DE3603818A1 - Schnellgestroemter axial-hochleistungs co(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen schnellgeströmten Axial-Hochleistungs-CO₂-Laser mit mindestens einem lasergasdurchströmten Entladungsrohr dem jeweils eine an eine Hochspannungsquelle angeschlossene Kathode und Anode zugeordnet sind.

Laserlicht entsteht in einem optischen Resonator, der durch zwei Spiegel an den Stirnflächen abgeschlossen ist mit Hilfe von Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Hierzu wird zwischen Endreflektor und Auskoppelfenster der Laserstrahl durch die stimulierte Emission von Photonen aus angeregten CO₂-Molekülen erzeugt. Die Anregung der CO₂-Moleküle im Resonator erfolgt durch eine elektrische Glimmentladung zwischen mindestens einer Kathode und einer Anode.

Aus der DE-OS 33 23 954 ist ein Axialstrom- Gastransport-CO₂-Laser bekannt, bei dem die Anodenköpfe und der Kathodenkopf an eine Hochspannungsgleichstromquelle angeschlossen sind.

Bei der Verwendung einer derartigen Kathode in einem schnellgeströmten CO₂-Hochleistungslaser springt die Entladung bedingt durch den Druck und thermische Schwankungen zwischen verschiedenen Stellen der Innenwandung hin und her. Die Entladung brennt asymmetrisch mit Vorzugsrichtung zur Absaugöffnung. Weiterhin zeigt die Entladung Ansätze zur Bogenbildung.Dabei verstärkt sich diese Tendenz mit zunehmenden Druck und Gasdurchsatz. Bei einem kathodenseitigen Gasdruck von P ≦λτ 50 Millibar und Strömen ≦λτ 130 Millibar verhindert die Bogenbildung an der Kathode ein weiteres Anwachsen der Laserleistung.

Die Verwendung einer aus der DE-OS 30 31 692 bekannten Ringkathode beruhigt die Entladung nur unwesentlich. Auch hier brennt der Kathodenansatz asymmetrisch und instationär.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Laserleistung bei vorzugsweise Hochleistungslasern zu stabilisieren und die an der Kathode stattfindenden Inhomogenitäten zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kathode als Hohlkathode ausgebildet ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch den hohen Ionisierungsgrad in der Hohlkathode dem Kathodenansatz der Lasergasbildung ein stabiles, stationäres Verhalten aufgeprägt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines schnellgeströmten Axial-Hochleistungs-CO₂-Lasers;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Potentialverteilung in den Hohlkathoden der Fig. 3 und 4;

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt A der Fig. 1;

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Hohlkathode nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein schnellgeströmter Axial- Hochleistungs-CO₂-Laser mit 10 bezeichnet, der im wesentlichen aus zwei Entladungsrohren 11 mit gemeinsamen Kathodenkopf 12 und zwei Anodenköpfen 13 besteht. Den Resonator bilden ein totalreflektierender Endspiegel 14 und ein teildurchlässiger Auskoppelspiegel 15.

Die Anodenköpfe 13 und der Kathodenkopf 12 sind über Leitungen 17, 18, 19 an eine Hochspannungsquelle 20 angeschlossen.

Als Lasermedium dient ein schnellströmendes Helium- Kohlendioxid-Stickstoffgemisch. Eine elektrische Gasentladung, die im Lasermedium bei einem Druck von etwa 70 Millibar brennt, regt die Laserstrahlung an. Die Wellenlänge der Laserstrahlung liegt im Infraroten bei 10,6 Mikrometer. Die elektrisch eingekoppelte Leistung setzt sich zu etwa 20% in Laserstrahlung um, der Rest heizt das Gas auf. Um die Wärme abzuführen, wird das Gas sowohl in Wärmetauschern 22 als auch an den wassergekühlten Entladungsrohrwänden gekühlt. Den Gastransport von dem Kathodenkopf 12 zu den beiden Anodenköpfen 13 übernimmt eine Wälzkolbenpumpe 23. Vorzugsweise ist der Gastransport als in sich geschlossener Lasergaskreislauf 21 ausgebildet. Durch die tangentiale Einströmung des Lasergases an den Anodenköpfen 13 und die Absaugung an dem Kathodenkopf 12, wird eine Strömungsrichtung entgegen der Laserspiegelanordnung 14, 15 erreicht, und somit die Verschmutzungsgefahr von Auskoppelplatte und Spiegel verringert.

Zur Aufrechterhaltung eines mittleren Druckes innerhalb der Entladungsrohre 11 von ca. 70 Millibar ist an den Lasergaskreislauf 21 eine Vakuumpumpe 24 angeschlossen.

Über eine Leitung 25 wird dem Laser 10 kontinuierlich eine geringe Lasergasmenge von der Gasversorgung 26 zugeführt. Über eine nicht näher dargestellte Druck- bzw. Vakuummeßzelle, die an den Lasergaskreislauf 21 angeschlossen ist, wird der Lasergas-Ist-Druck erfaßt und einer Regeleinheit zugeführt.

Der oben beschriebene schnellgeströmte Axial- Hochleistungs-CO₂-Laser wird bevorzugt zur Materialbearbeitung, insbesondere zum Schneiden, Schweißen und Oberflächenveredeln eingesetzt. Unter einem Hochleistungslaser wird hierbei ein Laser mit einer Ausgangsleistung von P 1 KW bezeichnet. In der Fig. 1 ist lediglich eine Grundeinheit bestehend aus zwei Entladungsrohren 11, denen zwei Anodenköpfe und ein Kathodenkopf zugeordnet sind, dargestellt. Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere dieser Grundeinheiten aneinander zu setzen.

