DE3428653C2 - Quergeströmter CO¶2¶-Laser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen quergeströmten CO₂-Laser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein gattungsgemäßer CO₂-Laser ist aus der US 43 75 690 bekannt. Hierbei tragen die Rohre zur Gasführung bei und sind von einfach herstellbarer Gestalt. Die Rohre schützen zugleich die Hochfrequenzelektroden. Es sind zumindest drei Rohre mit ihren jeweils zylindrischen Elektroden axialsymmetrisch zum Laserstrahlzentrum (Strahlachse) angeordnet, so daß also die elektrischen Felder aus möglichst vielen Richtungen rund um die Strahlachse einwirken. Damit soll im Laserstrahlzentrum eine hohe Entladungsdichte erreicht werden, im Gegensatz zu lediglich zwei diametral gegenüberliegenden Elektroden. Bei dieser Anordnung strömt jedoch ein großer Teil des Gases am Laserstrahlzentrum vorbei, so daß eine schlechte Gasausnutzung gegeben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen CO₂-Laser der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der eine bessere Gasausnutzung und damit einen besseren Wirkungsgrad ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Gemäß der Erfindung befindet sich einerseits das Laserstrahlzentrum jeweils in einer Strömungskanal-Engstelle, wobei andererseits durch die asymmetrische Elektrodenanordnung der Effekt des Seitwärtsverblasens der Entladungszone auch bei starker Gasströmung kompensiert wird. Es wird also einerseits ein Großteil des Gasstromes in die Entladungszone geleitet und es ist andererseits ein großer Gasdurchsatz möglich. Außerdem hat das Gas in der Entladungszone seine größte Strömungsgeschwindigkeit, so daß verbrauchtes Gas entsprechend rasch durch frisches Gas ersetzt wird. Insgesamt ist es daher möglich, mit einer Laser-Vorrichtung von kompakter Baugröße einen Laserstrahl hoher Energie zu erzeugen.

Gemäß der Weiterbildung nach Anspruch 2 kann die Lage der Entladungszone bei variabler Gasströmung korrigiert werden, wodurch man eine Anpassung an verschiedene Leistungseinstellungen vornehmen kann. Wird beispielsweise der Laser nur mit halber Leistung betrieben, kann man auch die Gasströmung reduzieren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen quergeströmten CO₂ -Laser gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung aus der Fig. 1 mit dem Feldlinienverlauf bei symmetrischer Anordnung der Hochfrequenzelektroden,

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung, jedoch mit erfindungsgemäß asymmetrischer Anordnung der Hochfrequenzelektroden,

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht eines Rohres von Fig. 1 oder 3 mit verstellbarer Hochfrequenzelektrode,

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch einen quergeströmten CO₂ -Laser gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit zwei Teilstrecken eines gefalteten Laserstrahls,

Fig. 6 eine schematische Seitenansicht mit Darstellung des Strahlengangs für einen quergeströmten CO₂ -Laser gemäß 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 Fassungs­ zwecken nicht dargestellte Wände der Vorrichtung, die senkrecht zur Längs­ achse des Rohrs 11 sich erstrecken. Oben grenzt das Rohr 11 an eine Halterungs- und Strömungskanalwand 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 Kupferstreifen 13 erstreckt sich etwa über 60 Umfangsgrade.

Unter dem Rohr 11 liegt ein gleiches zweites Rohr 16, Zwischen beiden Rohren 16 entsteht damit ein Querströmungskanal 17, durch den das Molekülgemisch mit einem Druck von 50-200 Hektopascal gedrückt 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, wie 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 rechten Winkel 21 auf der Oberfläche der Kupferstreifen 13, 18 enden. Wie man aus der Fig. 2 sieht, erhält man somit einen außerordentlich günstigen Feld­ linienverlauf, 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 Molekül­ gemisches 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 Ent­ ladungsvolumen stromab zum gestrichelt gezeichneten Kreis 26.

Aus dem Vergleich der Fig. 2 und der Fig. 3 kann man erkennen, daß in der Fig. 3 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 Vor­ eilung kann man erreichen, daß trotz der Strömung gemäß dem Pfeil 22 das Entladungsvolumen beim Kreuz 23 liegt. Wie weit die Kupferstreifen 13, 18 asymmetrisch nach rechts verschoben sein müssen, hängt natürlich von der Strömungsge­ schwindigkeit des Molekülgemisches im Querströmungskanal 17 ab.

