DE3931082C2 - Gaslaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gaslaser nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Einen gattungsgemäßen Gaslaser mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen ist der JP 62-29 1188 (A) zu entnehmen. Dieser Gaslaser besteht aus mindestens einem Laserrohr zur Aufnahme eines in der Längsrichtung des Laser­ strahles strömenden Lasergases. In dem Laserrohr befindet sich mindestens ein Elektrodenpaar mit gegenüberliegenden Elektroden, bei dem mindestens eine der Elektroden aus minde­ stens zwei Segmenten besteht. Eine derartige Anordnung läßt jedoch eine Hochfrequenzentladung nicht zu.

Hochfrequenzangeregte, schnellaxialgeströmte Gastransportla­ ser benötigen eine homogene Gasentladung zur Anregung des entsprechenden Laserniveaus. Bei der kapazitiven HF-Anregung werden gekrümmte Elektroden an dem zylindrischen Entladungs­ raum angebracht. Die Kaltkapazität der Anordnung hängt u. a. von der Länge der Elektroden, von der Wandstärke und der Dielektrizitätszahl des Entladungsrohres sowie von den Gaspa­ rametern ab.

Ein entsprechender Gaslaser mit Elektroden zur kapazitiven HF-Anregung ist beispielsweise aus den europäischen Patent­ anmeldungen EP 0183023 A2 und EP 0215458 A2 bekannt. Um eine un­ gleichmäßige Energieverteilung zu verhindern und eine Ener­ gieverteilung zur erhalten, welche zur Mitte des Laserrohres hin einen gleichmäßigen Anstieg besetzt, wird in diesen Schriften vorgeschlagen, die Elektrodenpaar- bzw. ihre Ab­ schnitte in Umfangsrichtung des Rohres versetzt zueinander anzuordnen. Dabei wird mindestens ein Elektrodenpaar verdreh­ bar gegenüber dem Gasstrom bzw. dem Laserstrahl angeordnet.

Nachteilig bei den bekannten Anordnungen sind vor allem die relativ aufwendigen Anordnungen, welche sowohl speziell geformte Elektroden als auch Drehvorrichtungen erforderlich machen.

Aus der DE 35 23 519 A1 sind ferner Gaslaseranordnungen mit transversaler hochfrequenter Anregung bekannt, bei denen die Kapazitätselektroden in Flußrichtung des Lasergases orts­ abhängig unterschiedliche gegenseitige Abstände besitzen, um eine möglichst homogene Gasentladung zu erreichen. Wird eine derartige Elektrodenanordnung bei gattungsgemäßen, d. h. axialgeströmten Gaslasern benutzt, so ist eine relativ hohe Anzahl von in Flußrichtung des Lasergases angeordneten gegen­ überliegenden Elektroden erforderlich. Trotz der hohen Elek­ trodenzahl ist es auch bei dieser Anordnung erforderlich, die dem Laserstrahl zugewandten Enden der Elektroden speziell auszugestalten, damit die Gasentladung, bezogen auf den jeweiligen Querschnitt des Laserrohres, homogen ist.

In der vorstehenden Anmeldung wird ferner eine gattungsfremde Laseranordnung mit querdurchströmtem Lasergas offenbart. Dabei sind auch in diesem Fall die Kapazitätselektroden in Strömungsrichtung des Lasergases in mehrere Teilelektroden aufgeteilt.

Eine derartige Anordnung weist zum einen den Nachteil auf, daß eine Gasentladung lediglich in einem relativ kleinen Bereich des Laserrohres auftritt. Zum anderen ist eine homo­ gene Gasentladung nur schwer zu realisieren, weil bei seitli­ cher Durchströmung des Laserrohres starke Gasverwirbelungen auftreten können. Außerdem ist eine nachträgliche Verschie­ bung der Elektroden mit erheblichen Problemen behaftet, da die Elektroden hierzu aus dem Laserrohr herausgenommen werden müssen.

