DE3448212C2

DE3448212C2 -

Info

Publication number: DE3448212C2
Application number: DE3448212A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. Klingel (Fh), 7141 Moeglingen, De
Original assignee: Trumpf SE and Co KG
Current assignee: Trumpf SE and Co KG
Priority date: 1984-06-16
Filing date: 1984-06-16
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2004-06-17

Description

Die Erfindung betrifft einen längsgeströmten CO₂-Laser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a longitudinally flowing CO₂ laser according to the preamble of Claim 1.

Ein derartiger CO₂-Laser ist in der Druckschrift CROCKER, A., WILLS, M. S.: Carbon-Dioxide Laser With High Power Per Unit Length, in GB-Z.: Electronics Letters, Vol. 5, Nr. 4, Februar 1969, Seiten 63-64, beschrieben. Die Rohrvorrichtung besteht aus zwei koaxial zueinander angeordneten Quarzglas-Rohren unterschiedlichen Durchmessers, so daß zwischen diesen ein ringförmiger Entladungsraum entsteht. Die Elektroden sind Kupferrohre, die außen am Außenrohr und innen am Innenrohr anliegen, also ebenfalls zueinander koaxiale ringförmige Rohrstücke darstellen. In Längsrichtung sind die inneren Elektroden gegenüber den äußeren jeweils um die halbe Elektrodenlänge versetzt, so daß eine innere Elektrode axial jeweils unter zwei benachbarte äußere Elektroden reicht. Der Sinn dieser Maßnahme besteht darin, mehrere Elektrodenpaare zufolge der Längsüberdeckung kapazitiv in Reihe zu schalten, so daß keine separate elektrische Verbindung zu den inneren Elektroden erforderlich ist, was aus Platzgründen problematisch wäre. Die Energieeinspeisung ist aber dadurch unbefriedigend, so daß mittels zweier an beiden Rohrenden angeordneter Ringelektroden noch eine Gleichstromanregung überlagert wird. Der Aufwand ist sowohl vom Aufbau als auch von der Energieversorgung her sehr groß. Der für industrielle Anwendung ergiebigste Mode Nullter Ordnung, der die Energieverteilung im Strahlquerschnitt beschreibt, läßt sich mit dieser bekannten Anordnung nicht dauerhaft erreichen. Es genügen nämlich schon geringe Abstandsänderungen zwischen den koaxialen Elektroden, das heißt, Abweichungen von der Mittellage oder von der idealen Kreisform abweichende Deformierungen aufgrund der hohen Betriebstemperatur, um merkbare Unsymmetrien im Plasma zu erzeugen.Such a CO₂ laser is in the publication CROCKER, A., WILLS, M. S .: Carbon-Dioxide Laser With High Power Per Unit Length, in GB-Z .: Electronics Letters, Vol. 5, No. 4, February 1969, Pages 63-64. The pipe device consists of two coaxially with each other arranged quartz glass tubes of different diameters, so that between this creates an annular discharge space. The electrodes are copper tubes, which are on the outside of the outer tube and on the inside of the inner tube, i.e. also to each other represent coaxial annular pipe pieces. In the longitudinal direction are the inner ones Electrodes offset by half the length of the electrodes, so that an inner electrode axially under two adjacent outer electrodes enough. The purpose of this measure is to make several pairs of electrodes according to the Capacitive series connection in series, so that no separate electrical connection to the inner electrodes is required, which is due to space constraints would be problematic. The energy feed is unsatisfactory, so that DC excitation by means of two ring electrodes arranged on both tube ends is superimposed. The effort is both from the structure and from the Power supply very large. The most productive fashion for industrial use Zero order, which describes the energy distribution in the beam cross section, can be not achieve with this known arrangement permanently. Because it's enough small changes in distance between the coaxial electrodes, that is, deviations Deformations deviating from the central position or from the ideal circular shape due to the high operating temperature to produce noticeable asymmetries in the plasma.

