DE4007588A1 - Kohlendioxid-laser - Google Patents
Kohlendioxid-laserInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kohlendioxid-Laser in der
Ausführungsform als Bandleiter-Laser (slab waveguide laser)
oder Wellenleiter-Laser (waveguide laser) mit transversaler
Hochfrequenzanregung des Arbeitsgases in einem Entladungskanal,
dessen innere Oberfläche teilweise aus Gold besteht.
Laserlicht wird häufig in einem optischen Resonator, bestehend
aus zwei Spiegeln und einem laseraktiven Medium, mit Hilfe von
Lichtverstärkung durch stimulierte Emission erzeugt. Das laser
aktive Medium wird aus angeregten atomaren Systemen, im Falle
des Kohlendioxid-Lasers aus angeregten CO2-Molekülen, gebildet.
Die Anregung erfolgt im allgemeinen durch eine elektrische Ent
ladung. Beim Zünden dieser Entladung muß die Feldstärke des
Entladungsfeldes innerhalb der Entladungszone wesentlich höhere
Werte annehmen, als zum Aufrechterhalten des Entladungsplasmas
erforderlich ist. Der CO2-Laser stellt ein molekulares Gasla
ser-System mit kontinuierlichem oder gepulstem Ausgang dar,
dessen Vorteil im guten Wirkungsgrad und einer hohen Ausgangs
leistung bis zu mehreren kW liegt. Er arbeitet nicht im Bereich
des sichtbaren Lichts, sondern sein Hauptübergang liegt im fer
nen Infrarot bei einer Wellenlänge von 10,6 µm. Sein Hauptan
wendungsgebiet ist deshalb die Materialbearbeitung.
Der CO2-Laser enthält als Arbeitsgas im allgemeinen ein Gemisch
aus Kohlendioxid und Puffergasen, beispielsweise Stickstoff und
Helium, die in einem geeigneten Mischungsverhältnis stehen. Die
elektrische Entladung erfolgt in einem Entladungsfeld, das bei
spielsweise zwischen Ring- oder Stiftelektroden, die an den En
den eines Rohres angeordnet sind, in Richtung des Laserstrahls
gebildet wird. Die Entladung kann mit Gleich- oder Wechselstrom
sowie mit Impulsen angeregt werden. Häufig werden auch Kombina
tionen, insbesondere von Impulsen und Gleichstrom, verwendet,
um eine leichte und sichere Zündung zu ermöglichen. Der Resona
tor besteht aus zwei in vorbestimmtem Abstand zueinander ange
ordneten Spiegeln mit sphärischem oder planem Schliff, deren
Oberfläche bei der infraroten Wellenlänge reflektieren und von
denen der eine vollständig reflektiert und der andere teilweise
durchlässig ist. Bei CO2-Lasern hoher Leistung können die Spie
gel auch direkt als Endfenster des Rohres benutzt werden.
Ein bekannter CO2-Laser in der Ausführungsform als Bandleiter-
Laser mit transversaler Hochfrequenz-Anregung in einem ge
schlossenen System ohne Gasaustausch (sealed rf-laser) arbeitet
beispielsweise mit einer Gasmischung von 3 : 1 : 1 He : N2 : CO2 mit
einem Zusatz von einigen Prozent Xenon Xe. Der Bandleiter-Laser
ist mit Metallelektroden versehen, die beispielsweise aus Gold
oder aus Aluminium bestehen können (Appl. Phys. Lett. 54 (19),
1989, Seiten 1833 bis 1835).
In einer weiteren Ausführungsform eines CO2-Lasers als Wellen
leiter-Laser ist ebenfalls als Arbeitsgas eine Mischung aus
Helium, Neon und Kohlendioxid im Verhältnis 3 : 1 : 1 vorgesehen,
die ebenfalls einen Zusatz von Xenon enthält. Die Entladung
findet zwischen Aluminiumelektroden bei einem Druck von etwa 75
bis 110 torr statt (Appl. Phys. Lett.43 (8), 1989, Seiten 726
bis 728).
Die Gasentladung im Entladungskanal hat bekanntlich den uner
wünschten Effekt der Zersetzung des Kohlendioxids der Gasmi
schung mit der Bildung von CO und O2.
Innerhalb weniger Stunden können beispielsweise bis zu 70% des
Kohlendioxids zersetzt werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Ausführungs
form eines Kohlendioxid-Lasers mit transversaler Hochfrequenz
anregung in einem geschlossenen System anzugeben, bei dem diese
Zersetzung des Kohlendioxids wesentlich vermindert wird.
