DE3136221A1 - "DEVICE FOR GENERATING A LASER ACTIVE STATE IN A QUICK SUBSURM FLOW" - Google Patents
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Description
HOEGER, STELiLR-EO'Kt·^-PaXRTNERHOEGER, STELiLR-EO'Kt · ^ -PaXRTNER
P A T P- N Γ A N V« Λ L T P
UHLANDSTRASSE 14 r D /C)OO StU"tn,APr ιPAT P- N Γ ANV «Λ LTP
UHLANDSTRASSE 14 r D / C) OO StU "tn, APr ι
A 44 781 U Anmelder: Deutsche Forschungs- undA 44 781 U Applicant: German research and
u - 183 Versuchsanstalt für Luft-u - 183 Research Institute for Air
1. September 1981 und Raumfahrt e.V.September 1, 1981 and Raumfahrt e.V.
5300 Bonn5300 Bonn
Beschreibung ;Description ;
Vorrichtung zur Erzeugung eines
laseraktiven Zustandes in einer
schnellen UnterschallströmunoDevice for generating a
laser-active state in one
fast subsonic flow
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines laseraktiven Zustands in einer schnellen Unterschallströmung
mit einem Strömungskanal, mit einem ersten Elektrodenpaar mit einander gegenüberliegenden dielektrischen
Elektroden im Wandbereich des Strömunaskanals sowie einem
zweiten Elektrodenpaar, dessen eine Elektrode im Strömungskanal stromaufwärts der Entladung, dessen andere Elektrode
im Strömungskanal stromabwärts der Entladung angeordnet
sind, wobei die Elektroden des ersten Elektrodenpaares mit einer HF-Spannungsouelle verbunden sind.The invention relates to a device for generating a laser-active state in a fast subsonic flow with a flow channel, with a first pair of electrodes with opposing dielectric electrodes in the wall area of the flow channel and a second pair of electrodes, one electrode in the flow channel upstream of the discharge and the other electrode in the flow channel arranged downstream of the discharge
are, wherein the electrodes of the first pair of electrodes are connected to an HF voltage source.
Seit langem werden elektrische Glimmentladungen zur Anregung von Molekülgasen für Laser, insbesondere für CO2-Laser, angewandt. Die Entwicklung von CO2-Lasern begann mit Längsentladungen in Glasrohren. Dabei ist die auskoppelbare Leistung aufgrund der Wärmeabfuhr des Plasmas zur WandFor a long time, electric glow discharges have been used to excite molecular gases for lasers, in particular for CO 2 lasers. The development of CO 2 lasers began with longitudinal discharges in glass tubes. The power that can be coupled out is due to the heat dissipation of the plasma to the wall
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A 44 781 uA 44 781 u
u - 183u - 183
1. September 1981 4 -September 1, 1981 4 -
durch Diffusion auf ca. 80 W/m begrenzt.limited by diffusion to approx. 80 W / m.
Eine Steigerung der spezifischen Ausgangsleistung erzielt man mit konvektiver Wärmeabfuhr in einer schnellen Strömung in Längsrichtung des Entladungsrohres. Zusammen mit einer Entladungsstabilisierung durch Turbulenzbildung erreicht man 500 W/m. Die resultierenden hohen Strömungswiderstände erfordern hohe Druckdifferenzen zu ihrer Überwindung und bedingen ein aufwendiges Pumpsystem für den Gaskreislauf.An increase in the specific output power can be achieved with convective heat dissipation in a fast flow in the longitudinal direction of the discharge tube. Achieved together with a discharge stabilization through the formation of turbulence one 500 W / m. The resulting high flow resistances require high pressure differentials to overcome them and require a complex pumping system for the gas cycle.
