LU84372A1

LU84372A1 - DEVICE FOR GENERATING A LASER ACTIVE STATE IN A QUICK SUBSURANCE FLOW

Info

Publication number: LU84372A1
Application number: LU84372A
Authority: LU
Inventors: Wolfram Schock; Helmut Huegel; Willy L Bohn
Original assignee: Deutsche Forsch Luft Raumfahrt
Priority date: 1981-09-12
Filing date: 1982-09-09
Publication date: 1983-04-13
Also published as: IT1152392B; BE894369A; NL8203305A; GB2107512A; JPS5890791A; DE3136221A1; IT8223211A0; FR2513027A1; GB2107512B

Description

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Beschreibung: i j Vorrichtung zur Erzeugung eines j laseraktiven Zustandes in einer | schnellen Unterschallströmung li [j . . - π · w ' | Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung ei-Description: i j Device for generating a j laser-active state in a | rapid subsonic flow left [j. . - π · w '| The invention relates to a device for generating a

Ines laseraktiven Zustands in einer schnellen Unterschallströmung mit einem Strömungskanal, mit einem ersten Elektrodenpaar mit einander gegenüberliegenden dielektrischen || Elektroden· im Wandbereich des Strömungskanals sowie einem i: zweiten Elektrodenpaar, dessen eine Elektrode im Strömungs- jj kanal stromaufwärts der Entladung, dessen andere Elektrode i im Strömungskanal stromabwärts der Entladung angeordnet 1 sind, wobei die Elektroden des ersten Elektrodenpaares mit | einer HF-Spannungsouelle verbunden sind.In a laser active state in a fast subsonic flow with a flow channel, with a first pair of electrodes with opposing dielectric || Electrodes · in the wall area of the flow channel and an i: second pair of electrodes, one electrode in the flow channel upstream of the discharge, the other electrode i in the flow channel downstream of the discharge 1, the electrodes of the first pair of electrodes with | an RF voltage source are connected.

li ; li * Seit langem werden elektrische Glimmentladungen zur Anre- ji gung von Molekülgasen für Laser, insbesondere für CC^-La-li; li * Electric glow discharges for the excitation of molecular gases have long been used for lasers, especially for CC ^ -La-

Ij ser, angewandt. Die Entwicklung von CC^-Lasern begann mit Längsentladungen in Glasröhren. Dabei ist die auskoppelba-j j re Leistung aufgrund der Wärmeabfuhr des Plasmas zur WandIj ser, applied. The development of CC ^ lasers began with longitudinal discharges in glass tubes. The decouplable power is due to the heat dissipation of the plasma to the wall

: A: A

i t A 44 781 u u - 183 1. September 1981 4 durch Diffusion auf ca. 80 W/m begrenzt.i t A 44 781 u u - 183 September 1, 1981 4 limited to approx. 80 W / m by diffusion.

Eine Steigerung der spezifischen Ausgangsleistung erzielt man mit konvektiver Wärmeabfuhr in einer schnellen Strömung in Längsrichtung des Entladungsrohres. Zusammen mit einer Entladungsstabilisierung durch Turbulenzbildung erreicht man 500 W/m. Die resultierenden hohen Strömungswi-derstände erfordern hohe Druckdifferenzen zu ihrer Überwindung und bedingen ein aufwendiges Pumpsystem für den Gaskreislauf.An increase in the specific output power is achieved with convective heat dissipation in a rapid flow in the longitudinal direction of the discharge tube. Together with a stabilization of the discharge through turbulence, 500 W / m can be achieved. The resulting high flow resistances require high pressure differences to overcome and require a complex pump system for the gas circuit.

