DE3126375A1

DE3126375A1 - Hochenergielaser des te-typs

Info

Publication number: DE3126375A1
Application number: DE3126375A
Authority: DE
Inventors: Willi Ing.(Grad.) Bette; Hans-Jürgen Dr.rer.nat. Cirkel; Reinhard Dipl.-Phys. 8520 Erlangen Müller
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1981-07-03
Filing date: 1981-07-03
Publication date: 1983-01-27
Also published as: GB2102191A; JPS5825289A; FR2509096A1; US4503542A; CA1159939A; GB2102191B; AU554956B2; DE3126375C2; FR2509096B1; AU8554582A; JPS6322636B2

Description

KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

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Hochenergielaser des TB-Typs

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochenergielaser des TE-Typs, mit Anregung durch möglichst homogene, lichtbogenfreie Kondensatorentladung im Gasraum zwischen mindestens zwei parallel zur optischen Achse des Lasers innerhalb einer Laserkammer sich erstreckenden und mit Abstand einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Elektroden, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Hochenergielaser ist beispielsweise durch die DE-OS 29 32 781 bekannt. Geeignete Vorionisierungseinrichtungen für solche Hochenergielaser sind insbesondere beschrieben in den älteren Anmeldungen

P 30 35 702.9 und P 30 35 730.3.
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Derartige TE-Laser (TE » transversely excited) werden in kostengünstiger Ausführung und mit hoher mittlerer Strahlungsleistung für fotochemische Anwendungen, insbesondere im industriellen Bereich, benötigt. Für den Betrieb dieser Laser sind möglichst hohe Stromanstiegsgeschwindigkeiten notwendig, die durch eine Minimierung der Induktivitäten des elektrischen Anregungskreises erreicht werden können. Diese Forderung führt zu der Konstruktion möglichst kompakter Lasergehäuse, wodurch allerdings die Gefahr der Ausbildung von Gleitfunken auf den Wandungen des Gehäuses stark zunimmt. Die Gleitfunken, die ihre Ursache in sogenannten tangentiellen Feldkomponenten haben, ziehen zum einen Energie von der gewünschten Volumenentladung ab und verschlechtern zum anderen durch Oberflächenreaktionen an den Wandungen die Qualität des Lasergases. Beide Effekte beeinträchtigen oder verhindern -^ogar die Laseremission.

Bu 2 Po/12.06.1981

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Hochenergielaser der eingangs definierten Art 30 auszubilden, daß bei kompakter Bauweise parasitäre Gleitentladungen an seinen Innenwandungen vermieden bzw. praktisch vermieden werden können«

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, die anhand der Zeichnung noch näher erläutert werden, sind in den Unteransprüchen beschrieben«, Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu sehen, daß ein sehr induktivitätsarmer, kompakter Hochenergielaser geschaffen wurde, der vollständig bzw» weitestgehend gleitfunkenfrei arbeitet, so daß sein© Verluste sehr gering sind und die Qualität des Lasargases länger erhalten bleibt.

Im folgenden wirdanhand der Zeichnung, in der vier Ausführungsbeisplsle dargestellt sind,die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt In gchomatlscher Darstellung unter Fortlassung der für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Teiles

Fig. 1 einen Querschnitt <toreh elna Laserkammerj Fig. 2 den Schnitt längs der Linie H-II aus Fig. 1 im Ausschnitt °,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Laserkammer mit fensterartigen Gehäusedurchbrüchen zur Erzeugung einer transversalen Gasströmungι Fig. 4 einen Teilschnitt längs der Schnittlinie IV-IV

aus Fig. 3}
Fig. 5 und 6,perspektivisch im Ausschnitt,eine aus Drähten ^bildete bzw» eine netzförmige Schirmelektrode und

Fig. 7 eine geeignet© Elektroden-Querschnittsform zur Verbesserung der P@t©atialVerhältnisse.

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Fig. 1 zeigt einen Hochenergielaser des TE-Typs. Die Laserkammer 1 ist mit Lasergas gefüllt und bildet so einen Gasraum, in welchem die Laseremission durch möglichst homogene, lichtbogenfreie Kondensatorentladung zwischen den beiden Elektroden E1 und E2 angeregt wird.

