DE3118868C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung mit in einem Gasraum angeordneten ersten und zweiten Entladungselektroden, durch die eine transversal zur Achse des Laserresonators verlaufende Gasentladung zündbar ist, wobei eine Vorionisierung durch eine Koronaentla­ dung mittels mehrerer, zwischen den beiden Entladungselek­ troden angeordneten und senkrecht zur Achse des Laserresona­ tors verlaufenden, säulenförmigen Elemente erfolgt, sowie mit einem Lade- und Entladekreis.

Laseranordnungen, bei denen das Lasergemisch im Resonator quer zur optischen Achse bei Atmosphärendruck angeregt wird, sind als TEA-Laser (Transversely Excited Atmospheric pres­ sure Laser) bekannt und zählen heute zu den wichtigsten Entwicklungen auf dem Lasergebiet. Als Beispiele für diesen Lasertyp sind die CO₂-TEA-Laser im infraroten Spektral­ bereich und die N₂-Laser und die Excimer-Laser für den sichtbaren bzw. nahen ultravioletten Spektralbereich zu nennen. Allen gemeinsam ist eine relativ einfache Betriebsweise und ein guter Wirkungsgrad. TEA-Laser mit einer hohen Pulsfolge sind für technisch-wissenschaftliche Anwendungen von großem Interesse, z. B. in der Laserchemie, Materialbearbeitung und bei Lidarexperimenten. Sie haben einerseits eine hohe mittlere Leistung, vergleichbar mit dem longitudinal ange­ regten kontinuierlichen CO₂-Laser, andererseits eine hohe Pulsspitzenleistung.

Beim TEA-Laser wird das Lasergasgemisch durch eine homogene elektrische Entladung bei etwa 30 bis 50 kV Spannung zwi­ schen zwei sich gegenüberliegenden und in Richtung der op­ tischen Achse ausgedehnten Elektroden angeregt. Dabei ist es wichtig, daß die Entladung gleichförmig zwischen den Elek­ trodenflächen erfolgt und sich nicht zu einem Funken zu­ sammenzieht, da das Lasergas sich dann partiell überhitzt und im übrigen gar nicht angeregt wird. Voraussetzung für eine gleichförmige Entladung bei Atmosphärendruck sind Elek­ trodenpaare mit einem Rogowski- oder Changprofil, ein in­ duktivitätsarmer Aufbau des Entladungskreises, bestehend aus Hochspannungskondensatoren, Hochspannungsschalter und Zu­ leitungen zu den Laserelektroden, sowie eine Vorionisierung des Lasergases.

Durch die Vorionisierung werden zunächst freie Ladungsträ­ ger erzeugt, die sich homogen über den Entladungsraum ver­ teilen. Die kurz darauf einsetzende Hauptentladung kann sich dann schnell und gleichmäßig über das gesamte Volumen zwi­ schen den Elektroden ausbreiten. Der erste TEA-Laser von R. Dumanchin sowie der spätere Lamberton-Pearson-Laser und fast alle heute in Betrieb befindlichen TEA-Laser haben gemein­ sam, daß ultraviolette Strahlung oder Elektronenstrahlen zur Vorionisierung eingesetzt werden (z. B. Appl. Phys. Letters, Bd. 19, 1971, S. 506-508). Dabei wird die UV-Strahlung durch eine Vor­ entladung von einem Triggerdraht zur Anode über Hilfskon­ densatoren erzeugt. Eine Einleitung eines Hilfsgases, be­ stehend aus Tri-n-propylamin, das dem Lasergas beigemischt wird, erhöht aufgrund seines niedrigen Ionisierungspoten­ tials die Wirksamkeit dieser Anordnung. Andere UV-Vorioni­ sierungssysteme bestehen aus Funkenketten, die auf einem Träger in Reihe oder über ganze Flächen entweder neben den Elektroden oder auch direkt in einer Elektrode angeordnet werden. Nachteil all dieser Funkenkettensysteme ist, daß sie einem Verschleiß unterliegen und meist nach einigen tau­ send Entladungen gewechselt werden müssen. Ferner erfordern die Vorionisierungssysteme zusätzliche Kondensatoren, Wider­ stände und Vortriggereinrichtungen, wie Zeitverzögerungs­ schaltungen, einen zweiten Hochspannungsschalter usw.

Zusätzlich behindern die meisten Vorionisierungssysteme eine gleichmäßige Lasergasströmung zwischen den Laserelektroden. Dies wirkt sich besonders bei TEA-Lasern mit schneller Puls­ folge und Gasumwälzung als störend aus.

