DE4200622C2 - Hochfrequenzangeregter Gaslaser - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung beschreibt einen hochfrequenzangeregten Gaslaser. Besonders Kohlendioxydlaser hoher Leistung sind mit der gegenständlichen Erfindung vorteilhaft zu realisieren.

Stand der Technik

Die gegenständliche Erfindung bezieht sich auf hochfrequenzangeregte Gaslaser mit rohrförmiger koaxialer Elektrodenstruktur.

A.Crocker und M.S. Wills (Electronics Letters, Vol.5, No.4, 1969) zeigten durch eine segmentierte Anordnung von Außen- und Innenelektrode, welche einer Serienschaltung von Kondensatoren entspricht, die Verwirklichbarkeit dieses Konstruktionsprinzips bei mittleren Laserleistungen von einigen hundert Watt auf.

Einen diffusionsgekühlten, hochfrequenzangeregten Gaslaser mit rohrförmiger Elektrodenstruktur beschreiben Abramski, Colley, Baker und Hall (Appl.Phys.Lett., Vol.54, Nr.19, 1989, S. 1833-1835).

Das Konstruktionsprinzip eignet sich besonders bei Nutzung einer schnellen Gasströmung zum Bau von Kohlendioxydlasern hoher Leistung (d. h. größer 10.000 Watt Ausgangsleistung). Auf diese Möglichkeit wurde von A.J. Demaria (Proc. IEEE, Vol.61, No.6, 1971, S. 731-748, siehe Fig. 21) für Gaslaser mit rohrförmiger Elektrodenstruktur und gepulster radialer DC-Entladung und durch J. Opower und D.Schuöcker (DE 38 10 604 A1, 1988) für hochfrequenzangeregte Gaslaser hingewiesen.

Die gegenständliche Erfindung soll derartige Ansätze im Hinblick auf die Ausführung der Hochfrequenzzufuhr verbessern. Bei den meisten Konstruktionsansätzen des Koaxiallasers erfolgt die Zufuhr der hochfrequenten Anregungsenergie über die Außenelektrode. Die gegenständliche Erfindung verwendet bevorzugt die Innenelektrode als hochfrequenzzuführende Elektrode. Ein Grund dafür liegt in der zuverlässigeren Abschirmung gegen Störstrahlung. Ein weiterer Grund ergibt sich aus der erfindungsgemäßen Ausführung des Lasers, da der Innenelektrodeninnenraum erfindungsgemäß zur Aufnahme des Hochfrequenzgenerators und des für die Impedanzanpassung notwendigen Anpaßnetzwerkes dient. Dadurch ergeben sich erhebliche Vorteile gegenüber anderen Konstruktionen, da sämtliche hochfrequenzführenden Teile wie Elektrode, Kapazitäten und Induktivitäten des Anpaßnetzwerkes im Innenraum hochfrequenzdicht verschlossen sind und nurmehr Zuführungsleitungen ohne Hochfrequenzbelastung zum Laserkopf geführt werden müssen.

Aufgabe der Erfindung und deren gewerbliche Nutzung

Die Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung von hochfrequenzangeregten Gaslasern, insbesondere Kohlendioxydlasern koaxialer Bauart. Durch die Integration der Baugruppen "Impedanzanpassungsnetzwerk" und "Hochfrequenzgenerator" in den Laserkopf wird ein hoher Grad an Kompaktheit erzielt. Weiters ist der Laserkopf erfindungsgemäß nur durch Kühlleitungen, Vakuumleitungen und elektrischen Leitungen mit dem Versorgungsgerät verbunden, bei gleichzeitiger Abwesenheit von sich außerhalb der Außenelektrode befindlichen hochfrequenz­ abstrahlenden Komponenten.

Die benötigten Versorgungsleitungen können auch bei hoher Laserleistung flexibel gestaltet werden. Dadurch ist eine freie Ausrichtung der Laserkopfes und damit des Laserstrahls im Raum, z. B. durch einen Roboter, gegenüber anderen Konzepten vereinfacht realisierbar.

Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Laser.

Ausführungsbeispiel der Erfindung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht aus mehreren kreisrunden Rohren mit verschiedenen Durchmessern und Längen, die koaxial ineinander befestigt sind und verschiedene Aufgaben erfüllen.

