WO1991019336A1 - Ion laser and manufacturing process - Google Patents

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WO1991019336A1
WO1991019336A1 PCT/EP1991/000851 EP9100851W WO9119336A1 WO 1991019336 A1 WO1991019336 A1 WO 1991019336A1 EP 9100851 W EP9100851 W EP 9100851W WO 9119336 A1 WO9119336 A1 WO 9119336A1
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tube
discharge tube
coating
ion laser
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PCT/EP1991/000851
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Erich Weimel
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Nwl Laser-Technologie Gmbh
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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/03Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/032Constructional details of gas laser discharge tubes for confinement of the discharge, e.g. by special features of the discharge constricting tube
    • H01S3/0323Constructional details of gas laser discharge tubes for confinement of the discharge, e.g. by special features of the discharge constricting tube by special features of the discharge constricting tube, e.g. capillary
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    • H01S3/02Constructional details
    • H01S3/04Arrangements for thermal management
    • H01S3/041Arrangements for thermal management for gas lasers

Definitions

  • the invention relates to an ion laser, in particular an argon ion laser according to the preamble of claim 1 and a method for producing the ion laser according to the preamble of claim 7.
  • a laser of this type is known from US Pat. No. 4,477,907.
  • the known argon-ion laser has a glow cathode, an anode designed as a mirror holder, a discharge tube between the anode and cathode, and a gas reservoir.
  • the discharge tube and gas reservoir were a ceramic tube made of beryllium oxide, at the ends of which the metallic, adjustable resonator mirror holder was soldered in a vacuum-tight manner.
  • Another argon ion laser of this type known from US Pat. No. 4,764,932 has a discharge tube constructed from individual beryllium tube segments. The ends of the pipe are made with a molybdenum-magnesium alloy metallized and connected to each other via a solder ring by brazing. At one end of the discharge tube is a bypass reflector with a hot cathode and at the other end a piece of metal tube is attached as an anode.
  • the object of the invention is to provide a laser of the type mentioned at the outset, the anode of which is easy to manufacture and remains gas-tightly connected to the discharge tube and an electrical anode connection during operation, even at high thermal loads .
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through the anode-side end of the laser without a cooling device, the anode tube of the laser not yet being connected to its anode current connection flange and its discharge tube, and
  • FIG. 2 shows a longitudinal section analogous to FIG. 1, but with cooling lung as well as with. the discharge tube and the anode: power connection flange connected anode tube.
  • the argon ion laser as the ion laser has a gas-tight discharge tube 1 filled with argon as the active gas at a pressure of 1 ⁇ Pa, at one end a tubular anode 3 and at the other end, which is only shown schematically, an indicated glow cathode 2 is mounted in a gas reservoir, not shown.
  • An electrical current flowing between cathode 2 and anode 3 through a channel 4 of the discharge tube 1 ionizes the argon contained therein, whose emitted radiation 6a, shown in broken lines in FIG.
  • a small percentage of the radiation 6a is coupled out as a laser beam 6b through the resonator mirror 8a. Because of its electrical charge, the ionized argon is transported through the channel 4 to the cathode 2, discharged there and then flows through three bypass tubes 5 parallel to one another and to the channel 4 in the discharge tube 1, only one of which is cut into the tube Figures is shown, back to the anode 3.
  • a metallic, centrally pierced flange 7 is attached as an anode current feed line, which is connected to the housing of the argon ion laser (not shown) and to which the resonator mirror 8b is attached.
  • the anode 3 is a tubular anode carrier 11, on the inner surface of which an electrically conductive coating is applied as the anode electrode 10a.
  • the anode tube 11 is made of approximately 97.5% pure aluminum oxide powder with a Grain size sintered between about five and twenty micrometers. The grain size of the ceramic powder and the firing temperature are selected so that the completely burned anode tube 11 has a maximum leak rate between the interior and exterior of the tube of less than 1 mPa / cm * - * - s.
  • the part of the anode tube 11 facing away from the discharge tube 1 has a vertical end face 9 and is provided on its tube inside with a coating 10 extending beyond the tube center, which extends around the tube end onto the tube outer jacket.
  • the part 10a of the coating 10 lying in the tube interior consists of a galvanically applied copper layer 10a and serves as an anode electrode. It lies on an adhesive layer made of molybdenum-manganese, applied by means of screen printing.
  • the thickness of the copper layer 10a is between fifty and two hundred micrometers.
  • a laser output power of 6 a two-hundred micron thick copper layer is applied to derive an anode current of 35 A.
  • the coating part of the outer tube jacket, denoted by 10b, which extends around the end face 9 and immediately adjoins it, the coating 10, and a coating 12 on the end of the anode tube 11 lying against the discharge tube 1, the end face 14 of which is chamfered, consists of a electroplated solderable nickel layer, which also lies on a molybdenum-manganese layer applied by screen printing as an adhesive layer on the ceramic material
  • the nickel coatings 10b and 12 serve as a soldering surface for the gas-tight connection of the anode tube 11 to the flange 7 and to the discharge tube 1, as described below.