Aus der japanischen Schrift JP 56-73484 (A) ist ebenfalls ein Gaslaser bekannt, bei dem zur Maximierung der Entladungs­ dichte im Zentrum des Laserrohres eine mehrphasige HF-Anre­ gung erfolgt. Hierzu werden mindestens drei Elektroden axial­ symmetrisch am Umfang des Laserrohres angeordnet. Nachteilig bei derartigen Anordnungen ist unter anderem, daß relativ aufwendige HF-Sender erforderlich sind. Angaben über den Aufbau der einzelnen Elektroden zwecks Erreichung einer homo­ genen Entladung in der Laserröhre macht diese Schrift nicht.

In der EP 02 42 658 A1 wird zur Erreichung einer besonders hohen Feldstärke der HF-Leistung offenbart den Raum zwischen dem Elektrodenrohr und den Elektroden mit einem Material hoher Dielektrizitätskonstante zu füllen. Aus der Schrift JP 64 77 978 (A) ist bekannt, dafür eine Luftschicht zwischen Laserrohr und den Randbereichen der Elektroden zu nutzen. An­ gaben über die Ausgestaltung der Elektroden zum Zweck der Erreichung einer homogenen Entladung im Laserrohr ist beiden Schriften nicht entnehmbar.

Schließlich offenbart die US 4,589,114 einen Gaslaser mit einer Reihe recht unterschiedlicher Elektrodenanordnungen, wobei die Elektroden entweder mit einer Hochfrequenzquelle oder einer Gleichspannungsquelle verbunden werden sollen. Die homogenen Entladung auf einfache Weise werden keine Angaben gemacht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gaslaser der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß er für hohe Leistungen brauchbar ist und eine homogene und effiziente Entladung in dem Laserrohr realisiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Erfindung liegt also der Gedanke zugrunde, durch eine Segmentierung der Elektroden in Umfangsrichtung ein homogenes HF-Feld und damit auch eine homogene Gasentladung zu erzeu­ gen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Elektrodenpaare aus mindestens drei Segmenten bestehen, wobei die Randsegmen­ te symmetrisch um ein Zentralsegment angeordnet sind, und wobei zwischen dem Laserrohr und den Randsegmenten eine dielektrische Schicht angeordnet wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe von Figuren beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Gastransportlasers mit HF-Elektroden;

Fig. 2 eine Elektrodenanordnung bekannter Art auf dem Laserrohr;

Fig. 3 bis Fig. 9 verschiedene Ausführungsbeispiele der er­ findungsgemäßen Elektrodenanordnung; und

Fig. 10 die Anordnung von Zentralsegmenten in Längs­ richtung des Laserrohres.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Laservorrichtung bezeichnet, wie sie beispielsweise aus der EP 0111045 bekannt ist. Sie be­ steht im wesentlichen aus zwei Längsrohren 2 und 3, welche das Laserrohr bzw. den Laserresonator bilden. Die Längsroh­ re sind in Optikhalterungen 4 und 5 sowie in einem Sammel­ trichter 6 befestigt. Am Auslauf des Sammeltrichters 6 ist ein Radialverdichter 7 angeordnet, welcher seinerseits über Rohrleitungen 8 und 9, in denen das Gas gekühlt wird, mit den Optikhalterungen 4 und 5 verbunden ist. Das erwärm­ te Gas gelangt also aus den Längsrohren 2 und 3 in den Sam­ meltrichter 6, dann in den Radialverdichter 7, wird an­ schließend in den Rohrleitungen 8 und 9 gekühlt und fließt über die Optikhalterungen wiederum den Längsrohren 2 und 3 zu.

Die Anregung des Lasergases in den Längsrohren erfolgt mit Hilfe von HF-Energie. Hierzu befinden sich auf den Längs­ rohren 2 und 3 Elektrodenpaare 10, 11 bzw. 12, 13. Mit den Elektrodenpaaren ist über die elektrischen Leitungen 14, 15 bzw. 16, 17 ein HF-Generator 18 verbunden.

In Fig. 2 ist beispielsweise das Längsrohr 2 mit den Elek­ troden 10 und 11 und den elektrischen Leitungen 14 und 15 dargestellt.

Wie bereits eingangs beschrieben, hat diese bekannte Elek­ trodenanordnung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, den Nach­ teil, daß sich in aller Regel kein homogenes radiales Ent­ ladungsprofil ergibt, so daß die Laserleistung geringer ist als theoretisch berechnet.

