DE3401287C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur elektrischen Anregung von einem Gaslaser mit mindestens zwei Entladungsstrecken. Sie betrifft ferner Vorrichtungen zur Durchführung der Verfahren.

Für die in der Industrie eingesetzten Hochleistungslaser ist der Wirkungsgrad mit dem die eingespeiste elektrische Energie in Strahlungsenergie umgesetzt wird, von ausschlaggebender Bedeutung, wie das allgemein für Hochleistungsgaslaser bekannt ist, bei denen die elektrische Energie im Gasraum eine Entladung erzeugt. Besonders bei Laser mit hoher Gasströmungsgeschwindigkeit wird die elektrische Entladung in mehreren Entladungsstrecken erzeugt. Wegen der negativen Strom-Spannungscharakteristik müssen die Entladungsstrecken stabilisiert werden. Auch ist die räumlich und zeitlich genaue elektrische Energieverteilung zwischen den einzelnen Entladungsstrecken von besonderer Bedeutung.

Die bisherigen Methoden zur Stabilisierung von Entladungsstrecken kann man in drei Gruppen einteilen:

• 1. Mit den Entladungsstrecken in Reihe geschaltete Vorwiderstände.
• 2. Mit den Entladungsstrecken in Reihe geschaltete Elektronenröhren.
• 3. Mit den Entladungsstrecken in Reihe geschaltete Induktivitäten.

Die erste Methode ist z. B. aus DE 28 56 328 C2 bekannt. Aus der Literatur sind auch Lösungen z. B. HARRY, I., E., SALEH, S., N.: "Multiple electrode system for high power CO₂ laser excitation", in US-Z.: Appl. Phys. Lett. 40, No. 5, März 1982, S. 359-361 bekannt, welche für jede Entladungsstrecke zwei Widerstände vorsehen. Die zweite Methode ist hauptsächlich bei gepulsten Gaslasern verwendet worden. Ein mehrphasiger Transformator mit zu den Sekundärwicklungen in Reihe geschalteten Induktivitäten zur Versorgung einer Entladungsstrecke ist aus der EP 00 46 456 A1 bekannt.

Die erste und die zweite Gruppe von Methoden haben den Nachteil, daß sich von der zugeführten elektrischen Energie ein wesentlicher Teil, etwa 50%, in Wärmeenergie umwandelt. Dieser Umstand begrenzt den wirtschaftlichen Einsatz von solchen Geräten nicht nur wegen des hohen Energieverbrauchs, sondern auch, weil die Abführung der Wärmeenergie oft ein schwieriges Problem ist. Die Hochleistungswiderstände sind im Dauerbetrieb belastet und stehen außerdem in den meisten Fällen unter Hochspannung. Dieser Teil von Gaslasern ist also nicht nur aus energiewirtschaftlicher Sicht ungünstig, sondern verursacht auch hohe Herstellungskosten. Auch bei der zweiten Lösung ist der Wirkungsgrad, wie das bei Schaltreglern allgemein bekannt ist, niedrig. Als Vorteil kann man erwähnen die schnelle Regelbarkeit, welche die genauere Verteilung der Energie zwischen den einzelnen Entladungsstrecken ermöglicht. Von großem Nachteil ist aber der hohe Kostenaufwand.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, beim Betrieb von mehreren Gasentladungsstrecken eines Lasers eine stabilisierende Wirkung auf die elektrischen Entladungen auch ohne Verwendung üblicher Stabilisierungswiderstände zu erzielen, und im Hinblick auf die Ausgangsleistung des Gaslasers, die räumliche und zeitliche Energieverteilung zwischen den einzelnen Entladungsstrecken zu optimieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, daß jede Entladungsstrecke (1 bis n) jeweils durch einen separaten Transformator versorgt wird und jeder dieser Transformatoren von demselben Strom erregt ist, oder jede Entladungsstrecke (1 bis n) an jeweils eine Sekundärspule (S1 bis Sn) geschaltet ist, wobei sich die Sekundärspulen (S1 bis Sn) jeweils auf einem geschlossenen Transformatorkern (6 bis 8) befinden, und wobei primärseitig die Magnetflüsse durch eine einzige Primärspule (P) erzeugt und miteinander verkoppelt werden.