Quergeströmte Laser, bei denen in einer Strömung senkrecht zur optischen Achse eine stärkere Wärmeabfuhr erfolgt, erbringen höhere Leistungen. Die elektrische Entladung ist dabei entweder senkrecht oder parallel der Strömung überlagert. Beide Verfahren erfordern besondere Maßnahmen zur Entladungsstabilisierung. So neigt die Entladung in Strömungsrichtung zu Einschnürungen aufgrund von Inhomogenitäten, insbesondere der Temperatur und der Elektronendichte, die durch die in der Strömung liegenden Elektroden bedingt sind. Zur Unterdrückung der von solchen Stellen ausgehenden Instabilitäten müssen starke Turbulenzen angefacht werden, was den Einsatz apparativer Maßnahmen erfordert (Nighan et al in Appl. Phys. Lett. 2j>, 633, 1974).Cross-flow lasers, in which there is greater heat dissipation in a flow perpendicular to the optical axis, produce higher powers. The electrical discharge is either superimposed vertically or parallel to the flow. Both methods require special measures to stabilize the discharge. The discharge in the direction of flow tends to constrict due to inhomogeneities, in particular the temperature and the electron density, which are caused by the electrodes in the flow. In order to suppress the instabilities emanating from such places, strong turbulence must be fanned, which requires the use of equipment (Nighan et al in Appl. Phys. Lett. 2j>, 633, 1974).

Bei Entladungen senkrecht zur Strömung müssen Maßnahmen ergriffen werden, die einer Verschleppung der Entladung in Strömungsrichtung entgegenwirken.In the case of discharges perpendicular to the flow, measures must be taken to counteract the spreading of the discharge in the flow direction.

Derartige Querentladungen sind in mehreren Variationen intensiv untersucht worden: u L ·Such transverse discharges have been intensively investigated in several variations: u L

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A 44 781 u u - 183 1. September 1981 - 5 - 1. Selbständige Gleichstromentladungen:A 44 781 u u - 183 September 1, 1981 - 5 - 1. Independent DC discharges:

Bei diesen kann aufgrund des direkten Zusammenhangs zwischen Feldstärke und Ladungsträgererzeugung (extreme Abhängigkeit des Ionisationskoeffizienten von der elektrischen Feldstärke) in stabiler Weise nur eine begrenzte Leistungsdichte erzielt werden. Zur Stabilisierung der Entladung sind daher Elektroden mit starker Segmentierung und aufwendiger Kühlung mit einem Netz von Vorwiderständen erforderlich.Because of the direct connection between field strength and charge carrier generation (extreme dependence of the ionization coefficient on the electrical field strength), only a limited power density can be achieved in a stable manner. Electrodes with strong segmentation and complex cooling with a network of series resistors are therefore required to stabilize the discharge.

2. Kombinierte Entladungen:2. Combined discharges:

Durch Trennen der Funktionen Ladungsträgererzeugung und Vibrationsanregung erzielt man eine Verbesserung der Entladungsstabilität und damit eine Leistungsdichte'er-höhung. Bekannte Methoden der getrennten Ladungsträgererzeugung sind die folgenden: a) Pulser-Sustainer:By separating the functions of charge carrier generation and vibration excitation, one achieves an improvement in the discharge stability and thus an increase in power density. Known methods of separate charge carrier generation are the following: a) Pulser sustainer:

Einer unselbständigen Gleichstromentladung niedriger elektrischer Feldstärke sind kurze Hochspannungspulse hoher Frequenz zur Ionisierung des Plasmas überlagert. Die Feldstärke der Gleichstromentladung ist im allgemeinen niedriger als bei selbständigen Entladungen und auf optimale Vibrationsanregung des Molekülgases abgestimmt. Die kurzen Hochspannungsimpulse erzeugen eine hohe Elektronendichte in einem stabilen, zeitlich überwiegend rekombinierenden Plasma. Die Verbesserung der Entladung wird jedoch mit einer komplizierten Energieversorgung erkauft. Dieses Konzept wurde durch eine zusätzlich überlagerte /1 * A 44 781 u u - 183 1. September 1981 - 6 - UV-Vorionisierung zur sogenannten PIE-Entlaâung weiterentwickelt (NAM et al in IEEE J.Quantum Electronics, QE J_5, 44,1979) .Short high-voltage pulses of high frequency for ionizing the plasma are superimposed on a dependent direct-current discharge of low electrical field strength. The field strength of the direct current discharge is generally lower than in the case of independent discharges and is tuned to optimal vibration excitation of the molecular gas. The short high-voltage pulses generate a high electron density in a stable, predominantly recombinant plasma. However, the improvement of the discharge is bought with a complicated energy supply. This concept was further developed by an additionally superimposed / 1 * A 44 781 uu - 183 September 1, 1981 - 6 - UV pre-ionization for the so-called PIE discharge (NAM et al in IEEE J. Quantum Electronics, QE J_5, 44, 1979) .