Die beiden Laserelektroden E1, E2 erstrecken sich parallel zur optischen Achse aO des Lasers und liegen einander mit Abstand gegenüber, wobei der kürzeste Abstand S die Schlagweite ist. Das Lasergehäuse 2 muß man sich als langgestrecktes Rechteckgehäuse vorstellen; grundsätzlich sind jedoch auch andere Gehäuseformen denkbar, z.B. solche von elliptischem oder von Rundquerschnitt. Das Gehäuse 2 der Laßerkammer 1 besteht vorzugsweise aus hochreiner AlgO^-Keramik bzw. einem geeigneten isolie-

rendem Kunststoffmaterial; als äußerer Teil des Gehäuses 2 können auch die metallischen Wandpartien e21 und e22 der Stromrückführung e2 für die Elektrode E2 angesprochen werden. Die erste Laserelektrode E1 ist an den einen Pol und die Stromrückführung e2 der zweiten Elektrode E2 an den anderen Pol eines geeigneten pulsformenden Netzwerks PFN angeschlossen, das , in Blümlein-Schaltung oder als Charge-Transfer-Kreis arbeitend, die notwendigen Hochspannungsimpulse liefert, wie es in P 29 32 781.9 z.B. beschrieben ist . An das PFN sind auch die Vorionisierungsstäbe V1, welche achsparallel zu und in unmittelbarer Nähe der ersten Elektrode E1 angeordnet sind, und die Vorionisierungsstäbe V2, welche achsparallel zur zweiten Elektrode E2 und in deren ummittelbarer Nähe angeordnet sind, angeschlossen. Schaltung und Ausbildung derartiger Vorionisierungsstäbe sind in der älteren Anmeldung P 30 35 730 näher beschrieben, es kann deshalb hier auf eine nähere Erläuterung verzichtet werden. Die Elektroden E1 und E2 ragen jeweils mit einem der Stromzuführung dienenden Pilzstiel e10 bzw. e20 und mit einem der Stromverteilung dienenden Pilzhut e101 bzw. e201 in die Laserkammer 1, sie sind gasdicht in

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entsprechende Durchbrüche des Lasergehäuses 2 eingesetzt. Es ist ersichtlich, daß die Stromrückführung e2 in Form der metallischen Wandpartien e21 (Fußplatte) und e22 (die beiden Seitenwangen) von der zweiten Elektrode E2 längs des Mantels des Gehäuses 2 sich zumindest bis in die Nähe des die erste Elektrode E1 umgebenden Gehäusewandbereiches erstreckt. M ist dl© Masseverbindung für e2 bzw. E2.
Unmittelbar vor dem Durchständen des.Gasraumes liegen die Elektrode E2 und die Stromrückführung e2 auf gleichem Potential, während die Elektrode E1 sich auf einem dazu unterschiedlichen Potential befindet» Dadurch bildet sich zwischen den Elektroden E1 und E2 das elektrische Feld F^ aus, das unter anderem durch die Potentialdifferenz

und die Schlagweite S sowie die Elektrodenform gegeben ist. Gleichzeitig besteht aber auch ein elektrisches Feld zwischen der Elektrode E1 und der Stromrückführung e2, d„h. insbesondere bezüglich ihrer Seitenwangen e22, das durch die gleiche Potentialdifferenz und den Abstand a sowie durch die Dielektrizitätskonstante des Isolationsmaterials berechenbar ist. Diese beiden Feldkomponenten bestimmen das resultierende Feld in der Umgebung der Elektrode E1. Sind nun die Abstände S und a vergleichbar, so würde ein großer Anteil der Feldlinien in das Isolationsmaterial des Gehäuses 2 eindringen und di© Entladung auf das Isolationsmaterial gedrängt werden (wodurch die Ausbildung von Gleitfunken auf dem Isolationsmaterial gefördert wurde), wenn dies nicht durch den im folgenden beschriebenen Gleitfunkensehutz verhindert würde. Dabei vermeidet die Erfindung eine wesentliche Vergrößerung des Abstandes a (bei festgehaltenem Abstand S), weil eine solche Maßnahme zu einer schädlichen und deshalb unerwünschten Erhöhung der Induktivität des Lasergehäuses führen würde« Erfindungsgemäß sind stattdessen - in Laserachsrichtung a_Q betrachtet - beidselts der an die Stromzuführung angeschlossenen ersten Elektrode E1

