DE3428653A1

DE3428653A1 - Quergestroemter co(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-laser

Info

Publication number: DE3428653A1
Application number: DE19843428653
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. Klingel (FH), 7141 Möglingen
Original assignee: Trumpf SE and Co KG
Current assignee: Trumpf SE and Co KG
Priority date: 1984-08-03
Filing date: 1984-08-03
Publication date: 1986-02-13
Anticipated expiration: 2004-08-04
Also published as: DE3428653C2; GB2163896A; GB2163896B; FR2568729B1; GB8518622D0; JPS6143489A; IT8560424V0; JPH0624270B2; IT209153Z2; FR2568729A1

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. ULRICH KINKELIN 7032 Sindelfingen - auf dem Goldberg - Weimarer Str. 32/34 Telefon 07031/86501

Telex 7265509 rose d

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20. Juli 1984

Firma Trumpf GmbH & Co., Johann Mausstrasse 2, 7257 Ditzingen - 1

QUERGESTRÖMTER CO₂-LASER

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Solche Laser gehören zu den Molekül-Lasern. Sie arbeiten nahezu stets kontinuierlich. Trotzdem das CO- ihm den Namen gegeben hat, sind andere Stoffe, wie z.B. Np mit wesentlich höheren Prozentsätzen vertreten. Das Gasgemisch kann z.B. aus 10% CO₂, 20% N₂ und 70% He bestehen.

Mit rund 15% ist der Wirkungsgrad des CO_?-Lasers relativ zu anderen Lasern hoch. Seine Wellenlänge liegt bei 10,6 Mikrometer und liegt damit in einem atmosphärischen "Fenster". Dadurch kann man ihn auch über grössere Strecken dämpfungsarm in die Atmosphäre führen. Möchte man mit dem Laserstrahl dickere Bleche schneiden, dann muss beim heutigen Stand der Technik in Sauerstoff-Atmosphäre geschnitten werden, weil diejenigen Laser, die derzeit in der industriellen Produktion verkauft werden müssen, lediglich Dauerleistung im Kilowatt-Bereich abgeben.

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Das bei CCL-Lasern verwendete Molekül-Gemisch erschöpft sich beim Lasern und es erschöpft sich um so schneller, je mehr Laser-Leistung erzeugt werden soll.

Bei längsgeströmten Lasern - auch wenn sie schnell längsgeströmt sind, verbleiben die Moleküle relativ lange in der Entladungsstrecke.

%. Die quergeströmten CO--Laser haben nun den Vorteil, dass die Moleküle nur sehr

kurz in der Entladungsstrecke verweilen, so dass man zu höheren Laser-Leistungen kommen kann.

Die quergeströmten CO^-Laser sind jedoch so teuer, so dass mit ihnen ausgestattete Maschinen nur mit Mühe verkauft werden können. Wäre der Preis tragbar, dann könnte sich dieses Laserstrahl-Erzeugnisprinzip in dem ihm angemessenen, wesentlich breiteren Feld installieren.

g- Zu teuer sind die COp-Laser deshalb, weil sie komplizierte Bauelemente verwenden,

die speziell für den Laser hergestellt worden sind und nicht handelsüblich sind. Ausserdem machen es die jetzt verwendeten CCU-Laser unmöglich, das Prinzip auch auf unterschiedliche Leistungen anzupassen. Zum Beispiel ist es nicht möglich, unter wiederholter Anwendung des gleichen billigen Prinzps die Leistung zu erhöhen, wie man dies z.B. bei Explosions-Motoren tut, wo die energieerzeugende Einheit praktisch immer die gleiche ist und durch Vervielfachen der Einheit die Leistung dementsprechend gesteigert werden kann.