b) Unselbständige Gleichstromentladung mit Elektronenstrahlionisierung :b) Independent direct current discharge with electron beam ionization:

Mit diesem Konzept sind die besten Leistungsdaten zu erzielen, die Anlage ist jedoch aufwendig und empfindlich. Der Elektronenstrahl wird über eine dünne Metallfolie in die Entladung eingekoppelt, deren Bruch zu schwerwiegenden Betriebsstörungen führt.The best performance data can be achieved with this concept, but the system is complex and sensitive. The electron beam is coupled into the discharge via a thin metal foil, the breakage of which leads to serious malfunctions.

Der Betrieb ist nicht unproblematisch, da hohe Spannungen und eine Abschirmung gegen Röntgenstrahlen erforderlich sind.Operation is not without problems since high voltages and shielding against X-rays are required.

3. Selbständige Hochfrequenzentladungen:3. Independent high-frequency discharges:

Der zeitlichen Änderung des elektrischen Feldes entsprechend besteht die Hochfrequenzentladung aus einer alternierenden Folge von kurzen selbständigen und langen unselbständigen Entladungsphasen bei zeitlich konstanter Elektronendichte. In einem rekombinationsbestimmten Plasma verschiebt sich der Einsatz von Volumeninstabilitäten zu höheren spezifischen Leistungs-dichten. Die Hochfrequenzentladung bietet die Möglichkeit, durch geeignete Wahl der Frequenz die Verluste an Ladungsträgern zu verringern. Dies geschieht, indem die Amplitude der Elektronendriftbewegung klein gegenüber dem Abstand der Elektroden gehalten wird. Die Einkopplung der Hochfrequenzenergie kann über metallische Elektroden oder kapazitiv erfolgen (Europäische Offen-^ legungsschrift 3280, US-Patentschrift 3 748 594; / A 44 781 u u - 183 1. September 1981 - 7 - »According to the change in the electric field over time, the high-frequency discharge consists of an alternating sequence of short independent and long dependent discharge phases with a constant electron density over time. In a recombination-determined plasma, the use of volume instabilities shifts to higher specific power densities. The high-frequency discharge offers the possibility of reducing the losses on charge carriers by suitable choice of the frequency. This is done by keeping the amplitude of the electron drift movement small compared to the distance between the electrodes. The high-frequency energy can be coupled in via metallic electrodes or capacitively (European Offenlegungsschrift 3280, US Pat. No. 3,748,594; / A 44 781 u u - 183 September 1, 1981 - 7 - »

Gavrilyuk et al in Sov. J.Quantum Electron. 9, 326, 1979; Christensen et al in IEEE Quantum Electronics QE 16, 949, 1980).Gavrilyuk et al in Sov. J. Quantum Electron. 9, 326, 1979; Christensen et al in IEEE Quantum Electronics QE 16, 949, 1980).

Bei der elektrodenbehafteten Einkopplung ergibt sich gegenüber der Gleichstromentladung der weitere Vorteil, daß der Polaritätswechsel die Kathodenfunktion der jeweiligen Elektrode periodisch in Zeiten unterbricht, die sehr viel kleiner sind als die typische Anwachszeit von thermischen Instabilitäten, die sonst von der Kathode ausgehen würden. Deshalb kann im Vergleich zu Gleichstromentladungen die HF-Entladung über besonders einfach aufgebaute Elektroden mit grober Segmentierung eingekoppelt werden. Weiterhin besitzt die Hochfreguenzentladung eine positive Strom-Spannungs-Charakteristik, wodurch sich die sonst übliche Ohmsche Stabilisierung erübrigt (DE-Patentschrift 29 17 995; Schock et al in LASER + Elektro-Optik 2, 76, 1981).In the case of the coupling with electrodes, there is the further advantage over the direct current discharge that the change in polarity periodically interrupts the cathode function of the respective electrode at times that are much smaller than the typical growth time of thermal instabilities that would otherwise arise from the cathode. Therefore, in comparison to direct current discharges, the HF discharge can be coupled in using electrodes of a particularly simple structure with coarse segmentation. Furthermore, the high-frequency discharge has a positive current-voltage characteristic, which makes the otherwise conventional ohmic stabilization superfluous (DE patent specification 29 17 995; Schock et al in LASER + Elektro-Optik 2, 76, 1981).