  • the copper and nickel coating 10a and 10b are connected to one another in an electrically conductive manner.
  • the nickel coating 10b extends from the end face 9 only so far on the outer tube jacket that as described below, no electrical contact with the cooling water is possible.
  • the nickel coating 12 is electrically insulated on the inside of the tube by an uncoated ring area 16 from the copper coating 10a and on the outside of the tube by an uncoated ring area 17 from the nickel coating 10b in order to establish an electrical connection between the discharge tube 1 and that via the flange 7 to prevent electrically connected copper coating 10a as an anode electrode, as described below.
  • the position and width of the uncoated ring region 16 is selected so that when the anode tube 11 is connected to the discharge tube 1, the coating 12 is set back by one to two millimeters with respect to the end face of the discharge tube 1.
  • the discharge tube 1 has at its left end, shown in the figures, a stepped shoulder 19 provided with a solderable connection; the solderable connection extends only up to a distance of one to two millimeters to the front of paragraph 19.
  • the outer diameter of the shoulder 19 is adapted to the inner diameter of the anode tube 11 at its end carrying the beveled end face 14.
  • the angled end of the anode tube 11 is pushed onto this shoulder 19 up to the stop on the shoulder edge 21.
  • the end face 9 of the anode tube 11 is pushed into an annular groove 23 of the flange 7, the dimensions of which are adapted to the inside and outside diameter of the anode tube 11 on the end face 9, until it stops at the bottom of the annular groove.
  • the annular groove 23 is chamfered on each of its upper edges.
  • a brazing ring 27a and 27b made of hard solder is applied to each of these chamfers 25a and 25b; there is also a brazing ring 29 in a gap 30, formed with the inclined end face 14 of the anode tube 11 and the shoulder edge 21.
  • the anode 3 is cooled by cooling water. As shown in FIG. 2, the cooling water enters through a cooling water inlet 33 into a metallic cooling tube 35 which encloses the anode 3, the discharge tube 1 and the cathode 2; the cooling water outlet, not shown, is located in the cooling tube 35 in the vicinity of the cathode 2.
  • the part of the cooling tube 35 on the anode side has an annular end face 36 which is matched to the outer diameter of the anode tube 11 and is made of Teflon through a sealing and insulating disk 37 electrically isolated from flange 7.
  • the end face 36 and the sealing and insulation disk 37 are chamfered on their mutually adjacent edges of the openings receiving the anode tube 11.
  • the two bevels 39a and 39b receive a sealing ring 41 which prevents the cooling water from escaping to the flange 7.
  • a magnetic coil 43 is attached to the inside of the cooling tube 35 over the entire length of the discharge tube 1.
  • the coil 43 generates a magnetic field strength of approximately 1600 Gauss in the channel 4 in order to protect the walls of the channel 4 as much as possible from the spiral erosion of the plasma discharge.
  • the cooling water thus not only cools the anode tube 11, the discharge tube 1 and the cathode 2, but also the coil 43, which is charged with approximately 1000 W.
  • the cooling tube 35 and the sealing and insulation ring 37 are pushed over the discharge tube 1, the discharge tube 1, anode tube 11 and flange 7 are plugged together and heated, the material lying on the bevels 25a and 25b and in the gap 30 Brazing rings 27a, 27b and 29 due to capillary action in the gaps between anode tube 11 and discharge tube l or flange 7 runs.
  • the anode tube 11, the discharge tube 1 and the flange 7 are now connected to one another in a mechanically fixed and vacuum-tight manner; likewise the copper coating 10a is connected as an anode electrode to the flange 7, which acts as an electrical anode connection.
  • the anode tube 11 is, as already mentioned above, pressed from aluminum oxide powder and then fired at about 1800 ° C.
  • a molybdenum-manganese layer is printed as an adhesive layer on the re-cooled anode tube 11 by means of a screen printing method at the locations at which the copper or nickel coating 10a, 10b and 12 is to be applied later. Copper or nickel is then electrolytically deposited on this molybdenum-manganese layer.
  • the molybdenum-manganese layer can also be applied with a brush or by means of other customary methods.
  • the copper or nickel coatings 10a, 10b and 12 can also be applied by means of a CVD process (chemical vapor deposition) or a sputtering process.
  • the nickel coatings 10b and 12 are only intended to ensure a good gas-tight solder connection between anode tube 11 and flange 7. Good electrical conductivity is not necessary, not even between the nickel layer 10b and the flange 7, since the anode current conduction takes place directly from the copper layer 10a to the flange 7. All coatings which ensure a good solder connection are therefore suitable as replacements for the nickel coatings 10b and 12.
  • the molybdenum-manganese adhesive layer is only intended to ensure good adhesion of the copper or nickel coating 10a, 10b and Allow 12 on the ceramic surface. An electrical conductivity of the adhesive layer is not necessary. It is therefore also possible to use other adhesive layer materials which are stable up to approximately 200.degree.
