DE4333339A1

DE4333339A1 - Stripline laser

Info

Publication number: DE4333339A1
Application number: DE19934333339
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dipl Ing Arndt; Hans Dipl Phys Krueger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1993-09-29
Filing date: 1993-09-29
Publication date: 1995-03-30

Abstract

In order to symmetrise the RF current distribution on the electrode profile, a metallic screening is arranged on the wide side of the RF electrode, remote from the discharge gap. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen hochfrequenzangeregten diffu sionsgekühlten Bandleiterlaser mit einer jeweils als Verbund aus einem mechanisch stabilen Hohlprofil und einem daran befestigten plattenförmigen Elektrodenteil ausgebildeten Masse- und einer HF-Metallelektrode, die mit entlang der Längsausdehnung der Elektroden an diesen paarweise gegen überliegend angeordneten Abstandshaltern zur gegenseitigen Fixierung und mit Mitteln zur Kühlung versehen sind und zwischen denen ein Entladungsspalt gebildet ist, mit an den Elektroden angebrachten, gleichmäßig über deren Länge ver teilten Parallelinduktivitäten, mit einem instabilen Reso nator, und mit einem den Resonator und die Elektroden um schließenden, elektrisch leitenden vakuumdichten Gehäuse.The invention relates to a high frequency excited diffu ion-cooled stripline lasers, each with a composite from a mechanically stable hollow profile and one on it attached plate-shaped electrode part Ground and an RF metal electrode, which along with the Longitudinal expansion of the electrodes against them in pairs spacers arranged above each other for mutual Fixation and provided with means for cooling and between which a discharge gap is formed with the Electrodes attached, ver even over their length shared parallel inductors, with an unstable resonance nator, and with one around the resonator and the electrodes closing, electrically conductive vacuum-tight housing.

Ein derartiger Bandleiterlaser ist beispielsweise in der älteren deutschen Patentanmeldung mit der Nummer P 42 32 838.1 beschrieben, die hiermit in die Offenbarung einbezogen wird.Such a stripline laser is for example in the earlier German patent application with the number P 42 32 838.1 described, which are hereby incorporated into the disclosure becomes.

Die Konstruktion eines diffusionsgekühlten CO₂-Hochleistungs lasers in ungefalteter Kompaktbauweise ist erst seit wenigen Jahren prinzipiell möglich. Inzwischen sind beispielsweise aus dem Artikel von R. Nowack et al., "Laser und Optoelektro nik", 23 (3)/1991, die Grundlagen eines Bandleiterlasers bekannt, dessen Entladungsraum in Weiterentwicklung der bekannten Wellenleiterlaser keinen quadratischen Querschnitt aufweist, sondern der auf flächenhaften, zur Seite hin offe nen Wellenleiterstrukturen basiert. Die Kombination eines derartigen, quasi eindimensionalen Wellenleiters mit einem instabilen Resonator in orthogonaler Richtung ermöglicht dabei eine beugungsbegrenzte Grundmode-Laserstrahlung. Bei diesem Bandleiterkonzept wird die durch die Plasmaentladung entstehende Wärme großflächig von den eng benachbarten Elek troden aufgenommen, von wo sie dann mit Hilfe einer strömen den Kühlflüssigkeit abgeführt wird. Es ist deshalb nicht mehr notwendig, daß Lasergas selbst mit einem aufwendigen beson deren Kühlkreislauf durch den Entladungsraum zu pumpen. Das Gehäuse des Lasers ist demgemäß als abgeschlossenes, vaku umdichtes Gasvorratsgefäß ausgebildet.The construction of a diffusion cooled CO₂ high performance Lasers in an unfolded compact design has only been around for a few years Years in principle possible. Meanwhile, for example from the article by R. Nowack et al., "Laser and Optoelektro nik ", 23 (3) / 1991, the basics of a stripline laser known, the discharge space in further development of the known waveguide lasers do not have a square cross section has, but that on flat, open to the side based waveguide structures. The combination of one such, quasi one-dimensional waveguide with one allows unstable resonator in the orthogonal direction a diffraction-limited basic mode laser radiation. At this strip conductor concept is due to the plasma discharge resulting heat over a large area from the closely neighboring elec tapped from where they then flow with the help of a the coolant is discharged. It is therefore no longer necessary that laser gas itself with an elaborate to pump their cooling circuit through the discharge space. The Housing of the laser is accordingly as a closed, vacuum sealed gas storage vessel formed.