Es ist weiterhin bekannt, einem parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden elektrischen Gleichfeld ein quer zur Strömung gerichtetes elektrisches HF-Feld zu überlagern und dadurch die Leistungsdichte der Entladung zu erhöhen (Eckbreth et al in Appl. Phys. Elett. 2]_, 25 1972). Die Überlagerung des Hochfrequenzfeldes dient dabei der Stabilisierung der Gleichstromlängsentladung. Bei dieser Anordnung ergibt sich jedoch nach wie vor die Schwierigkeit, daß aufgrund der im Kanalquerschnitt angeordneten metalli-j sehen Elektroden Inhomogenitäten die Leistungsdichte begren zen.It is also known to superimpose an electric HF field directed transversely to the flow on an electrical DC field running parallel to the direction of flow and thereby to increase the power density of the discharge (Eckbreth et al in Appl. Phys. Elett. 2] _, 25 1972). The superposition of the high-frequency field serves to stabilize the longitudinal DC discharge. With this arrangement, however, there is still the difficulty that, due to the metallic electrodes arranged in the channel cross section, inhomogeneities limit the power density.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung dieser bekannten Art derart weiterzubilden, daß in einem iu < i A 44 781 u u - 183 1. September 1981 8The invention has for its object to develop a device of this known type such that in an iu <i A 44 781 u u - 183 September 1, 1981 8

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schnellströmenden Gas eine homogene elektrische Anregung hoher Leistungsdichte möglich ist.fast flowing gas a homogeneous electrical excitation high power density is possible.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektroden des zweiten Elektrodenpaares mit einer zweiten HF-Spannungsquelle verbunden sind, und daß die Elektroden des zweiten Elektrodenpaares mehrere über den Querschnitt des Strömungskanals verteilte dielektrische Einzelelektroden umfassen, die einen von einem dielektrischen Material allseits umgebenen metallischen Kern aufweisen.This object is achieved according to the invention in a device of the type described in the introduction in that the electrodes of the second pair of electrodes are connected to a second RF voltage source, and in that the electrodes of the second pair of electrodes comprise a plurality of individual dielectric electrodes distributed over the cross section of the flow channel, one of which a dielectric material surrounded on all sides metallic core.

Durch die Verbindung des zweiten Elektrodenpaares mit einer HF-Spannungsquelle erhält man ein elektrisches Feld, dessen elektrischer Feldvektor sich bezüglich Betrag und/ oder Richtung ändert.By connecting the second pair of electrodes to an RF voltage source, an electrical field is obtained, the electrical field vector of which changes in magnitude and / or direction.

Die Stabilisierung beruht im wesentlichen auf den folgenden Effekten: a) Die Richtungsänderung des elektrischen Feldvektors unterdrückt das Anwachsen von richtungsbestimmten Instabilitäten.The stabilization is based essentially on the following effects: a) The change in direction of the electric field vector suppresses the increase in directionally determined instabilities.

b) Die Betragsänderung des elektrischen Feldvektors führt dazu, daß sich selbständige und unselbständige Entladungsphasen abwechseln. Während der unselbständigen Entladungsphase ist das Plasma rekombinationsbestimmt und wirkt dadurch stabilisierend.b) The change in the amount of the electric field vector leads to the fact that independent and dependent discharge phases alternate. During the dependent discharge phase, the plasma is recombination-determined and has a stabilizing effect.

Für den Spezialfall der senkrechten Überlagerung und der Ύ' zeitlichen Phasenverschiebung von y ergibt sich ein umlaufender Feldstärkevektor konstanten Betrages.For the special case of the vertical superposition and the Ύ 'temporal phase shift of y, there is a revolving field strength vector of constant amount.

/L/ L

UU

A 44 781 u u - 183 1. September 1981 9 Günstig kann es auch sein, wenn die beiden HF-Spannungs-quellen verschiedene Frequenzen ohne Phasenkopplung erzeugen.A 44 781 u u - 183 September 1, 1981 9 It may also be favorable if the two RF voltage sources generate different frequencies without phase coupling.

