DE8508257U1

DE8508257U1 - Vorrichtung zur Anregung einer Entladung in einem Lasergas

Info

Publication number: DE8508257U1
Application number: DE19858508257
Authority: DE
Original assignee: Lasertechnik 6050 Heusenstamm De GmbH
Current assignee: Lasertechnik 6050 Heusenstamm De GmbH
Priority date: 1985-03-20
Filing date: 1985-03-20
Publication date: 1986-07-24

Description

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Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anregung einer Entladung in einem Lasergas, mit in einem Gehäuse angeordneten Metallelektroden.

Zur Anregung von Gaslasern, insbesondere CO.-Hochleistungslasern wird im allgemeinen eine Gleichstromentladung verwendet. Man unterscheidet zwischen longitudinaler und transversaler Anregung. Im ersteren Fall sind zwei Elektroden an den Enden eines Entladungsrohres angebracht, zwischen denen eine Entladung gezündet wird (Hiroyuki Sigawara, et al. Rew. Laser Eng. (Jap.) 9 (1) 21-30 (1981). Nachteilig dabei ist die oft recht hohe Brennspannung von typischerweise 10 bis 20 kV. Bei transversal angeregten Lasern sind nur wesentlich niedrigere Spannungen von ca 1 bis 2 kV notwendig. Hier ist jedoch schwierig, die Entladung auf flächige, parallel zum Entladungsraum angeordnete Elektroden auszudehnen. Dies wird vorzugsweise durch segmentierte Elektroden, z. B. Platten oder Stifte, die über separate Vorwiderstände mit Versorgungsspannung verbunden sind, erreicht (US-A- 3 772 610; US-A-864 961; Haruhiko Nagai et al. IEEE J. Quant. Electron. Vol. QE-18(3), 416-421 (1982)).

Besonders einfach wird die gleichmäßige transversale Anregung eines Laser-Gasvolumens durch resistive Elektroden, z. B. aus thoriertem Wolfram erreicht (US-A-4 260 958). Allen diesen Anregungssystemen gemeinsam ist jedoch der Nachteil, daß in den zur Stabilisierung der Gasentladung notwendigen Widerständen ohmsche Verluste auftreten, die den Wirkungsgrad des Lasers herabsetzen .

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Laseranregungssysteme, die mit Wechselspannung arbeiten, vermeiden diesen Nachteil, da hier kapazitive oder induktive Stabilisierungsimpedanzen eingesetzt werden können (Bondarenko et al. Sov. J. Quant.Electron.10 (4) 443-445 (1980), Gavrilyuk et al. Sov. J. Quant. Electron. 326-328 (1979)).

Es ist bekannt, daß bei Hochleistungslasern, insbesondere bei CO^-Lasern, das Laseraas zur Abführuna der Verlustleistung das Lasergas sehr schnell umgewälzt und über externe Wärmeaustauscher geleitet werden muß. Bei der Konstruktion von Anregungssystemen ist daher immer darauf zu achten, daß diese der Gasströmung möglichst wenig Widerstand entgegensetzen. Besonders günstig sind in dieser Hinsicht transversale Systeme, bei denen Gasströmung, Gasentladung und optischer Resonator jeweils orthogonal zueinander sind. Sie haben jedoch den großen Nachteil, daß das angeregte Volumen nicht mit dem Resonatorvolumen übereinstimmt. Zur vollständigen Ausnutzung des Anregungsvolumens müssen aufwendige Zickzack-Resonatoranordnungen eingesetzt werden, bei denen eine Emission im transversalen Grundmodus, die für viele technische Einsatzfälle des Lasers notwendig ist, nur sehr schwierig erreicht werden kann. Longitudinale Systeme, bei denen Anregung, Gasströmung und Resonator alle auf einer Achse angeordnet sind, erlauben dagegen in einfacher Weise eine optimale Strahlqualität mit dem Nachteil der hohen Betriebsspannung sowie höhere Gasumwälzverluste.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrodenanordnung für Hochleistungslaser zu entwickeln, die der Gasströmung nur geringen Widerstand entgegensetzt und mit der das volle Lasergasvolumen angeregt werden kann, ohne daß hohe Brennspannungen notwendig sind.

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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens zwei länglich ausgedehnte, an der Oberfläche isolierte, in etwa zylindrischer Schraubenlinie gewundene Elektroden vorgesehen sind, die zusammen mindestens eine Doppel-Wendel bilden, wobei die Windungen einer Elektrode im Abstand zu den Windungen der anderen Elektrode angeordnet sind. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Anregungsystems sind in den Unteransprüchen 2 bis 12 beschrieben.