  • the arrangement of the anode tube 11 can be used not only with the argon laser, but also with other ion and gas lasers.
  • the leak rate can be influenced not only by the firing process and the grain size of the ceramic powder, but also by the coatings applied.
  • the anode tube 11 can additionally be provided with an electrically insulating coating or a glaze directly on the ceramic body. The adhesive layer is then applied to this coating.
  • the advantage of the argon laser according to the invention lies in particular in its easy-to-manufacture anode tube 11, which is easy to connect both to the discharge tube 1 and to the flange 7 serving as the anode current feed line, the anode electrode 10a also simultaneously being connected to the flange in the case of gas-tight connection 7 is electrically connected. Since the anode electrode surface 10a is integrated in the anode tube 11, there is a robust and reliable construction, since slipping of the anode, such as. B. with other argon lasers, which one in an ano- use the inserted wire helix, is no longer possible.
  • the heat dissipation from the anode electrode 10a to the cooling water flowing around the anode tube 11 is increased considerably compared to the heat dissipation of the anode in the known lasers. There are no electrical potential problems with the cooling water.

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Abstract

An argon ion laser has a cathode (2) and an anode (3) at the two ends of its gas-tight discharge tube (1). The anode (3) is designed as a one-piece anode tube (11) made of sintered aluminium oxide powder which does not conduct electricity but is a good conductor of heat; the tube has an electrically conductive inner partial coating (10a). The conductive inner partial coating (10a) acts as an anode electrode and is connected by a solder joint to a flange (7) which serves as an anode lead. The two ends of the tube have a coating (10a, 12), preferably of nickel, which permits gas-tight soldering of the anode tube (11) to both the discharge tube (1) and the flange (7). The flange (7) and the discharge tube (1) are electrically insulated from each other by the anode tube (11). This anode tube (11) can be used to construct a simple and an extremely reliable argon laser; the heat is dissipated from the anode (3) of the laser of the invention much more efficiently than in known lasers because the heat generated at the anode (3) is absorbed directly by the cooling water.

Description

Ionenlaser und Herstellungsverfahren Ion laser and manufacturing process
Die Erfindung betrifft einen Ionenlaser, insbesondere einen Argon-Ionen-Laser gemäß dem Oberbegriff des Patent¬ anspruchs l und ein Verfahren zur Herstellung des Ionenla¬ sers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.The invention relates to an ion laser, in particular an argon ion laser according to the preamble of claim 1 and a method for producing the ion laser according to the preamble of claim 7.
Ein Laser dieser Art ist aus der US-PS 4,477,907 be- kannt. Der bekannte Argon-Ionen-Laser hat eine Glühkatho¬ de, eine als Spiegelhalterung ausgebildete Anode, ein Ent¬ ladungsrohr zwischen Anode und Kathode sowie ein Gasreser¬ voir. Entladungsrohr und Gasreservoir waren ein aus Beryl¬ liumoxyd hergestelltes Keramikrohr, an dessen Enden die metallischen, verstellbaren Resonatorspiegelhalterung va¬ kuumdicht angelötet waren.A laser of this type is known from US Pat. No. 4,477,907. The known argon-ion laser has a glow cathode, an anode designed as a mirror holder, a discharge tube between the anode and cathode, and a gas reservoir. The discharge tube and gas reservoir were a ceramic tube made of beryllium oxide, at the ends of which the metallic, adjustable resonator mirror holder was soldered in a vacuum-tight manner.
Ein weiterer aus der US-PS 4,764,932 bekannter Argon- Ionen-Laser dieser Art hat ein aus einzelnen Beryllium- rohrseg enten aufgebautes Entladungsrohr. Die Rohrstücke sind an ihren Enden mit einer Molybdän-Magnesium-Legierung metallisiert und über einen Lötring durch Hartlöten mit¬ einander verbunden. An einem Ende des Entladungsrohres ist ein Bypaßreflektor mit einer Glühkathode und am anderen Ende eine Metallrohrstück als Anode angebracht.Another argon ion laser of this type known from US Pat. No. 4,764,932 has a discharge tube constructed from individual beryllium tube segments. The ends of the pipe are made with a molybdenum-magnesium alloy metallized and connected to each other via a solder ring by brazing. At one end of the discharge tube is a bypass reflector with a hot cathode and at the other end a piece of metal tube is attached as an anode.
Sowohl bei der als Resonatorspiegelhalterung verwen¬ dete Anode als auch beim Metallrohr ergaben sich Dichtig¬ keitsprobleme an der Verbindungsstelle zum Entladungsrohr.Both in the case of the anode used as a resonator mirror holder and in the case of the metal tube there were problems with tightness at the connection point to the discharge tube.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Laser der ein¬ gangs genannten Art zu schaffen, dessen Anode einfach her¬ stellbar ist und während des Betriebs auch bei hohen ther¬ mischen Belastungen einwandfrei gasdicht mit dem Entla¬ dungsrohr sowie einem elektrischen Anodenanschluß verbun- den bleibt.The object of the invention is to provide a laser of the type mentioned at the outset, the anode of which is easy to manufacture and remains gas-tightly connected to the discharge tube and an electrical anode connection during operation, even at high thermal loads .