Quergeströmte Laser, bei denen in einer Strömung senkrecht zur optischen Achse eine stärkere Wärmeabfuhr erfolgt, erbringen höhere Leistungen. Die elektrische Entladung ist dabei entweder senkrecht oder parallel der Strömung überlagert. Beide Verfahren erfordern besondere Maßnahmen zur Entladungsstabilisierung. So neigt die Entladung in Strömungsrichtung zu Einschnürungen aufgrund von Inhomogenitäten, insbesondere der Temperatur und der Elektronendichte, die durch die in der Strömung liegenden Elektroden bedingt sind. Zur Unterdrückung der von solchen Stellen ausgehenden Instabilitäten müssen starke Turbulenzen angefacht werden, was den Einsatz apparativer Maßnahmen erfordert (Nighan et al in Appl. Phys. Lett. 25^ 633, 1974).Cross-flow lasers, in which stronger heat dissipation occurs in a flow perpendicular to the optical axis higher performance. The electrical discharge is superimposed either vertically or parallel to the flow. Both processes require special measures to stabilize the discharge. So the discharge tends in the direction of flow to constrictions due to inhomogeneities, in particular the temperature and the electron density, which are caused by the electrodes lying in the flow. To suppress those emanating from such places Instabilities must be fanned strong turbulence, which requires the use of technical measures (Nighan et al in Appl. Phys. Lett. 25 ^ 633, 1974).
Bei Entladungen senkrecht zur Strömung müssen Maßnahmen ergriffen werden, die einer Verschleppung der Entladung in Strömungsrichtung entgegenwirken.In the case of discharges perpendicular to the flow, measures must be taken to prevent the discharge from being carried over into Counteract the direction of flow.
Derartige Querentladungen sind in mehreren Variationen intensiv untersucht worden:Such cross discharges have been intensively investigated in several variations:
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1. September 19 81 5September 1, 19 81 5
1. Selbständige Gleichstromentladungen:1. Independent direct current discharges:
Bei diesen kann aufgrund des direkten Zusammenhangs zwischen Feldstärke und Ladungsträgererzeugung (extreme Abhängigkeit des lonisationskoeffizienten von der elektrischen Feldstärke) in stabiler Weise nur eine begrenzte Leistungsdichte erzielt werden. Zur Stabilisierung der Entladung sind daher Elektroden mit starker Segmentierung und aufwendiger Kühlung mit einem Netz von Vorwiderständen erforderlich.Due to the direct relationship between field strength and charge carrier generation (extreme Dependence of the ionization coefficient on the electric field strength) only a limited power density can be achieved in a stable manner. For stabilization the discharge are therefore electrodes with strong segmentation and complex cooling with a network of series resistors required.
2. Kombinierte Entladungen:2. Combined discharges:
Durch Trennen der Funktionen Ladungsträgererzeugung und Vibrationsanregung erzielt man eine Verbesserung der Entladungsstabilität und damit eine Leistungsdichteerhöhung. Bekannte Methoden der getrennten Ladungsträgererzeugung sind die folgenden:By separating the charge carrier generation and vibration excitation functions, an improvement in the Discharge stability and thus an increase in power density. Known methods of separate charge carrier generation are the following:
a) Pulser-Sustainer:a) Pulser Sustainer:
Einer unselbständigen Gleichstromentladung niedriger elektrischer Feldstärke sind kurze Hochspannungspulse hoher Frequenz zur Ionisierung des Plasmas überlagert. Die Feldstärke der Gleichstromentladung ist im allgemeinen niedriger als bei selbständigen Entladungen und auf optimale Vibrationsanregung des Molekülgases abgestimmt. Die kurzen Hochspannungsimpulse erzeugen eine hohe Elektronendichte in einem stabilen, zeitlich überwiegend rekombinierenden Plasma. Die Verbesserung der Entladung wird jedoch mit einer komplizierten Energieversorgung erkauft. Dieses Konzept wurde durch eine zusätzlich überlagerteAn independent direct current discharge with a low electrical field strength is made up of short high-voltage pulses high frequency for ionization of the plasma superimposed. The field strength of the direct current discharge is generally lower than with independent discharges and for optimal vibration excitation of the molecular gas Voted. The short high voltage pulses generate a high electron density in one stable, temporally predominantly recombining plasma. However, the improvement in discharge will be with bought a complicated energy supply. This concept was superimposed by an additional
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UV-Vorionisierung zur sogenannten PΙΕ-Entladung weiterentwickelt (NAM et al in IEEE J.Quantum Electronics, QE JJ5, 44,1979) .UV pre-ionization further developed for the so-called PΙΕ discharge (NAM et al in IEEE J. Quantum Electronics, QE JJ5, 44, 1979).