Fig. 3 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung. Die Elektroden sind mit dem Bezugszeichen 30 und 31 versehen. Während die Elektrode 30 nicht segmentiert ist, weist die Elektrode 31 zwei Segmente 31′ und 31′′ auf. Die beiden Elektrodensegmente 31′ und 31′′ werden auf dem glei­ chen elektrischen Potential gehalten und sind mit der elek­ trischen Leitung 14 (vgl. Fig. 1) verbunden. Die Größe der Elektroden, die im vorliegenden Fall durch die Winkel α1, α2, α3 definiert werden, sowie die Abstände der Elektro­ den zueinander, die durch Vorgabe der Winkeln β1 und β2 charakterisiert sind, muß jeweils für einen konkreten Lasertyp ermittelt werden. Da die Gasströmung im Inneren der Laserrohre häufig nicht homogen ist, können die Werte für α und β für verschiedene Lasertypen unterschiedlich ausfallen.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem beide Elek­ troden 40 und 41 jeweils segmentiert sind und die Segmen­ te 40′, 40′′ bzw. 41′, 41′′ besitzen.

Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen Elektrodenanordnungen, bei denen die Elektroden 50, 51; 60, 61; 70, 71 eines Elektrodenpaares jeweils aus drei Segmenten bestehen. Dabei sind die Randseg­ mente 50′′-51′′′; 61′′-61′′′; 70′′-71′′′ symmetrisch um jeweils ein Zentralsegment 50′, 51′; 60′, 61′; 70′, 71′ ange­ ordnet. Zur Homogenisierung des HF-Feldes bzw. zur Gasentla­ dung liegen die Randsegmente nicht direkt auf dem Laserrohr 2 auf, sondern es befindet sich bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 5 und Fig. 6 zwischen dem Laserrohr 2 und den Randseg­ menten 50′′-51′′′; 60′′-61′′′ eine dielektrische Schicht 54, 55, 56, 57 bzw. 64, 65, 66, 67. Die Dicke dieser Schicht muß experimentell ermittelt werden. Sie betrug bei einem praktischen Ausführungsbeispiel 0,6 mm bei einer spezifischen Leistungskopplung (Verhältnis von in das Entladungsvolumen eingekoppelten Leistung zur Elektrodenlänge) von etwa 15 KW/m.

Im Falle des Ausführungsbeispieles nach Fig. 7 befindet sich zwischen den Randelektroden 70′′, 70′′′, 71′′, 71′′′ und dem Laserrohr 2 eine Luftschicht.

In Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Elektrodenpaare jeweils aus fünf Segmenten bestehen. Fig. 9 hingegen zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Elektroden sich aus sieben Segmenten zusam­ mensetzen.

Zur Homogenisierung des axialen Entladungsprofiles hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Elektroden an ihren Enden in Gasflußrichtung einen keilförmigen Raum aufwei­ sen, der mit einem Dielektrikum ausgefüllt wird. Dadurch wird erreicht, daß der für eine homogene Entladung kriti­ sche Wert E/n (E: elektrische Feldstärke, n: Teilchen­ dichte) nicht überschritten wird. Denn durch die Entladung besteht im Entladungsraum ein Temperaturgradient, d. h. die Temperatur des Gases nimmt mit der Elektrodenlänge zu. Eine Temperaturerhöhung bedeutet aber auch eine Abnahme der Teilchendichte, so daß sich bei konstanter elektri­ scher Feldstärke eine Erhöhung des Quotienten E/n ergibt. Diese Erhöhung muß unterhalb eines kritischen vorgegebenen Wertes bleiben. Erfindungsgemäß wird dies dadurch er­ reicht, daß die elektrische Feldstärke am Ende der Elektro­ den durch den Spalt und das eingebrachte Dielektrikum ver­ ringert wird. In Fig. 10 ist eine derartige Maßnahme bei­ spielsweise für die Zentralsegmente 50′ und 51′ der in Fig. 5 dargestellten Elektroden 50 und 51 gezeigt (Fig. 5 zeigt beispielsweise einen Querschnitt entlang der Linie V-V). Wie Fig. 10 zu entnehmen ist, weisen die Zentralsegmente 50′ und 51′ an ihren Enden in Gasfluß­ richtung 53 einen keilförmigen Raum auf, in dem ein Dielek­ trikum 52 eingebracht wird. Entsprechendes gilt auch für die Randsegmente 50′′ bis 51′′′ (nicht dargestellt). Die­ ses bedeutet, daß die Segmente 51′ bis 51′′′ zusätzlich zu den oben beschriebenen dielektrischen Schichten 54 bis 57 ein Dielektrikum in einem spaltförmigen Raum an ihren Enden in Gasflußrichtung 53 aufweisen.

