DE4112160A1 - Diffusionsgekuehlter laser, vorzugsweise co(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen diffusionsgekühlten Laser, vorzugsweise einen CO₂-Laser, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die wesentlichen Bestandteile eines CO₂-Lasers sind der optische Resonator sowie das Entladungsgefäß mit vorzugs­ weise kreisförmigem Querschnitt, das mit einem Gemisch aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium bei einem Absolutdruck von z. B. 3 KPa gefüllt wird. Durch eine elektrische Gasent­ ladung wird das Medium zur Lasertätigkeit angeregt. Die da­ bei entstehende Verlustwärme wird bei diffusionsgekühlten Lasern durch Wärmeleitung zur gekühlten Wand des Entladungs­ gefäßes abgeführt. Hierzu ist das Entladungsgefäß von einem Kühlmittelrohr umgeben, in dem zur Kühlung des Entladungs­ gefäßes Kühlmedium, beispielsweise Wasser, strömt. Die Anregung des Lasermediums erfolgt durch Gleichstrom mit Elektroden, die im Entladungsraum angeordnet sind. Während des Betriebes tritt ein unvermeidlicher Elektrodenabbrand auf, der zu einer Verun­ reinigung des Lasermediums und insbesondere der optischen Kom­ ponenten des Lasers, insbesondere bei abgeschlossen betriebenen CO₂-Lasern, führt, so daß die Leistung eines solchen dif­ fusionsgekühlten Lasers entsprechend der zunehmenden Ver­ schmutzung abnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen diffusionsgekühlten Laser so auszubilden, daß der Elektroden­ abbrand verhindert wird.

Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen diffusionsgekühlten Laser erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen diffusionsgekühlten Laser erfolgt die Einkopplung der Energie in das Entladungsmedium durch Wechselstrom über Elektroden, die sich außerhalb des Kühlmittelrohres befinden. Dadurch tritt ein Elektroden­ abbrand nicht mehr auf. Damit die Energieeinkopplung besonders wirksam ist, sind vorteilhaft die Wandstärken des Entladungs­ und/oder des Kühlrohres sowie der Spalt für das Kühlmedium möglichst klein und besitzen hohe Dielektrizitätskonstanten. Wegen des unvermeidbaren Nebenschlußwiderstandes des Kühl - mediums sollte dessen elektrische Leitfähigkeit möglichst gering sein. Auf diese Weise kann der aufgrund der konstruktiven Ausbildung von diffusionsgekühlten Lasern gebildete kapazitive Widerstand für die Anregung mit Wechselspannung minimiert und die Leistung des erfindungsgemäßen diffusionsgekühlten Lasers optimal hoch gehalten werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.

Die Erfindung wird anhand zweier in der Zeichnung dar­ gestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer und perspektivischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen diffusionsge­ kühlten Lasers,

Fig. 2 in einer Darstellung entsprechend Fig. 1 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen diffusionsgekühlten Lasers.

Der Laser gemäß Fig. 1 ist ein diffusionsgekühlter CO₂- Laser, der vorzugsweise abgeschlossen betrieben wird. An­ stelle eines CO₂-Lasers kann selbstverständlich auch jeder andere geeignete Laser verwendet werden. In Fig. 1 sind lediglich die wesentlichsten Bestandteile des Lasers dar­ gestellt. Er hat ein Entladungsrohr 1, das im Ausführungs­ beispiel kreisförmigen Querschnitt hat, aber selbstver­ ständlich auch jeden anderen geeigneten Querschnitt auf­ weisen kann. Im Entladungsrohr befindet sich das Laser­ medium, das bei einem CO₂-Laser aus einem Gemisch aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium besteht.