Die Lösung der Aufgabe ist hinsichtlich des Lasers Gegenstand des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Ver¬ fahrens zur Herstellung des Lasers Gegenstand des Patent- anspruchs 7. Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 6 Find bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lasers und Gegenstand der Patentansprüche 8 bis 10 bevorzugte Verfahren zur Herstellung des Lasers.The solution to the problem is the subject matter of patent claim 1 with respect to the laser and the subject matter of patent claim 7 with respect to the method for producing the laser. Subject matter of patent claims 2 to 6 Find preferred embodiments of the laser according to the invention and subject matter of patent claims 8 to 10 preferred methods for the production of the laser.
Im folgenden wird ein Beispiel des erfindungsgemäßen Ionenlasers anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:An example of the ion laser according to the invention is explained in more detail below with reference to drawings. Show it:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch das anodenseitige Ende des Lasers ohne Kühleinrichtung, wobei das Anoden¬ rohr des Lasers noch nicht mit dessen Anodenstrom- anschlußflansch und dessen Entladungsrohr verbun¬ den sind, und1 shows a longitudinal section through the anode-side end of the laser without a cooling device, the anode tube of the laser not yet being connected to its anode current connection flange and its discharge tube, and
Fig. 2 einen Längsschnitt analog Figur 1, jedoch mit Küh- lung sowie mit. dem Entladungsrohr und dem Anode: Stromanschlußflansch verbundenem Anodenrohr.2 shows a longitudinal section analogous to FIG. 1, but with cooling lung as well as with. the discharge tube and the anode: power connection flange connected anode tube.
Der Argonionenlaser als Ionenlaser hat ein mit Argon als aktives Gas bei einem Druck von l μPa gefülltes, gas¬ dichtes Entladungsrohr 1, an dessen einem Ende eine röhr- förmige Anode 3 und an dessen anderem, lediglich schema¬ tisch dargestellten Ende eine angedeutete Glühkathpde 2 in einem nicht dargestellten Gasreservoir angebracht ist. Ein zwischen Kathode 2 und Anode 3 durch einen Kanal 4 des Entladungsrohres 1 fließender elektrischer Strom ionisiert das hierin enthaltene Argon, dessen emittierte, in Figur l gestrichelt dargestellte Strahlung 6a an in der Achse des Kanals 4, auf je einer der dem Entladungsrohr 1 abgewand¬ ten Seiten der Kathode 2 sowie der Anode 3 angeordneten, schematisch dargestellten Resonatorspiegeln 8a und 8b re¬ flektiert wird. Ein geringer Prozentsatz der Strahlung 6a wird als Laserstrahl 6b durch den Resonatorspiegel 8a aus- gekoppelt. Das ionisierte Argon wird aufgrund seiner elek¬ trischen Ladung durch den Kanal 4 zur Kathode 2 transpor¬ tiert, dort entladen und fließt dann über drei zueinander und zum Kanal 4 parallele Bypaßröhren 5 im Entladungs¬ rohr 1, von denen nur eine im Schnitt in den Figuren dar- gestellt ist, zur Anode 3 zurück. An das dem Entladungs¬ rohr 1 abgewandte Ende der Anode 3 ist ein metallischer, zentrisch durchbohrter Flansch 7 als Anodenstromzuleitung angebracht, der mit dem nicht dargestellten Gehäuse des Argonionenlasers verbunden wird und an dem der Resonator- Spiegel 8b befestigt wird.The argon ion laser as the ion laser has a gas-tight discharge tube 1 filled with argon as the active gas at a pressure of 1 μPa, at one end a tubular anode 3 and at the other end, which is only shown schematically, an indicated glow cathode 2 is mounted in a gas reservoir, not shown. An electrical current flowing between cathode 2 and anode 3 through a channel 4 of the discharge tube 1 ionizes the argon contained therein, whose emitted radiation 6a, shown in broken lines in FIG. 1, on the axis of the channel 4, each on one of the discharge tubes 1 th side of the cathode 2 and the anode 3 arranged, schematically shown resonator mirrors 8a and 8b is reflected. A small percentage of the radiation 6a is coupled out as a laser beam 6b through the resonator mirror 8a. Because of its electrical charge, the ionized argon is transported through the channel 4 to the cathode 2, discharged there and then flows through three bypass tubes 5 parallel to one another and to the channel 4 in the discharge tube 1, only one of which is cut into the tube Figures is shown, back to the anode 3. At the end of the anode 3 facing away from the discharge tube 1, a metallic, centrally pierced flange 7 is attached as an anode current feed line, which is connected to the housing of the argon ion laser (not shown) and to which the resonator mirror 8b is attached.
