DE3212705C2

DE3212705C2 -

Info

Publication number: DE3212705C2
Application number: DE3212705A
Authority: DE
Inventors: Walter Reginald North Palm Beach Fla. Us Kaminski
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1981-04-23
Filing date: 1982-04-05
Publication date: 1993-05-13
Also published as: JPS57181180A; FR2504744B1; JPH0624269B2; GB2098791B; IL65584A0; GB2098791A; CH658754A5; NL8201497A; DE3212705A1; FR2504744A1

Description

Die Erfindung betrifft einen TEA-CO₂-Laser der im Oberbegriff des Patentan spruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to a TEA-CO ₂ laser of the type specified in the preamble of patent claim 1.

Es handelt sich um einen einfachen, robusten TEA-CO₂-Laser, bei dem eine Koronaentladungs vorionisationstechnik angewandt wird (TEA = Transverse Excitation Atmospheric, d. h. die Plasmaentladung erfolgt quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und bei Atmosphärendruck).It is a simple, robust TEA-CO ₂ laser that uses a corona discharge pre-ionization technique (TEA = Transverse Excitation Atmospheric, ie the plasma is discharged across the direction of propagation of the laser beam and at atmospheric pressure).

Die DE 28 05 503 A1, aus der ein solcher Laser bekannt ist, und der Aufsatz "Construction and Performance Characteristics of a Rapid Discharge TEA CO₂ Laser" von Ernst und Boer, erschienen in Optics Communication, Band 27, Nr. 1, Oktober 1978, S. 105 bis 110, be schreiben einen mit strömendem Gas arbeitenden CO₂-Laser, bei welchem eine Koronaentladungsvorionisationstechnik angewandt wird. Bei dieser Entladungstechnik wird ein star kes elektrisches Feld benutzt, um eine Koronaentladung in nerhalb des Laserentladungshohlraums einzuleiten, wobei diese Entladung ultraviolettes Licht erzeugt, welches das Gas in dem Hauptentladungsgebiet des Lasers vorionisiert. Fig. 2 des Aufsatzes und Fig. 3 der genannten Offenlegungs schrift zeigen die Einzelheiten des Aufbaus dieses Lasers. Die genannte Offenlegungsschrift beschreibt ein kombinier tes System, das eine besondere Entladungsschaltung und eine besondere elektrische Verbindung mit dem Elektrodenvorioni sationssystem aufweist. Sowohl gemäß der genannten Offenle gungsschrift als auch gemäß dem Aufsatz strömt Gas ständig durch den aktiven Raum hindurch, wodurch eine Umgebung er zeugt wird, die sich von der eines zugeschmolzenen Lasers unterscheidet.DE 28 05 503 A1, from which such a laser is known, and the article "Construction and Performance Characteristics of a Rapid Discharge TEA CO ₂ Laser" by Ernst and Boer, appeared in Optics Communication, Volume 27, No. 1, October 1978, pp. 105 to 110, describe a CO ₂ laser working with flowing gas, in which a corona discharge preionization technique is used. In this discharge technique, a strong electric field is used to induce corona discharge within the laser discharge cavity, which discharge produces ultraviolet light which pre-ionizes the gas in the main discharge area of the laser. Fig. 2 of the essay and Fig. 3 of the said disclosure show the details of the structure of this laser. The said publication describes a combined system, which has a special discharge circuit and a special electrical connection with the electrode system. Both according to the above-mentioned Offenle supply document and according to the article gas flows continuously through the active space, whereby it creates an environment that differs from that of a melted laser.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen TEA-CO₂-Laser der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszu bilden, daß er als zugeschmolzener Laser betrieben werden kann.The object of the invention is to form a TEA-CO ₂ laser of the type specified in the preamble of claim 1 in such a way that it can be operated as a sealed laser.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeich nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.This object is the in the characterizing nenden part of claim 1 specified features in Released with the generic terms.

