DE3126375C2

DE3126375C2 - Transversal angeregter Hochenergielaser

Info

Publication number: DE3126375C2
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: 1986-11-13
Also published as: FR2509096B1; DE3126375A1; US4503542A; JPS6322636B2; AU8554582A; CA1159939A; GB2102191A; AU554956B2; FR2509096A1; GB2102191B; JPS5825289A

Abstract

Hochenergielaser der TE-Typs, mit Anregung durch möglichst homogene, lichtbogenfreie Kondensatorentladung im Gasraum zwischen mindestens zwei parallel zur optischen Achse des Lasers innerhalb einer Laserkammer (1) sich erstreckenden und mit Abstand einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Elektroden (E1, E2) mit einer geeigneten Vorionisierungseinrichtung, die innerhalb des zumindest teilweise aus hochspannungsfestem Isolationsmaterial bestehenden Gehäuse (3) der Laserkammer (1) angeordnet und an eine Stromzuführung (e1) bzw. an eine Stromrückführung (e2) angeschlossen sind. Die Stromrückführung erstreckt sich in Form metallischer Wandpartien von der zweiten Elektrode (E2) längs des Gehäusemantels (3) der Laserkammer (1) zurück zumindest bis in die Nähe des die erste Elektrode (E1) umgebenden Gehäusewandbereiches. In Laserachsrichung betrachtet sind beidseits der an die Stromzuführung (e1) angeschlossenen ersten Elektrode (E1) und zur ihr achsparallel sich erstreckend im Raum zwischen der besagten Elektrode einerseits und Seitenwangen (e22) der Stromrückführung (e2) andererseits Hohlräume (3) in das Isolationsmaterial des Gehäusemantels (3) eingebracht. In die Hohlräume (3) sind Schirmelektroden (4) eingefügt, die an das Potential der ersten Elektrode (E1) angeschlossen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen transversal angeregten Hochenergielaser 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 des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein solcher Hochenergielaser ist aus der EP-OS 24 576 bekannt. Geeignete Vorionisierungseinrichtungen für solche Hochenergielaser sind in der älteren Anmeldung DE-OS 30 35 730 beschrieben.
Derartige TE-Laser (TE = transversely excited) werden in kostengünstiger Ausführung und mit hoher mittlerer Strahlungsleistung für fotochemische Anwendungen, inbesondere im industriellen Bereich, benötigt. Für den Betrieb dieser Laser sind möglichst hohe Stromanstiegsgeschwindigkeiten notwendig, die durch eine Minimierung der Induktivitäten de? 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 sogar die Laseremission.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Hochenergielaser der eingangs definierten Art so auszubilden, daß bei kompakter Bauweise parasitäre Gleitentladüngen an seinen Innenwadungen 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 2 bis 8 beschrieben. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor aliem darin zu sehen, daß ein sehr induktivitätsarmer, kompakter Hochenergielaser geschaffen wurde, der vollständig bzw. weitestgehend gleitfunkenfrei arbeitet, so daß seine Verluste sehr gering sind und die Qualität des Lasergases langer erhalten bleibt.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung vier

Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Laserkammer;

F i g. 2 den Schnitt längs der Linie H-II aus F i g. 1 im Ausschnitt;

F i g. 3 eine Seitenansicht einer Laserkammer mit fensterartigen Gehäusedurchbrflchen zur Erzeugung einer transversalen Gasströmung;

F i g. 4 eintii Teilschnitt längs der Schnittlinie IV-IV aus Fig.3;

F i g. 5 und 6, perspektivisch im Ausschnitt, eine aus Drähten gebildete bzw. eine netzförmige Schirmelektrode.