Die Anode 3 ist ein rohrförmiger Anodenträger 11 auf dessen Innenfläche eine elektrisch leitende Beschichtung als Anodenelektrode 10a aufgebracht ist. Das Anodenrohr 11 ist aus etwa 97,5% reinem Aluminiumoxydpulver mit einer Korngröße zwischen etwa fünf und zwanzig Mikrometer gesin¬ tert. Die Korngröße des Keramikpulvers und die Brenntempe¬ ratur sind so ausgewählt, daß das fertig gebrannte Anoden¬ rohr 11 eine maximale Leckrate zwischen Rohrinnen- und -außenraum von kleiner als 1 mPa/cm*-*-s hat.The anode 3 is a tubular anode carrier 11, on the inner surface of which an electrically conductive coating is applied as the anode electrode 10a. The anode tube 11 is made of approximately 97.5% pure aluminum oxide powder with a Grain size sintered between about five and twenty micrometers. The grain size of the ceramic powder and the firing temperature are selected so that the completely burned anode tube 11 has a maximum leak rate between the interior and exterior of the tube of less than 1 mPa / cm * - * - s.
Der dem Entladungsrohr 1 abgewandte Teil des Anoden¬ rohres 11 hat eine senkrechte Stirnfläche 9 und ist auf seiner Rohrinnenseite bis über die Rohrmitte hinaus mit einer Beschichtung 10 versehen, die sich um das Rohrende herum auf den Rohraußenmantel erstreckt. Der im Rohrinne¬ ren liegende Teil 10a der Beschichtung 10 besteht aus ei¬ ner galvanisch aufgebrachten Kupferschicht 10a und dient als Anodenelektrode. Er liegt auf einer mittels Siebdruck aufgebrachten Haftschicht aus Molybdän-Mangan. Je nach zu verwendendem Anodenstrom liegt die Dicke der Kupfer¬ schicht 10a zwischen fünfzig und zweihundert Mikrometern. Bei z. B. einer Laserausgangsleistung von 6 wird zur Ab¬ leitung eines Anodenstroms von 35 A eine zweihundert Mi- krometer dicke Kupferschicht aufgebracht. Der um die Stirnfläche 9 herumführende und unmittelbar daran an¬ schließende Beschichtungsteil des Rohraußenmantels, mit 10b bezeichnet, der Beschichtung 10, sowie eine Beschich¬ tung 12 auf dem am Entladungsrohr 1 anliegenden Ende des Anodenrohres 11, dessen Stirnfläche 14 angeschrägt ist, besteht aus einer galvanisch aufgebrachten lötfähigen Nickelschicht, die ebenfalls auf einer mittels Siebdruck aufgebrachten Molybdän-Manganschicht als Haftschicht auf dem Keramikmaterial aufliegt. Die Nickelbeschichtungen 10b und 12 dienen als Lötfläche zum gasdichten Verbinden des Anodenrohres 11 mit dem Flansch 7 bzw. mit dem Entladungs¬ rohr 1, wie unten beschrieben. Die Kupfer- und Nickelbe¬ schichtung 10a und 10b sind elektrisch leitend miteinander verbunden. Die Nickelbeschichtung 10b erstreckt sich von der Stirnfläche 9 nur soweit auf dem Rohraußenmantel, daß wie unten beschrieben, kein elektrischer Kontakt mit dem Kühlwasser möglich ist. Die Nickelbeschichtung 12 ist auf der Rohrinnenseite durch einen unbeschichteten Ringbe¬ reich 16 von der Kupferbeschichtung 10a und auf der Rohr- außenseite durch einen unbeschichteten Ringbereich 17 von der Nickelbeschichtung 10b elektrisch isoliert, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Entladungsrohr 1 und der über den Flansch 7 elektrisch angeschlossenen Kupfer- beschichtung 10a als Anodenelektrode, wie unten beschrie- ben, zu verhindern. Die Lage und Breite des unbeschichte¬ ten Ringbereiches 16 ist so gewählt, daß bei mit dem Ent¬ ladungsrohr 1 verbundenem Anodenrohr 11 die Beschich¬ tung 12 um ein bis zwei Millimeter gegenüber der Stirnsei¬ te des Entladungsrohres 1 zurückversetzt ist.The part of the anode tube 11 facing away from the discharge tube 1 has a vertical end face 9 and is provided on its tube inside with a coating 10 extending beyond the tube center, which extends around the tube end onto the tube outer jacket. The part 10a of the coating 10 lying in the tube interior consists of a galvanically applied copper layer 10a and serves as an anode electrode. It lies on an adhesive layer made of molybdenum-manganese, applied by means of screen printing. Depending on the anode current to be used, the thickness of the copper layer 10a is between fifty and two hundred micrometers. At z. For example, a laser output power of 6, a two-hundred micron thick copper layer is applied to derive an anode current of 35 A. The coating part of the outer tube jacket, denoted by 10b, which extends around the end face 9 and immediately adjoins it, the coating 10, and a coating 12 on the end of the anode tube 11 lying against the discharge tube 1, the end face 14 of which is chamfered, consists of a electroplated solderable nickel layer, which also lies on a molybdenum-manganese layer applied by screen printing as an adhesive layer on the ceramic material The nickel coatings 10b and 12 serve as a soldering surface for the gas-tight connection of the anode tube 11 to the flange 7 and to the discharge tube 1, as described below. The copper and nickel coating 10a and 10b are connected to one another in an electrically conductive manner. The nickel coating 10b extends from the end face 9 only so far on the outer tube jacket that as described below, no electrical contact with the cooling water is possible. The nickel coating 12 is electrically insulated on the inside of the tube by an uncoated ring area 16 from the copper coating 10a and on the outside of the tube by an uncoated ring area 17 from the nickel coating 10b in order to establish an electrical connection between the discharge tube 1 and that via the flange 7 to prevent electrically connected copper coating 10a as an anode electrode, as described below. The position and width of the uncoated ring region 16 is selected so that when the anode tube 11 is connected to the discharge tube 1, the coating 12 is set back by one to two millimeters with respect to the end face of the discharge tube 1.