Der TEA-CO₂-Laser nach der Erfindung arbeitet zugeschmolzen und hat eine lange Lagerfähigkeit. Der mechanische Aufbau seines Laserentladungshohlraums ist gegenüber dem Stand der Technik so abgeändert, daß sich eine verbesserte lange Ar beitsfähigkeit im zugeschmolzenen Zustand ergibt und gegen über der bekannten Vorrichtung die Abhängigkeit von einer besonderen elektrischen Schaltung reduziert ist.The TEA-CO ₂ laser according to the invention works melted and has a long shelf life. The mechanical structure of its laser discharge cavity is modified compared to the prior art so that there is an improved long working ability in the sealed state and the dependence on a special electrical circuit is reduced compared to the known device.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Ge genstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention form the Ge subject of the subclaims.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt An embodiment of the invention is un below ter described in more detail with reference to the drawings. It shows

Fig. 1 eine Einzelheit des aus dem oben erwähnten Aufsatz bekannten La sers, Fig. 1 shows a detail of the known from the above-mentioned article La sers,

Fig. 2 eine Wiedergabe von Fig. 3 der oben erwähnten DE 28 05 503 A1, Fig. 2 is a reproduction of Fig. 3 of the above-mentioned DE 28 05 503 A1,

Fig. 3 einen Querschnitt eines Lasers nach der Erfindung, und Fig. 3 shows a cross section of a laser according to the invention, and

Fig. 4 eine auseinandergezogene Darstellung des Lasers nach der Erfindung. Fig. 4 is an exploded view of the laser according to the invention.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittansicht eines Gehäuses 300 eines Lasers, wobei ein Raum 320 der Laserentladungshohlraum ist, welcher durch Seitenteile 304 und 306 und durch Deckelteile 332 und 334 begrenzt wird. Die optische Achse des Lasers ist zur Zeichenebene rechtwinkelig, und Querachsen 350 und 351 gehen durch die Deckelteile 332, 334 bzw. die Seitenteile 304, 306 hindurch. Die Seitenteile und die Deckelteile bestehen aus einem dielektrischen Material wie beispielsweise einer maschinell bearbeitbaren Glaskeramik, und Verbindungsstellen 309 und 311 zwischen den Seitenteilen und den Deckelteilen sind durch eine Glasfrittenverbindung oder dgl. hermetisch verschlossen. Innerhalb des Gehäuses 300 sind Elektroden 301 und 302 die Kathode bzw. Anode der Laseranregungsentladung. Diese Elektroden sind durch die Deckelteile 334 und 332 hindurch an leitende metallische Verbindungsteile 307 bzw. 308 angeschlossen, die so geformt sind, daß sie eine niedere Induktivität haben und das Herstellen einer dichten Verbindung zwischen sich und den Deckelteilen erleichtern. Die Verbindungsstelle zwischen den Verbindungsteilen 307, 308 und den Deckelteilen 334 bzw. 332 ist durch Epoxidharz oder durch eine Glasfrittenverbindung verschlossen. Die Elektroden 301 und 302 haben eine Kontur gemäß der in der eingangs erwähnten DE 28 05 503 A1 angegebenen Prozedur, bei der die Parameter K = 0,02, ν = arccos (-K) sind und der Spalt zwischen den Elektroden 301 und 302 beispielshalber 1 cm beträgt. Fig. 3 is a cross-sectional view 300 shows a laser of a housing, wherein a space 320 is the laser discharge cavity which is delimited by side parts 304 and 306 and cover parts 332 and 334. The optical axis of the laser is perpendicular to the plane of the drawing, and transverse axes 350 and 351 pass through the cover parts 332, 334 and the side parts 304, 306 , respectively. The side parts and the cover parts consist of a dielectric material such as, for example, a machinable glass ceramic, and connection points 309 and 311 between the side parts and the cover parts are hermetically sealed by a glass frit connection or the like. Inside housing 300 , electrodes 301 and 302 are the cathode and anode, respectively, of the laser excitation discharge. These electrodes are connected through the cover parts 334 and 332 to conductive metallic connection parts 307 and 308 , respectively, which are shaped in such a way that they have a low inductance and facilitate the establishment of a tight connection between themselves and the cover parts. The connection point between the connection parts 307, 308 and the cover parts 334 and 332 is closed by epoxy resin or by a glass frit connection. The electrodes 301 and 302 have a contour in accordance with the procedure specified in DE 28 05 503 A1 mentioned at the outset, in which the parameters are K = 0.02, ν = arccos (-K) and the gap between the electrodes 301 and 302 is by way of example Is 1 cm.