F i g. 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 zv/ischen den beiden Elektroden £1 und E2 des Lasers angeregt wird. Die beiden Elektroden £1 und £2 erstrecken sich parallel zur optischen Achse a O des Lasers und Hegen einander mit Abstand gegenüber, wobei der kürzeste Abstand S die Schlagweite ist Das hier rechteckige Gehäuse 2 der Laserkammer 1 besteht vorzugsweise aus hochreiner AbO3-Keramik bzw. einem geeigneten isolierendem Kunststoffmaterial; als äußerer Teil des Gehäuses 2 können auch die metallischen Wandpartien e21 und Seitenwangen e22 der Stromrückführung e'l für die Elektrode £2 angesprochen werden. Die erste Elektrode £ 1 ist über die Leitung e 1 an den einen Pol und die zweite Elektrode £2 über die Stromrückführung e 2 an den anderen Pol eines geeigneten pulserzeugenden Netzwerks PFN angeschlossen, das, in Blümlein-Schaltung oder als Charge-Transfer-Kreis arbeitend, die notwendigen Hochspannungsimpulse liefert, wie dies in der EP-OS 24 576 beschrieben ist. An das PFN sind auch die stabforrnigen Vorionisierungsvorrichtung Vl, welche achsparallel zu und in unmittelbarer Nähe der ersten Elektrode E1 angeordnet ist, und die stabförmige Vorionisierungsvorrichtung V 2, welche achsparallel zur zweiten Elektrode £2 und in deren unmittelbarer Nähe angeordnet ist, angeschlossen. Schaltung und Ausbildung derartiger Vorionisierungsstäbe sind in der zum Stand der Technik zählenden DE-OS 30 35 730 näher beschrieben. Die Elektroden £ 1 und £2 ragen jeweils mit einem e'er Stromzuführung dienenden pilzstielförmigen Elektrodenfuß elO bzw e 20 und mit einem der Stromverteilung dienenden Pilzhut elOl bzw. e201 in die Laserkammer 1; sie sind gasdicht in entsprechende Durchbrüche des Lasergehäuses 2 eingesetzt. Es ist ersichtlich, daß die Stromrückführung e 2 in Form der metallischen Wandpartien e 21 (Fußplatte) und e 22 (die beiden Seitenwangen) von der zweiten Elektrode £2 längs des Mantels des Gehäuses 2 sich zumindest bis in die Nähe des die erste Elektrode £ 1 umgebenden Gehäusewandbereiches erstreckt. M ist die Masseverbindung für die Stromrückführung e 2 bzw. die zweite Elektrode £2.

Unmittelbar vor dem Durchzünden des Gasraumes liegen die zweite Elektrode £2 und die Stromrückführung e 2 auf gleichem Potential, während die erste Elektrode £ 1 sich auf einem dazu unterschiedlichen Potential befindet. Dadurch bildet sich zwischen den Elektroden £1 und £2 das elektrische Feld Fl aus, das unter anderem durch die Potentialdifferenz und die Schlagweite 5 sowie die Elektrodenform gegeben ist. Gleichzeitig besteht aber auch ein elektrisches Feld zwischen der ersten Elektrode E i und der Stromrückführung e 2, 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 ersten Elektrode £ 1. Sind nun die Abstände 5 und a vergleichbar, so würde ein großer Anteil der Feldlinien in das Isolationsmaterial des Gehäuses 2 eindringen und die Entladung auf das Isolationsmaterial gedrängt werden (wodurch die Ausbildung von Gleitfunken auf dem Isolationsmaterial gefördert würde), wenn dies nicht durch den im folgenden beschriebenen Gleitfunkenschutz verhindert würde. Dabei vermeidet die Erfindung eine wesentliche Vergrößerung des Abstandes a (bei festgehaltenem Abstand S), weil eine solehe Maßnahme zu einer schädlichen und deshalb unerwünschten Erhöhung der Induktivität des Lasergehäuses führen würde. Sind stattdessen — in Laserachsrichtung ao betrachtet — beidseits der an die Stromzuführung angeschlossenen ersten Elektrode £1 und zu ihr achsparallel sich erstreckend im R., ,m zwischen dieser ersten Elektrode E1 einerseits und de.". Seitenwangen e22 der Stromrückführung e2 andererseits Hohlräume

