DE69909113T2

DE69909113T2 - Kohlenmonoxid enthaltender co2-laser

Info

Publication number: DE69909113T2
Application number: DE69909113T
Authority: DE
Inventors: Iouri Borisovitch Oudalov; Serquei Alexandrovich Starostine; Jacobus Peter PETERS; Jacobus Wilhelmus WITTEMAN
Original assignee: Stichting voor de Technische Wetenschappen STW
Current assignee: Stichting voor de Technische Wetenschappen STW
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1999-10-04
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2019-10-05
Also published as: DE69909113D1; WO2000021167A1; ATE243889T1; EP1119889B1; EP1119889A1; NL1010246C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen CO₂-Laser, der zumindest zwei Elektroden aufweist, die, elektrisch isoliert voneinander, einen longitudinalen Anregungshohlraum definieren,

– wobei der CO₂-Laser ferner eine HF-Quelle für die Lieferung einer Wechselspannung über die Elektroden aufweist,
– wobei ein Gold-aufweisender Katalysator im wesentlichen über die gesamte Länge des Erregungshohlraums angelegt ist; und
– ein Kohlendioxid- und Kohlenmonoxid-aufweisendes Gas in dem Anregungshohlraum vorhanden ist.

Ein solcher CO₂-Laser ist aus der U.S.-Patentveröffentlichung 4,756,000 bekannt und beschreibt insbesondere einen HF-betriebenen Laser, der mit einem Gold-Katalysator versehen ist. Während der Operation eines CO₂-Lasers wird ein Teil des Kohlendioxids in Kohlenmonoxid und Sauerstoff zersetzt. Bestimmte, sich ergebende Zersetzungsprodukte haben eine nachteilige Wirkung auf die Leistung, die der Laser liefern kann (Spalte 1 Zeile 32). Um diese nachteilige Wirkung zu beseitigen, ist der CO₂-Laser mit einem Gold-Katalysator versehen, der die Bildung von CO₂ aus CO und O₂ fördert. Im Hinblick auf die beschriebene Erkenntnis, daß CO eine Monoschicht auf dem Gold bildet, ist bei dieser Veröffentlichung eine Gasmischung, die einen leichten Überschuß von CO aufweist (Spalte 10 Zeile 13), für eine CO₂-Laser bevorzugt. Dieser Überschuß ist genauer gesagt der Überschuß, der durch Bereitstellen einer katalytischen Goldoberfläche mit CO erhalten wird (Aktivierung vor der Verwendung des Lasers). Es wird darauf hingewiesen, daß die Hinzufügung von CO nicht so schnell wirkt, als wenn andere Gasmischungen verwendet werden (Spalte 10, Zeile 10).
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten HF-CO₂-Laser zu liefern, der eine kürzere Startzeit aufweist.
IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. 25 (1989), Juli, Nr. 7, S. 1695–1703 offenbart einen CO₂-Laser gemäß dem Oberbegriff in Anspruch 1.
Zu diesem Zweck ist der CO₂-Laser gemäß der Erfindung, wie er in Anspruch 1 definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid bei dem zum Lasern fähigen Gas zu Beginn der Startzeit der Laseroperation zumindest 0,5 beträgt, um die Startzeit der Laseroperation zu verringern.
Im Gegensatz zu dem vorangehenden und der in US 4,756,000 ausgedrückten Meinung hat der Anmelder überraschenderweise herausgefunden, daß (Zersetzungsprodukte von) CO nützlich für einen Schnellstart ist. Dies bedeutet, daß ein CO₂-Laser über einen größeren Teil eines Arbeitstages verwendet werden kann und somit wirtschaftlicher betrieben werden kann. Gleichzeitig stellt die relativ hohe CO-Konzentration sicher, daß der Gold-aufweisende Katalysator nicht erwärmt werden muß. Zusätzlich zu CO₂ und CO kann eine Gasmischung für einen CO₂-Laser ferner andere Gase aufweisen, die in der Technik bekannt sind, um zu diesem Zweck verwendet zu werden, wie z. B. He und N₂. Bei der vorliegenden Anmeldung wird der Ausdruck „im wesentlichen die gesamte Länge" als ein Abschnitt verstanden, der unterbrochen sein kann oder nicht, und eine Unterbrechung (über die gesamte Breite) in der Längsrichtung beträgt zumindest zweimal die Distanz zwischen den Elektroden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt das Molverhältnis von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid zumindest 0,6.
Solche Molverhältnisse machen es möglich, kürzere Startzeiten zu realisieren.
Gemäß einem interessierenden Ausführungsbeispiel ist ein Element, das mit dem Gold-aufweisenden Katalysator versehen ist, in dem Anregungshohlraum zwischen den Elektroden und im wesentlichen parallel zu denselben positioniert.
Dies verkürzt die durchschnittliche Diffusionsdistanz von Sauerstoff und Kohlenmonoxid zu dem Katalysator.
Das Element, das mit dem Gold-aufweisenden Katalysator versehen ist, kann ein Element sein, das mit durchführenden Öffnungen versehen ist.
Die Öffnungen machen es möglich, daß die HF-Quelle ein Plasma zwischen den Elektroden erzeugt. Das Element kann z. B. eine perforierte Platte, eine kammähnliche Platte oder eine Gaze sein.
Gemäß einem interessierenden Ausführungsbeispiel ist der Gold-aufweisende Katalysator auf einer Elektrode vorgesehen.
Dies erzeugt tatsächlich zwei Anregungshohlräume, die z. B. über durchführende Öffnungen in Kommunikation sein können, die in der Elektrode vorhanden sein können. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die äußeren zwei Elektroden elektrisch verbunden und sind miteinander mit der HF-Quelle verbunden und besitzen ein gemeinsames Potential im Hinblick auf die Elektrode, die den Katalysator aufweist.
In einem solchen Fall kann die Elektrode ferner eine Elektrode sein, die nicht mit durchführenden Öffnungen versehen ist.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Elektrode, die mit einem Katalysator versehen ist, eine mit Masse verbundene Elektrode.
Eine solche Elektrode erfordert weniger Kühlung, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn eine Elektrode gekühlt wird, die mit einem Katalysator versehen ist, der im wesentlichen parallel zwischen zwei anderen Elektroden in dem Anregungshohlraum positioniert ist, da eine Wärmeableitung nur in der Ebene der Elektrode auftreten kann.
Die vorliegende Erfindung wird nun Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erklärt, in denen:
1 einen schematischen longitudinalen Querschnitt eines CO₂-Lasers gemäß der Erfindung darstellt;
2 einen transversalen Querschnitt des CO₂-Lasers gemäß Linie II–II darstellt, die in 1 gezeigt ist; und
3 einen Graphen darstellt, bei dem die normierte Leistung gegen die Zeit für den CO₂-Laser skizziert ist, gemäß der Erfindung und einem Referenz-CO₂-Laser.
Der CO₂-Laser, der schematisch in 1 dargestellt ist, weist eine erste Elektrode 2 und eine zweite Elektrode 3 auf. Beide Elektroden sind aus Kupfer hergestellt und mit einer HF-Quelle 4 verbunden (Rohde & Schwartz, VU-315, Deutschland), wie in 2 gezeigt ist. Beide Elektroden wurden mit Hilfe von Verdampfung mit einer 2-Mikrometer-Schicht aus Gold versehen. Die Elektroden wurden in einer Distanz voneinander gehalten, mit Hilfe von dielektrischen Abstandhaltern 5, 6, die aus Keramikmaterial hergestellt sind. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel stellen die Abstandhalter sicher, daß die Elektroden 2, 3 in einer Distanz von 2 mm beabstandet sind. Der Teil jeder Elektrode, der den Anregungshohlraum definiert, ist 37 cm lang und 15 mm breit. Die Elektroden 2, 3 sind mit Hilfe von Nebenschlußspulen 7 auf eine Weise verbunden, die in der Technik bekannt ist. Der CO₂-Laser weist ferner zwei Spiegel 8 und 8' auf.
Die Elektroden 2, 3 und die dielektrischen Abstandhalter 5, 6 definieren einen Anregungshohlraum 9, der ein CO₂-aufweisendes Gas enthält.
Der oben beschriebene CO₂-Laser, der allgemein in der Technik bekannt ist, wurde mit verschiedenen Gaszusammensetzungen betrieben, wie in Tabelle 1 gezeigt ist.
TABELLE 1
Der Gesamtgasdruck in jedem der Fälle betrug 16 kPa.
Die Wirkung der Gaszusammensetzung bei der Startzeit ist in 3 gezeigt. Der Graph zeigt deutlich, daß überraschend ein beträchtlicher Überschuß von CO eine vorteilhafte Wir kung auf die Startzeit hat. Anstatt nach mehr als 1 Stunde eine stabile Ausgabe zu erhalten, kann dies schon nach nur wenigen Minuten realisiert werden. Die Normierung für jede Gaszusammensetzung resultierte durch Teilen der Leistungsausgabe durch die schließlich realisierte konstante Leistungsausgabe.