Konstruktive Basis des neuen Bandleiterlaserkonzepts ist üblicherweise ein aus einer ersten und zweiten Stirnplatte und einer damit vakuumdicht verbundenen Außenwand zusammen gesetztes Gehäuse, das das Elektroden-Paar und den Gasvorrat enthält, wobei die Masseelektrode mit der ersten Stirnplatte fest verbunden ist. In jedem Falle ist es erforderlich , die nicht mit Masse verbundene, HF-führende Elektrode einerseits von der Masseelektrode und anderen mit Masse verbundenen mechanischen Teilen elektrisch zu isolieren, sie jedoch andererseits in konstantem Abstand von beispielsweise etwa 1,5 mm gegenüber der Masseelektrode mechanisch zu befestigen. Es ist bekannt, zu diesen Zwecken keramische Abstandshalter einzusetzen, die bisher gleichmäßig über die Längsausdehnung der Elektroden verteilt angebracht wurden.The constructive basis of the new stripline laser concept is usually one from a first and second end plate and an outer wall connected to it in a vacuum-tight manner set housing, the pair of electrodes and the gas supply contains, the ground electrode with the first end plate is firmly connected. In any case, it is necessary HF-conducting electrode not connected to ground on the one hand from the ground electrode and others connected to ground to electrically isolate mechanical parts, however on the other hand, at a constant distance of approximately, for example To be mechanically fastened 1.5 mm opposite the ground electrode. It is known to use ceramic spacers for these purposes use the previously evenly over the longitudinal extent the electrodes were distributed.

In der obengenannten älteren Anmeldung ist die Verwendung von Parallelinduktivitäten beschrieben, die in an sich bekannter Weise die Spannungsverteilung zwischen den Elektroden soweit homogenisieren, daß ein gleichmäßiges Brennen des HF-Plasmas gewährleistet ist. Es wird dort vorgeschlagen, die als Spulen ausgebildeten Induktivitäten jeweils etwa mittig an der vom Entladungsspalt abgewandten Oberseite der oberen, HF-Elek trode, ihr zweites Ende jedoch an einer Schmalseite der unteren, Masseelektrode zu befestigen.In the older application mentioned above, the use of Parallel inductors are described in known per se Way the voltage distribution between the electrodes so far homogenize that a uniform burning of the HF plasma is guaranteed. It is suggested there as coils trained inductors each approximately in the middle of the Discharge gap opposite top of the upper, HF elec trode, but its second end on a narrow side of the lower, ground electrode to attach.

In den beiden europäischen Patentanmeldungen mit den Nummern 92 114 861.5 und 92 114 862.3 sind Maßnahmen, insbesondere der Aufbau der Elektroden als Verbund aus einem Trägerteil mit mechanisch stabilem Profil und einem gekühlten platten förmigen Elektrodenteil, bzw. der Aufbau des Resonators mittels kühlmitteldurchströmter, längeninvarianter Abstands stäbe beschrieben, die einen im Betrieb form- und tempera turstabilen Bandleiterlaser gewährleisten sollen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß trotz aller bisherigen Maßnahmen immer noch zur Verformung der Elektroden führende Probleme mit der Temperaturverteilung auftreten. Eine sich auf die Elektroden auswirkende unsymmetrische Temperaturverteilung ist selbst dann noch zu beobachten, wenn die geometrische Form, das Material und die Mittel zur Kühlung der Elektroden soweit wie möglich gleich bzw. symmetrisch ausgeführt sind.In the two European patent applications with the numbers 92 114 861.5 and 92 114 862.3 are measures, in particular the structure of the electrodes as a composite from a carrier part with a mechanically stable profile and a cooled plate shaped electrode part, or the structure of the resonator by means of a spacing which is variable in length and flow through the coolant described bars that give shape and tempera in operation to ensure stable tape conductor lasers. It has however, it turned out that despite all previous measures problems still leading to electrode deformation occur with the temperature distribution. One on the Unsymmetrical temperature distribution that affects electrodes can still be observed even if the geometric Shape, material and means for cooling the electrodes as far as possible the same or symmetrical.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bandleiterlaser der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Problematik der Verformung der Elektroden entschärft ist.The present invention has for its object a To create stripline lasers of the type mentioned at which alleviates the problem of the deformation of the electrodes is.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der vom Endladungsspalt abgewandten Breitseite der HF-Elek trode eine metallische Abschirmung angeordnet ist.This object is achieved in that the broadside of the HF-Elek facing away from the discharge gap trode a metallic shield is arranged.