Das Entladungsrohr 1 ist über den größten Teil seiner Länge mit Abstand von einem Kühlmittelrohr 2 umgeben, durch das Kühlmittel 3 strömt. Das Kühlmittelrohr 2 ist an seinen beiden Enden dicht abgeschlossen und weist einen Zulauf 4 und einen Ablauf 5 für das Kühlmedium 3 auf. Während des Betriebes des Lasers strömt das Kühlmedium 3 ständig durch das Kühlmittelrohr 2 und nimmt die beim Betrieb des Lasers auftretende Wärme auf. Als Kühlmedium kann beispielsweise demineralisiertes Wasser wegen der Vermeidung hoher Neben­ schlußströme verwendet werden.

Der Laser weist in bekannter Weise den optischen Resonator auf, der der Übersichtlichkeit wegen in Fig. 1 nicht dar­ gestellt ist.

Die Einkopplung der Energie in das Entladungsvolumen er­ folgt durch Wechselstrom über Elektroden 6 und 7, die auf dem Umfang des Kühlmittelrohres 2 befestigt sind.

Die beiden Elektroden 6 und 7 liegen mit Abstand vonein­ ander und sind ringförmig ausgebildet. Die Ringebenen liegen vorzugsweise senkrecht zur optischen Achse 8 des Laser­ resonators.

Die Energie wird vom Wechselstromgenerator 9, der ein Mittel­ oder ein Hochfrequenz-Wechselstromgenerator sein kann, bzw. den Elektroden 6 und 7 durch die Wandung des Kühlmittelrohres 2, durch das Kühlmedium 3 selbst und durch die Wandung des Entladungsrohres 1 in das Gasgemisch eingekoppelt. Um den kapazitiven Widerstand für die Anregung des Gasgemisches mit Wechselspannung zu minimieren, haben das Entladungs­ rohr 1 und das Kühlmittelrohr 2 sehr geringe Wandstärken. Auch auch der Ringraum 10 zwischen dem Kühlmittelrohr 2 und dem Entladungsrohr 1 hat nur geringe radiale Breite. Außer­ dem sind das Entladungsrohr 1 und das Kühlmittelrohr 2 aus Materialen mit hohen Dieelektrizitätszahlen gefertigt, wodurch der kapazitive Widerstand in Verbindung mit den geringen Wandstärken und der geringen Breite des Ringraumes 10 weiter minimiert wird. Wegen des unvermeidbaren Nebenschluß­ widerstandes des Kühlmediums 3 sollte dessen elektrische Leitfähigkeit möglichst gering sein. Auf diese Weise wird der kapazitive Widerstand, der durch alle Medien zwischen den Elektroden 6, 7 und dem Entladungsraum 11 repräsentiert wird, sehr gering gehalten, so daß eine äußerst effiziente Energie­ einkopplung gewährleistet ist.

Da die Elektroden 6, 7 außerhalb des Entladungsraumes 11 vorgesehen sind, tritt keine Verunreinigung des Lasermediums und insbesondere der optischen Komponenten des Lasers auf. Insbesondere wenn der Laser abgeschlossen betrieben wird, wird somit die unerwünschte Leistungsverminderung in konstruktiv einfacher Weise vermieden.

Die Elektroden 6, 7 können beispielsweise aus Kupferringen bestehen, die auf das Kühlmittelrohr 2 geklebt werden. Das Kühlmittelrohr kann beispielsweise aus Keramik be­ stehen. In diesem Falle ist es zweckmäßig, die Elektroden 6 und 7 bereits bei der Herstellung in die Außenseite des Keramikrohres chemisch einzubinden.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 entspricht grund­ sätzlich der Ausführungsform nach Fig. 1. Dieser Laser hat ebenfalls das Entladungsrohr 1, das mit Abstand vom Kühlmittelrohr 2 umgeben ist. Das Kühlmittel 3 strömt wiederum im Ringraum 10 zwischen dem Entladungsrohr 1 und dem Kühlmittelrohr 2. Lediglich die Elektroden sind auf andere Weise angeordnet als beim vorigen Aus­ führungsbeispiel. Wie Fig. 2 zeigt, erstrecken sich die Elektroden 6a und 7a parallel zur optischen Achse 8 des Laserresonators. Die beiden Elektroden 6a, 7a sind wiederum an eine Wechselstromquelle 9 angeschlossen. Die Elektroden 6a, 7a sind mit Abstand voneinander auf dem Kühlmittelrohr 2 befestigt und jeweils streifenförmig ausgebildet. Sie können in der gleichen Weise am Kühlmittelrohr 2 befestigt sein wie beim vorigen Ausführungsbeispiel. Im übrigen ist diese Ausführungsform gleich ausgebildet wie das Ausführungs­ beispiel nach Fig. 1.