In einer bekannten Ausführungsform eines CO2-Lasers als Band
leiter-Laser oder Wellenleiter-Laser mit transversaler Hoch
frequenzanregung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein
Teil der inneren Oberfläche des Entladungskanals mit einem
Goldüberzug versehen ist (US-Patent 47 56 000).
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein Wasserstoff
zusatz zum Arbeitsgas die katalytische Wirkung von Gold die
Rekombination der Zersetzungsprodukte des Kohlendioxids akti
viert und sie besteht somit in den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1. Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Die Ober
fläche der Goldauflagen hat nur eine geringe Rauhigkeit, die
vorzugsweise weniger als 1 µm, insbesondere weniger als 0,2 µm,
beträgt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Wellenleiter-Laser und
deren Fig. 2 ein Bandleiter-Laser jeweils als Querschnitt
schematisch veranschaulicht sind. In Fig. 3 ist der Zusammen
hang zwischen der CO2-Zersetzung und dem Wasserstoffzusatz in
einem Diagramm veranschaulicht.
In der Ausführungsform eines CO2-Lasers als Wellenleiter-Laser
(waveguide laser) gemäß Fig. 1 wird ein Entladungskanal 2 mit
einer Breite von beispielsweise a = 1,5 bis 5 mm und einer Höhe
von beispielsweise h = 1,5 bis 5 mm und einer Länge von bei
spielsweise 1 = 150 bis 500 mm durch zwei Elektroden 4 und 5
sowie zwei Wellenleiterwände 6 und 7 gebildet. Die Elektroden 4
und 5 bestehen aus Metall, beispielsweise Aluminium, und sind
gemäß der Erfindung mit einer Goldauflage 10 versehen, deren
Dicke vorzugsweise wenigstens 1 µm beträgt, und die vorzugs
weise aufgesputtert oder auch aufgedampft sein können. Die
Wellenleiterwände 6 und 7 bestehen aus Isolierstoff, beispiels
weise Keramik, insbesondere Aluminiumoxid Al2O3. Zur Hochfre
quenzanregung sind die Elektroden 4 und 5 über eine Hochfre
quenzanpassung mit einer Induktivität 12 und einer veränder
baren Kapazität 14 an einen Hochfrequenzgenerator 16 mit einer
Frequenz von etwa 50 bis 250 MHz, vorzugsweise etwa 125 MHz,
angeschlossen. Der Anschluß erfolgt vorzugsweise über ein
50 Ohm-Koaxialkabel, von dem in der Figur lediglich ein kurzes
Stück angedeutet und mit 18 bezeichnet ist. Der Hochfrequenz
generator 16 liefert dem Wellenleiter-Laser eine Frequenz von
beispielsweise 100 MHz. Der Entladungskanal 2 enthält als
Arbeitsgas beispielsweise eine Gasmischung, die aus Helium,
Stickstoff und Kohlendioxid im Verhältnis 3 : 1 : 1 bestehen kann
und gemäß der Erfindung einen Zusatz von wenigstens 0,1%
Wasserstoff enthält.
In der Ausführungsform eines Bandleiter-Lasers (slab waveguide
laser) gemäß Fig. 2 wird durch die Elektroden 4 und 5, die
beispielsweise aus Aluminium bestehen können, und die beiden
Seitenwände 6 und 7 ein Entladungskanal 2 mit einer Breite
von beispielsweise b = 5 bis 60 mm und einer Höhe von bei
spielsweise h = 1,5 bis 5 mm gebildet. Die Länge dieses Ent
ladungskanals 2 kann beispielsweise etwa 150 bis 500 mm be
tragen. Durch eine besondere, in der Figur nicht dargestellte
Spiegelanordnung mit einem konvexen und einem konkaven Spiegel
wird ein astabiler konfokaler Resonator mit einem verhältnis
mäßig breiten Entladungskanal und mehrfacher Reflexion gebil
det. Zur Hochfrequenzanregung wird an die Elektroden 4 und 5
ein Hochfrequenzfeld angelegt, von dem in der Figur lediglich
ein Anschluß angedeutet und mit RF bezeichnet ist. Die dem Ent
ladungskanal 2 zugewandten inneren Oberflächen der Elektroden 4
und 5 sind gemäß der Erfindung jeweils mit der Goldauflage 10
versehen. Der Bandleiter-Laser gemäß Fig. 2 kann gegebenen
falls auch ohne die Wellenleiterwände 6 und 7 ausgeführt sein.