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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauprinzip anzugeben, bei dem man auf einfache Bauelemente zurückgreifen kann, die einerseits den Querströmungskanal definieren können, andererseits leicht auswechselbar sind, zum dritten den Hochfrequenzelektroden Platz geben und schliesslich mit gleicher Bauphilosophie mehrmals im Laser verwendet werden können.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Solche Rohre, wie sie der kennzeichnende Teil des Hauptanspruchs erwähnt, gibt es serienmässig in der Labortechnik der chemischen Industrie, als Rohmaterial für das Kunstgewerbe, für Niederspannungsleuchten, für Hochspannungsleuchten, in der elektronischen Industrie in Form von Keramikteilen als Träger für Widerstandsbeläge, Kondensatorbeläge oder dergleiche. Durch ihre gekrümmte Form schnüren die Rohre das Molekülgemisch an einer bestimmten Stelle ein, wie dies eine Düse tut. Gleichzeitig schützen die Rohre aber die Hochfrequenzelektroden, die ja aus Metall sind und nicht so widerstandsfähig gegenüber den auftretenden Temperaturen, gegenüber den Entladungsvorgängen und anderen Beanspruchungen sind, wie dies dielektrisches Material regelmässig ist. Man hat die Freiheit, den Hochfrequenzelektroden die gewünschte Form zu geben, da sie so lediglich an der Erzeugung der Entladung beteiligt sind, nicht jedoch die Strömung beeinflussen.

Rohre gibt es in hochgenauer Fertigung billig rrit jeder Wandstärke in sehr unterschiedlichen Querschnittsformen hochgenau gezogen oder gesintert.

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Durch die kreiszylindrische Form erhält man ein sehr übeisj.chtliches Anströmverhaiten und Abströmverhalten. Es ist auch bei der Montage jede Lage der Rohre richtig, da sie ja kreiszylindrisch sind.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 erhält man Rohre, die ausreichend biegesteif sind, die Hochfrequenzelektroden isolieren, wärmeunempfindlich sind und thermisch in ihrem Verhalten vorhersagbar sind.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 erhält man ein Material, das von selbst eine sehr glatte Oberfläche hat und deshalb ohne weiteres Polieren oder dergleichen zu einem sehr niederen Strömungswiderstand führt. Man kann die Stäbe dann von aussen z.B. auf die Lage der Elektroden hin kontrollieren und sieht auch bei der Montage besser in die Höhlung.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 erhält man Rohre, die im Gegensatz z.B. von Pyrex- oder Duranglas nicht aufschmelzen.

^ Durch die Merkmale des Anspruchs 5 erreicht man, dass man die Rohre zum Aufbringen der Hochfreqzenzelektroden nicht behandeln muss, was z.B. durch Aufdampftechnik, galvanische Behandlung oder dergleichen möglich wäre. Hat das Rohr einen Schaden z.B. einen Riss, dann kann die Hochfrequenzelektrode nach wie vor intakt und weiterverwertbar sein.

Durch die Merkmale des Anspruchs 7 kann man den Verlauf des elektromagnetischen Felds der Strömungseinschnürung des Molekülgemisches anpassen und dadurch besonders günstige Entladungsstrecken erzielen.

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Durch die Merkmale des Anspruchs 8 haben die Elektroden von den Kanalflächen immer den gleichen Abstand.

Wenn das Molekülgemisch in den Querströmungskanal geblasen wird, dann wird die Entladungsstrecke in unerwünschter Weise stromab von der Kanalmitte verblasen

Durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelingt es jedoch, die Entladungsstrecke wieder mehr stromauf an die gewünschte Stelle zu legen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 10 kann man die Rohre so anordnen, wie dies vom strömungstechnischen Gesichtspunkt aus am besten wäre, während die _% Hochfrequenzelektroden weitgehend den Ort der Entladungsstrecke bestimmen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 11 erreicht man, dass man den Ort der Entladungsstrecke bestimmen kann. Bei schneller strömendem Molekülgemisch kann man z.B. die Hochfrequenzelektroden gegen die Strömungsrichtung ver- f schieben, so dass die Entladungsstrecke liegen· bleibt.

Durch die Merkmale des Anspruchs 12 erreicht man, dass man durch die Drehung des Rohrs auch die Hochfrequenzelektrode bewegen kann. Dies ist z.B. dann von Vorteil, wenn das Rohr lang ist. Die Rohre sind ja ohne weiteres sehr biegesteif auszubilden. Die Hochfrequenzelektroden dagegen manchmal Kupferblechstreifen, die wenig Eigensteifheit haben. Durch die Merkmale des Anspruchs 12 kann das Rohr diese Hochfrequenzelektroden auch abstützen. Das ganze kann man dann als Meterware herstellen.