Falls eine Verstellung der Kupferstreifen 13, 18 bei selbsttragenden Kupferstreifen 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 me­ tallenes 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 Strömungskanalwand 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 in das Zahnrad 29 greift. Ein gleiches Zahnrad wie das Zahnrad 36 ist ganz rechts wieder vorgesehen, das dort in ein dem Zahnrad 29 entsprechendes Zahnrad greift. 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. 3 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 Zahn­ rad 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 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 50 zwei Querströmungskanäle 43, 44, die zwei Entladungsstrecken ergeben. Im Rohr 41 sind in 12 Uhr-Position und 6 Uhr-Position zwei auf gleichem Potential liegende Kupferstreifen 46, 47 vorgesehen. Sie sind an dem einen Pol des nicht dargestellten Hochfrequenz-Generators angeschlossen. Das Rohr 39 hat - wie das Rohr 11 in 6 Uhr-Position einen Kupferstreifen 48 und das Rohr 42 hat wie das Rohr 16 in 12 Uhr-Position einen Kupferstreifen 49.

Die gesamte Vorrichtung befindet sich in einem Zylinder 51, der in bezug auf elektro­ magnetische 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 in 12 Uhr-Position eine Ausnehmung, in die der untere Bereich des Rohrs 39 eingesenkt ist. Die innere Begrenzung des Molekül­ gemisch-Stroms ist ein kleinerer Innenzylinder 54, der noch weiter nach unten außermittig verschoben angeordnet ist und in 12 Uhr-Position eine Ausnehmung hat, in die der obere Bereich des Rohres 42 eingesenkt ist. Ferner ist ein Leitkörper 56 mit einer sichelförmigen Querschnittsfläche vorgesehen, innerhalb der gemäß Fig. 5 das Rohr 41 liegt, das mit seinen oberen und unteren Bereichen aus dem Leitkörper 56 herausragt. Der Leitkörper 56 ist im oberen Halbraum zwischen dem Innenzylinder 53 und dem Innenzylinder 54 vorgesehen.

Beim letzten Ausführungsbeispiel nach der Fig. 6 sind 3 Rohre 57, 58, 59 vorgesehen, so daß zwei Querströmungskanäle entstehen, die zu zwei Laserstrahl­ strecken 62, 63 führen. Man hat hier also einen zweifach gefalteten Laser. Selbstverständlich sind die Rohre 57, 58, 59 ebenfalls mit den notwendigen Elektroden versehen.

Man benötigt hier einen 180° Spiegel 67, der wegen der Lage der Laserstrahl­ strecken in den Spiegelköpfen gut unterzubringen ist. Links ist ein Endspiegel 69 und ein Auskoppelspiegel 71 dargestellt.

Claims (6)

1. Quergeströmter CO₂-Laser, bei dem mindestens zwei kreiszylindrische Rohre (11, 16, 39, 41, 42, 57, 58, 59) aus dünnwandigem dielektrischem Material, die parallel zueinander angeordnet sind, Strömungskanal-Engstellen (17, 43, 44) zwischen jeweils zwei gegenüberliegenden kreiszylindrischen Rohren (11,16, 39, 41, 42, 57, 58, 59) bilden, deren Symmetrieachsen in einer Ebene (24) liegen, wobei in den kreiszylindrischen Rohren (11, 16, 39, 41, 42, 57, 58, 59) sich entlang der Längsrichtung erstreckende Hochfrequenzelektroden (13, 18, 46, 47, 48, 49) befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzelektroden (13, 18, 46, 47, 48, 49) an der zu der zwischen zwei Rohren befindlichen Engstelle (17, 43, 44) gewandten Innenwand der kreiszylindrischen Rohre (11, 16, 39, 41, 42, 57, 58, 59) streifenförmig anliegen, und die Querschnittsflächen der Hochfrequenzelektroden (13, 18, 46, 47, 48, 49) asymmetrisch bezüglich der Ebene (24) zwischen den die Engstelle (17, 43, 44) jeweils bildenden Rohren angeordnet sind.

2. Quergeströmter CO₂-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzelektroden (13, 18) relativ zu der Ebene (24) verstellbar angeordnet sind.

3. Quergeströmter CO₂-Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzelektroden (13, 18) innerhalb feststehend montierter kreiszylindrischer Rohre (11, 16) über eine koaxial zur Längsachse (28) des jeweiligen kreiszylindrischen Rohres (11, 16) ausgerichtete Schwenkbahn verstellbar sind.

4. Quergeströmter CO₂-Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzelektroden (13, 18) innerhalb der Rohre (11, 16) fixiert sind und die kreiszylindrischen Rohre (11, 16) um ihre Längsachse (28) drehbar gelagert sind.

5. Quergeströmter CO₂-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den kreiszylindrischen Rohren (11, 16, 39, 41, 42, 57, 58, 59) veränderbar ist.

6. Quergeströmter CO₂-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei kreiszylindrische Rohre (39, 41, 42, 57, 58, 59) zur Bildung von mindestens zwei Strömungskanal-Engstellen (43, 44) vorgesehen sind, in denen sich jeweils eine Teilstrecke (62, 63) eines gefalteten Laserstrahls befindet.