Wichtig ist darüber hinaus, daß die zwei Verbindungspunkte der Anschlüsse der Parallelinduktivitäten mit den Elektroden an diesen spiegelsymmetrisch zur vertikal zum Entladungsspalt gelegenen Symmetrieachse der Elektrodenanordnung angeordnet sind.It is also important that the two connection points the connections of the parallel inductors with the electrodes at this mirror-symmetrical to the vertical to the discharge gap located axis of symmetry of the electrode arrangement are.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die verblei benden Probleme letztlich auf eine ungleichmäßige Wärmebe lastung der Elektroden durch die zur Anregung verwendeten Hochfrequenzströme und/oder durch das heiße Laserplasma zurückzuführen sind. Zum einen wurde in Versuchen festge stellt, daß es trotz symmetrischem Elektrodenaufbau im Be trieb des Lasers zu einer ca. 200 Winkelsec betragenden Durchbiegung beider Elektroden nach unten kommt. Dabei bleibt zwar der Parallelabstand der beiden Elektroden aufgrund der gegenseitigen Fixierung durch die Abstandshalter konstant, jedoch entsteht eine virtuelle Spiegelverkippung dadurch, daß der nach unten gebogene Entladungsspalt nicht mehr senkrecht zum mechanisch nicht starr mit der Elektrodenanordnung ver bundenen Auskoppelspiegel ist. Tolerierbar wäre allenfalls eine Durchbiegung von ca. 10 Winkelsec. Es hat sich herausge stellt, daß die HF-Stromverteilung auf dem Elektrodenprofil und, in geringerem Maße, die bisherige, unsymmetrische Posi tionierung der Parallelinduktivitäten bzw. weiterer, zur Elektrodenanordnung gehörender Teile die Ursache für HF- Stehwellen ist, die zu einer punktuell, insbesondere im oberen Bereich der HF-Elektrode erhöhten Erwärmung führt. Als Folge davon dehnt sich die HF-Elektrode im Betrieb stärker als die untere Masseelektrode aus, was insgesamt zur be schriebenen Elektrodenverbiegung führt.The invention is based on the knowledge that the lead problems ultimately result in uneven heating load of the electrodes by the used for excitation High frequency currents and / or through the hot laser plasma are due. On the one hand, tests were carried out represents that despite symmetrical electrode structure in the loading drove the laser to an approx. 200 angle sec Deflection of both electrodes comes down. That remains although the parallel spacing of the two electrodes due to mutual fixation by the spacers constant, however, a virtual mirror tilting arises from the fact that the downward curved discharge gap is no longer vertical not mechanically rigid with the electrode arrangement bound decoupling mirror. At most it would be tolerable a deflection of approx. 10 angle sec. It turned out represents the RF current distribution on the electrode profile and, to a lesser extent, the previous, asymmetrical position tion of the parallel inductors or others, for Electrode arrangement of parts belonging to HF Standing waves is that at a point, especially in the upper area of the HF electrode leads to increased heating. When As a result, the HF electrode stretches more during operation than the lower ground electrode, which is a total of be leads to bending of the electrodes.