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Durch die Merkmale des Anspruchs 13 erreicht man auf einfache Weise mit guten strömungsgünstigen Eigenschaften zwei Entladungsstrecken, so dass ein zweifach gefalteter Laser entsteht.

Durch die Merkmale des Anspruchs 14 kann man einen Beitrag zu unterschiedlichen Leistungen von solchen Lasern leisten. Ist der Querströmungskanal breiter, dann wird mehr laserbares Molekülgemisch herangeführt und die Leistung kann bei gleichzeitig höher mit Leistung versorgten Hochfrequenzelektroden auch grosser werden.

Die Rohre, wenn sie keine Wand-Durchbrechungen haben, können zugleich auch als Kühlrohre wirken.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematischer Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 vergrösserte Darstellung in der Stirnansicht mit dem Feldlinienverlauf bei kreissektorförmig ausgebildeten

Elektroden,
Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, jedoch mit voreilend angeordneten

Elektroden,
Fig. 4 eine schematische Ansicht in Richtung des Strömungskanals mit der

Darstellung einer Elektrodenverstellung und Stromzuführung, Fig. 5 eine Stirnansicht eines Ausführungsbeispiels mit zwei Entladungsstrecken

und drei Rohren mit der Darstellung der Gesamtanordnung,

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Fig. 6 die Darstellung des Strahlengangs für eine Vorrichtung nach Fig. 5.

Ein Rohr 11 ist kreiszylindrisch, hat einen Aussendurchmesser von etwa 100 mm und eine Wandstärke von ca. 3 mm. Es besteht aus Quarz. Das Rohr 11 hat eine Länge von 30 - 200 Zentimetern. An seinen Enden durchquert es zu Fassungszwecken nicht dargestellte Wände der Vorrichtung, die senkrecht zur Längsachse des Rohrs 11 sich erstrecken. Oben grenzt das Rohr 11 an eine Halterungs- und Leitwfiad 12. Innen und unten im Rohr 11 befindet sich ein Kupferstreifen 13, der als Hochfrequenzelektrode dient und in nicht dargestellter Weise an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist. Der Kupferstreifen 13 hat die Form einer flachen Rinne. Im Rohr 11 befinden sich elektrisch nicht leitende Abstandshalter 14 mit sternförmiger Gestalt, die den Kupferstreifen 13 an Ort und Stelle halten. Der Kufperstreifen 13 erstreckt sich etwa über 60 Umfangsgrade.

Unter dem Rohr 11 liegt ein gleiches zweites Rohr 16, Zwischen beiden Rohren entsteht damit ein Querströmungskanal 17, durch den das Molekülgemisch mit einem Druck von 50 - 200 Hektopascal gedruckt wird. Die Breite des Querströmungs-

kanals 17 beträgt 10 - 50 Millimeter an seiner engsten Stelle. Seine Konfiguration wird durch die kreisförmige Umfangsgestalt der Rohre 11 und 16 definiert. Im Rohr 16 ist oben ein Kupferstreifen 18 vorgesehen, der gleich gestaltet ist, w*ie der Kupferstreifen 13 und als die andere Hochfrequenzelektrode dient. Er wird durch nicht dargestellte Abstandshalter ebenfalls an Ort und Stelle gehalten und ist an den anderen Pol des Hochfrequenzgenerators angeschlossen. In Fig. 2 sind die elektrischen Feldlinien 19 eingetragen,-die bekanntlich stets in einem

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rechten Winkel 21 auf der Oberfläche der Kupferstreifen 13, 18' enden. Wie man aus der Fig. 2 sieht, erhält man somit einen ausserordentlich günstigen Feldlinienverlauf, der angepasst ist an den zunächst abnehmenden und dann später wieder zunehmenden Querschnitt des Querströmungskanals 17. „

In Fig. 3 ist angenommen, dass das Molekülgemisch gemäss dem Pfeil 22 in den Querströmungskanal 17 gedrückt wird. Ohne Strömungsbeeinflussung des Molekülgemisches würde das Entladungsvolumen sich dort befinden, wo das Kreuz 23 eingezeichnet ist, d.h. in der Mittenebene 24. In dieser Mittenebene 24 liegt der Entladungsraum auch in bezug auf die Spiegelgeometrie am besten, denn bei der Lage der Spiegel richtet man sich aus konstruktiven Gründen am besten nach der Mittenebene 24. .