In dem Seitenteil 304 des Gehäuses 300 ist durch maschinelle Bearbeitung ein Hohlraum 314 bis zu einer derartigen Tiefe hergestellt, daß die verbleibende Wanddicke des Seitenteils 304 zwischen der Anode 302 und dem Hohlraum ein kritischer Wert ist, beispielshalber 2 mm, wobei dieser Wert von dem für das Seitenteil 304 gewählten Material abhängen wird. In diesen Hohlraum 314 ist eine Zusatzelektrode 310 eingesetzt, die mit der Kathode 301 mittels einer Zuleitung niederer Induktivität (in der Zeichnung nicht dargestellt) elektrisch verbunden ist. Die Zusatzelektrode 310 ist innerhalb des Hohlraums 314 so angeordnet, daß sich das obere Ende der Zusatzelektrode 310 in der Nähe eines Übergangsbereiches 312 in der Oberfläche der Anode 302 zwischen ihrer der Kathode 301 zugewandten gekrümmten Fläche 321 und ihrer an dem Rand des Seitenteils 304 anliegenden ebenen Wandfläche 322 befindet. Der Übergangsbereich 312, wo diese beiden Flächen einander treffen, ist nicht scharf, sondern hat einen Krümmungsradius von wenigstens 0,08 mm. Die Zusatzelektrode 310 ist parallel zu der Querachse 350 angeordnet, so daß sich der obere Rand der Zusatzelektrode 310 im wesentlichen in derselben Höhe wie der Übergangsbereich 312 der Anode 302 befindet, und die kürzeste gerade Linie zwischen der Zusatzelektrode 310 und der Anode 302 geht durch wenigstens einen Teil des Laserentladungshohlraums 320 und nicht gänzlich durch das Seitenteil 304 hindurch. Das Ergebnis dieses Abstandes ist, daß die kürzeste gerade Linie und somit das stärkste Feld sich nicht innerhalb des Seitenteils 304 befindet, was den Durchschlag des das Seitenteil 304 bildenden Materials fördern würde, sondern sich vielmehr teilweise innerhalb des den Laserentladungshohlraum 320 füllenden CO₂ Gases befindet. Das starke elektrische Feld, das in der Ecke gebildet wird, wo die gekrümmte Fläche 321 auf das Seitenteil 304 trifft, zieht Elektronen aus dem Material des Seitenteils 304 heraus und erzeugt eine Koronaentladung, die sich über die Oberfläche des Seitenteils 304 abwärts zur Kathode 301 bewegt und dabei eine ultraviolette Strahlung erzeugt. Die so erzeugte ultraviolette Strahlung bewegt sich durch den Laserentladungshohlraum 320, wobei sie das Gas vorionisiert.A cavity 314 is machined in the side portion 304 of the housing 300 to a depth such that the remaining wall thickness of the side portion 304 between the anode 302 and the cavity is a critical value, for example 2 mm, this value being different from that for the side panel 304 will depend on the material chosen. In this cavity 314 , an additional electrode 310 is inserted, which is electrically connected to the cathode 301 by means of a feed line of low inductance (not shown in the drawing). The additional electrode 310 is arranged within the cavity 314 in such a way that the upper end of the additional electrode 310 is level near a transition region 312 in the surface of the anode 302 between its curved surface 321 facing the cathode 301 and its flat surface lying against the edge of the side part 304 Wall surface 322 is located. The transition region 312 , where these two surfaces meet, is not sharp, but has a radius of curvature of at least 0.08 mm. The additional electrode 310 is arranged parallel to the transverse axis 350 so that the upper edge of the additional electrode 310 is substantially at the same height as the transition region 312 of the anode 302 , and the shortest straight line between the additional electrode 310 and the anode 302 passes through at least a portion of the laser discharge cavity 320 and not entirely through the side portion 304 . The result of this distance is that the shortest straight line and thus the strongest field is not within the side part 304 , which would promote the breakdown of the material forming the side part 304 , but rather is partly within the CO₂ gas filling the laser discharge cavity 320 . The strong electric field created in the corner where the curved surface 321 meets the side member 304 draws electrons from the material of the side member 304 and creates a corona discharge that moves down the surface of the side member 304 to the cathode 301 producing ultraviolet radiation. The ultraviolet radiation so generated travels through the laser discharge cavity 320 , pre-ionizing the gas.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des Lasers in auseinandergezogener Darstellung, bei der ein Teil 402 die Seitenteile und die Endteile des Gehäuses bildet, das den Laserentladungshohlraum enthält, welcher von einer Achse 400 durchquert wird, die durch eine Linse 420, ein Loch 404, den Laserentladungshohlraum, ein Loch 405 und eine Linse 422 hindurchgeht. Die Linsen 420 und 422 sind mit den Löchern 404 und 405 hermetisch verbunden, um die Linsen in einer Umgebung, in der starke Vibration vorhanden ist, aufeinander ausgerichtet zu halten. Die einander gegenüberliegenden Flächen des Gehäuses können durch herkömmliche maschinelle Bearbeitungstechniken parallel und glatt gemacht werden, um die Linsen 420, 422 aufeinander auszurichten. In das Seitenteil 304 ist der Hohlraum 314 eingearbeitet, der die Zusatzelektrode 310 aufnimmt. Die Zusatzelektrode 310 wird durch herkömmliche Befestigungselemente (nicht dargestellt) ausgerichtet gehalten. Die Ober- und die Unterseite des Teils 402 sind mit den Deckelteilen 332 bzw. 334 bedeckt, die durch eine herkömmliche Gasfrittenverbindung oder dgl. hermetisch mit dem Teil 402 verbunden sind. Die Elektroden 301 und 302 sind an ihrem zugeordneten Deckelteil befestigt, die in dem Querschnitt in Fig. 3 nach der Linie 3-3 in Fig. 4 gezeigt sind. Fig. 4 shows an embodiment of the laser in an exploded view, in which a part 402 forms the side parts and the end parts of the housing, which contains the laser discharge cavity, which is traversed by an axis 400 which is passed through a lens 420 , a hole 404 Laser discharge cavity, a hole 405 and a lens 422 passes through. Lenses 420 and 422 are hermetically connected to holes 404 and 405 to keep the lenses aligned in an environment where there is strong vibration. The opposing surfaces of the housing can be made parallel and smooth by conventional machining techniques to align the lenses 420, 422 . The cavity 314 , which receives the additional electrode 310 , is machined into the side part 304 . The auxiliary electrode 310 is kept aligned by conventional fasteners (not shown). The top and bottom of part 402 are covered with cover parts 332 and 334 , respectively, which are hermetically connected to part 402 by a conventional gas frit connection or the like. The electrodes 301 and 302 are fastened to their associated cover part, which are shown in the cross section in FIG. 3 along the line 3-3 in FIG. 4.