Auf eine zusätzliche Vorionisierungseinrichtung kann jedoch verzichtet werden, wenn die Seitenwände des Lasers gleich­ zeitig die Spannungszuführung zu einer Elektrode bilden. Zwischen den elektrisch leitenden Seitenwänden und der zwei­ ten Elektrode befindet sich eine Isolation und darauf an je­ der Seite eine Glasplatte (Optical Eng. Bd. 15, 1976, S. 17-19; Optics Comm. Bd. 27, 1978, S. 105-110). Durch den schnellen Spannungsanstieg zu Be­ ginn der Hauptentladung entsteht zwischen der oberen Elek­ trode und den Seitenwänden in sehr kurzer Zeit eine hohe Feldstärke. Diese erzeugt für eine Dauer von 10 bis 30 nsec auf den mit Isoliermaterial bedeckten Seitenwänden eine Ko­ ronaentladung. Bei der Koronaentladung entsteht ein UV- Lichtimpuls, welcher die Vorionisierung für die Hauptentla­ dung bereitstellt. Die Wirksamkeit der Vorionisierung und damit die Güte der Hauptentladung hängt dabei wesentlich von der Geometrie der Anordnung und der Entladungsspannung ab.

Für TEA-Laser mit schneller Pulsfolge ist jedoch die zuletzt beschriebene Anordnung nicht geeignet, da das quer zur op­ tischen Achse strömende Lasergas über das Entladungsvolumen zwischen zwei Laserpulsen möglichst zweimal ausgetauscht werden muß und daher Bandleiter, Platten, Wände usw., welche die beiden Elektroden verbinden, nicht in Frage kommen.

Ferner ist eine Laservorrichtung der vorausgesetzten Art bekannt, bei der zwischen den beiden Entladungselektroden mehrere Titandioxid-Säulen angebracht sind (J. Appl. Phys., Bd. 44, Nr. 9, 1973, S. 4125- 4136). Diese dielektrischen Entladungselektroden haben weder eine Tragefunktion, noch können sie zur Stromzuführung die­ nen. Darüberhinaus werden Abstandhalter eingesetzt, was den technischen Aufwand zusätzlich erhöht. Diese Säulen sind ak­ tive Koronaerzeuger, bei denen die Entladung an der Säule selbst und insbesondere an der mittleren Kerbe jeder ein­ zelnen Säule auftritt. Zwischen den Säulen findet keine Ent­ ladung statt. Deshalb kann eine homogene Koronaentladung nicht erzielt werden. Die Säulen ähneln den üblichen Funken­ kettenanordnungen und müssen separat und als zusätzlich teuere Bauelemente bereitgestellt werden. Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Anordnung besteht auch in der hohen Anforderung an die Materialeigenschaften des dielektrischen Entladungsinitiators.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher ausgehend von der Vorrichtung der vorausgesetzten Art die Aufgabe zugrunde, einen TEA-Laser mit schneller Pulsfolge zu entwickeln, der eine einfache, verschleißfreie und die Gasströmung quer zur optischen Achse nicht hindernde Konstruktion aufweist und bei dem unter wesentlicher Reduzierung des tech­ nischen Aufwands eine bessere Wirkung durch eine großflä­ chige und homogene Koronaentladung erzielt werden soll.

Es hat sich gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit einer Vor­ richtung der eingangs genannten Art lösen läßt, wenn die erste Elektrode an der Wand des aus elektrisch nichtleitendem Material hergestellten Gasraums mittels Befestigungselementen angebracht ist, wobei die Befestigungselemente als Stromzu­ führungen dienen und die einzelnen säulenförmigen Elemente aus Metallstangen bestehen, die zumindest im Bereich des Gas­ raums mit einem Isolatorrohr hoher Dielektrizitätskonstante umgeben sind, und die zweite Elektrode über die Metallstangen an derselben Wand wie die erste Elektrode montiert ist, wobei die Metallstangen gleichzeitig mechanische Tragefunktion und elektrische Stromzuführung übernehmen und die Korona­ entladung zwischen der ersten Elektrode und den isolierten Metallstangen erzeugbar ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden in den Unteran­ sprüchen 2 bis 5 beschrieben.

Die erfindungsgemäße Laseranordnung erlaubt eine hohe Aus­ gangsleistung bei hervorragender Qualität der optischen Strahlung und schneller Pulsfolge, und ist billig herstellbar, einfach aufgebaut und verschleißfrei. Die Einrichtung zur Erzeugung der Koronaentladung behindert die Strömung des Lasergases nicht.

Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 im Schnitt quer zur optischen Achse die Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung;

Fig. 2 die Ausführungsform im Schnitt parallel zur opti­ schen Achse;

Fig. 3a) bis e) einige Möglichkeiten zur Anbringung eines Leiters zwischen einer Elektrode und den isolier­ ten Metallstangen, zum Zwecke der Verstärkung der Koronaentladung und

Fig. 4a) bis c) eine weitere Anbringungsmöglichkeit des Leiters.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 wird aus einem Gasraum 1 und einer angrenzenden Hochspannungskammer 2, zu­ sammengesetzt, welche aus einem nichtleitenden Material gefertigt und durch eine Zwischenplatte 3, vorzugsweise aus Plexiglas, voneinander getrennt sind. Sowohl die Hochspan­ nungskammer 2 als auch der Gasraum 1 sind mit abnehmbaren Deckeln 4 und 5 versehen, um einen leichten Zugang zu den einzelnen Komponenten zu ermöglichen.

In der Gaskammer 1 werden zwei Entladungselektroden 6 und 7, deren Querschnitt nach einem Rogowski- oder Changprofil aus­ gebildet ist und die in Richtung der optischen Achse ausge­ dehnt sind und sich gegenüberliegen, angeordnet. Die obere Entladungs­ elektrode 6 sitzt an der Zwischenplatte 3 und ist über Be­ festigungsschrauben (nicht gezeigt), die gleichzeitig als Spannungszuführung dienen, mit der Elektrodenplatte 8 in der Hochspannungskammer 2 verschraubt. Die untere Entladungselektrode 7 wird ebenfalls an der Zwischenplatte 3 montiert und zwar über eine Anzahl von auf beiden Seiten der Entladestrecke angeordneten Metallstangen 9. Die Metallstangen 9 sind zur Isolierung gegenüber der zweiten Entladungselektrode 7 mit Rohren 10 aus Polytetrafluoräthylen oder Plexiglas umgeben. Im Gasraum 1 wird auf diese isolierten Rohre 10 ein weiteres Isolatorrohr 11 aus einem Material hoher Dielektrizitätskonstante, z. B. aus Glas, angebracht. Zur Vorionisierung des Gasgemisches dient die Koronaentladung, die durch den starken Feldstärkenan­ stieg vor dem eigentlichen Spannungsimpuls zwischen der Entladungs­ elektrode 6 und den Metallstangen 9 entsteht.

Die bei dieser Anordnung auftretende Koronaentladung wird verstärkt durch den Einbau eines elektri­ schen Leiters, z. B. eines dünnen Drahts 12 aus Kupfer, der um die Isolatorrohre 11 gelegt und mit der einen Entladungselektrode 6, z. B. Anode, verbunden ist. Durch Variation des Abstandes Draht-Kathode kann die Vorionisierung für einen bestimmten Elektrodenabstand eingestellt werden.

Die gleichmäßige Gasumwälzung über die gesamte Elektroden­ länge erfolgt über Elektroniklüfter 13 (80 mm × 80 mm), iso­ liert durch z. B. eine Acrylglasplatte 14 unter der Entladungselektro­ de 7 (Kathode). Zur Kühlung des Lasergases befindet sich gleich hinter den Elektroniklüftern 13 ein von Wasser durchströmter Gaskühler 15. Das gekühlte Lasergas wird über Gasleitschalen 16 durch das Anregungsvolumen in einem geschlossenen Kreis­ lauf geführt.

Gegenüber anderen Gasumwälzungssystemen hat diese Ausführung den Vorteil, daß es sich zwar direkt mit in dem Gasraum 1 be­ findet, aber dennoch leicht nur durch Abnahme des mit einem Rundschnurring gedichteten Deckels 5 (Bodenplatte) demontieren läßt.

Mit dem Gasumwälzsystem läßt sich zwischen den Entladungselektroden 6 und 7 eine sehr gleichmäßige Gasströmung mit einer Ge­ schwindigkeit von 3 m/sec erzielen. Entlang der optischen Achse variiert die Gasströmungsgeschwindigkeit nur um 2%, was zeigt, daß die Isolatorrohre 11 weitgehend laminar umströmt werden und nur einen geringen Strömungswiderstand darstellen.

Die Laserspiegel, die in Fig. 1 nicht gezeigt werden können, werden über vier Abstandsstangen 17, vorzugsweise aus einem Material geringer thermischer Ausdehnung, die durch die Zwischenplatte 3 und Acrylplatte 14 geführt sind, miteinander gehaltert. Die Abstandsstangen 17 sind ebenfalls von Isolatorrohren 18 umgeben.

Auf der Elektrodenplatte 8 in der Hochspannungskammer 2 be­ findet sich die Funkenstrecke 19 für den Entladungsschalt­ kreis und darüber auf einer zweiten Elektrodenplatte 20 ein Satz von induktivitätsarmen Hochspannungsspeicherkondensa­ toren 21, die je nach gewünschter Pulsenergie schnell verändert werden können, da sie durch Abnahme des Deckels 4 leicht zugänglich sind. Die Hochspannungskammer 2 bietet noch genug Raum für einen Triggertransformator 22, Vorwiderstände und für weitere Hochspannungsbauteile.

