DE3234384C2 - CO¶2¶-Laser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen CO₂-Laser der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Ein solcher Laser ist aus der GB 2 028 571 A bekannt, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird.

Auf dem Gebiet der CO₂-Laser ist es seit langem bekannt, daß ein elektrisch angeregtes CO₂-Verstärkungsmedium sich teilweise in CO und Sauerstoff zersetzt und daß Produkte dieser Zersetzung dazu neigen, den Laservorgang zu unterdrücken. Sauerstoff in kleinen Mengen von beispielsweise 1% führt zur Lichtbogenbildung zwischen den Laserelektroden und damit zu einem Verlust an opti­ scher Leistung. Eine bekannte Lösung dieses Problems besteht darin, erhitzten Platindraht zu verwenden, um die Rekombination von CO und Sauerstoff zu CO₂ zu fördern. Diese Methode hat den offensichtlichen Nachteil, daß eine zusätzliche Stromquelle zum Erhitzen des Platindrahtes erforderlich ist und daß außerdem die Wärme innerhalb des Laserentladungsraums vergrößert wird.

Aus der US 37 58 876 ist ein CO₂-Laser bekannt, bei dem als Ka­ talysator Nickeloxid eingesetzt wird. Das Nickeloxid befindet sich in Form eines dünnen Überzugs über einem maschenähnlichen Teil in der Nähe der Elektroden und wird durch eine zusätzliche Heizung oder durch entsprechend ausgebildete Elektroden auf ei­ ner Temperatur im Bereich von 400°C bis 500°C gehalten. Auch bei dieser Konstruktion wird also bei erhöhtem Stromverbrauch die Wärme innerhalb des Laserentladungsraums vergrößert. Außer­ dem findet die katalytische Wirkung nur an der Oberfläche des Nickeloxidüberzugs statt.

Es sind bereits mehrere Experimente durchgeführt worden, um die Verwendung eines Umgebungstemperaturkatalysators zu testen, wobei zu den Materialien aktiviertes Kupfer, aktiviertes Platin und eine im Handel er­ hältliche Mischung aus Magnesiumoxid, Kupferoxid und Spu­ renmengen anderer Oxidex gehören. Ein Aufsatz von C. Willis und J.G. Purdon in dem Journal of Applied Physics, Band 50, Nr. 4, April 1979, enthält einen Hinweis auf die Verwendung dieser Mischung in einer äußeren Gasschlei­ fe, die mit dem aktiven Laserraum verbunden ist, wobei aber der Katalysator innerhalb des Laserraums nicht vor­ handen ist. Der Aufsatz "Long life operation of CO₂ mini-Tea lasers" von R.I. Rudko und J.W. Barnie in Proceedings of the SPIE, Band 227, 1980, berichtet über die erfolgreiche Verwendung eines festen Umgebungstemperaturkatalysators innerhalb eines Laserhohlraums, gibt aber keinerlei Einzel­ heiten über die Art des Katalysators und die Anordnung des Katalysators in dem Hohlraum an.

Die GB 15 40 619 offenbart einen CO₂-Laser, bei dem das Absput­ tern der Metallelektroden vermindert ist. Dazu bestehen die Me­ tallelektroden aus einer Mischung aus schwarzem Platinpulver und Kupfer(II)-oxid, die unter Wasserstoff und einer Temperatur zwi­ schen 700 und 900°C bei hohem Druck zu einem Pellet geformt wird. Durch eine Nachbehandlung unter Sauerstoff bei ähnlicher Temperatur wird das bei der Pelletformung zu metallischem Kupfer reduzierte Kupfer(II)-oxid wieder oxidiert. Das Material der Elektroden wirkt in dem CO₂-Laser als Katalysator. Da aber das Elektrodenmaterial wegen der erforderlichen elektrischen Leit­ fähigkeit zu kompakten, die Elektroden bildenden Pellets geformt werden muß, findet bei diesem CO₂-Laser die katalytische Wirkung nur an der Oberfläche der Elektroden statt, so daß der Katalysa­ tor nicht in voller Weise ausgenutzt wird.