Claims

Ein CO₂-Laser, der zumindest zwei Elektroden (2, 3) aufweist, die, elektrisch isoliert voneinander, einen longitudinalen Anregungshohlraum (9) definieren, wobei der CO₂-Laser ferner eine HF-Quelle für die Lieferung einer Wechselspannung über die Elektroden (2, 3) aufweist, wobei ein Gold-aufweisender Katalysator im wesentlichen über die gesamte Länge des Anregungshohlraums (9) angelegt ist, und der Oberflächenbereich des Goldaufweisenden Abschnitts des Gold-aufweisenden Katalysators mindestens 10% des Oberflächenbereichs ist, der dem Anregungshohlraum einer der Elektroden zugewandt ist; und ein Kohlendioxid- und ein Kohlenmonoxid-aufweisendes zum Lasern fähiges Gas in dem Anregungshohlraum (9) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das anfängliche Molverhältnis von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid in dem zum Lasern fähigen Gas zu Beginn der Startzeit der Laseroperation bei zumindest 0,5 liegt, um die Startzeit der Laseroperation zu verringern.
Ein CO₂-Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anfängliche Molverhältnis von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid mindestens 0,6 ist.
Ein CO₂-Laser gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Element, das mit dem Gold-aufweisenden Katalysator versehen ist, in dem An regungshohlraum (9) zwischen den Elektroden (2, 3) und im wesentlichen parallel zu denselben positioniert ist.
Ein CO₂-Laser gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element, das mit dem Gold-aufweisenden Katalysator versehen ist, ein Element ist, das mit Durchgangsöffnungen versehen ist.
Ein CO₂-Laser gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gold-aufweisende Katalysator auf einer Elektrode versehen ist.
Ein CO₂-Laser gemäß Anspruch 5, wenn derselbe abhängig von Anspruch 2 oder 3 ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode, die mit dem Katalysator versehen ist, eine mit Masse verbundene Elektrode ist.