Das Entladungsrohr 1 hat an seinem linken, in den Figuren dargestellten Ende einen mit einer lötfähigen Ver¬ bindung versehenen, abgesetzten Absatz 19; die lötfähige Verbindung reicht nur bis auf eine Distanz von ein bis zwei Millimetern an die Stirnseite des Absatzes 19 heran. Der Außendurchmesser des Absatzes 19 ist dem Innendurch¬ messer des Anodenrohres 11 an seinem die angeschrägte Stirnfläche 14 tragendem Ende angepaßt. Auf diesen Ab¬ satz 19 wird das Ende des Anodenrohres 11 mit dem ange- schrägten Ende bis zum Anschlag an die Absatzkante 21 auf¬ geschoben. Die Stirnfläche 9 des Anodenrohres 11 wird in eine Ringnut 23 des Flansches 7, deren Abmessungen dem In¬ nen- und Außendurchmesser des Anodenrohres 11 an der Stirnseite 9 angepaßt sind, bis zum Anschlag am Ringnuten- grund eingeschoben. Die Ringnut 23 ist an jeder ihrer Oberkanten angefast. An jede dieser Fasen 25a und 25b ist ein Lötring 27a und 27b aus Hartlot angelegt; ebenso be¬ findet sich ein Hartlotring 29 in einem Spalt 30, gebildet mit der schrägen Stirnfläche 14 des Anodenrohres 11 und der Absatzkante 21. Die Kühlung der Anode 3 erfolgt bei Laserbetrieb durch Kühlwasser. Das Kühlwasser tritt, wie in Figur 2 dargestellt, durch einen Kühlwassereinlaß 33 in ein die Anode 3, das Entladungsrohr 1 und die Kathode 2 um¬ schließendes, metallisches Kühlrohr 35 ein; der nicht dar¬ gestellte Kühlwasserauslaß befindet sich im Kühlrohr 35 in der Nähe der Kathode 2. Der anodenseitige Teil des Kühl¬ rohres 35 hat eine dem Außendurchmesser des Anodenroh- res 11 angepaßte ringförmige Stirnseite 36 und ist durch eine Dichtungs- und Isolationsscheibe 37 aus Teflon vom Flansch 7 elektrisch isoliert. Die Stirnseite 36 und die Dichtungs- und Isolationsscheibe 37 sind an ihren einander benachbarten Kanten der das Anodenrohr 11 aufnehmenden Öffnungen angefast. Die beiden Fasen 39a und 39b nehmen einen Dichtring 41 auf, der einen Austritt des Kühlwassers zum Flansch 7 verhindert.The discharge tube 1 has at its left end, shown in the figures, a stepped shoulder 19 provided with a solderable connection; the solderable connection extends only up to a distance of one to two millimeters to the front of paragraph 19. The outer diameter of the shoulder 19 is adapted to the inner diameter of the anode tube 11 at its end carrying the beveled end face 14. The angled end of the anode tube 11 is pushed onto this shoulder 19 up to the stop on the shoulder edge 21. The end face 9 of the anode tube 11 is pushed into an annular groove 23 of the flange 7, the dimensions of which are adapted to the inside and outside diameter of the anode tube 11 on the end face 9, until it stops at the bottom of the annular groove. The annular groove 23 is chamfered on each of its upper edges. A brazing ring 27a and 27b made of hard solder is applied to each of these chamfers 25a and 25b; there is also a brazing ring 29 in a gap 30, formed with the inclined end face 14 of the anode tube 11 and the shoulder edge 21. In the case of laser operation, the anode 3 is cooled by cooling water. As shown in FIG. 2, the cooling water enters through a cooling water inlet 33 into a metallic cooling tube 35 which encloses the anode 3, the discharge tube 1 and the cathode 2; the cooling water outlet, not shown, is located in the cooling tube 35 in the vicinity of the cathode 2. The part of the cooling tube 35 on the anode side has an annular end face 36 which is matched to the outer diameter of the anode tube 11 and is made of Teflon through a sealing and insulating disk 37 electrically isolated from flange 7. The end face 36 and the sealing and insulation disk 37 are chamfered on their mutually adjacent edges of the openings receiving the anode tube 11. The two bevels 39a and 39b receive a sealing ring 41 which prevents the cooling water from escaping to the flange 7.