Andererseits ergaben die Untersuchungen, daß trotz Abstands halter kein gleichbleibender Abstand der Elektroden über den gesamten Entladungsspalt hinweg vorliegt, da sich die Elek troden an ihren Enden etwas zueinander biegen. Der Entla dungsraum zwischen den Elektroden ist demnach nicht, wie wünschenswert, über die ganze Länge homogen, sondern tenden tiell an beiden Enden mehr oder weniger geschlossen. Zugrunde liegt hierbei eine zumindest bei annähernd rechteckigförmigen Elektrodenprofil kaum zu vermeidende Temperaturverteilung. Dieser Temperaturgradient zwischen verschiedenen Stellen des Elektrodenprofils läßt sich zwar nach der Methode der finiten Elemente berechnen bzw. optimieren, jedoch nicht völlig verhindern. Als Folge treten Veränderungen im Modenbild des Lasers auf.On the other hand, the investigations showed that despite the distance no constant distance between the electrodes over the entire discharge gap is present, since the elec tread at their ends. The discharge The space between the electrodes is therefore not how desirable, homogeneous over the entire length, but tendency tially more or less closed at both ends. Based on is at least approximately rectangular Electrode profile, temperature distribution that can hardly be avoided. This temperature gradient between different points of the Electrode profile can be done using the finite method Calculate or optimize elements, but not completely prevent. As a result, changes in the fashion image of the Lasers on.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran sprüchen. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Aus führungsbeispiels und der einzigen Figur der Zeichnung, die schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Elek trodenanordnung zeigt, näher erläutert.Developments of the invention are the subject of Unteran sayings. In the following the invention based on an off management example and the only figure of the drawing that schematically shows a section through an elec trode arrangement shows, explained in more detail.

In der Figur sind eine untere Masse- und eine obere HF-Elek trode dargestellt, die jeweils als Verbund aus einem Träger teil mit mechanisch stabilen Profil und einer damit hart verlöteten oder verschweißten, dem Entladungsspalt zugewand ten plattenförmigen Elektrodenteil mit integrierter Kühlung ausgebildet ist. In der Figur ist eine besonders vorteilhafte Lösungsmöglichkeit für eine im wesentlichen spiegelsymmetri sche Anordnung der Verbindungspunkte der Induktivitäten mit den beiden Elektroden dargestellt. Andererseits können die Verbindungspunkte auch beispielsweise etwa mittig übereinan der auf den vom Entladungsspalt abgewandten Breitseiten der beiden Elektroden positioniert sein, oder sie können etwa mittig an schräg gegenüberliegenden Schmalseiten der beiden Elektroden angeordnet sein.In the figure are a lower ground and an upper RF elec trode shown, each as a composite of a carrier part with mechanically stable profile and therefore hard soldered or welded, facing the discharge gap th plate-shaped electrode part with integrated cooling is trained. In the figure is a particularly advantageous one Possible solution for an essentially mirror symmetry cal arrangement of the connection points of the inductors with shown the two electrodes. On the other hand, they can Connection points also, for example, approximately one above the other the on the broad sides facing away from the discharge gap two electrodes may be positioned, or they may be about in the middle on diagonally opposite narrow sides of the two Electrodes are arranged.

In der Figur ist auch die etwa 2 mm dicke Abschirmungsschicht aus Kupfer angedeutet. Sie kann auf dem aus Edelstahl beste henden Hochprofil, das zusätzlich mit einer ca. 25 um dicken Cu-Schicht versehen sein kann, aufgelötet oder aufgeschweißt sein. Nicht dargestellt ist eine auf der Abschirmungsschicht angeordnete wasserdurchströmte Kühlschlange.Also shown in the figure is the approximately 2 mm thick shielding layer indicated from copper. It can best on the stainless steel existing high profile, which is also approximately 25 µm thick Cu layer can be provided, soldered or welded his. One on the shielding layer is not shown arranged water-flowed cooling coil.