Aus der DE 29 39 121 C2 ist eine bifilare, helisch entlang der Rohrvorrichtung gewundene Elektrodenanordnung bekannt. Die helische Elektrodenstruktur soll die Erzeugung eines kreissymmetrischen Laserstrahlquerschnitts begünstigen, wobei die beschriebene Anordnung und Schaltung speziell für gepulste, transversale Entladungen in gasförmigen Medien konzipiert ist, deren oberes Laserniveau eine extrem kurze Lebensdauer besitzt. Somit liefert diese Schrift kein Beispiel für eine Verbesserung eines Dauerstrich-Lasers der gattungsgemäßen Art.DE 29 39 121 C2 is a bifilar helical along the tube device winding electrode arrangement known. The helical electrode structure is said to Favor generation of a circularly symmetrical laser beam cross section, the described arrangement and circuit specifically for pulsed, transverse discharges is designed in gaseous media, the upper laser level of which is extremely short Has lifespan. So this document does not provide an example of an improvement a continuous wave laser of the generic type.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen CO₂-Laser der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der sowohl im Hinblick auf konstante als auch dynamische Störgrößen im Dauerstrich- Betrieb seinen Mode beibehält, insbesondere den Mode Nullter Ordnung, und dabei eine wirtschaftliche Bauweise erlaubt.The object of the invention is to provide a CO₂ laser of the generic type, which with regard to constant as well as dynamic disturbances in the continuous wave Operation maintains its mode, especially the zero order mode, and thereby an economical construction allowed.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved with the characterizing features of claim 1.

Das anzuregende Plasma befindet sich in einer hohlzylindrischen Rohrvorrichtung, ist also nicht auf einen ringförmigen Querschnitt beschränkt. Bei einem ringförmigen Querschnitt bedeutet ein Koaxialitätsfehler auf einer Seite des Ringspaltes eine Erweiterung des Querabstandes und auf der anderen Seite des Ringspaltes eine entsprechende Verengung, so daß der Fehler verstärkt in Erscheinung tritt. Bei einem hohlzylindrischen Querschnitt ist der Fehlereinfluß geringer. Dadurch, daß weiterhin das Plasma längs des Weges des Laserstrahls fortlaufend von verschiedenen Seiten angeregt wird, werden Inhomogenitäten besser ausgeglichen. Dabei ist der Winkel- Versatz so festgelegt, daß jede Wirkrichtung nur jeweils einmal vorkommt.The plasma to be excited is in a hollow cylindrical tube device therefore not limited to an annular cross section. With an annular Cross section means a coaxiality error on one side of the annular gap Extension of the transverse distance and one on the other side of the annular gap appropriate narrowing, so that the error is more apparent. At a hollow cylindrical cross section, the influence of errors is less. By continuing the plasma along the path of the laser beam continuously from different sides is excited, inhomogeneities are better compensated. The angle Set the offset so that each direction of action occurs only once.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 5, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung.Further advantageous refinements of the invention result from the features of claims 2 to 5, and from the following description more preferred Embodiments of the invention with reference to the drawing.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 eine prinzipielle, auseinandergezogene und in eine Ebene gelegte Darstellung eines Lasers, Fig. 1 shows a schematic, exploded and down in a plane view of a laser,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Rohrvorrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 2 shows a cross section through a tube device according to the invention,

Fig. 3 eine Rohrvorrichtung analog zu Fig. 2, mit den Einzelrohren in gestreckter Reihenanordnung. Fig. 3 shows a pipe device analogous to Fig. 2, with the individual pipes in an elongated row arrangement.

Gemäß Fig. 1 umfaßt der Laser in schematisch vereinfachter Darstellung eine linke Endflansch-Vorrichtung 17, eine rechte Endflansch-Vorrichtung 18, eine Zwischenflansch- Vorrichtung 21 und eine Rohrvorrichtung 24, bestehend aus Einzelrohren 74, 76 und 77. In der Endflansch-Vorrichtung 17 befinden sich zwei 45°-Spiegel 32, 33 und ein im Zehnmeterradius gekrümmter Konvex-Spiegel 34, die einen Laserstrahl 36 wie dargestellt in die Rohrvorrichtung 24 spiegeln. In der Endflansch- Vorrichtung 18 befinden sich ebenfalls zwei 45°-Spiegel 51, 52 und ein teildurchlässiger Auskoppelspiegel 53, von dem ein Arbeitsstrahl 54 austritt.Referring to FIG. 1, the laser comprises a schematically simplified representation of a left end flange device 17, a right end flange device 18, a Wafer device 21 and a tube assembly 24, consisting of individual tubes 74, 76 and 77. In the end flange device 17 there are two 45 ° mirrors 32, 33 and a convex mirror 34 curved in the radius of ten meters, which reflect a laser beam 36 into the pipe device 24 as shown. In the end flange device 18 there are also two 45 ° mirrors 51, 52 and a partially transparent decoupling mirror 53 from which a working beam 54 emerges.