b) Unselbständige Gleichstromentladung mit Elektronenstrahlionisierung: b) Dependent direct current discharge with electron beam ionization:
Mit diesem Konzept sind die besten Leistungsdaten zu erzielen, die Anlage ist jedoch aufwendig und empfindlich. Der Elektronenstrahl wird über eine dünne Metallfolie in die Entladung eingekoppelt, deren Bruch zu schwerwiegenden Betriebsstörungen führt. Der Betrieb ist nicht unproblematisch, da hohe Spannungen und eine Abschirmung gegen Röntgenstrahlen erforderlich sind.The best performance data can be achieved with this concept, but the system is complex and sensitive. The electron beam is coupled into the discharge via a thin metal foil Breakage leads to serious operational disruptions. Operation is not without problems, because of the high voltages and X-ray shielding is required.
3. Selbständige Hochfrequenzentladungen:3. Independent high frequency discharges:
Der zeitlichen Änderung des elektrischen Feldes entsprechend besteht die Hochfrequenzentladung aus einer alternierenden Folge von kurzen selbständigen und langen unselbständigen Entladungsphasen bei zeitlich konstanter Elektronendichte. In einem rekombinationsbestimmten Plasma verschiebt sich der Einsatz von Volumeninstabilitäten zu höheren spezifischen Leistungsdichten. Die Hochfrequenzentladung bietet die Möglichkeit, durch geeignete Wahl der Frequenz die Verluste an Ladungsträgern zu verringern. Dies geschieht, indem die Amplitude der Elektronendriftbewegung klein gegenüber dem Abstand der Elektroden gehalten wird. Die Einkopplung der Hochfrequenzenergie kann über metallische Elektroden oder kapaz itiv erfolgen (Europäische Offenlegungsschrift 32 80, US-Patentschrift 3 748 594;The high-frequency discharge consists of one corresponding to the change in the electric field over time alternating sequence of short independent and long dependent discharge phases with constant over time Electron density. In a recombination-determined plasma, the use of volume instabilities shifts to higher specific power densities. The high frequency discharge offers the possibility of to reduce the loss of charge carriers through a suitable choice of frequency. It does this by using the The amplitude of the electron drift movement is kept small compared to the distance between the electrodes. The coupling the high-frequency energy can be carried out via metallic electrodes or capacitively (European Offenlegungsschrift 3,280, U.S. Patent 3,748,594;
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1. September 1981 - 7 -September 1, 1981 - 7 -
Gavrilyuk et al in Sov. J.Quantum Electron. £, 326, 1979; Christensen et al in IEEE Quantum Electronics QE 16, 949, 1980).Gavrilyuk et al in Sov. J. Quantum Electron. £ .326. 1979; Christensen et al in IEEE Quantum Electronics QE 16, 949, 1980).