Vorteilhaft ist, daß das Teil 402 in Fig. 4 nur vier Dichtungen hat, nämlich diejenigen an dem oberen und dem unteren Deckelteil sowie an den Linsen 420, 422. Bei Bedarf kann eine Deckelteildichtung eliminiert werden, indem das Teil 402 als Formteil mittels isostatischen Warmpressens oder mittels einer gleichwertigen Technik gegossen wird, wodurch eine Verbindungsstelle nahe der beanspruchten Elektrode (Anode) beseitigt wird. Es ist weiter vorteilhaft, daß ein einziges Material für das Gehäuse des Lasers benutzt wird, statt mehrerer Materialien, die ungleiche thermische Eigenschaften haben. Es ist noch ein weiterer Vorteil, daß zwar der direkte Pfad zwischen der Anode 302 und der Zusatzelektrode 310 notwendigerweise kurz ist, um die erforderliche hohe Feldstärke zu erzeugen, daß jedoch der Pfad außerhalb des Laserentladungshohlraums zwischen den Verbindungsteilen der Anode 302 und der Zusatzelektrode 310 oder ihren Oberflächen ziemlich lang ist, wodurch eine Hauptschwierigkeit einer bekannten Vorrichtung beseitigt wird.It is advantageous that the part 402 in FIG. 4 has only four seals, namely those on the upper and lower cover parts and on the lenses 420, 422 . If necessary, a cover part gasket can be eliminated by casting part 402 as a molded part using hot isostatic pressing or an equivalent technique, thereby eliminating a junction near the stressed electrode (anode). It is further advantageous that a single material is used for the housing of the laser instead of several materials which have unequal thermal properties. It is yet another advantage that while the direct path between anode 302 and auxiliary electrode 310 is necessarily short to produce the required high field strength, the path outside the laser discharge cavity between the connection parts of anode 302 and auxiliary electrode 310 or their surfaces are quite long, which eliminates a major difficulty of a known device.