Das äußerste Rohr (1) bildet das Lasergehäuse und dient als vakuumdichter Abschluß des Lasers, weiters als zweite Abschirmung der hochfrequenzführenden Innenkonstruktion. Dies ist notwendig da selbst die erfindungsgemäß galvanisch oder kapazitiv mit dem Hochfrequenzgenerator-Erdpotential verbundene Außenelektrode (2) aufgrund von Restinduktivitäten ein geringes hochfrequentes Potential aufweisen kann und daher nicht direkt zugänglich sein darf. Innerhalb des äußeren Rohrs (1) befindet sich die Außenelektrode (2), welche wiederum den hohlzylinderförmigen Laseranregungsraum (3) umschließt. Die Außenelektrode wird in bevorzugter Ausführung wassergekühlt und aus Metall ausgeführt. Die Innenelektrode (6) des Lasers ist von einem sich in voller Länge erstreckenden Überrohr (4) aus dielektrischem Material, bevorzugt Glas oder Keramik umgeben. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen Innenelektrode (6) und dem dielektrischen Oberrohr (4) ein weiteres in axialer Richtung segmentiertes dielektrisches Rohr (5). Infolge der stärkeren kapazitiven Kopplung wird durch das segmentierte Rohr (5) auch das hohlzylinderförmige Gasplasma (3) in axialer Richtung segmentiert. Dies bewirkt besonders bei Verwendung einer schnellen Gasströmung eine verstärkte Kühlung des Lasergases durch die aus einem Metall bestehende Außenelektrode und macht durch Variation der Rohrsegmentlänge (5) bei gegebener Laserkopflänge die Plasmaimpedanz und die Energiedichte im Laseranregungsraum einstellbar. Im Inneren der Innenelektrode (6) befinden sich die aktiven und passiven elektrischen Bauteile des Impedanzanpassungsnetzwerks und des Hochfrequenzgenerators. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als aktives Element des Hochfrequenzgenerators eine wassergekühlte Senderöhre (13) verwendet. Das Anpassungsnetzwerk wird in einer bevorzugten Ausführungsform als Parallelschwingkreis mit geteilter Kapazität realisiert. Erfindungsgemäß werden die Kapazitäten platzsparend in koaxialer Rohrbauform ausgeführt. Der erste Kondensator wird durch das direkt an die Senderöhrenanode angeflanschte Metallrohr (15), das dielektrische Rohr (7) und die Innenelektrode (6) gebildet. Der zweite zum ersten in Serie geschaltete Kondensator wird durch ein weiteres zentral in der Innenelektrode liegendes aber axial gegen das erste Rohr (15) verschobenes Metallrohr (16) welches über ein Hochfrequenzfilter (10) auch die Hochspannungszufuhr (14) übernimmt, einem dielektrischen Rohr (8) und der Innenelektrode (6) gebildet. Beide Kondensatoren sind galvanisch, und damit wird der Anodenschwingkreis der Senderöhre geschlossen, über eine erfindungsgemäß in toroidaler Bauform, mit geringem magnetischen Außenfeld und damit geringen Wirbelstromverlusten, ausgeführte Induktivität (9) verbunden, welche vorzugsweise mit nur einer Windung realisiert wird.

In einer bevorzugten Ausführung des gegenständlichen Lasers ist das dielektrische Überrohr (4) an mindestens einem Ende axial aus dem Lasergehäuse (1) herausgeführt. Dadurch ist eine einfache Zufuhr der notwendigen Versorgungsspannungen und Kühlmittel ohne aufwendige Vakuumdurchführungen möglich. Die weiteren zur Funktion des Hochfrequenzgenerators notwendigen Bauelemente wie etwa Ringkern- Heizspannungstransformator und Gitterspannungversorgung finden in den nicht durch andere Bauelemente okkupierten Raumelemente der Innenelektrode Platz.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Lasers wird der Innenraum des dielektrischen Überrohrs (4) ganz oder teilweise mit einem der Kühlung und der elektrischen Isolation dienenden dielektrischen Medium gefüllt welches selbst wieder durch laufende Umwälzung oder einen Wärmetauscher in der Innenelektrode gegengekühlt wird.

Geeignete Medien sind dielektrische Öle oder Dichlortetrafluorethan aber auch destilliertes Wasser. In einer weiteren Ausführungsform trägt das zentrale dielektrische Oberrohr (4) an seinen Enden die Resonatorspiegelhalterungen (11) und ist an der Durchführungsstelle zur Schwingungsisolation über einen Federungskörper (12) mit dem äußeren Rohr (1) verbunden.

Claims (6)

1. Hochfrequenzangeregter Gaslaser mit koaxialer Elektrodenstruktur, mit einer in einem Lasergehäuse (1) zentral angeordneten rohrförmigen Innenelektrode (6), die von einer zweiten rohrförmigen Außenelektrode (2) umhüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Innenraum der Innenelektrode (6) ein Hochfrequenzgenerator (13) und ein Netzwerk, das aus Kapazitäten und Induktivitäten besteht und zur Impedanzanpassung von Hochfrequenzgenerator (13) und Gasentladung dient, angeordnet ist, wobei der Innenelektrode (6) eine Hochfrequenzspannung des Hochfrequenzgenerators (13) über das Netzwerk zugeführt ist und die Außenelektrode (2) galvanisch oder kapazitiv mit einem Erdpotential verbunden ist.

2. Hochfrequenzangeregter Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den mit der Hochfrequenzspannung des Hochfrequenzgenerators (13) beaufschlagten Kapazitäten des Impedanzanpassungsnetzwerkes mindestens eine in rohrförmiger Bauweise, achsparallel und zentral in der Innenelektrode liegend, ausgeführt ist.

3. Hochfrequenzangeregter Gaslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von den mit der Hochfrequenzspannung des Hochfrequenzgenerators (13) beaufschlagten Induktivitäten des Impedanzanpassungsnetzwerkes mindestens eine in toroidaler Bauweise ausgeführt ist.

4. Hochfrequenzangeregter Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode (6) gänzlich und in voller Länge durch ein Rohr (4) aus dielektrischem Material umgeben ist, wobei das Rohr (4) auf mindestens einer Seite aus dem Lasergehäuse (1) herausragt, derart, daß ein Innenraum der Innenelektrode (6) axial von Augen zugänglich ist.

5. Hochfrequenzangeregter Gaslaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die Innenelektrode (6) ummantelnde dielektrische Rohr (4) zur mechanischen Fixierung der Resonatorspiegelhalterungen (11) dient.

6. Hochfrequenzangeregter Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Elemente eines Innenraums des dielektrischen Rohrs (4) ganz oder teilweise mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium gefüllt sind.