Allen bisher erwähnten Lasern ist gemeinsam, daß das kata­ lytische Material nicht da angebracht ist, wo die Dissoziation stattfindet, nämlich in der Entladungsstrecke. Dies ist auch bei dem CO₂-Laser der bereits eingangs erwähnten GB 20 28 571 A der Fall. Aus dieser Druckschrift ist bekannt, den Katalysator in den Poren eines porösen Körpers anzuordnen, bei dem es sich um Streifen aus porösem Aluminiumoxid handelt. Auch diese Streifen sind außerhalb des Entladungsgebietes angeordnet und damit ent­ fernt von dem Gebiet, in welchem es zu der unerwünschten Bildung von CO und O₂ kommt. Darüber hinaus ist bei diesem bekannten La­ ser das katalytische Material für die katalytische Reaktion kaum erreichbar, weil es sich in den Poren der Streifen befindet. Das katalytische Material kann also nicht in optimaler Weise ausge­ nutzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem CO₂-Laser der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art eine wirksamere Aus­ nutzung des katalytischen Materials zu erzielen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch, daß der Katalysator in Form von Katalysatorteilchen in einem inneren Teil wenigstens einer Elektrode angeordnet ist, wird die Oberfläche, an der die katalytische Reaktion stattfin­ den kann, bedeutsam erhöht. Der Katalysator steht über mehrere Löcher mit dem Entladungsgebiet in Verbindung, so daß sich das Katalysatorbett so nahe wie möglich bei dem Entladungsgebiet, also dem Gebiet, in welchem die unerwünschte Bildung von CO und O₂ erfolgt, befindet, so daß die Wirksamkeit des Katalysators sehr hoch ist. Ein weiterer Vorteil der Nähe der Katalysator­ teilchen zu dem Entladungsgebiet besteht darin, daß die im Ent­ ladungsgebiet erzeugten Druckimpulse die Katalysatorteilchen in Bewegung versetzen, so daß die Katalysatoroberfläche ständig gewendet und somit gleichmäßig freigelegt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Ge­ genstände der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Katalysator in Form von festen stückigen Kontaktkörpern (soge­ nannten Pellets) verwendet wird, und

Fig. 2 einen Querschnitt einer Elektrode in Fig. 1.

Fig. 1 zeigt schematisch einen zugeschmolzenen Laser. Deckplatten 102 und 104 bilden zwei Sei­ ten des Laserhohlraums. Langgestreckte Elektroden 106 und 108 sind auf herkömmliche Weise geformt und bilden Elektroden für den Durchgang einer elektrischen Entladung durch ein CO₂-Gas.

Im Betrieb wird eine impulsförmige transversale elektrische Entladung zwischen den Elektroden 106 und 108 erzeugt, wodurch das CO₂-Lasermedium angeregt und der Laservorgang ein­ geleitet wird. Die elektrische Entladung heizt das CO₂- Gas innerhalb eines begrenzten Raums auf und erhöht da­ durch den Druck. Ein Druckimpuls bildet sich in einem zen­ tralen Entladungsgebiet und breitet sich schnell nach au­ ßen aus, um den Druck innerhalb des begrenzten Raums aus­ zugleichen. Dieser Druckimpuls geht durch die porösen Elektroden 106 und 108 hindurch und drückt einen Teil des CO₂-Lasermediums durch die Löcher in den Elektro­ den und aus dem Laserhohlraumgebiet in das Innere der Elek­ troden. Diese Gasbewegung dient zum Umwälzen des Gases, so daß dissoziiertes CO₂, d. h. CO und O, in das Innere der Elektroden gebracht wird. Im Innern der Elektro­ den kommt das Gas mit einem Katalysator in Berührung, bei welchem es sich in dem dargestellten Ausführungsbei­ spiel um feste körnige Katalysatorteilchen 120 (in Form von Pel­ lets) handelt, obgleich ein Katalysator auch als Überzug auf ein Substrat aufgebracht sein kann, wenn das zweckmäßig ist.

Ein zweiter Mechanismus, der dissoziiertes Gas mit dem Katalysator in Berührung bringt, ist die Diffusion, die selbst dann stattfindet, wenn der Laser nicht in Betrieb ist. Weil die Dissoziationsprodukte O₂ und CO am An­ fang zwischen den Elektroden konzentriert sein werden, werden sie bestrebt sein, von ihrem ursprünglichen Ort aus nach außen zu diffundieren, d. h. in das Innere der Elektroden 106 und 108, wo sie mit dem Katalysator in Be­ rührung kommen.