Für den Fall ungleicher Frequenz der Generatoren und fehlender Phasenkopplung ergibt sich ein Feldstärkevektor mit statistischer Winkelgeschwindigkeit und Modulation des Betrages.If the frequency of the generators is unequal and there is no phase coupling, a field strength vector results with statistical angular velocity and modulation of the amount.

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß bereits ein Experiment bekannt geworden ist, bei dem innerhalb einer Glasröhre die Entladung mit gleichförmig rotierendem E-Feldvektor betrieben wird (Zhilinskii et al in Sov. Phys. Tech. Phys. 23, 1293, 1978). Die Einkopplung der Hochfrequenzenergie erfolgt dabei durch zwei Elektrodenpaare, die außerhalb eines Glasrohres angeordnet sind. Aufgrund dieser Rohranordnung ist die erzielbare Leistungsdichte begrenzt, was durch die erreichte eingekoppelte elektrische ! 3 I Leistungsdichte von 4 W/cm offenkundig wird.In this context, it is pointed out that an experiment has already become known in which the discharge is operated within a glass tube with a uniformly rotating E field vector (Zhilinskii et al in Sov. Phys. Tech. Phys. 23, 1293, 1978). The high-frequency energy is coupled in by two pairs of electrodes, which are arranged outside a glass tube. Due to this pipe arrangement, the achievable power density is limited, which is achieved by the coupled electrical! 3 I power density of 4 W / cm becomes apparent.

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Bei dieser Gestaltung wäre eine begrenzte Leistungssteigerung durch zusätzliche Überlagerung einer Längsströmung im Rohr denkbar. Demgegenüber ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung des zweiten Elektrodenpaares im Strömungskanal und die Auflösung desselben in Einzelelektroden eine Überlagerung einer Querströmung mit hoher Gasgeschwindigkeit. Damit können die Vorzüge eines rotierenden elektrischen Feldes mit denen eines raschen Gasaustausches in der Entladung 1 kombiniert werden.With this design, a limited increase in performance would be conceivable by additionally superimposing a longitudinal flow in the pipe. In contrast, the arrangement according to the invention of the second pair of electrodes in the flow channel and the dissolution of the same in individual electrodes enables a transverse flow to be superimposed at a high gas velocity. The advantages of a rotating electrical field can thus be combined with those of a rapid gas exchange in the discharge 1.

! ^ i t A 44 781 u u - 183 1. September 1981 - 1o -! ^ i t A 44 781 u u - 183 September 1, 1981 - 1o -

Die in Einzelelektroden aufgelöste stromaufwärts des Entladungsbereichs angeordnete Elektrode hat darüberhinaus jedoch auch eine strömungstechnische Wirkung, sie homogenisiert nämlich die in den Entladungsbereich eintretende Gasströmung. In ähnlicher Weise hat auch die stromabwärts gelegene, in einzelne Elektroden aufgelöste Elektrode eine zusätzliche Wirkung, sie begrenzt nämlich den Entladungsbereich auf der stromabwärts gelegenen Seite des Entladung sbereichs und verhindert dadurch wirkungsvoll eine Verschleppung der Entladung in Strömungsrichtung.However, the electrode arranged upstream of the discharge area and dissolved in individual electrodes also has a fluidic effect, namely it homogenizes the gas flow entering the discharge area. Similarly, the downstream electrode, which is broken up into individual electrodes, has an additional effect, namely it delimits the discharge region on the downstream side of the discharge region and thereby effectively prevents the discharge from being carried over in the direction of flow.

Der Einsatz von mit dielektrischem Material ummantelten Elektroden im zweiten Elektrodenpaar ermöglicht einen homogenen Stromansatz an den Elektroden ohne die sonst notwendigen Maßnahmen der Segmentierung der Elektroden einerseits und der Ohmschen Stabilisierung andererseits. Dadurch entfällt die insbesondere bei Hochleistungslasern aufwendige Kühlung. Darüberhinaus wird durch Einsatz der dielektrischen Elektroden ein direkter Kontakt zwischen Gas und Metall vermieden, was zu einem verbesserten Langzeitverhalten des Lasers führt.The use of electrodes covered with dielectric material in the second pair of electrodes enables a homogeneous current to be applied to the electrodes without the otherwise necessary measures of segmenting the electrodes on the one hand and ohmic stabilization on the other. This eliminates the need for complex cooling, particularly in the case of high-power lasers. In addition, direct contact between gas and metal is avoided by using the dielectric electrodes, which leads to improved long-term behavior of the laser.

Aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften (Durchbruchfeldstärke, Dielektritzitätskonstante) bietet sich insbesondere Al^O^ als Dielektrikum an.Due to its electrical properties (breakdown field strength, dielectric constant), Al ^ O ^ is particularly suitable as a dielectric.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Einzelelektroden die Form von Platten haben, die im Abstand voneinander paral-.lel zur Strömungsrichtung angeordnet sind. Der Glättungseffekt der Strömung beim Eintritt in den Entladungsbereich ist durch diese Ausgestaltung besonders ausgeprägt.It is particularly advantageous if the individual electrodes are in the form of plates which are arranged at a distance from one another parallel to the flow direction. The smoothing effect of the flow when entering the discharge area is particularly pronounced by this configuration.

h A 44 781 u u - 183 1, September 1981 11 9h A 44 781 u u - 183 1, September 1981 11 9

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Einzelelektroden stromaufwärts unmittelbar vor den Elektroden des ersten Elektrodenpaares enden und daß die einzelnen Elektroden stromabwärts unmittelbar hinter den Elektroden des ersten Elektrodenoaares beginnen. Man erhält dadurch einen genau definierten Entladungsbereich zwischen den Elektroden des ersten Elektrodenpaares.In a preferred embodiment it is provided that the individual electrodes end upstream immediately in front of the electrodes of the first pair of electrodes and that the individual electrodes begin downstream immediately behind the electrodes of the first pair of electrodes. This gives a precisely defined discharge area between the electrodes of the first pair of electrodes.

Je nach Anwendung des Lasers kann dieser kontinuierlich, gepulst oder pulsüberlagert betrieben werden. Beaufschlagt man beispielsweise eines der beiden Elektrodensysteme mit einer kontinuierlichen Hochfrequenzspannung und das andere mit einer gepulsten Spannung, so kann unter Ausnutzung der dabei auftretenden E-Vektordrehung eine stabile Entladung für eine kontinuierliche Laserstrahlung mit Pulsüberlagerung erzeugt werden.Depending on the application, the laser can be operated continuously, pulsed or pulse superimposed. If, for example, one of the two electrode systems is subjected to a continuous high-frequency voltage and the other to a pulsed voltage, a stable discharge for continuous laser radiation with pulse superimposition can be generated using the E-vector rotation that occurs.

Die erfindungsgemäße Gestaltung des Elektrodensystems, das zum Teil zusätzlich die Funktion der Strömungsbeeinflussung und der Entladungsbegrenzung übernimmt, ermöglicht die Anwendung sehr hoher Gasgeschwindigkeiten ohne Entladungsverschleppung in Strömungsrichtung. Dadurch werden gleichzeitig drei Maßnahmen zur Entladungsstabilisierung kombiniert: a. hohe Strömungsgeschwindigkeit, b. Variation des Betrages der elektrischen Feldstärke, c. Richtungsänderung des Feldstärkevektors.The design of the electrode system according to the invention, which partly also takes on the function of influencing the flow and limiting the discharge, enables the use of very high gas velocities without carryover of discharge in the direction of flow. This combines three measures to stabilize the discharge: a. high flow velocity, b. Variation of the amount of electric field strength, c. Change of direction of the field strength vector.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung können durch die folgenden charakteristischen Merkmale zusammenfassend gekennzeichnet werden: L· A 44 781 u u - 183 1. September 1981 12 - * 1. Die hohe erzielbare Leistungsdichte ermöglicht den Bau kompakter Laser mit einfachen Elektroden durch Wegfall der sonst üblichen Segmentierung und Vorionisierung.The advantages of the device according to the invention can be summarized by the following characteristic features: L · A 44 781 uu - 183 September 1, 1981 12 - * 1. The high achievable power density enables the construction of compact lasers with simple electrodes by eliminating the otherwise usual segmentation and pre-ionization.