Bei diesen Versorgungsarten sind die bisherig üblichen ohmschen Widerstände durch die zwischen den Primär- und Sekundär-Teilen des Transformators vorhandenen Reaktanzen ersetzt. Dabei entstehen keine Verluste.

Die einzelnen Entladungsströme bzw. die Transformatorsekundärströme verursachen durch den gemeinsamen Primärkreis eine solche Spannungsverschiebung bzw. Magnetflußverschiebung innerhalb des Versorgungssystems, welche die Transformatorsekundärströme bzw. die Entladungsströme praktisch vollständig ausgleicht. Auch die einzelnen Brennspannungen sind bei gleichem Aufbau und gleicher Gasgeschwindigkeit praktisch gleich. Beim gepulsten Betrieb ist die Ausgeglichenheit besonders wichtig, weil sich so die einzelnen Leistungen der in der Laserstrahlerzeugung zusammenwirkenden Entladungsstrecken in der kurzen Impulszeit summieren. Wegen der schon erwähnten günstigen Spannungsverschiebung erfolgen die Zündvorgänge praktisch zur gleichen Zeit. Daß die maximalen Entladungsstreckenspitzenleistungen gleichzeitig vorhanden sind, bedeutet auch, daß der Laser die physikalisch mögliche, höchste Spitzenstrahlleistung erzeugen kann.

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Zeichnungen, sowie unter Hinweis auf weitere vorteilhafte Merkmale näher erläutert. Dabei veranschaulicht

Fig. 1 erfindungsgemäße Schaltungsanordnung (nach Anspruch 3);

Fig. 2 Schaltung mit gemeinsamer Primärspule (nach Anspruch 4);

Fig. 3 eine mögliche Transformatoranordnung (nach Anspruch 4);

Fig. 4 Schaltung für einphasige Gleichstromversorgung (nach Anspruch 5);

Fig. 5 Schaltung für mehrphasige Gleichstromversorgung (nach Anspruch 6).

Gemäß Fig. 1 besteht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung aus n Stück Entladungsstrecken (1 bis n). Auf die Entladungsstrecken sind die einzelnen Transformatorsekundärspulen (S1 bis Sn) unmittelbar geschaltet. Die Transformatorprimärspulen (P1 bis Pn) sind in Reihe auf die Stromquelle geschaltet. Die Transformatorspulen (mit S und P bezeichnet) sind paarweise auf die Transformatorkerne gewickelt, und bilden so eine Anzahl von n unabhängigen Einphasentransformatoren.

Die Kette von in Reihe geschalteten Primärspulen (P1 bis Pn) bildet im Falle eines Stromflusses einen Spannungsteiler. Die Impedanzen der einzelnen Spulen sind von der Sekundärbelastung stark beeinflußt. Der Laststrom bzw. der Entladestrom und die zugehörige Sekundärspannung verursacht eine solche günstige Verschiebung innerhalb des Spannungsteilers, daß die Entladeströme und Spannungen praktisch vollständig ausgeglichen sind.

Eine wichtige und vorteilhafte Wirkung des beim Anspruch 1 und 2 beschriebenen Verfahrens ist es, daß neben dem Ausgleichsvorgang, die Entladungsstrecken (1 bis n) völlig potentialfrei sind, wie das auf den Fig. 1, 2, 4 und 5 sichtbar ist. Dieser Umstand hat ausschlaggebende Bedeutung bei der Resonatorkonstruktion; die einzelnen Entladungsstrecken sind einpolig polaritätsunabhängig zusammenschaltbar (gemäß Anspruch 7).