An der Innenseite des Kühlrohres 35 ist über die ge- samte Länge des Entladungsrohres 1 eine Magnetspule 43 angebracht. Die Spule 43 erzeugt im Kanal 4 eine magneti¬ sche Feldstärke von etwa 1600 Gauß, um die Wände des Ka¬ nals 4 möglichst von der spiralförmigen Erosion der Plas¬ maentladung zu schützen. Das Kühlwasser kühlt somit nicht nur das Anodenrohr 11, das Entladungsrohr 1 und die Katho¬ de 2, sondern auch die Spule 43, die mit etwa 1000 W be¬ aufschlagt ist.A magnetic coil 43 is attached to the inside of the cooling tube 35 over the entire length of the discharge tube 1. The coil 43 generates a magnetic field strength of approximately 1600 Gauss in the channel 4 in order to protect the walls of the channel 4 as much as possible from the spiral erosion of the plasma discharge. The cooling water thus not only cools the anode tube 11, the discharge tube 1 and the cathode 2, but also the coil 43, which is charged with approximately 1000 W.
Zur Montage des Lasers wird das Kühlrohr 35 sowie der Dichtungs- und Isolationsring 37 über das Entladungs¬ rohr 1 geschoben, Entladungsrohr 1, Anodenrohr 11 und Flansch 7 zusammengesteckt und erwärmt, wobei das Material der an den Fasen 25a und 25b sowie im Spalt 30 liegenden Hartlotringe 27a, 27b und 29 aufgrund von Kapillarwirkung in die Spalte zwischen Anodenrohr 11 und Entladungsrohr l bzw. Flansch 7 läuft. Das Anodenrohr 11, das Entladungs¬ rohr 1 und der Flansch 7 sind nun mechanisch fest und va¬ kuumdicht miteinander verbunden; ebenso ist die Kupferbe- schichtung 10a als Anodenelektrode mit dem Flansch 7, der als elektrisch Anodenanschluß wirkt, verbunden.To assemble the laser, the cooling tube 35 and the sealing and insulation ring 37 are pushed over the discharge tube 1, the discharge tube 1, anode tube 11 and flange 7 are plugged together and heated, the material lying on the bevels 25a and 25b and in the gap 30 Brazing rings 27a, 27b and 29 due to capillary action in the gaps between anode tube 11 and discharge tube l or flange 7 runs. The anode tube 11, the discharge tube 1 and the flange 7 are now connected to one another in a mechanically fixed and vacuum-tight manner; likewise the copper coating 10a is connected as an anode electrode to the flange 7, which acts as an electrical anode connection.
Das Anodenrohr 11 wird, wie bereits oben erwähnt, aus Aluminiumoxydpulver gepreßt und dann bei etwa 1800 °C gebrannt. Auf das wieder erkaltete Anodenrohr 11 wird mit- tels eines Siebdruckverfahrens an den Orten, an denen spä¬ ter die Kupfer- bzw. Nickelbeschichtung 10a, 10b und 12 aufgebracht werden soll, eine Molybdän-Manganschicht als Haftschicht aufgedruckt. Auf diese Molybdän-Manganschicht wird dann elektrolytisch Kupfer bzw. Nickel abgeschieden.The anode tube 11 is, as already mentioned above, pressed from aluminum oxide powder and then fired at about 1800 ° C. A molybdenum-manganese layer is printed as an adhesive layer on the re-cooled anode tube 11 by means of a screen printing method at the locations at which the copper or nickel coating 10a, 10b and 12 is to be applied later. Copper or nickel is then electrolytically deposited on this molybdenum-manganese layer.
Anstelle die Molybdän-Manganschicht mittels Sieb¬ druck aufzubringen, kann sie auch mit einem Pinsel oder mittels anderer gebräuchlicher Verfahren aufgebracht wer¬ den. Ebenfalls kann die Kupfer- bzw. Nickelbeschichtun- gen 10a , 10b und 12 mittels eines CVD-Verfahrens (chemical vapor deposition) oder eines Sputter-Verfahrens aufge¬ bracht werden.Instead of applying the molybdenum-manganese layer by means of screen printing, it can also be applied with a brush or by means of other customary methods. The copper or nickel coatings 10a, 10b and 12 can also be applied by means of a CVD process (chemical vapor deposition) or a sputtering process.