Bläst man aber das Molekülgemisch gemäss dem Pfeil 22, so wandert das Entladungsvolumen stromab zum gestrichelt gezeichneten Kreis 26. ^:

Aus dem Vergleich der Fig. 2 und der Fig. 3 kann man erkennen, dass in der Fig. die Kupferstreifen 13, 18 entgegen der Richtung des Pfeils 22 verschoben sind, so dass der Schwerpunkt der Feldlinien etwa beim Punkt 27 liegt. Durch diese Voreilung kann man erreichen, dass trotz der Strömung gemäss dem Pfeil 22 das Entladungsvolumen beim Kreuz 23 liegt. Wie weit die Kupferstreifen 13, 1*8 asymmetrisch nach rechts schauen, müssen, hängt natürlich von der Strömungsgeschwindigkeit des Moiekülgemisches im Querströmungskanal 17 ab.

Falls eine Versteifung der Kupferstreifen 13, 18 bei selbsttragenden Kupferstreifen

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gewünscht wird, bringt Fig. 4 einen Lösungsvorschlag für das Rohr 11. Koaxial zur geometrischen Längsachse 28 ist hier am einen Ende des Rohres 11 ein metallenes Zahnrad 29 vorgesehen und drehbar gelagert. An seiner rechten Flanke 31 ist das linke Ende des Kupferstreifens 13 mechanisch starr und elektrisch leitend befestigt. Gegen die andere Flanke 32 des Zahnrads 29 drückt ein elektrischer Schleifkontakt 33, der mit dem einen Pol des Hochfrequenzgenerators verbunden ist. Rechts vom Kupferstreifen 13 ist spiegelbildlich ein gleiches Zahnrad 29 vorgesehen, an dem das dortige Ende des Kupferstreifens 13 befestigt ist. Eine Welle 34 erstreckt sich oberhalb der hier nicht dargestellten Leitwand 12, parallel zur Längsachse 28 und kann durch einen nicht dargestellten Stellmotor links herum oder rechts herum gedreht werden. Drehfest auf der Welle 34 sitzt ein elektrisch isolierendes Zahnrad 36, das mit dem Zahnrad 29 kämmt. Ein gleiches Zahnrad wie das Zahnrad 36 ist ganz rechts wieder vorgesehen, das dort mit dem Zahnrad 29 entsprechenden Zahnrad kämmt. Das Übersetzungsverhältnis ist klein, so dass der Kupferstreifen 13 in seiner Lage genau eingestellt werden kann.

Für das Rohr 16 ist eine gleiche Verstellvorrichtung vorgesehen. Sie darf jedoch elektrisch nicht auf gleichem Potential liegen. Man kann durch eine solche Vorrichtung die Kupferstreifen 13, 18 z.B. aus der in Fig. 2 gezeichneten Lage in die in Fig. gezeichnete Lage bringen.

Sind die Rohre 11, 16 so lange, dass die Kupferstreifen 13, 18 labil sind und man Abstandshalter benötigt, dann verbindet man das Rohr 11 drehfest mit dem Zahnrad 29, so dass sich das Rohr 11 samt dem Kupferstreifen 13 dreht. Man muss dann allerdings vorsehen, dass diejenigen Dichtungen 37, die den Umfang des Rohres 11

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gegenüber der Seitenwand 38 abdichten, die Drehung erlauben, ohne an Dichtheit zu verlieren.

Natürlich gilt dies auch für das andere Ende für das Rohr 11 sowie an beiden Enden für das Rohr 16.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind 3 Rohre 39, 41, 42 vorgesehen, die alle in der Mittenebene 24 liegen. Man bildet so zwei Querströmungskanäle 43, 44, die zwei Entladungsstrecken ergeben. Im Rohr 41 sind um 12 Uhr und um 6 Uhr zwei auf gleichem Potential liegende Kupferstreifen 45, 47 vorgesehen. Sie sind an dem einen Pol des nicht dargestellten Hochfrequenz-Generators angeschlossen. Das Rohr hat - wie das Rohr 11 - um 6 Uhr herum einen Kupferstreifen 48 und das Rohr hat wie das Rohr 16 um 12 Uhr herum einen Kupferstreifen 49.

