rechteckigen Kreis, in den Gas aus einem Vorratsbehälter
12 über ein Absperrorgan 13 wie in Fig. 1 eingespeist wird.
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Die Vorrichtung hat ein querverlaufendes Rohr 20, so daß die Gasströmung
senkrecht zur optischen Achse und Entladung 21 gerichtet ist0 Der Kreis 26 ist gasdicht,
und geeignete Leitbleche 28 sind an Jeder Krümmung angeordnet, um die Strömung zu
führen, wobei der obere Abschnitt sich zum Rohr verJüngt, um Diffusoren 30 zu ergeben.
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Der Kreis hat ferner einen Wärmetauscher 32, einen Kompressor 33
und einen Regenerator 34, wobei die Gasströmung im Uhrzeigersinn von Fig. 3 strömt.
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Planare Elektroden 37 (vgl. Fig. 4) sind an eine Stromversorgung
38 angeschlossen, und Spiegel 39 vervollständigen den optischen Resonanzraum. Falls
vorgezogen wird, die Richtung des Entladungsstroms mit dem optischen Weg zusammenfallen
zu lassen, anstatt senkrecht dazu vorzusehen, müssen die planaren Elektroden 37
entfernt und dafür Elektroden 37a verwendet werden, wie in Striablinie in Fig. 4
angedeutet ist.
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Die Größe der Vorrichtung hängt von der gewünschten Ausgangsleistung
ab, wobei das Laserrohr in der gezeigten Vorrichtung eine seitliche Abmessung von
5 cm und eine Länge von 30 cm hat. Die Gesamtlänge der Vorrichtung beträgt etwa
1,8 - 2,4 m.
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Diese Vorrichtung ist besonders vorteilhaft, weil das Gas umläuft
und nur verlorengegangenes Gas ersetzt werden muß, während bei einer Vorrichtung
gemäß Fig. 1
mit Abpumpbetrieb das gesamte Entladungsgas entweder
verlorengeht oder erneut komprimiert und gespeichert werden muß.
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Beim Betrieb wird die Vorrichtung mit einelll Gas auf den gewiinschten
Eingangsdruck gefüllt, und nach Umlnuf der Gases verringert der Wärmetauscher 32
die Temperatur auf Umgebungsraumtemperatur, wonach das Gas erneut auf den Eingangsdruck
durch einen Kompressor 33 komprimiert wird.
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Ein Regenerator 34 bringt die "verwendeten" Molelsiile auf ihr Grundniveau
zurück, so daß sie für eine Anregung verfügbar sind und beim nächsten Durchströmen
des Elstladungsrohrs Laserstrahlen emittieren. "Verwendete" Moleküle sind diejenigen
Moleküle, die auf ein hohes Energieniveau im Entladungsrohr angeregt wurden, einen
Teil dieser Energie in Form von einem Strahlungsquant (Laserstralllungsqlrallt)
emittierten und dadurch auf ein Zwischenenergieniveau gebracht wurden, von dem sie
nicht einfach erneut angeregt werden können. Der Regenerator 34 besteht im Normalfall
aus Gittern von katalytischem Platin, Wenn der Regenerator nach wiederholten Umläufen
des Gases keine volle 300%-Regeneration der verwendeten Moleküle bewirken kann,
kann ein Teil des im Kreis umlaufenden Gases, z.B. 10%, kontinuierlich durch eine
Hilfspumpe 14 wie in Fig. 1 abgesaugt werden, und dieser Anteil kann aus dem Vorratsbehälter
frischen Gases ersetzt werden.
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Der Betrieb des Laserrohrs von Fig. 3 und die E3nstellung der optimalen
Betriebsbedingungen werden wie für das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 beschrieben
vorgenommerr.
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Es ist ersichtlich, daß mit Erhöhung der Laminarströmung die Entfernung
der "verwendeten" Moleküle wie der Laserwirkungsgrad erhöht wird. Es soll jedoch
darauf hingewiesen werden, daß eine Erhöhung der Entladungseingangsleistung~nicht
erzielt werden kann, bevor Turbulenzströmung erreicht ist.
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Turbulenzströmung gewährleistet außer den erwähnten Ergebnissen zusätzlich
ein sorgfältiges Durchmischen der verwendeten Gasarten, verbessert die Kühlung des
Gases und erlaubt daher die Verwendung höherer Entladungsströme im Entladungsrohr,
was zur Erhöhung der Ausgangsleistung beiträgt.