Zum Vergleich ist die bekannte Vorrichtung in den Fig. 1 und 2 gezeigt, bei der das Gehäuse (Fig. 1) durch Teile 18, 17, 19 und 5 gebildet wird, von denen zwei aus Messing und zwei aus Glas bestehen, was vier Verbindungsstellen zwi schen ungleichen Materialien ergibt. Eine weitere Schwierig keit besteht bei der bekannten Vorrichtung darin, daß es einen kurzen, direkten Pfad zwischen der Masseelektrode 31 und dem Messingteil 18 gibt, das mit der Anode 2 in elektri schem Kontakt ist. In Fig. 2 erstrecken sich Elektroden 118 und 119, die in elektrischem Kontakt mit der Anode 2 bzw. der Kathode 3 sind, über eine lange Strecke in minimalem Ab stand, der durch ein Isoliermittel 105 aufrechterhalten wird. Gemäß den Angaben im Stand der Technik ergab diese Anordnung, aufgrund der geringen Induktivität, eine sehr kurze Anstiegszeit des Marx-Gene rators, einem Merkmal des bekannten Systems, bei dem es sich um ein integriertes Laborinstrument handelte, das für die schnellste Anstiegszeit (etwa 15 ns) ausgelegt wurde.For comparison, the known device is shown in Figs. 1 and 2, in which the housing ( Fig. 1) is formed by parts 18 , 17 , 19 and 5 , two of which are made of brass and two of glass, which are four connection points between unequal materials. Another difficulty speed in the known device is that there is a short, direct path between the ground electrode 31 and the brass part 18 , which is in electrical contact with the anode 2 . In Fig. 2 electrodes 118 and 119 , which are in electrical contact with the anode 2 and the cathode 3 , over a long distance were in a minimum, which is maintained by an insulating means 105 . According to the information in the prior art, due to the low inductance, this arrangement resulted in a very short rise time of the Marx generator, a feature of the known system, which was an integrated laboratory instrument that was designed for the fastest rise time (about 15 ns) was designed.

Bei dem hier beschriebenen Laser wird von demselben physikalischen Prinzip der dielektrisch hervorgerufenen Koronaentladung Gebrauch gemacht, um ein tragbares Feldinstrument zu schaffen, das so ausge legt ist, daß es nachteilige Bedingungen von Vibration und Wärmeausdehnung toleriert und für Veränderungen in den elek trischen Parametern unempfindlich ist. Der hier beschriebene Laser hat eine Spannungsimpulsanstiegszeit von mehr als 30 ns und eine Impulsspannung von mehr als 18 kV bei einem Elektrodenabstand von 1 cm.The laser described here uses the same physical principle made use of the dielectric corona discharge, to create a portable field instrument that is so is that there are adverse conditions of vibration and Thermal expansion tolerated and for changes in the elec trical parameters is insensitive. The laser described here has a voltage pulse rise time of more than 30 ns and a pulse voltage of more than 18 kV an electrode spacing of 1 cm.