Bei der elektrodenbehafteten Einkopplung ergibt sich gegenüber der Gleichstromentladung der weitere Vorteil, daß der Polaritätswechsel die Kathodenfunktion der jeweiligen Elektrode periodisch in Zeiten unterbricht, die sehr viel kleiner sind als die typische Anwachszeit von thermischen Instabilitäten, die sonst von der Kathode ausgehen würden. Deshalb kann im Vergleich zu Gleichstromentladungen die HF-Entladung über besonders einfach aufgebaute Elektroden mit grober Segmentierung eingekoppelt werden. Weiterhin besitzt die Hochfrequenzentladung eine positive Strom-Spannungs-Charakteristik, wodurch sich die sonst übliche Ohmsche Stabilisierung erübrigt (DE-Patentschrift 29 17 995; Schock et al in LASER + Elektro-Optik 2, 76, 1981).When coupling in with electrodes, there is the further advantage over direct current discharge that the change in polarity periodically interrupts the cathode function of the respective electrode at times that are very much are smaller than the typical growth time of thermal instabilities that would otherwise originate from the cathode. Therefore, in comparison to direct current discharges, the HF discharge can be carried out using particularly simple electrodes be coupled with coarse segmentation. Furthermore, the high-frequency discharge has a positive current-voltage characteristic, which eliminates the need for the otherwise customary ohmic stabilization (DE patent specification 29 17 995; Schock et al in LASER + Elektro-Optik 2, 76, 1981).
Es ist weiterhin bekannt, einem parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden elektrischen Gleichfeld ein quer zur Strömung gerichtetes elektrisches HF-Feld zu überlagern und dadurch die Leistungsdichte der Entladung zu erhöhen (Eckbreth et al in Appl. Phys. Elett. 2±, 25 1972). Die ' Überlagerung des Hochfrequenzfeldes dient dabei der Stabilisierung der Gleichstromlängsentladung. Bei dieser Anordnung ergibt sich jedoch nach wie vor die Schwierigkeit, daß aufgrund der im Kanalquerschnitt angeordneten metallischen Elektroden Inhomogenitäten die Leistungsdichte begrenzen. It is also known to superimpose an electric HF field directed transversely to the flow on a constant electric field running parallel to the direction of flow and thereby to increase the power density of the discharge (Eckbreth et al in Appl. Phys. Elett. 2 ±, 25 1972). The superposition of the high-frequency field serves to stabilize the direct current longitudinal discharge. With this arrangement, however, there is still the problem that, due to the metallic electrodes arranged in the channel cross-section, inhomogeneities limit the power density.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung dieser bekannten Art derart weiterzubilden, daß in einemThe invention is based on the object of a device to develop this known type in such a way that in one
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schnellströmenden Gas eine homogene elektrische Anregung hoher Leistungsdichte möglich ist.fast-flowing gas a homogeneous electrical excitation of high power density is possible.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Elektroden des zweiten Elektrodenpaares mit einer zweiten HF-Spannungsquelle verbunden sind, und daß die Elektroden
des zweiten Elektrodenpaares mehrere über den Querschnitt des Strömungskanals verteilte dielektrische Einzelelektroden
umfassen, die einen von einem dielektrischen Material allseits umgebenen metallischen Kern aufweisen.This object is achieved according to the invention in a device of the type described at the outset in that the
Electrodes of the second pair of electrodes are connected to a second HF voltage source, and that the electrodes of the second pair of electrodes comprise several dielectric individual electrodes distributed over the cross section of the flow channel and having a metallic core surrounded on all sides by a dielectric material.
Durch die Verbindung des zweiten Elektrodenpaares mit einer HF-Spannungsquelle erhält man ein elektrisches Feld,
dessen elektrischer Feldvektor sich bezüglich Betrag und/ oder Richtung ändert.By connecting the second pair of electrodes to an HF voltage source, an electric field is obtained,
whose electric field vector changes in magnitude and / or direction.
Die Stabilisierung beruht im wesentlichen auf den folgenden Effekten:The stabilization is essentially based on the following effects:
a) Die Richtungsänderung des elektrischen Feldvektors unterdrückt das Anwachsen von richtungsbestimmten Instabilitäten. a) The change in direction of the electric field vector is suppressed the growth of directional instabilities.
b) Die Betragsänderung des elektrischen Feldvektors führt dazu, daß sich selbständige und unselbständige Entladungsphasen
abwechseln. Während der unselbständigen
Entladungsphase ist das Plasma rekombinationsbestimmt
und wirkt dadurch stabilisierend.b) The change in the amount of the electric field vector leads to the fact that independent and dependent discharge phases alternate. During the employed
During the discharge phase, the plasma is determined by recombination
and thus has a stabilizing effect.