Bezugszeichenliste

1 Laservorrichtung
2 Längsrohre die Laserrohr bilden
3 Längsrohre die Laserrohr bilden
4 Optikhalterung
5 Optikhalterung
6 Sammeltrichter
7 Radialverdichter
8 Rohrleitung mit Kühler
9 Rohrleitung mit Kühler
10 Elektrode
11 Elektrode
12 Elektrode
13 Elektrode
14 Elektrische Leitung
15 Elektrische Leitung
16 Elektrische Leitung
17 Elektrische Leitung
18 HF-Generator
30 Elektrode
31 Elektrode, bestehend aus Segmenten 31, 31′′
40 Elektrode, bestehend aus Segmenten 40′, 40′′
41 Elektrode, bestehend aus Segmenten 41′, 41′′
50 Elektrode, bestehend aus Segmenten 50′-50′′′
51 Elektrode, bestehend aus Segmenten 51′-51′′′
52 Kunststoffteil
53 Richtungspfeil des Gasstromes
60 Elektrode, bestehend aus Segmenten 60′-60′′′
61 Elektrode, bestehend aus Segmenten 51′-61′′′
70 Elektrode, bestehend aus Segmenten 70′-70′′′
71 Elektrode, bestehend aus Segmenten 71′-71′′′
80 Elektrode, bestehend aus Segmenten 80′-80′′′
81 Elektrode, bestehend aus Segmenten 81′-81′′′
54-57 dielektrische Schicht
64-67 dielektrische Schicht

Claims (6)

1. Gaslaser mit mindestens einem Laserrohr zur Aufnahme eines entlang des Laserstrahles strömenden Lasergases und mit mindestens einem Elektrodenpaar, wobei mindestens eine der Elektroden in Umfangsrichtung des Laserrohres aus mindestens zwei Segmenten besteht, deren Abstand voneinander so gewählt ist, daß sich eine annähernd homogene Entladung im Inneren des Laserrohres einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (30, 31; 40, 41; 50, 51; 60, 61; 70, 71; 80, 81) zur Anregung des Lasergases außerhalb des Laserrohres (2, 3) angeordnet sind, und daß durch die Elektroden (30, 31; 40, 41; 50, 51; 60, 61; 70, 71; 80, 81) eine Hochfrequenz-Anre­ gung des Lasergases erfolgt.

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Elektroden (40, 41) eines Elektrodenpaares sich aus jeweils zwei Segmenten (40′, 40′′; 41′, 41′′) zusammensetzen.

3. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Elektroden (50, 51; 60, 61; 70, 71) eines Elektrodenpaares sich aus jeweils mindestens drei Segmenten (50′-50′′′, 51′-51′′′; 60′-60′′′, 61′-61′′′; 70′-70′′′, 71′-71′′′) zusammensetzen, wobei jeweils die Randsegmente (50′′, 50′′′, bis 71′′, 71′′′) symmetrisch zu jeweils einem Zentralsegment (50′, 51′; 60′, 61′; 70′, 71′) angeordnet sind.

4. Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Laserrohr (2) und den Randsegmenten (50′′, 50′′′; 51′′, 51′′′; 60′′, 60′′′; 61′′, 61′′′) eine dielektrische Schicht (54-57; 64-67) angeordnet ist.

5. Gaslaser nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich zwischen dem Laserrohr (2) und den Randsegmenten (70′′, 70′′′, 71′′, 71′′′) eine Luftschicht befindet.

6. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Elektroden (30 bis 81) an ihren Enden in Gasflußrich­ tung (53) einen keilförmigen Spalt aufweisen, der mit einem Dielektrikum (52) ausgefüllt ist.