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und zu ihr achsparallel sich erstreckend im Raum zwischen dieser Elektrode E1 einerseits und den Seitenwangen e22 der Stromrückführung e2 andererseits Hohlräume 3 in das Isolationsmaterial des Gehäusemantels 2 eingebracht, in welche Schirmelektroden 4 eingefügt sind. Die Schirmelektroden 4 sind an die Elektrode E1 galvanisch oder kapazitiv (Verbindung 4,1) angeschlossen. Auf diese Weise wird der Einfluß der Stromrückführung e2 auf den Feldverlauf im Bereich der Elektrode E1 reduziert, und das elektrische Feld im Lasergehäuse wird im wesentlichen durch die Elektroden E1 und E2 bestimmt, wobei außerhalb des Gasraumes zwischen 4 und e2 sich die seitlichen Felder Fg ergeben. Wie ersichtlich, erstrecken sich die Hohlräume 3, beginnend von den die Elektrode E1 umgebenden Gehäusewandbereichen bis hin zu den die zweite Elektrode E2 umgebenden Gehäusewandbereichen, tiefer als die Länge 14 der Schirmelektroden 4 in dieser Richtung beträgt. Dadurch werden weitgehend Rückwirkungen der Schirmelektroden 4 auf das Feld im Bereich der Elektrode E2 vermieden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn - wie dargestellt die Hohlräume 3 beginnend auf der Höhe des Elektrodenfußes e10 der ersten Elektrode E1 bis hin zur Höhe des Elektrodenfußes e20 der zweiten Elektrode E2 sich erstrecken. Durch die Maßnahme wird der Wellenwiderstand für Gleitfunken an der Oberfläche des Isolationsmaterials erhöht, welche ebenfalls der Tendenz zur Bildung von Gleitfunken entgegenwirkt.

Eine wesentliche Erhöhung des Wellenwiderstandes für Gleitfunken läßt sich bei geringfügiger Vergrößerung der Induktivität dadurch erreichen, daß in die Seitenwangen e22 der Stromrückführung e2 auf ihren der Laserkammer 1 zugewandten Seiten wannenartige Aussparungen eingebracht sind, die sich, beginnend bei einer mit den

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freien Enden 4,0 der Schirmelektroden 4 gebildeten Überlappungszone 4/5 ρ mindestens bis in die Nähe des Grundes 3.0 der Hohlräume 3 erstrecken. Zwischen der Stromrückführung e2 und dem Gehäuse 2 aus Isolationsmaterial befindet sich dann ein Gasraum 5' mit der Dielektrizitätskonstanten nahe 1. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Schirmelektroden 4, wie es Fig. 2 besser zeigt, aus einer Anzahl elektrisch miteinander verbundener Metallstifte 4a bzw. 4b, welche in die als Ausfräsun- gen 3a bzw. 3b ausgeführten Hohlräume 3 eingefügt sind.

Anstelle der Ausfräsungen 3a$ 3b könnten auch entsprechende Bohrungen vorgesehen sein, gebildet von einer Reihe eng benachbart zueinander angeordneter Bohrlöcher, in welche dann die Metallstifte der Schirmelektroden einzufügen sind.

Fig. 5 zeigt perspektivisch im Ausschnitt, daß eine aus einem Metällnetz 40 bestehende Schirmelektrode 4 in einen schlitzförmigen Hohlraum 30 des aus Isolationsmaterial bestehenden Gehäuses 2 eingefügt ist, wobei der Nutengrund dieses taschen- oder nutenförmigen Hohlraumes mit 30.0 bezeichnet ist und aufgrund des Abstandes der Schirmelektroden-Unterkante zu diesem Nutengrund sich wiederum ein schirmelektrodenfreier Raum 30a ergibt (der entsprechende Freiraum ist in Fig. 1 mit 3a bezeichnet). Anstelle des Metallnetzes 4.0 könnte auch ein Blech verwendet sein.