Für den Spezialfall der senkrechten Überlagerung und der
zeitlichen Phasenverschiebung von ^ ergibt sich ein umlaufender Feldstärkevektor konstanten Betrages.For the special case of the vertical overlay and the
temporal phase shift of ^ results in a circumferential field strength vector of constant magnitude.
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Günstig kann es auch sein, wenn die beiden HF-Spannungsquellen verschiedene Frequenzen ohne Phasenkopplung erzeugen .It can also be beneficial if the two HF voltage sources generate different frequencies without phase coupling .
Für den Fall ungleicher Frequenz der Generatoren und fehlender Phasenkopplung ergibt sich ein Feldstärkevektor mit statistischer Winkelgeschwindigkeit und Modulation des Betrages. In the event of unequal frequency of the generators and a lack of phase coupling, a field strength vector results statistical angular velocity and modulation of the amount.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß bereits ein Experiment bekannt geworden ist, bei dem innerhalb einer Glasröhre die Entladung mit gleichförmig rotierendem E-Feldvektor betrieben wird (Zhilinskii et al in Sov. Phys. Tech. Phys. 23, 1293, 1978). Die Einkopplung der Hochfrequenzenergie erfolgt dabei durch zwei Elektrodenpaare, die außerhalb eines Glasrohres angeordnet sind. Aufgrund dieser Rohranordnung ist die erzielbare Leistungsdichte begrenzt, was durch die erreichte eingekoppelte elektrische Leistungsdichte von 4 W/cm offenkundig wird.In this context it should be noted that an experiment has already become known in which within a Glass tube, the discharge is operated with a uniformly rotating E-field vector (Zhilinskii et al in Sov. Phys. Tech. Phys. 23, 1293, 1978). The coupling of the high frequency energy takes place through two pairs of electrodes which are arranged outside of a glass tube. Because of this tube arrangement, the achievable power density is limited, which is achieved by the coupled electrical Power density of 4 W / cm becomes evident.
Bei dieser Gestaltung wäre eine begrenzte Leistungssteigerung durch zusätzliche überlagerung einer Längsströmung im Rohr denkbar. Demgegenüber ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung des zweiten Elektrodenpaares im Strömungskanal und die Auflösung desselben in Einzelelektroden eine Überlagerung einer Querströmung mit hoher Gasgeschwindigkeit. Damit können die Vorzüge eines rotierenden elektrischen Feldes mit denen eines raschen Gasaustausches in der Entladung kombiniert werden.With this design there would be a limited increase in performance conceivable through additional superimposition of a longitudinal flow in the pipe. In contrast, the inventive Arrangement of the second pair of electrodes in the flow channel and the dissolution of the same into individual electrodes is an overlay a cross flow with high gas velocity. This allows the benefits of a rotating electric field can be combined with those of a rapid gas exchange in the discharge.
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1. September 19 81 1o -September 1, 19 81 1o -
Die in Ein ze !.elektroden aufgelöste stromaufwärts des Entladungsbereichs angeordnete Elektrode hat darüberhinaus jedoch auch eine strömungstechnische Wirkung, sie homogenisiert nämlich die in den Entladungsbereich eintretende Gasströmung. In ähnlicher Weise hat auch die stromabwärts gelegene, in einzelne Elektroden aufgelöste Elektrode eine zusätzliche Wirkung, sie begrenzt nämlich den Entladungsbereich auf der stromabwärts gelegenen Seite des Entladungsbereichs und verhindert dadurch wirkungsvoll eine Verschleppung der Entladung in Strömungsrichtung.The dissolved into individual electrodes upstream of the discharge area In addition, however, the arranged electrode also has a fluidic effect, homogenizing it namely the gas flow entering the discharge area. Similarly, the downstream has too located electrode dissolved into individual electrodes has an additional effect, namely it limits the discharge area on the downstream side of the discharge area and thereby effectively prevents the discharge from being carried over in the direction of flow.