Fig. 2 und 3 veranschaulicht die Lösung nach Anspruch 4, wobei der Spezialversorgungstransformator 3 Transformatorkerne hat (6, 7, 8), welche durch eine einzige Primärspule (P) erregt sind. Die Sekundärspulen und die Entladungsstrecken haben die gleiche elektrische Anordnung, wie sie in Fig. 1 beschrieben ist. Die Funktionsweise dieser Anordnung ist die folgende: Wenn eine der Entladungsstrecken Strom führt, bedeutet das in dem Transformatorkern ein Gegenmagnetfeld und damit wird das Hauptmagnetfeld aus diesem Kern teilweise gedrängt zugunsten der anderen Transformatorkerne. In anderen Sekundärspulen erhöhen sich die induzierten Spannungen bis die anderen Entladungsstrecken zünden, oder durch Stromerhöhung das Gleichgewicht wieder hergestellt ist.

Die Schaltungsbeispiele sind auf Fig. 4 und 5 mit Gleichrichtern ergänzt. Wie das in Fig. 4 sichtbar ist, sind die einzelnen Entladungsstrecken (1 bis n) durch einsphasige Brückengleichrichter (G1 bis Gn) versorgt.

Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, wird die Gleichstromversorgung der Entladungsstrecken durch mehrphasige Stromquellen, mehrphasige Transformatoren (S11 bis Sm, P11 bis Pm) und mehrphasige Gleichrichter (G11 bis Gm) erreicht (gemäß Anspruch 6). Diese Lösung ist dann vorteilhaft, wenn der Entladestrom kleinere Welligkeit enthalten soll.

In Fig. 1, 2 und 4 sind die Entladungsstrecken in getrennten Gasräumen angeordnet, während in Fig. 5 sich die Entladungsstrecken in einem gemeinsamen Gasraum befinden. Dies sind jedoch nur Beispiele, weil die Anordnung der Elektroden im Resonatorgasraum bei jeder dieser Ausführungsbeispiele frei wählbar ist.

Claims (9)

1. Verfahren zur elektrischen Anregung von einem Gaslaser mit mindestens zwei Entladungsstrecken, die optisch zur Laserstrahlerzeugung zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß jede Entladungsstrecke (1 bis n) jeweils durch einen separaten Transformator versorgt wird und jeder dieser Transformatoren von demselben Strom erregt ist.

2. Verfahren zur elektrischen Anregung von einem Gaslaser mit mindestens zwei Entladungsstrecken, die optisch zur Laserstrahlerzeugung zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß jede Entladungsstrecke (1 bis n) an jeweils eine Sekundärspule (S1 bis Sn) geschaltet ist, wobei sich die Sekundärspulen (S1 bis Sn) jeweils auf einem geschlossenen Transformatorkern (6 bis 8) befinden, und wobei primärseitig die Magnetflüsse durch eine einzige Primärspule (P) erzeugt und miteinander verkoppelt werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Entladungsstrecke (1 bis n) auf jeweils eine Transformatorsekundärspule (S1 bis Sn) geschaltet ist, und die Primärspulen (P1 bis Pn) elektrisch in Reihe miteinander verbunden und auf eine Stromquelle geschaltet sind.

4. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der zur Laserstrahlerzeugung zusammenwirkenden Entladungsstrecken (1 bis n) jeweils auf eine Transformatorsekundärspule (S1 bis Sn) geschaltet ist, die sich auf jeweils einem geschlossenen Transformatorkern (6 bis 8) befindet, wobei die Transformatorkerne (6 bis 8) eine gemeinsame Primärspule (P) aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsstrecken (1 bis n) über Gleichrichter (G1 bis Gn) auf die Transformatorsekundärspulen (S1 bis Sn) geschaltet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatoren (S11 bis Sm, P11 bis Pm), die Gleichrichter (G11 bis Gm) und die Stromquelle mehrphasig sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Elektrode der Entladungsstrecken (1 bis n) elektrisch auf ein gemeinsames Potential gelegt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Stromquelle eine Kapazität parallelgeschaltet ist, welche mit der gesamten Induktivität der Transformatoren bzw. des Transformators einen Schwingkreis bildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle Stromimpulse erzeugen kann.