Der Katalysator kann irgendein bekannter Katalysator sein, wie beispielsweise Platin, aktiviertes Kupfer oder die eingangs erwähnte Mischung aus Magnesiumoxid, Kupferoxid und Spurenmengen anderer Oxide, die die Rekombination von CO und O zu CO₂ fördert.

In der Darstellung in der Zeichnung sind die Seitenwände, Spiegel, elektrischen Entladungsanschlüsse und andere Tei­ le des Lasers der Einfachheit und Übersichtlichkeit hal­ ber weggelassen worden.

Die in der Zeichnung dargestellten Elektroden sind aus ei­ nem Drahtnetz gebildet, das Öffnungen in Form von recht­ eckigen Löchern hat, wobei aber die Größe und die Form der Öffnungen für die Erfindung unkritisch sind. Jede zweck­ mäßige Lochform, wie beispielsweise kreisförmige Löcher, sechseckige Löcher oder quadratische Löcher, kann benutzt werden. Die Löcher brauchen nicht gleichmäßig über die Elektrodenoberfläche verteilt zu sein und können auf ir­ gendeine geeignete Weise, beispielsweise mechanisch oder chemisch, hergestellt werden. Die Größe der Löcher steht selbstverständlich in Beziehung zu der Größe der Kataly­ satorkörper, da es erwünscht ist, die Katalysatorteilchen von dem Laserentladungsgebiet fernzuhalten. Die genaue Größe der Löcher und des Katalysators wird von dem beson­ deren Verwendungsweck und insbesondere von der Energie­ menge in der Laserentladung und daher von der Größe des erzeugten Druckimpulses abhängig sein. Wenn die Katalysa­ torteilchen leicht genug sind, so daß sie während des Druckimpulses in Bewegung versetzt werden, besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, daß die Katalysa­ toroberfläche ständig gewendet wird und somit die Kataly­ satoroberfläche gleichmäßig freigelegt wird.

Die Erfindung wurde zwar in Verbindung mit einem zuge­ schmolzenen Laser gemacht, sie kann aber auch in Verbin­ dung mit einem Gasumwälzlaser benutzt werden. Beispiels­ weise könnte ein Gebläse benutzt werden, um Gas im Kreis­ lauf durch die Elektrode 106, durch eine äußere Schleife und zurück durch die Elektrode 108 zu leiten und so das Gas wirksam dem Katalysator auszusetzen und einen der Hauptvorteile der Erfindung aufrechtzuerhalten, näm­ lich das kompakte aktive Volumen des Lasers, das durch die Verwendung der einen Katalysator enthaltenden Elek­ troden möglich gemacht wird.

Die praktische Verwendbarkeit von Netzelektroden (ohne Katalysator) ist früher bereits in dem Aufsatz "Ultra­ violet Initiated CO₂ Laser Research, Phase II" von L.J. Denes, Report Nr. AFWL-TR-76-136, Januar 1977, demon­ striert worden.

Claims (5)

1. CO₂-Laser mit einem Laserresonator, der eine erste und eine zweite langgestreckte Elektrode (106, 108) ent­ hält, die ein Entladungsgebiet transversal einschließen, welches das Lasermedium enthält, mit einer Einrichtung zum Anregen des Lasermediums durch eine transversale elektri­ sche Entladung und mit einem katalytischen Material, das wenigstens einer der beiden Elektroden (106, 108) zugeord­ net ist, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytische Ma­ terial in Form von festen körnigen Katalysatorteilchen (120) ausgebildet ist und daß die wenigstens eine Elek­ trode (106, 108) einen inneren Teil hat, in dem die Katalysatorteilchen lose angeordnet sind und der mit dem Entladungsgebiet über mehrere Löcher in der wenigstens einen Elektrode (106, 108) in Verbindung steht, die zwi­ schen dem inneren Teil und dem Entladungsgebiet angeordnet sind.

2. CO₂-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorteilchen (120) Pellets aus dem ka­ talytischen Material sind.

3. CO₂-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorteilchen (120) aus Substratteilchen be­ stehen, auf die das katalytische Material als Überzug auf­ gebracht ist.

4. CO₂-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher durch die Zwischenräume ei­ nes Drahtnetzes gebildet sind, das einen Teil der wenig­ stens einen Elektrode (106, 108) bildet.

5. CO₂-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher mechanisch hergestellte Öffnungen in einem vorbestimmten Teil der wenigstens einen Elektrode (106, 108) sind.