Im Diagramm der Fig. 3 ist die CO2-Zersetzung in Abhängigkeit
vom Wasserstoffzusatz aufgetragen. Auf der Ordinate ist die
CO2-Zersetzung und die O2-Bildung jeweils in % aufgetragen. Die
Wasserstoffkonzentration ist auf der Abszisse ebenfalls in %
angegeben. Nach einer Betriebszeit des CO2-Lasers von einigen
Stunden stellt sich ein stationärer Zustand der Zersetzung der
CO2-Gaskomponente mit etwa 49% ein, der im Diagramm als
Ausgangswert eingetragen ist. Der angegebene Ausgangspunkt der
doppelten O2-Bildung mit etwa 38% weicht durch verschiedene
Effekte von seinem theoretischen Wert mit ebenfalls 49% ab.
Durch einen geringen Wasserstoffzusatz von beispielsweise 0,1%
wird bereits eine Verminderung der O2-Bildung erreicht, die bei
einem Zusatz von wenigstens 1% eine wesentliche Verminderung
und bei einem Zusatz von wenigstens 2% eine sprunghafte Ver
minderung zeigt, die in der Kennlinie eine Kante ergibt. Der
Wasserstoffzusatz wird deshalb vorzugsweise wenigstens 1%,
insbesondere wenigstens 2%, betragen und im allgemeinen 3%,
insbesondere 5%, nicht wesentlich überschreiten.
Im Ausführungsbeispiel wurde die Erfindung erläutert anhand
eines CO2-Lasers mit einem geschlossenen System ohne Gasaus
tausch. Die Erfindung kann jedoch auch bei einem CO2-Laser mit
Gasdurchströmung angewendet werden, wie er beispielsweise aus
der eingangs erwähnten US-Patentschrift 47 56 000 bekannt ist.
Claims (3)
1. Kohlendioxid-Laser in der Ausführungsform als Bandleiter-
Laser oder Wellenleiter-Laser mit transversaler Hochfrequenz
anregung des Arbeitsgases in einem Entladungskanal, dessen
innere Oberfläche teilweise aus Gold besteht, gekenn
zeichnet durch folgende Merkmale:
- a) Die Elektroden (4, 5) bestehen wenigstens in ihrer dem Ent ladungskanal (2) zugewandten Oberfläche aus Gold,
- b) das Arbeitsgas enthält einen Zusatz von wenigstens 0,1% Wasserstoff H2.
2. Kohlendioxid-Laser nach Anspruch 1, gekenn
zeichnet durch einen Zusatz von wenigstens 1% Was
serstoff H2.
3. Kohlendioxid-Laser nach Anspruch 1, gekenn
zeichnet durch einen Zusatz von wenigstens 2% Was
serstoff H2.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904007588 DE4007588A1 (de) | 1990-03-09 | 1990-03-09 | Kohlendioxid-laser |
PCT/EP1991/000362 WO1991014301A1 (de) | 1990-03-09 | 1991-02-27 | Kohlendioxid-laser |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904007588 DE4007588A1 (de) | 1990-03-09 | 1990-03-09 | Kohlendioxid-laser |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4007588A1 true DE4007588A1 (de) | 1991-09-12 |
Family
ID=6401852
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19904007588 Withdrawn DE4007588A1 (de) | 1990-03-09 | 1990-03-09 | Kohlendioxid-laser |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4007588A1 (de) |
WO (1) | WO1991014301A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005078877A1 (en) * | 2004-02-06 | 2005-08-25 | Coherent, Inc. | Dielectric coupled co2 slab laser |
US20210057864A1 (en) * | 2019-08-19 | 2021-02-25 | Iradion Laser, Inc. | Enhanced waveguide surface in gas lasers |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4756000A (en) * | 1987-02-18 | 1988-07-05 | Macken John A | Discharge driven gold catalyst with application to a CO2 laser |
-
1990
- 1990-03-09 DE DE19904007588 patent/DE4007588A1/de not_active Withdrawn
-
1991
- 1991-02-27 WO PCT/EP1991/000362 patent/WO1991014301A1/de unknown
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005078877A1 (en) * | 2004-02-06 | 2005-08-25 | Coherent, Inc. | Dielectric coupled co2 slab laser |
US7260134B2 (en) | 2004-02-06 | 2007-08-21 | Coherent, Inc. | Dielectric coupled CO2 slab laser |
US20210057864A1 (en) * | 2019-08-19 | 2021-02-25 | Iradion Laser, Inc. | Enhanced waveguide surface in gas lasers |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO1991014301A1 (de) | 1991-09-19 |
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Legal Events
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