Die von Polytetrafluoräthylen-Rohren 10 umgebenen Metallstangen 9 ragen in die Hochspannungskammer 2 hinein und sind z. B. mittels Gewinde in die Elektrodenplatte 20 geschraubt.

In der Seitenansicht gemäß Fig. 2 wird insbesondere die Aus­ bildung des Laserresonators und die Anordnung der mit Isolatorrohren 11 aus Glas umgebenen Metallstangen 9 deutlich.

Die Endplatten 23 aus Edelstahl, auf denen die Laserspiegel 24 justierbar angeordnet sind, werden über in Fig. 1 darge­ stellte Abstandsstangen 17 mit Anschlag an den Enden ver­ schraubt und mit O-Ringen gegen das Gehäuse, z. B. aus Acryl­ glas, abgedichtet.

Diese Rahmenkonstruktion aus Edelstahl im Acrylglasgehäuse gewährleistet eine hohe mechanische und thermische Stabili­ tät. Bei besonders hohen Anforderungen an die thermische Re­ sonatorstabilität können die Abstandsstangen 17 im Resonator aus einer Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung, Quarz oder Glaskeramik hergestellt werden.

In Fig. 3a) bis e) wird eine mögliche Anordnung zur Ver­ stärkung der Koronaentladung gezeigt. Diese Ausführungsform ist auch in Fig. 1 und 2 dargestellt. Gemäß Fig. 3a) und b) wird ein Draht 12 so um die entlang der Entladungselektroden 6 und 7 angeordneten, isolierten Metallstangen 9 geführt, daß ein punktförmiger Kontakt an zwei Stellen mit der Entladungselektrode 6 hergestellt ist. In Fig. 3c) bis 3e) sind einige weitere Möglichkeiten zur Anbringung des Drahts 12 dargestellt.

Im Gasraum sind die Metallstangen 9 mit einem Polytetra­ fluoräthylen-Rohr 10 und darauf mit einem Isolatorrohr 11 aus Glas umgeben.

Eine Verstärkung der Koronaentladung bei gleichmäßiger Gas­ strömung im Laseranregungsvolumen wird auch mit der Anord­ nung nach Fig. 4a) bis 4c) erzielt. Hierbei werden kurze drahtförmige Leiter 25 in Glas oder Kunststoff 26 eingeschmolzen, paral­ lel zu jedem Isolatorrohr 11 aus Glas angeordnet und elektrisch mit der einen Entladungselektrode 6 oder 7 (z. B. Anode) verbunden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung mit in einem Gasraum (1) angeordneten ersten und zweiten Entladungs­ elektroden (6, 7), durch die eine transversal zur Achse des Laserresonators verlaufende Gasentladung zündbar ist, wobei eine Vorionisierung durch eine Koronaentla­ dung mittels mehrerer, zwischen den beiden Entladungs­ elektroden (6, 7) angeordneten und senkrecht zur Achse des Laserresonators verlaufenden, säulenförmigen Elemente erfolgt, sowie mit einem Lade- und Entladekreis, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die erste Entladungselektrode (6) an der Wand des aus elektrisch nichtleitendem Material hergestellten Gasraums (1) mit­ tels Befestigungselementen angebracht ist, wobei die Be­ festigungselemente als Stromzuführungen dienen,
• - die einzelnen säulenförmigen Elemente aus Metallstangen (9) bestehen, die zumindest im Bereich des Gasraums (1) mit einem Isolatorrohr (11) hoher Dielektrizitätskonstan­ te umgeben sind,
• - die zweite Entladungselektrode (7) über die Metallstangen (9) an derselben Wand wie die erste Entladungselektrode (6) montiert ist, wobei die Metallstangen (9) gleichzeitig mechanische Tra­ gefunktion und elektrische Stromzuführung übernehmen, und
• - die Koronaentladung zwischen der ersten Entladungselektrode (6) und den isolierten Metallstangen (9) erzeugbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung der Koronaentladung mindestens ein mit der ersten Entladungselektrode (6) verbundener Leiter (12, 25) vorge­ sehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus einem parallel zu den Entladungselektroden (6, 7) quer über die Isolatorrohre (11) gespannten Draht (12) besteht, der mit der ersten Entladungselektrode (6) an einer oder mehreren Stellen verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu jedem Isolatorrohr (11) ein mit der ersten Entladungselektrode (6) verbundener isolierter Leiter (25) vorge­ sehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Isolatorrohre (11) aus Glas beste­ hen und zwischen der Metallstange (9 ) und dem Isolator­ rohr (11) ein Polytetrafluoräthylen-Rohr (10) vorhan­ den ist.