In der Fig. 3 ist der Kathodenkopf 12 der Fig. 1 vergrößert dargestellt. In den Kathodenkopf 12 münden beidseitig die Entladungsrohre 11. Die Entladungsrohre 11 haben einen Entladungsrohrdurchmesser 29 von vorzugsweise 24 Millimeter. Die als Hohlkathode ausgebildete Kathode 27 besteht aus einem Aluminiumzylinder 44 von 100 mm Durchmesser mit einer Zentralbohrung 28 von 25 mm Durchmesser. Der Aluminiumzylinder 44 ist in der Mitte des Kathodenkopfes 12 zentrisch zu den Entladungsrohren 11 angeordnet. An beiden Stirnseiten 30, 31 befindet sich eine Hohlkathodenringnut 32, deren Breite-Tiefenverhältnis 1 : 3, vorzugsweise 2,5 mm zu 6 mm ist. Die dick ausgezogenen Oberflächen 33 des Kathodeninnenraumes 34, d. h. die Stirnseiten 30, 31 der Kathode 27 und die den Stirnseiten 30, 31 gegenüberliegenden sowie die anschließenden Seitenwände des Kathodeninnenraumes sowie die Zentralbohrung 28 sind isoliert, vorzugsweise eloxiert, während die Hohlkathoden 32 metallisch sind. Selbstverständlich ist es auch möglich, anstatt einer Eloxalschicht, die Seitenwände mittels keramischer Materialien, wie z. B. Stenan oder Folien zu isolieren. Hierdurch wird vorteilhaft eine größere Dauerbetriebsfestigkeit der Kathodenflächen 43 erreicht.

Die mit dem Lasergaskreislauf 21 verbundene Absaugöffnung ist mit 35 bezeichnet.

Über die Leitung 19 und den eloxierten Kathodenkopf 12 steht die Hohlkathode 27 aufgrund des relativ geringen Widerstandes der Eloxalschicht mit der Hochspannungsquelle 20 in Verbindung.

Wird der Kathodeninnenraum 34 nicht eloxiert sondern beispielsweise mittels keramischer Materialien isoliert, muß zwischen Kathodenkopf 12 und Kathode 27 eine unisolierte Kontaktstelle freigelassen werden.

Die Potentialverteilung der Hohlkathodenringnutgeometrie ist in Fig. 2 dargestellt. In der Nähe der Kathodenwände K existiert ein starkes radiales Feld E _r , während im Zentrum nur ein schwaches axiales Feld E _z vorliegt. Im Bereich der Hohlkathode 32 ist dabei der Ionisierungsgrad des Gases um ein vielfaches höher, als in einer normalen Glimmentladung. Die Ursache dafür ist, daß die Elektronen die Kathodenfall und negatives Glimmlicht durchlaufen haben und vom Fallgebiet der gegenüberliegenden Kathodenwand wieder in die Gasentladung reflektiert werden. Der hohe Ionisierungsgrad in der Hohlkathode 32 führt zu einem stabilen und stationären Verhalten des Kathodenansatzes der Lasergasentladung.

In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer als Hohlkathode ausgebildeten Kathode 27 dargestellt. Für gleiche Teile der Fig. 1 bis 3 werden in der Fig. 4 gleiche Bezugsziffern verwendet. In der Fig. 4 sind die Hohlkathoden- Ringnuten 32 in dem Kathodenkopf zentrisch zu den zwei Entladungsrohren 11 in den Kathodendeckeln 37, 38 angeordnet. Die beiden Hohlkathoden-Ringnuten sind von einem durchmessergrößeren Glaszylinder 39 umgeben der an beiden Enden Schlitze 40 aufweist und in den Kathodendeckeln 37, 38 in Aussparungen 41, 42 gehalten ist. Durch diesen Glaszylinder 39 wird der Lasergasstrahl an den Kathodendeckeln vorbeigeführt und verhindert somit, daß die Entladung auf der Innenwandung des Kathodenkopfes 12 brennt.

Claims (8)

1. Schnellgeströmter Axial-Hochleistungs-CO₂-Laser mit mindestens einem lasergasdurchströmten Entladungsrohr, dem jeweils eine an eine Hochspannungsquelle angeschlossene Kathode und Anode zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode als Hohlkathode (27) ausgebildet ist.

2. Schnellgeströmter Axial-Hochleistungs-CO₂-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode zwei Kathodenflächen (43) aufweist und in einem Kathodenkopf (12) mit tangentialer Lasergasöffnung (35) zentrisch zu zwei Entladungsrohren (11) angeordnet ist und jedem Entladungsrohr (11) eine Kathodenfläche (43) zugeordnet ist.

3. Schnellgeströmter Axial-Hochleistungs-CO₂-Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenflächen (43) in den Seitenflächen (37) des Kathodenkopfes (12) angeordnet und als Hohlkathoden-Ringnuten (32) ausgebildet sind.

4. Schnellgeströmter Axial-Hochleistungs-CO₂-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnuten (32) von einem gemeinsamen Glaszylinder (39) umgeben sind, dessen Enden geschlitzt sind.

5. Schnellgeströmter Axial-Hochleistungs-CO₂-Laser nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkathode (27) aus einem oberflächenisolierten (33) Aluminiumzylinder (44) mit Zentralöffnung (8) besteht, in dessen Stirnseiten (30, 31) jeweils eine Hohlkathoden- Ringnut (32) angeordnet ist.

6. Schnellgeströmer Axial-Hochleistung-CO₂-Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumzylinder (44) zwischen den beiden Entladungsrohren (11) angeordnet ist.

7. Schnellgeströmter Axial-Hochleistungs-CO₂-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Breite- Tiefenverhältnis der Hohlkathoden-Ringnut (32) 1 : 3 beträgt.

8. Schnellgeströmter Axial-Hochleistungs-CO₂-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (43) der Hohlkathoden-Ringnut (32) metallisch ist.