Der Einsatz von mit dielektrischem Material ummantelten Elektroden im zweiten Elektrodenpaar ermöglicht einen homogenen Stromansatz an den Elektroden ohne die sonst notwendigen Maßnahmen der Segmentierung der Elektroden einerseits und der Ohmschen Stabilisierung andererseits. Dadurch entfällt die insbesondere bei Hochleistungslasern aufwendige Kühlung. Darüberhinaus wird durch Einsatz der dielektrischen Elektroden ein direkter Kontakt zwischen Gas und Metall vermieden, was zu einem verbesserten Langzeitverhalten des Lasers führt.The use of electrodes sheathed with dielectric material in the second pair of electrodes enables a homogeneous Current build-up on the electrodes without the otherwise necessary measures of segmenting the electrodes on the one hand and ohmic stabilization on the other hand. This eliminates the need, which is particularly complex with high-power lasers Cooling. In addition, the use of dielectric electrodes creates direct contact between gas and Metal avoided, which leads to an improved long-term behavior of the laser.
Aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften (Durchbruchfeldstärke, Dielektrizitätskonstante) bietet sich insbesondere Al 0 als Dielektrikum an.Due to its electrical properties (breakdown field strength, Dielectric constant), Al 0 is particularly suitable as a dielectric.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Einzelelektroden die Form von Platten haben, die im Abstand voneinander paral-It is particularly advantageous if the individual electrodes are in the form of plates that are spaced apart parallel to one another.
.IeI zur Strömungsrichtung angeordnet sind. Der Glattungseffekt der Strömung beim Eintritt in den Entladungsbereich ist durch diese Ausgestaltung besonders ausgeprägt..IeI are arranged to the direction of flow. The smoothing effect the flow when entering the discharge area is particularly pronounced due to this configuration.
A 44 781 uA 44 781 u
u - 183u - 183
1. September 19 81 -11September 1, 19 81 -11
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Einzelelektroden stromaufwärts unmittelbar vor den Elektroden des ersten Elektrodenpaares enden und daß die einzelnen Elektroden stromabwärts unmittelbar hinter den Elektroden des ersten Elektrodennaares beginnen. Man erhält dadurch einen genau definierten Entladungsbereich zwischen den Elektroden des ersten Elektrodennaares.In a preferred embodiment it is provided that the individual electrodes end upstream immediately in front of the electrodes of the first pair of electrodes and that the individual electrodes downstream immediately behind the electrodes of the first electrode needle. You get thereby a precisely defined discharge area between the electrodes of the first electrode needle.
Je nach Anwendung des Lasers kann dieser kontinuierlich, gepulst oder pulsüberlagert betrieben werden. Beaufschlagt man beispielsweise eines der beiden Elektrodensysteme mit einer kontinuierlichen Hochfrequenzspannung und das andere mit einer gepulsten Spannung, so kann unter Ausnutzung der dabei auftretenden E-Vektordrehung eine stabile Entladung für eine kontinuierliche Laserstrahlung mit Pulsüberlagerung erzeugt werden.Depending on the application of the laser, it can be operated continuously, pulsed or pulse-superimposed. Charged for example one of the two electrode systems with a continuous high-frequency voltage and the other with a pulsed voltage, a stable discharge can be achieved using the E-vector rotation that occurs for continuous laser radiation with pulse superimposition.