Die Fig. 2 zeigt parallel und winkelmäßig symmetrisch zu einer gemeinsamen geometrischen Längsachse 26 angeordnete Einzelrohre 74, 76, 77 aus Glas gemäß einer vorteilhaften Anordnung. Die Einzelrohre haben einen Außendurchmesser von 20 mm bei einer Wandstärke von 2 mm. Das Einzelrohr 74 ist rechts oben berührend mit einer rinnenförmigen Elektrode 78 aus Kupferblech belegt, die sich nahezu über die ganze verfügbare Länge erstreckt und eine Breitenausdehnung von über 100° hat. Sie ist symmetrisch zu einer Mittenebene 81 angeordnet, die durch die Längsachse 26 und die Längsachse 79 des Einzelrohres 74 geht. Gegenüberliegend ist eine ebenso symmetrisch zur Mittenebene 81 ausgebildete Elektrode 82 angeordnet. Fig. 2 shows parallel and angularly symmetrical about a common geometrical longitudinal axis 26 arranged individual pipes 74, 76, 77 made of glass according to an advantageous arrangement. The individual pipes have an outer diameter of 20 mm with a wall thickness of 2 mm. The single tube 74 is coated with a channel-shaped electrode 78 made of copper sheet, which extends almost over the entire available length and has a width of more than 100 °. It is arranged symmetrically to a central plane 81 which passes through the longitudinal axis 26 and the longitudinal axis 79 of the individual tube 74 . An electrode 82, which is likewise symmetrical to the center plane 81 , is arranged opposite.

Die anderen Einzelrohre 76, 77 sind in gleicher Weise mit Elektroden 86, 87 und 88, 89 belegt, wobei diese Elektrodenpaare symmetrisch zu weiteren Mittenebenen 83 und 84 ausgerichtet sind. Die Mittenebenen sind gegeneinander um einen Winkel verdreht, welcher dem der Anzahl von Elektrodenpaaren entsprechenden Teil von 360° entspricht. Im vorliegenden Beispiel mit drei Einzelrohren 74, 76, 77 und drei Elektrodenpaaren beträgt der Winkel zwischen den Mittenebenen 81, 83, 84 jeweils 120°. Die Elektroden 78, 82, 86, 87, 88, 89 bedecken eine wesentlich ausgedehnte und nicht nur linienartige oder gar punktartige Fläche.The other individual tubes 76, 77 are covered in the same way with electrodes 86, 87 and 88, 89 , these pairs of electrodes being aligned symmetrically to further center planes 83 and 84 . The center planes are rotated relative to one another by an angle which corresponds to the part of 360 ° corresponding to the number of electrode pairs. In the present example with three individual tubes 74, 76, 77 and three pairs of electrodes, the angle between the center planes 81, 83, 84 is 120 ° in each case. The electrodes 78, 82, 86, 87, 88, 89 cover a substantially extended and not only line-like or even point-like area.