Flg. 6 zeigt, gleichfalls perspektivisch im Ausschnitt, daß die generell mit 4 bezeichneten Schirmelektroden dort als laser- bzw. elektrodenachsparallel gespannte Drähte 400 ausgeführt sind₉ welche in Längsnuten 300 des Gehäusemantels 3 eingebracht sind. Die Potentialverbindung zur ersten Elektrode E1 erfolgt über stirnseitige Querverbinder 400.1, die z.B. als schmale Blechstreifen ausgeführt und in einer entsprechenden, die Längsnuten 300 anschneidenden Quernut 300.1 eingelegt sind. Die elek-

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trische Verbindung zwischen 400.1 und 400 kann z.B. ο durch Quetschverbindung erfolgen, indem die blanken Enden der Drähte 400 in entsprechende, einen ausgeprägten Rand aufweisende Bohrungen der Streifen 400,1 eingefügt und dann die Ausprägungen angequetscht werden. Der schirmelektrodenfreie Freiraum ist hier mit 300a bezeichnet und wird durch einen entsprechenden Schlitz unterhalb der Nuten 300 gebildet.

Fig. 3 und 4 zeigen eine andere Ausführung des Hochenergielasers, bei der das Gehäuse 3 der Laserkammer einschließlich der Stromruckführung mit seitlichen fensterartigen Durchbrüchen 6 zur Ermöglichung einer Lasergasströmung in Richtung a^ quer zur optischen Achse a$ des Lasers versehen ist. Wie es insbesondere Fig. verdeutlicht, ist die im Kern der stehenbleibenden Gehäusewangen-Elemente 7 verlaufende metallische Stromrückführung e2' von einer ersten Schicht 8 aus Isolationsmaterial umgeben. Letztere ist von den Schirmelektroden 4¹ umschlossen, und die Schirmelektroden 4^! sind wiederum von einer zweiten Isolationsmaterialschicht 9 eingekapselt. Die anhand der Figur 1 beschriebenen Freiräume 3a und die Aussparungen 5 können bei diesem Ausführungsbeispiel in entsprechender Weise angeordnet sein (nicht dargestellt).

Fig. 7 zeigt eine Elektroden-Profilform, mit welcher sich im Zusammenwirken mit den Schirmelektroden 4, 4¹ der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele die Potential-Verhältnisse noch weiter verbessern lassen. Bei dieser allgemein (im Ausschnitt dargestellten) mit E bezeichneten Elektrode sind im konvexen Oberflächenbereich 10, dessen Querschnitt durch die gestrichelte Chang- oder Rogowski-Profilumhüllende 11 definiert ist, in Längsrichtung der Elektrode mehrere abgerundete Längsnuten

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eingearbeitet, insbesondere eingefräst, zwischen denen Jeweils längsgezogene Profilhöcker 13 stehen bleiben. Ein solches modifiziertes Chang- oder Rogowski-Profil hat die Wirkung, daß die radialen Feldkomponenten auf Kosten der tangentiellen welter verstärkt werden,
wodurch die Abschirmwirkung der Schirmelektroden 4
und die den Wellenwiderstand für Gleitfunken erhöhende Wirkung der Hohlräume 5 unterstützt wird. Der Pilzstiel der vorzugsweise aus einer halogenbeständigen Metall-Legierung, z.B. Edelstahl oder Aluminium, bestehenden Elektrode E ist mit e30, ihr Pilzkopf mit e301 bezeichnet. Das Chang- oder Rogowski-Grundprofil wurde nur beispielhaft erwähnt? auch andere Profilformen wären geeignet.