3 in das Isolationsmaterial des Gehäusemantels 7 eingebracht, in welche Schirmelektroden 4 eingefügt sind. Die Schirr elektroden 4 sind an die erste Elektrode £ 1 galvanisch oder kapazitiv (Verbindung 4.1) angeschlossen. Auf diese Weise wird der Einfluß der Stromrückführung e 2 auf den Feldverlauf im Bereich der ersten Elektrode £ 1 reduziert, und das elektrische Feld im Lasergehäuse wird im wesentlichen durch die Elektroden £1 und £2 bestimmt, wobei außerhalb des Gasraumes zwischen 4 und el sich die seitlichen Felder Fs ergeben. Es erstrekken sich die Hohlräume 3, beginnend von den die erste Elektrode £1 umgebender¹, Gehäusewandbereichen bis hin zu den die zweite Elektrode £2 umgebenden Gehäusewandbereichen. tiefer als die Länge 14 der Schirrnelektroden 4 in dieser Richtung beträgt. Dadurch werden weitgehend Rückwirkungen der Schirmele>-:troden

4 auf das Feld im Bereich der zweiten Elektrode £2 vermieden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn — wie dargestellt — die Hohlräume 3 beginnend auf der Höhe des Elektrodenfußes e 10 der ersten Elektrode £ 1 bis hin zur Höhe des Elektrodenfußes c 20 der zweiten Elektrode £2 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 e 22 der Stromrückführung e 2 auf ihren der J .asc. kjmmer 1 zugewandten Seiten wannenartige Aussparungen 5 eingebracht sind, die sich, beginnend bei einer mit den freien Enden 4.0 der Schirmeiektroden 4 gebildeten Überlappungszone 4/5, mindestens bis in die Nähe des Grundes 3.0 der Hohlräume 3 erstrecken. Zwischen der S.romrückführur.g 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 F i g. 2 besser zeigt, aus einer Anzahl elektrisch miteinander verbundener Metallstifte 4a bzw. 46, welche in die a's Ausfräsungen ausgeführten Hohles räume 3 eingefügt sind. Anstelle der Ausfräsungen könnten auch entsprechende Bohrungen vorgesehen sein, gebildet von einer Reihe eng benachbart zueinander angeordneter Bohrlöcher, in weiche dann die Me-

tallsiifte der Schirmelektroden einzufügen sind.

Fig.5 zeigt perspektivisch im Ausschnitt, daß eine aus einem Metallnetz 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 40 könnte auch ein Blech verwendet sein.

F i g. 6 zeigt, gleichfalls perspektivisch im Ausschnitt, daß die generell mit 4 bezeichneten Schirmelektroden dort als laser- bzw. elektrodenachsparallel gespannte Drähte 400 ausgeführt sind, welche in Längsnuten 300 des Mantels des Gehäuses 2 eingebracht sind. Die Potentialverbindung zur ersten Elektrode El erfolgt über stirnseitige Querverbinder 4öö.i, die z. B. ais schmaie Blechstreifen ausgeführt und in einer entsprechenden, die Längsnuten 300 anschneidenden Quernut 300.1 eingelegt sind. Die elektrische Verbindung zwischen dem Querverbinder 400.1 und den Drähten 400 kann z. B. durch Quetschverbindung erfolgen, indem die blanken Enden der Drähte 400 in entsprechende, einen ausgeprägten Rand aufweisende Bohrungen der Querverbinder 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 Längsnuten 300 gebildet.