Die Elektroden bestehen z. B. aus metallischen Drähten, Stäben, Bändern, Rohren oder dgl.. Bei Verwendung von Rohren wird eine direkte Kühlung durch Einleitung eines Kühlmediums ermöglicht. Die Querschnittsform der Elektroden ist nicht ausschlaggebend, bevorzugt werden jedoch runde oder ovale Drähte und Rohre. Als Elektrodenmaterial eignen sich alle für diesen Zweck bekannten Metalle, z. B. Aluminium, Titan oder Tantal.

Die wendeiförmige Ausbildung der Elektroden kann in an sich bekannter Weise erzielt werden, z.B. durch schraubenförmiges Wickeln der Drähte auf einen zylindrischen Kern. Der Durchmesser der Wendel kann über der Länge geringfügig variiert werden, z. B. an den Enden etwas größer sein, um das Entladungsvolumen dem Resonatorfeldschlauch anzupassen. Dabei sollte der geeignete Windungsabstand eingehalten werden, der zur Anregung einer sich axial über das gesamte Volumen des Lasergases erstreckenden Entladung größer sein muß als der Innendurchmesser der Wendel. Vorzugsweise beträgt der Windungsabstand mehr als der doppelte Innendurchmesser der Wendel , damit bei zwei wendelförmig gewundenen , im gleichen Abstand zueinander angeordneten

Hauptelektroden gleichen Innendurchmessers der laterale Abstand zwischen beiden Elektroden größer ist als der Innendurchmesser der Doppel-Wendel.

Die wendeiförmigen Hauptelektroden werden an der Oberfläche isoliert. Die Isolation kann in an sich bekannter Weise durch anodische Oxidation gebildet werden. Die Elektroden können aber auch mit einer Keramik- oder Emailschicht versehen sein. Ebenso denkbar ist eine isolierende flexible Umhüllung des Drahts bzw. Stabs, vorzugsweise vor der Wicklung desselben.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden zwei Doppel-Wendel verwendet, von denen eine die Hauptelektroden darstellt und die andere zur Vorionisierung dient. Die einzelnen Wendel verlaufen derart, daß ein Kontakt miteinander vermieden wird.

Es ist vorteilhaft die Oberfläche der Elektroden derart zu gestalten, daß eine mäßige Verwirbelung des durchströmenden Lasergases erreicht werden kann, damit eine gute Durchmischung des Lasergases stattfindet. Zu diesem Zweck sind verschiedene Möglichkeiten denkbar; z. B. es können Wirbelabrißkanten und dgl. vorgesehen sein.

Die aus dem Gehäuse bzw. dem Gasströmungsrohr herausgeführten Elektrodenanschlüsse erlauben eine genügende Befestigung der Wendel. Zusätzliche Stützelemente aus isoliertem Material sind ebenfalls anwendbar. Die wendelförmigen Elektroden können auch ohne Abstand zum Gasströmungsrohr aus nichtleitendem Material angeordnet sein, so daß sie an dessen Wandung eng anliegen. In diesem Fall strömt das Lasergas ausschließlich innerhalb der Wendel.

In der erfindungsgemäßen Ausführung des Anregungssystems lassen sich die Vorteile des transversalen und des longitudinalen Systems kombinieren. Ohne der Strömung erheblichen Widerstand entgegenzusetzen, kann somit das volle Gasvolumen angeregt werden.

Die Erfindung wird anhand der schematischen Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der er-

findungsgemäßen Elektrodenanordnung.

Das Anregungssystem besteht aus zwei Elektroden 1 und 2, die von einem Strömungsrohr 3 umgeben sind. Die Elektroden 1 und 2 sind schraubenförmig gebogen, so daß sich eine Doppel-Wendel ergibt. Der Windungsabstand der Wendel muß so gewählt werden, daß der laterale Abstand (Q) der Elektroden 1 und 2 etwas größer ist als der Innendurchmesser D. Die Elektroden bestehen z. B.

^aus anodisch oxidiertem Metall, wie Aluminium oder Tantal oder auch aus einem geeigneten Metall mit einer Oberflächenglasierung.