7 Figuren

9 Patentansprüche

Claims

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Patentansprüche

η J Hochenergielaser des TE-Typs, mit Anregung durch möglichst homogene, lichtbogenfreie Kondensatοrentladung im Gasraum zwischen mindestens zwei parallel zur optischen Achse des Lasers innerhalb einer Laserkammer sich erstreckenden und mit Abstand einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Elektroden, die mit einer geeigneten Vorionisierungsvorrichtung innerhalb des zumindest teilweise aus hochspannungsfestem Isolationsmaterial bestehenden Gehäuses der Laserkammer angeordnet und an einer Stromzuführung bzw. an eine Stromrückführung angeschlossen sind₉ wobei die Stromrückführung in Form metallischer Wandpartien von der zweiten Elektrode längs des Gehäusemantels der Laserkammer zurück zumindest bis in die Nähe des die erste Elektrode umgebenden Gehäusewandbereiches sich erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß - in Laserachsrichtung betrachtet - beidseits der an die Stromzuführung angeschlossenen ersten Elektrode (E1) und zur ihr achsparallel sich erstreckend im Raum zwischen der besagten Elektrode einerseits und Seitenwangen (e22) der Stromrüekführung (e2) andererseits Hohlräume (3) in das Isolationsmaterial des Gehäusemantels (2) eingebracht und daß in die Hohräume (3) Schirmelektroden (4) eingefügt sind, die an das Potential der ersten Elektrode (E1) angeschlossen sind.
2. Hochenergielaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t^y daß sich die Hohlräume (3) in Richtung auf die^die zweite Elektrode (E2) umgebende Gehäusewandbereiche tiefer erstrecken als die Länge der Schirmelektroden (4) in dieser Richtung beträgt.

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3. Hochenergielaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Hohlräume (3) beginnend auf der Höhe des Elektrodenfußes (e1O) der ersten Elektrode (E1) bis hin zur Höhe des Elektrodenfußes (e20) der zweiten Elektrode (E2) erstrecken.
4. Hochenergielaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Seitenwangen (e22) der Stromrückführung (e2) auf ihren der Laserkammer (1) zugewandten Seiten wannenartige Aussparungen (5) eingebracht sind, die sich, beginnend bei einer mit den freien Enden der Schirmelektroden (4) gebildeten Überlappungszone (4/5), mindestens bis in die Nähe des Grundes (3.0) der Hohlräume (3) erstrecken.
5. Hochenergielaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schirmelektroden (4) aus einer Anzahl elektrisch miteinander verbundener Metallstifte (4a) bestehen, welche in als Ausfräsungen oder Bohrungen ausgeführte Hohlräume (3a) eingefügt sind, wobei die Bohrungen jeweils von einer Reihe eng benachbart zueinander angeordneter Bohrlöcher gebildet sind.
6. Hochenergielaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t, daß eine aus Blech oder einem Metallnetz bestehende Schirmelektrode (40) in einen schlitzförmigen Hohlraum (30) eingefügt ist.
7. Hochenergielaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schirmelektroden als laser- bzw. elektrodenachsparallel gespannte Drähte (400) ausgeführt sind, welche in Längsnuten (300) des Gehäusemantels (3) eingebracht und mit der ersten Elektrode (E1) verbunden sind.

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8. Hochenergielaser nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse der Laserkammer einschließlich der Stromrückführung mit seitlichen fensterartigen Durchbrüchen zur Ermöglichung einer Lasergasströmung quer zur optischen Achse des Lasers versehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß die im Kern der stehenbleibenden Gehäusewangen-Elemente verlaufende metallische Stromrückführung (e2^f) von einer ersten Schicht (8) aus Isolationsmaterial umgeben ist, daß letztere von den Schirmelektroden (4·) umschlossen und daß die Schirmelektroden wiederum von einer zweiten Isolationsmaterialschicht (9) eingekapselt sind.
9. Hochenergielaser nach Anspruch 1, mit einer z.B. ein Chang- oder Rogowski-Profil aufweisenden Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß im Oberflächenbereich (10) der Elektrode (E) in deren Längsrichtung mehrere abgerundete Längsnuten (12) eingearbeitet sind, zwischen den jeweils längsgezogene Profilhöcker (13) innerhalb der Profilumhüllenden (11) stehen bleiben.