2. Eine verlustbehaftete Ohmsche Stabilisierung entfällt.2. There is no lossy ohmic stabilization.

3. Es wird keine Elektrodenkühlung benötigt.3. No electrode cooling is required.

4. In der Entladungszone entfallen metallische Kontakte mit dem Plasma, wodurch das Langzeitverhalten des Lasers verbessert wird.4. In the discharge zone there are no metallic contacts with the plasma, which improves the long-term behavior of the laser.

5. Die Elektrodenanordnung ermöglicht einen pulsüberlagerten Dauerbetrieb des Lasers.5. The electrode arrangement enables the laser to be operated continuously over a pulse.

Insbesondere die Punkte 1 bis 3 haben die Konsequenz, daß der technische Aufwand für das Lasersystem gering, sein Wirkungsgrad jedoch hoch ist.Points 1 to 3 in particular have the consequence that the technical outlay for the laser system is low, but its efficiency is high.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines laseraktiven Zustands.The following description of a preferred embodiment of the invention serves in conjunction with the drawing for a more detailed explanation. The drawing shows a schematic longitudinal sectional view of a device according to the invention for generating a laser-active state.

In einem Kanal 1, der vorzugsweise einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, sind in gegenüberliegende Seitenwände 2 und 3 Elektroden 4 und 5 eingelassen, die gemeinsam ein erstes Elektrodenpaar bilden. Die ebenen Elektrodenoberflächen schließen mit den Seitenwänden des Kanals ab und be-a stehen aus einem Dielektrikum 6 mit geringem Verlustwinkel, t.' A 44 781 u u - 183 1. September 1981 -13- m welches auf der Rückseite mit einem Metallbelag 7 versehen ist. Im Volumenbereich 8 zwischen den beiden Elektroden 4 und 5 befindet sich der Resonator des Lasers.In a channel 1, which preferably has a rectangular cross section, electrodes 4 and 5 are embedded in opposite side walls 2 and 3, which together form a first pair of electrodes. The flat electrode surfaces are flush with the side walls of the channel and consist of a dielectric 6 with a low loss angle, t. ' A 44 781 u u - 183 1 September 1981 -13- m which is provided with a metal covering 7 on the back. The resonator of the laser is located in the volume region 8 between the two electrodes 4 and 5.

Vor und hinter dem Volumenbereich 8 befinden sich weitere Elektroden 9 und 10, die gemeinsam ein zweites Elektrodenpaar bilden. Beide Elektroden werden durch Einzelelektroden 11 bzw. 12 aufgebaut, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Form von Platten haben, die im gegenseitigen Abstand parallel zur Strömungsrichtung über den Querschnitt des Kanals 1 verteilt sind. Die Einzelelektroden 11 und 12 bestehen aus einem metallischen Kern 13 bzw. 14, der umgeben ist von einem dielektrischen Material 15 bzw. 16. Die Elektroden des ersten Elektrodenpaares und die Elektroden des zweiten Elektrodenpaares sind über Induktivitäten 17 und 18 bzw. 19 und 20 mit Hochfrequenzgeneratoren 21 bzw.In front of and behind the volume area 8 there are further electrodes 9 and 10, which together form a second pair of electrodes. Both electrodes are built up by individual electrodes 11 and 12, which in the exemplary embodiment shown have the form of plates which are distributed at a mutual distance parallel to the flow direction over the cross section of the channel 1. The individual electrodes 11 and 12 consist of a metallic core 13 and 14, respectively, which is surrounded by a dielectric material 15 and 16. The electrodes of the first pair of electrodes and the electrodes of the second pair of electrodes are connected via inductors 17 and 18 or 19 and 20 High frequency generators 21 or

22 verbunden.22 connected.

Die Induktivitäten kompensieren den kapazitiven Blindwiderstand der Elektroden, so daß die Generatoren lediglich mit dem Widerstand der Entladung abgeschlossen sind.The inductors compensate for the capacitive reactance of the electrodes, so that the generators are only terminated with the resistance of the discharge.