Ein einige Zentimeter breiter Streifen aus Kupferblech ist zu einem dreistrahligen Stern 91 gebogen, der sich mit seinen Kreisabschnittsflanken 92, 93, 94 jeweils an die Elektroden 82, 86, 88 anschmiegt und diese über ihre ganze Breite kontaktiert. Die Kreisabschnittsflanken werden durch etwas vorstehende Bögen 96, 97, 98 miteinander verbunden. Der Stern 91 mit dem Bogen 96 befindet sich in der Längsmitte der Rohrvorrichtung 24. Vom Bogen 96 geht nach oben ein Anschlußteil 99 aus Kupfer weg, das mit einem Kupferblechstreifen 101 lösbar verbunden ist, der etwa horizontal zur Zwischenflansch-Vorrichtung 21 (Fig. 1) führt und dort an einen Pol der Hochfrequenz-Spannung angeschlossen ist.A strip of copper sheet a few centimeters wide is bent to form a three-pointed star 91 which, with its circular section flanks 92, 93, 94, nestles against the electrodes 82, 86, 88 and contacts them over their entire width. The flanks of the circular section are connected to one another by arches 96, 97, 98 which protrude somewhat. The star 91 with the arc 96 is located in the longitudinal center of the tube device 24 . From the arc 96 goes up a connector 99 made of copper, which is releasably connected to a copper sheet strip 101 , which leads approximately horizontally to the intermediate flange device 21 ( FIG. 1) and is connected there to a pole of the high-frequency voltage.

An den Scheitelbereichen der Elektroden 78, 87, 89 liegt ein Ring 102 aus Kupfer an, der unten mit einem Anschlußteil 103 aus Kupfer verbunden ist, der wiederum mit einem Kupferblechstreifen 104 verbunden ist, der zur Zwischenflansch-Vorrichtung 21 führt und dort an den anderen Pol der Hochfrequenz-Spannung angeschlossen ist.At the apex areas of the electrodes 78, 87, 89 there is a ring 102 made of copper, which is connected at the bottom to a connecting part 103 made of copper, which in turn is connected to a copper sheet strip 104 which leads to the intermediate flange device 21 and there to the others Pole of the high-frequency voltage is connected.

In der Schemadarstellung der Fig. 3 sind die Einzelrohre 74, 76 und 77 von Fig. 1 und 2 zur besseren Veranschaulichung der gegenseitig bezüglich des Laserstrahls jeweils verdrehten Elektrodenpaare 78, 82; 86, 87 und 88, 89 hintereinanderliegend gezeigt, so als wäre der gefaltete Strahlenweg gestreckt worden. . In the schematic illustration of Figure 3, the individual tubes 74, 76 and 77 are of Figures 1 and 2 to better illustrate the mutually with respect to the laser beam respectively twisted pairs of electrodes 78, 82.; 86, 87 and 88, 89 shown one behind the other as if the folded ray path had been stretched.

Claims

1. Longitudinally flowing CO₂ laser with at least several hundred watts of output power, with a geometric longitudinal axis, with a straight line, the CO₂ containing, consisting of individual tubes pipe device made of dielectric material, parallel to the longitudinal axis, each with an end flange device in the end regions of the pipe device, with a gas connection opening in each end flange device, which communicates with the pipe device, and with high-frequency electrodes extending along the pipe device, the individual pipes being made of inorganic glass, and the high-frequency electrodes being divided into a plurality of electrode pairs which follow one another in the longitudinal direction of the laser beam , characterized,
that each pair of electrodes is formed by high-frequency electrodes symmetrically formed with respect to a radial center plane ( 81, 83, 84 ) and the center plane of each pair of electrodes is rotated by an angle with respect to that of the adjacent pair of electrodes, which angle is divided by at least approximately 360 ° the number of electrode pairs is
and that the individual tubes ( 74, 76, 77 ) have the same inside and outside diameters.

2. Device according to claim 1, characterized in that three pairs of electrodes ( 78, 82; 86, 87; 88, 89 ) are provided, the center planes ( 81, 83, 84 ) of which are offset from one another by at least approximately 120 °.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that it is designed as a folded laser, the tube device ( 24 ) a plurality of individual tubes ( 74, 76, 77 ) between the end flange devices ( 17, 18; 56, 57 ) and in series with respect to the folded beam path ( 36 ).

4. The device according to claim 3, characterized in that the individual tubes ( 74, 76, 77 ) are arranged symmetrically with respect to the geometric longitudinal axis ( 26 ).

5. The device according to claim 3, characterized in that the individual tubes ( 74, 76, 77 ) are each of the same length.