Die erfindungsgemäße Gestaltung des Elektrodensystems, das zum Teil zusätzlich die Funktion der Strömungsbeeinflussung und der Entladungsbegrenzung übernimmt, ermöglicht die Anwendung sehr hoher Gasgeschwindigkeiten ohne Entladungsverschleppung in Strömungsrichtung. Dadurch werden gleichzeitig drei Maßnahmen zur Entladungsstabilisierung kombiniert: The inventive design of the electrode system that partly also the function of influencing the flow and the discharge limitation takes over, enables the use of very high gas velocities without a discharge in the direction of flow. This will be simultaneous three measures to stabilize the discharge combined:
a. hohe Strömungsgeschwindigkeit,a. high flow velocity,
b. Variation des Betrages der elektrischen Feldstärke,b. Variation of the amount of the electric field strength,
c. Richtungsänderung des Feldstärkevektors.c. Change of direction of the field strength vector.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung können durch die folgenden charakteristischen Merkmale zusammenfassend gekennzeichnet werden:The advantages of the device according to the invention can be achieved by summarizing the following characteristics to be marked:
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u - 183u - 183
1. September 1981 - V2 - September 1, 1981 - V2 -
1. Die hohe erzielbare Leistungsdichte ermöglicht den Bau kompakter Laser mit einfachen Elektroden durch Wegfall der sonst üblichen Segmentierung und Vorionisierung.1. The high achievable power density enables construction compact laser with simple electrodes by eliminating the otherwise usual segmentation and pre-ionization.
2. Eine verlustbehaftete Ohmsche Stabilisierung entfällt.2. A lossy ohmic stabilization is not required.
3. Es wird keine Elektrodenkühlung benötigt.3. No electrode cooling is required.
4. In der Entladungszone entfallen metallische Kontakte mit dem Plasma, wodurch das Langzeitverhalten des Lasers verbessert wird.4. There are no metallic contacts with the plasma in the discharge zone, which increases the long-term behavior of the laser is improved.
5. Die Elektrodenanordnung ermöglicht einen pulsüberlagerten Dauerbetrieb des Lasers.5. The electrode arrangement enables pulse-superimposed continuous operation of the laser.
Insbesondere die Punkte 1 bis 3 haben die Konsequenz, daß der technische Aufwand für das Lasersystem gering, sein Wirkungsgrad jedoch hoch ist.Points 1 to 3 in particular have the consequence that the technical effort for the laser system is low However, efficiency is high.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines laseraktiven Zustands.The following description of a preferred embodiment of the invention is used in conjunction with the drawing for a more detailed explanation. The drawing shows a schematic longitudinal sectional view of a device according to the invention to create a laser-active state.
In einem Kanal 1, der vorzugsweise einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, sind in gegenüberliegende Seitenwände 2 und 3 Elektroden 4 und 5 eingelassen, die gemeinsam ein erstes Elektrodenpaar bilden. Die ebenen Elektrodenoberflächen schließen mit den Seitenwänden des Kanals ab und bestehen aus einem Dielektrikum 6 mit geringem Verlustwinkel,In a channel 1, which is preferably a rectangular one Has cross-section, electrodes 4 and 5 are embedded in opposite side walls 2 and 3, which together form a first pair of electrodes. The flat electrode surfaces end with the side walls of the channel and exist from a dielectric 6 with a low loss angle,
A 44 781 uA 44 781 u
u- 183u- 183
1. September 19 81 - 13 -September 1, 19 81 - 13 -
welches auf der Rückseite mit einem Metallbelag 7 versehen ist. Im Volumenbereich 8 zwischen den beiden Elektroden 4 und 5 befindet sich der Resonator des Lasers.which is provided with a metal coating 7 on the back. In the volume area 8 between the two electrodes 4 and 5 is the resonator of the laser.