In einer anderen Ausführungsform des hier beschriebenen Lasers wird eine der Zusatzelektrode 310 ähnliche zweite Zusatzelektrode in das Seitenteil 306 eingesetzt, wodurch eine größere Gleichmäßigkeit der Vorionisation und ein eine größere Zuverlässigkeit ergebender redundanter Betrieb erzielt werden. In einer weiteren Ausführungsform des hier beschriebenen Lasers sind die Endteile und die Deckelteile 332 und 334 zu einer einzelnen Einheit kombiniert. In noch einer weiteren Ausführungsform des Lasers sind die Seitenteile 304, 306 und die Deckelteile 332, 334 zu einer einzelnen Einheit kombiniert.In another embodiment of the laser described here, a second additional electrode similar to the additional electrode 310 is inserted into the side part 306 , as a result of which greater uniformity of the pre-ionization and redundant operation resulting in greater reliability are achieved. In a further embodiment of the laser described here, the end parts and the cover parts 332 and 334 are combined to form a single unit. In yet another embodiment of the laser, the side parts 304, 306 and the cover parts 332, 334 are combined into a single unit.

Claims

1. TEA-CO ₂ laser

with a housing ( 300 ) which has two side parts ( 304 , 306 ) and two cover parts ( 332 , 334 ) in parallel and two end parts at right angles to the optical axis of the laser,
- With an anode ( 302 ) and a cathode ( 301 ) arranged on opposite sides inside the housing ( 300 ) parallel to the optical axis, along the cover parts ( 332 , 334 ) and through the side parts ( 304 , 306 ) separated are and have mutually facing ge curved surfaces, and
- With at least one additional electrode ( 310 ), which is placed along one ( 304 ) of the two side parts ( 304 , 306 ) and is connected to the cathode ( 301 ) by means of a low inductance line, whereby a corona discharge between the anode ( 302 ) and the additional electrode ( 310 ) is caused, by which the CO ₂ gas between the anode ( 302 ) and the cathode ( 301 ) is conditioned,
characterized,
- That the anode ( 302 ) additionally has flat wall surfaces ( 322 ) which bear against the side parts ( 304 , 306 ) of the housing ( 300 ), the curved surface ( 321 ) and the flat wall surfaces ( 322 ) of the anode ( 302 ) meet in a transition area ( 312 ) which has a radius of curvature of at least 0.08 mm,
- That the at least one additional electrode ( 310 ) in a cavity ( 314 ) along the outer surface of one ( 304 ) of the two side parts ( 304 , 306 ) is arranged and the anode ( 302 ) along a transverse axis ( 350 ) overlaps so that the shortest straight line between the anode ( 302 ) and the additional electrode ( 310 ) passes through part of the CO ₂ gas and also through a layer of insulating material in the form of part of one ( 304 ) of the two side parts ( 304 , 306 ) ,
- That the housing ( 300 ) is sealed, and
- That between anode ( 302 ) and cathode ( 301 ) a pulsed high voltage with a rise time of more than 30 ns is applied.

2. Laser according to claim 1, characterized in that the end parts and the side parts ( 304 , 306 ) form a continuous single part ( 402 ).

3. Laser according to claim 1, characterized in that the end parts and the cover parts ( 332 , 334 ) form a continuous individual part.

4. Laser according to claim 1, characterized in that the side parts ( 304 , 306 ) and the cover parts ( 332 , 334 ) form a continuous single part.

5. Laser according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sealed housing ( 300 ) extends continuously between the additional electrode ( 310 ) and the anode ( 302 ) and along the flat wall surfaces ( 322 ).

6. Laser according to one of claims 1 to 5, characterized in that all parts of the housing ( 300 ) are formed from the same material.