Die gesamte Vorrichtung befindet sich in einem Zylinder 51, der in bezug auf elektromagnetische Strahlungen dicht ist. Unten ist ein Aggregat 52 vorgesehen, das gemäss dem Pfeil 22 das Molekülgemisch umwälzt und zugleich auch kühlt. Die äussere Begrenzungswand für das Molekülgemisch bildet ein Innenzylinder 53, der aussermittig zum Zylinder 51 angeordnet ist. Er hat bei 12 Uhr eine Ausnehmung, in die der untere Bereich des Rohrs 39 eingesenkt ist. Die innere Begrenzung des Molekülgemisch-Stroms ist ein kleinerer Innenzylinder 54, der noch weiter nach unten aussermittig verschoben angeordnet ist und bei 12 Uhr eine Ausnehmung hat, in die der obere Bereich des Rohres 42 eingesenkt ist. Ferner ist ein fünftelsmondformiger Leitkörper 56 mit etwa kreisförmigen Aussenflächen vorgesehen, innerhalb dessen gemäss Fig. 5 das Rohr 41 liegt, das mit seinen oberen und unteren Bereichen aus diesem Leitkörper 61 herausschaut. Der Leitkörper 56 ist im oberen Halbraum zwischen dem Innenzylinder 53 und dem Innenzylinder 54 vorgesehen.

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Beim letzten Ausführungsbeispiel nach der Fig. 6 sind 4 Rohre 57, 58, 59, 61 vorgesehen, so dass drei Querströmungskanäle entstehen, die zu zwei Laserstrahlstrecken 62, 63 führen. Man hat hier also einen zweifach gefalteten Laser. Selbstverständlich sind die Rohre 57, 58, 59 ebenfalls .mit den notwendigen Elektroden versehen. Der sich ergebende Strahlengang ist aus Fig. 6 ersichtlich. Man benötigt hier einen 180° Spiegel 67, der wegen der Lage der Laserstrahlstrecken in den Spiegelköpfen gut unterzubringen ist. Links ist ein Endspiegel und ein Auskoppelspiegel 71 dargestellt.

Claims

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30. Juli 1984

Patentansprüche:

Quergeströmter CO„-Laser mit mindestens mehreren hundert Watt Ausgangsleistung,

mit einem Querströmungs-Kanal, in dem sich die Entladungsstrecke für den Laserstrahl befindet,

mit den Querströmungs-Kanal begrenzenden Kanalflächen, mit Spiegelvorrichtungen für den Laserstrahl im Endbereich des Querst römungs-Kanals

und mit zwei sich längs des Querströmungskanals erstreckenden Hochfrequenzeleket roden
gekennzeichnet durch folgende Merkmale

a) Es sind parallel einander gegenüber liegend mindestens zwei kreiszylindrische Rohre aus dielektrischem Material vorgesehen, deren Aussenflächen die Kanalflächen bilden und eine dünne Wand aufweisen

b) In den Rohren liegen die Hochfrequenzelektroden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material Keramik ist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material anorganisches Glas ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas Quarz-Glas ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzelektroden von den Rohren getrennte Bauteile sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzeiektroden mit den Rohren einstückig sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzelektroden konvex verlaufen und nahe den Kanalflächen vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzelektroden kreiszylindrisch verlaufen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Gases gesehen die Hochfrequenzelektroden vor der Kanalmitte mehr Fläche als hinter der Kanalmitte haben.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzelektroden ortsfest relativ zum Querströmungskanal vorgesehen sind.

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11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzelektroden relativ zum Querströmungskanal verschieblich sind.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzelektroden drehfest mit dem Rohr verbunden sind und der Stab um seine Drehachse drehbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Rohre vorgesehen sind, die zwei Querströmungskanäle zwischen sich definieren und dass das mittlere (die mittleren) Rohre jeweils zwei zu den anderen Rohren hin weisende Hochfrequenzelektroden aufweisen und dass Spiegelvorrichtungen zur Faltung des Laserstrahls vorgesehen sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Querströmungskanals veränderbar ist.

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