Zur Anregung der Gasentladung wird an die Elektrodenanschlüsse 4 , die durch das Strömungsleitrohr 3 geführt sind, eine hochfrequente Wechselspannung, z. B. f = 10 kHz gelegt. Durch die dielektrische Beschichtung bildet sich auf den Elektroden ein Oberflächenkondensator aus, der entsprechend seiner Impedanz die Entladung weitgehend verlustfrei auf die gesamte Länge der Elektroden 1 und 2 verteilt. Die obere Grenze der Betriebsfrequenz liegt vorzugsweise bei 13,7 MHz. Dies ist ein für technische Zwecke freigehaltenes Frequenzband, bei dem sich noch mit geringem Aufwand Halbleiter bauelemente einsetzen lassen.

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Die Betriebsspannung liegt je nach Gasdruck des Lasers bei 500 - 2000 V . Durch diese Anordnung der Elektroden ergibt sich eine schraubenförmig verwundene Entladungsgeometrie, die quer zur Resonatorachse ein Verstärkungsprofil zeigt, das optimal an die Erfordernisse der Erzeugung der Strahlung im Grundmodus angepaßt ist.

Eine longitudinale Gasströmung wird durch das die Entladungsanordnung umgebende Strömungsrohr 3 geführt. Dabei kann der Strömungswiderstand des Gebildes im Vergleich zu anderen longitudinal -^durchströmten Laserrohren wesentlich verringert werden, da der Innendurchmesser des Rohres 3 deutlich größer sein kann, als der Außendurchmesser der Doppel-Wendel. Das Gas kann also auch außerhalb der Elektrodenanordnung durch das Rohr 3 strömen, es wird aber durch Verwirbelung an den Elektroden 1 und 2 ständig mit innerhalb der Elektroden strömendem Gas vermischt und nimmt dann auch am Anregungsprozess teil. Die Verwirbelung kann durch entsprechende Formgebung der Elektroden, falls erforderlich, verstärkt werden. Der Strömungsquerschnitt ist daher wesentlich größer als der Resonatorquerschnitt, trotzdem nehmen fast alle durch das Rohr 3 strömenden Gasmoleküle mindestens einmal an einem Anregungs- und Emissionsprozess teil. Durch den erhöhten Gasdurchsatz ist eine verbesserte Kühlung möglich. Falls notwendig, können darüber hinaus die Elektroden 1 und 2 als Rohre ausgebildet und direkt gekühlt werden.

Claims

394-49 '.:: :.· · .;.;..;:..# 19. März 1985 CASCH/BES LASERTECHNIK GmbH, Heusenstamm Vorrichtung zur Anregung einer Entladung in einem Las^.rgas ■P Ansprüche 10

1. Vorrichtung zur Anregung einer Entladung in einem Lasergas mit in einem Gehäuse angeordneten Metallelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei länglich ausgedehnte, an der Oberfläche isolierte, in etwa zylindrischer Schraubenlinie gewundene Elektroden (1,2) vorgesehen sind, die zu-"^- sammen mindestens eine Doppel-Hendel bilden, wobei tue »indungen einer Elektrode im Abstand zu den Hindungen der anderen Elektrode angeordnet sind. 20

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innendurchmesser der wendeiförmigen Elektroden (1,2) im wesentlichen gleich sind und die Hindungen aller Elektroden parallel zueinander verlaufen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppel-Hendel (1,2) konzentrisch in einem Gasströmungsrohr (3) angeordnet ist und sich über die Länge des Gasströmungsrohres erstreckt.

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4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wendelförmigen Hauptelektroden (1,2) als kuhltnediumführende Rohre ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch

gekennzeichnet, daß die wendeiförmigen Elektroden (1 , 2,5,6) aus Drähten oder Stäben, vorzugsweise mit rundem oder ovalem Querschnitt, bestehen.

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6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch

gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Doppelwendel kleiner ist als der laterale Abstand zwischen den Windungen der die Doppelwendel bildenden Elektroden

j T5 (1,2,5,6).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wendeiförmigen Elektroden (1, 2) an der Oberfläche isolier- und konzentrisch in einem Entladungsrohr (3) angeordnet: sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wendeiförmigen Elektroden (1,2) eine unebene Oberfläche aufweisen und vorzugsweise mit Wirbelabrißkanten versehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wendeiförmigen Elektroden (1,2) mit einer dielektrischen Beschichtung versehen sind.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Beschichtung durch anodische Oxidation des Elektrödenmaterials gebildet ist und/oder aus • Keramik oder Email besteht.
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