Ebenfalls angedeutet in der Figur sind zwei gegenüberliegende keramische Abstandshalter. Bandleiterlaser weisen je nach Laserleistung eine typische Länge von 300 bis 1400 mm bei einem Längen/Breitenverhältnis von ca. 6 : 1 auf, wobei sich die Elektroden im Abstand von ca. 1,4 bis 1,7 mm gegenüber stehen. Insbesondere von einem Laser mit etwa 500 mm langen Elektroden ist es günstig, sechs paarweise gegenüberliegende Abstandshalter zu verwenden. Es ist vorteilhaft, wenn in den Endbereich der Elektroden jeweils relativ nahe nebeneinander zwei Abstandshalter-Paare angeordnet sind, wobei jedoch keine optimale, millimetergenaue Positionsvorschrift angegeben werden kann. Zwei weitere Abstandshalter-Paare sind gleich mäßig über die Länge des dazwischenliegenden Bereichs der Elektroden verteilt anzuordnen.Also indicated in the figure are two opposite ones ceramic spacers. Stripline lasers depend on Laser power with a typical length of 300 to 1400 mm a length / width ratio of approx. 6: 1, whereby the electrodes at a distance of about 1.4 to 1.7 mm opposite stand. Especially from a laser with a length of about 500 mm Electrodes it is convenient to have six opposite pairs Spacers to use. It is advantageous if in the End region of the electrodes relatively close to each other two pairs of spacers are arranged, but none optimal, millimeter-accurate position specification specified can be. Two more pairs of spacers are the same moderately along the length of the intermediate area of the Arrange electrodes distributed.

Claims

1. High-frequency-excited diffusion-cooled CO₂ stripline laser, each with a composite of a mechanically stable hollow profile and an attached plate-shaped electrode part formed mass and an HF metal electrode, which with along the longitudinal extension of the electrodes on these pairs arranged opposite spacers mutual fixation and provided with means for cooling and between which a discharge gap is formed, with parallel inductors attached to the electrodes, uniformly distributed over their length, with an unstable resonator, and with an electrically conductive vacuum-tight housing enclosing the resonator and the electrodes, characterized in that a metallic shield is arranged on the broad side of the HF electrode facing away from the discharge gap.

2. stripline laser according to claim 1, characterized in that the Shielding as a copper layer, in particular about 2 mm thick is trained.

3. stripline laser according to claim 1 or 2, characterized in that the Shielding on the hollow profile made of stainless steel is soldered or welded and that on the from the hollow profile coolant are arranged on the opposite side.

4. stripline laser according to one of claims 1 to 3, characterized in that the two Connection points of the connections of the parallel inductors with the electrodes on them mirror-symmetrical to the vertical axis of symmetry of the electrodes arrangement are arranged.

5. stripline laser according to claim 4, characterized in that the elec each appear approximately rectangular in cross-section indicate that the connection points approximately in the middle of each other the narrow sides of the electrodes are positioned in opposite pairs over the length of the elec tread distributed.

6. stripline laser according to claim 4, characterized in that the Electrodes each have an approximately rectangular cross section have, and that the connection points coincide approximately in the middle other on the broad sides of the two electrodes are positioned.

7. stripline laser according to claim 4, characterized in that the two electrodes each approximately rectangular cross have cut, and that the connection points approximately in the middle on diagonally opposite narrow sides of the two electric who are positioned.

8. High frequency excited diffusion-cooled CO₂ band conductor he read with a mass and a HF Metal electrode that runs along the length of the Electrodes arranged in pairs opposite each other Spacers for mutual fixation and with means are provided for cooling and between which a discharge gap is formed, with attached to the electrodes, parallel inductance evenly distributed over their length ten, with an unstable resonator, and with one the reso nator and the electrodes enclosing, electrically conductive vacuum-tight housing, characterized in that the mutual spacing of the spacer pairs to the ends of the electrodes in relation to their distance in between area of the electrodes is reduced.

9. stripline laser according to claim 5, characterized, that the longitudinal extension of the electrodes is 300 to 1400 mm, in particular about 500 mm, and that in the final range Chen the electrodes are relatively close to each other two Spacer pairs are arranged - and that evenly over the length of the intermediate area of the electrical distributes at least two further pairs of spacers are arranged.