Das Gas, in dem der laseraktive Zustand erzeugt werden soll, strömt in Richtung des Pfeiles A durch die Anordnung, wobei der Gasstrom durch die Einzelelektroden 11 am stromaufwärts gelegenen Ende des Volumenbereiches 8 geglättet und homogenisiert wird. Das Gas durchsetzt den Volumenbereich 8, wobei durch das sich bezüglich Richtung und gegebenenfalls Stärke ändernde elektrische Feld eine Entladung in dem Gasstrom erzeugt wird, die sich quer zur Strömungsrichtung homogen über den ganzen Volumenbereich 8 ausbreitet und auf / der stromabwärts gelegenen Seite des Volumenbereiches 8 1rsThe gas in which the laser-active state is to be generated flows in the direction of arrow A through the arrangement, the gas flow being smoothed and homogenized by the individual electrodes 11 at the upstream end of the volume region 8. The gas passes through the volume area 8, a discharge being generated in the gas flow by the electric field changing with respect to direction and possibly strength, which discharge spreads homogeneously across the entire volume area 8 transversely to the direction of flow and on / on the downstream side of the volume area 8 1rs

NN

I» A 44 781 u u - 183 1. September 1981 14 durch die Einzelelektroden 12 begrenzt wird. Wesentlich ist dabei, daß der Ansatz der Entladung großflächig auf der Plattenoberfläche erfolgt, so daß es im Gegensatz zu herkömmlichen Gleichstromlängsentladungen nicht zu Einschnürungen des Plasmas im Entladungsbereich kommt.I »A 44 781 u u - 183 September 1, 1981 14 is limited by the individual electrodes 12. It is essential that the discharge is applied over a large area on the plate surface, so that, in contrast to conventional DC longitudinal discharges, there is no constriction of the plasma in the discharge region.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können außerordentlich hohe Leistungsdichten erzielt werden. Beispielsweise wurde in ersten Untersuchungen mit einer solchen Anordnung in kontinuierlicher Betriebsweise eine homogene Entladung hoher Leistungsdichte 35 KW/1 und damit ein CO2-Laser mit einem Gesamtwirkungsgrad von 20 % realisiert. Das Entlade-volumen betrug dabei 0,35 1. Als Elektroden sind Keramikplatten (A^O^) mit einer Dicke von 2,5 mm eingesetzt. Die Generatorfreguenz beträgt 6 MHZ.Extremely high power densities can be achieved with the arrangement according to the invention. For example, in initial tests with such an arrangement in continuous operation, a homogeneous discharge of high power density 35 KW / 1 and thus a CO2 laser with an overall efficiency of 20% was realized. The discharge volume was 0.35 1. Ceramic plates (A ^ O ^) with a thickness of 2.5 mm are used as electrodes. The generator frequency is 6 MHz.

AA

Claims

September 1, 1981 2

1. Device for generating a laser active state! in a fast subsonic flow with a flow channel, with a first pair of electrodes! the opposite dielectric electrodes in the wall area of the flow channel and a second one! * Pair of electrodes, one electrode in the flow channel upstream of the discharge, the other electric j; de are arranged in the flow channel downstream of the discharge, the electrodes of the first pair of electrodes being connected to an HF voltage source, j characterized in that the! j electrodes (9, 10) of the second pair of electrodes are connected with a '! ner second RF voltage source (22) are connected, and that the electrodes (9, 10) of the second pair of electrodes several across the cross section of the flow channel (1)! distributed dielectric individual electrodes (11, 12) um- j; have a metallic core surrounded on all sides by a dielectric material (1lj!; 12). Ü / λ r; j \ l l M>] i, I € • A 44 781 u u - 183

2. Device according to claim 1, characterized in that the individual electrodes (11, 12) have the shape of plates which are arranged at a distance from one another parallel to the flow direction.

3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrodes (4, 5) of the first pair of electrodes consist of a dielectric plate, on the back of which a metallic plate is applied or a metallic layer is applied.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the individual electrodes (11) end upstream immediately in front of the electrodes (4, 5) of the first pair of electrodes and that the individual electrodes (12) downstream immediately behind the electrodes (4, 5) of the the first pair of electrodes.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second RF voltage source (22) generates an RF voltage of the same frequency as the first, wherein both RF voltages have a fixed phase relationship with a phase shift.

6. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the two RF voltage sources (21, 22) generate different frequencies without phase coupling l. Ft l ft 'ft. I \ Λ V W I * \