Vor und hinter dem Volumenbereich 8 befinden sich weitere Elektroden 9 und 10, die gemeinsam ein zweites Elektrodenpaar bilden. Beide Elektroden werden durch Einzelelektroden 11 bzw. 12 aufgebaut, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Form von Platten haben, die im gegenseitigen Abstand parallel zur Strömungsrichtung über den Querschnitt des Kanals 1 verteilt sind. Die Einzelelektroden 11 und 12 bestehen aus einem metallischen Kern 13 bzw. 14, der umgeben ist von einem dielektrischen Material 15 bzw. 16. Die Elektroden des ersten Elektrodenpaares und die Elektroden des zweiten Elektrodenpaares sind über Induktivitäten 17 und 18 bzw. 19 und 20 mit Hochfrequenzgeneratoren 21 bzw. 22 verbunden.In front of and behind the volume area 8 there are further electrodes 9 and 10, which together form a second pair of electrodes form. Both electrodes are built up by individual electrodes 11 and 12, which in the illustrated embodiment have the form of plates that are mutually Distance parallel to the direction of flow are distributed over the cross section of the channel 1. The individual electrodes 11 and 12 consist of a metallic core 13 or 14, which is surrounded by a dielectric material 15 or 16. Die Electrodes of the first pair of electrodes and the electrodes of the second pair of electrodes are connected via inductors 17 and 18 and 19 and 20 are connected to high frequency generators 21 and 22, respectively.
Die Induktivitäten kompensieren den kapazitiven Blindwiderstand der Elektroden, so daß die Generatoren lediglich mit dem Widerstand der Entladung abgeschlossen sind.The inductances compensate the capacitive reactance of the electrodes, so that the generators only with the resistance of the discharge are complete.
Das Gas, in dem der laseraktive Zustand erzeugt werden soll, strömt in Richtung des Pfeiles A durch die Anordnung, wobei der Gasstrom durch die Einzelelektroden 11 am stromaufwärts gelegenen Ende des Volumenbereiches 8 geglättet und homogenisiert wird. Das Gas durchsetzt den Volumenbereich 8, wobei durch das sich bezüglich Richtung und gegebenenfalls Stärke ändernde elektrische Feld eine Entladung in dem Gasstrom erzeugt wird, die sich quer zur Strömungsrichtung homogen über den ganzen Volumenbereich 8 ausbreitet und auf der stromabwärts gelegenen Seite des Volumenbereiches 8The gas in which the laser-active state is to be generated flows in the direction of arrow A through the arrangement, wherein the gas flow through the individual electrodes 11 at the upstream end of the volume region 8 is smoothed and homogenized will. The gas passes through the volume area 8, whereby the direction and possibly Strength-changing electric field a discharge is generated in the gas flow, which spreads across the flow direction homogeneously over the entire volume area 8 and on the downstream side of the volume region 8
A 44 781 uA 44 781 u
u - 183u - 183
1. September 1981 - 14 -September 1, 1981 - 14 -
durch die Einzelelektroden 12 begrenzt wird. Wesentlich ist dabei, daß der Ansatz der Entladung großflächig auf der Plattenoberfläche erfolgt, so daß es im Gegensatz zu herkömmlichen Gleichstromlängsentladungen nicht zu Einschnürungen des Plasmas im Entladungsbereich kommt.is limited by the individual electrodes 12. It is essential that the approach of the discharge over a large area Plate surface is done so that it is unlike conventional Longitudinal direct current discharges do not lead to constrictions of the plasma in the discharge area.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können außerordentlich hohe Leistungsdichten erzielt werden. Beispielsweise wurde in ersten Untersuchungen mit einer solchen Anordnung in kontinuierlicher Betriebsweise eine homogene Entladung hoher Leistungsdichte 35 KW/1 und damit ein C0„-Laser mit einem Gesamtwirkungsgrad von 20 % realisiert. Das Entladevolumen betrug dabei 0,35 1. Als Elektroden sind Keramikplatten (AIpO,) mit einer Dicke von 2,5 mm eingesetzt. Die Generatorfrequenz beträgt 6 MHZ.With the arrangement according to the invention can extraordinarily high power densities can be achieved. For example, in initial studies with such an arrangement in continuous operation a homogeneous discharge of high power density 35 KW / 1 and thus a C0 "laser with realized an overall efficiency of 20%. The discharge volume was 0.35 l. Ceramic plates are used as electrodes (AIpO,) used with a thickness of 2.5 mm. the Generator frequency is 6 MHz.
Claims (6)
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