DE4007588A1 - Kohlendioxid-laser - Google Patents

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.