Bei beiden Lasern tritt kein Elektrodenabbrand auf, so daß ins­ besondere abgeschlossen betriebene Laser über lange Zeiträume hinweg optimal arbeiten. Im Vergleich zu einer Gleichstroman­ regung hat der wechsel stromangeregte Laser einen höheren Betriebsdruck, bei dem er betrieben werden kann. Diese Eigenschaft führt aufgrund der Stoßverbreiterung dazu, daß selbst Laser mit relativ kurzer Resonatorlänge zeitlich stabil arbeiten. Ein höherer Betriebsdruck bedeutet auch eine größere Breite des Verstärkungsprofils des Lasers, so daß sich innerhalb der Linienbreite immer mehr longi­ tudinale Moden des optischen Resonators befinden. Der Ab­ stand der longitudinalen Moden nimmt umgekehrt proportional zur Resonatorlänge ab.

Die beschriebenen Laser mit Wechselstromanregung weisen gegenüber gleichstromangeregten Lasern deutlich ver­ besserte Eigenschaften bezüglich der maximal möglichen Pulsfrequenz auf, da die Generatoren 9 auf Halbleiter­ basis in einfacher Weise mit kleinen Anstiegs- und Abfallzeiten ein- und ausgeschaltet werden können. Bei einer Gleichstromanregung muß hingegen die volle Spannung von z. B. 15 KV geschaltet werden.

Mit den beschriebenen diffusionsgekühlten Lasern ist eine kostengünstige und wirksame Anregung gewährleistet.

Abweichend von den dargestellten Ausführungsbeispielen können die Elektroden auch an der Innenseite des Kühl­ mittelrohres 2 angeordnet sein. Auch dann befinden sie sich noch außerhalb des Entladungsraumes 11, so daß kein Elektrodenabbrand auftritt. Die Elektroden können außerdem auch auf der Außenseite des Entladungsrohres 1 vorgesehen sein, wodurch ebenfalls eine Verunreinigung des Lasermediums und insbesondere der optischen Komponenten des Lasers zuverlässig verhindert wird.

Claims (9)

1. Diffusionsgekühlter Laser, vorzugsweise CO₂-Laser, mit einem Resonator, einem Entladungsrohr, das wenigstens über einen Teil seiner Länge unter Bildung eines Kühlmittelraumes von einem Kühl­ mittelrohr umgeben ist, und mit Elektroden, die an eine Stromquelle angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle eine Wechselstromquelle (9) ist, und daß sich die Elektroden (6, 7; 6a, 7a) außerhalb des Kühlmittelrohres (2) befinden.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (6, 7; 6a, 7a) an der Außenwand des Kühlmittelrohres (2) angeordnet sind.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Elektroden (6, 7) in einer Ebene quer, vorzugsweise senkrecht zur optischen Achse (8) des Resonators erstrecken.

4. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (6, 7) ring­ förmig ausgebildet sind.

5. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Elektroden (6a, 7a) zumindest annähernd parallel zur optischen Achse des Resonators erstrecken.

6. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (6a, 7a) ein­ ander gegenüberliegend am Außenrohr (2) angeordnet sind.

7. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er ein abgeschlossen be­ triebener Laser ist.

8. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromquelle eine hoch- oder mittelfrequente Wechselstromquelle (9) vor­ gesehen ist.

9. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittelrohr (2), das Kühlmedium (3) und das Entladerohr (1) aus Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstanten und geringer elektrischer Leitfähigkeit bestehen.