F i g. 3 und 4 zeigen eine andere Ausführung des Hochenergielasers, bei der das Gehäuse 2 der Laserkammer 1 einschließlich der Stromrückführung mit seitlichen fensterartigen Durchbrüchen 6 zur Ermöglichung einer Lasergasströmung in Richtung a\ quer zur optischen Achse soass Lasers versehen ist Wie es insbesondere F i g. 4 verdeutlicht, ist die im Kern der stehenbleibenden Gehäusewangen-Elemente 7 verlaufende metallische Stromrückführung e 2' von einer ersten Schicht 8 aus Isolationsmaterial umgeben. Letztere ist von den Schirmelektroden 4' umschlossen, und die Schirmelektroden 4' sind wiederum von einer zweiten Isolationsmaterialschicht 9 eingekapselt Die anhand der F i g. 1 beschriebenen Freiräume 3a und die Aussparungen 5 können bei diesem Ausführungsbeispiel in entsprechender Weise angeordnet sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Transversal angeregter Hochenergielaser mit Anregung durch möglichst homogene, lichtbogenfreie Kondensatorentladung im Gasraum zwischen mindestens zwei parallel zur optischen Achse des Lasers innerhalb einer Lasericammer sich erstrekkenden und mit Abstand einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Elektroden (El, E2), die mit einer Vorionisierungsvorrichtung (Vl, V2) innerhalb des zumindest teilweise aus hochspannungsfestem Isolationsmaterial bestehenden Gehäuses der Laserkammer angeordnet und an seiner Stromzuführung bzw. an eine Stromrückführung angeschlossen sind, wobei die Stromrückführung in Form metallischer Wandpartien von der zweiten Elektrode (E 2) 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 (El) und zu ihr achsparallel sich erstreckend im Raum zwischen der ersten Elektrode einerseits und Seitenwangen (e 22) der btromrückführung (e 2) andererseits Hohlräume (3) in das Isolationsmaterial des Gehäusemantels (2) eingebracht und daß in die Hohlräume (3) Schirmelektroden (4) eingefügt sind, die an das Potential der ersten Elektrode (E 1) angeschlossen sind.

2. Transversal angtregter .iochenergielaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Hohlräume (3) in Richtung au die die zweite Elektrode (E 2) umgebende Gehäusewandbereiche tiefer erstrecken als die Länge der Schirmelektroden (4) in dieser Richtung beträgt.

3. Transversal angeregter Hochenergielaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Hohlräume (3) beginnend auf der Höhe des Elektrodenfußes (e 10) der ersten Elektrode (E 1) bis hin zur Höhe des Elektrodenfußes (e 20) der zweiten Elektrode (E 2) erstrecken.

4. Transversal angeregter Hochenergielaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Seitenwangen fe22) 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. Transversal angeregter Hochenergielaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmelektroden (4) aus einer Anzahl elektrisch miteinander verbundener Metallstifte (4a) bestehen, welche in als Ausfräsungen oder Bohrungen ausgeführte Hohlräume (3) eingefügt sind, wobei die Bohrungen jeweils von einer Reihe eng benachbart zu-

. einander angeordneter Bohrlöcher gebildet sind.

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6. Transversal angeregter Hqchenergielaser nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Blech oder einem Metallnetz (40) bestehende Schirmelektrode (4) in einen schlitzförmigen Hohlraum (30) eingefügt ist.

7. Transversal angeregter Hochenergielaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmelektroden als laser- bzw. elektrodenachsparallel gespannte Drähte (400) ausgeführt sind, weiche in Längsnuten (300) des Mantels des Gehäuses (2) eingebracht sind.

8. Transversal angeregter Hochenergielaser nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse der Laserkammer einschließlich der Stromrückführung mit seitlichen fensterartigen Durchbrüchen zur Ermöglichung einer Lasergasströmung quer zur optischen f· chse des Lasers versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kern der stehenbleibenden Gehäusewangen-Elemente verlaufende metallische Stromrückführung (e 2') von einer ersten Schicht (8) aus Isolationsmaterial umgeben ist, daß letztere von den in entsprechenden Hohlräumen angeordneten Schirmelektroden (4') umschlossen und daß die Schirmelektroden wiederum von einer zweiten Isolationsmaterialschicht (9) eingekapselt sind.