Die Nickelbeschichtungen 10b und 12 sollen nur eine gute gasdichte Lötverbindung zwischen Anodenrohr 11 und Flansch 7 gewährleisten. Eine gute elektrische Leitfähig¬ keit ist nicht notwendig, auch nicht zwischen der Nickel¬ schicht 10b und dem Flansch 7, da die Anodenstromleitung direkt von der Kupferschicht 10a zum Flansch 7 erfolgt. Als Ersatz für die Nickelbeschichtungen 10b und 12 sind somit alle Beschichtungen geeignet, die eine gute Lötver¬ bindung gewährleisten.The nickel coatings 10b and 12 are only intended to ensure a good gas-tight solder connection between anode tube 11 and flange 7. Good electrical conductivity is not necessary, not even between the nickel layer 10b and the flange 7, since the anode current conduction takes place directly from the copper layer 10a to the flange 7. All coatings which ensure a good solder connection are therefore suitable as replacements for the nickel coatings 10b and 12.
Die Molybdän-Mangan-Haftschicht soll nur eine gute Haftung der Kupfer- bzw. Nickelbeschichtung 10a, 10b und 12 auf der Keramikoberfläche ermöglichen. Eine elektrische Leitfähigkeit der Haftschicht ist nicht erforderlich. Es lassen sich somit als Haftschicht auch andere bis etwa 200 °C stabile und nicht ausgasende Haftschichtmaterialien verwenden.The molybdenum-manganese adhesive layer is only intended to ensure good adhesion of the copper or nickel coating 10a, 10b and Allow 12 on the ceramic surface. An electrical conductivity of the adhesive layer is not necessary. It is therefore also possible to use other adhesive layer materials which are stable up to approximately 200.degree.
Anstelle von Aluminiumoxyd lassen sich auch andere, elektrisch isolierende, gut wärmeleitende Keramikmateria¬ lien verwenden, die eine ausreichend geringe Leckrate, wie oben erwähnt, haben, verwenden. Bevorzugt läßt sich auch Berylliumoxyd verwenden.Instead of aluminum oxide, it is also possible to use other, electrically insulating, highly heat-conducting ceramic materials which have a sufficiently low leakage rate, as mentioned above. Beryllium oxide can also preferably be used.
Die Anordnung des Anodenrohres 11 läßt sich nicht nur beim Argonlaser, sondern auch bei anderen Ionen- und Gaslaser verwenden.The arrangement of the anode tube 11 can be used not only with the argon laser, but also with other ion and gas lasers.
Die Leckrate läßt sich nicht nur durch den Brennvor¬ gang und die Korngröße des Keramikpulvers beeinflussen, sondern auch noch durch die aufgebrachten Beschichtungen. Zur Erniedrigung der Leckrate kann das Anodenrohr 11 zu- sätzlich mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung oder einer Glasur direkt auf dem Keramikkörper versehen werden. Auf diese Beschichtung wird dann die Haftschicht aufgebracht.The leak rate can be influenced not only by the firing process and the grain size of the ceramic powder, but also by the coatings applied. To lower the leak rate, the anode tube 11 can additionally be provided with an electrically insulating coating or a glaze directly on the ceramic body. The adhesive layer is then applied to this coating.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Argonlasers liegt namentlich in seinem einfach herzustellenden und einfach sowohl mit dem Entladungsrohr 1 als auch mit dem als Ano- denstromzuleitung dienenden Flansch 7 zu verbindenden Ano- denrohr 11, wobei beim gasdichten Verbinden auch gleich¬ zeitig die Anodenelektrode 10a mit dem Flansch 7 elek¬ trisch verbunden ist. Da die Anodenelektrodenflache 10a in das Anodenrohr 11 integriert ist, ergibt sich eine robuste und betriebssichere Bauweise, da ein Verrutschen der Anode wie z. B. bei anderen Argonlasern, welche eine in ein Ano- denrohr eingelegte Drahtwendel verwenden, nicht mehr mög¬ lich ist.The advantage of the argon laser according to the invention lies in particular in its easy-to-manufacture anode tube 11, which is easy to connect both to the discharge tube 1 and to the flange 7 serving as the anode current feed line, the anode electrode 10a also simultaneously being connected to the flange in the case of gas-tight connection 7 is electrically connected. Since the anode electrode surface 10a is integrated in the anode tube 11, there is a robust and reliable construction, since slipping of the anode, such as. B. with other argon lasers, which one in an ano- use the inserted wire helix, is no longer possible.
Thermische Verspannungen zwischen Anodenrohr 11 und den anschließenden Bauteilen 1 und 7 treten nicht mehr auf, da das keramische Anodenrohr 11 ein ausgezeichneter Wärmeleiter ist, der die an der Anodenelektrode 10a ent¬ stehende Wärme zur Abstrahlung auf die gesamte Anodenrohr- oberflache ableitet. Aufgrund der guten Wärmeableitung tritt eine thermische Verspannung der dünnen Kupferbe- schichtung 10a der Anodenfläche, deren mechanische Kräfte zudem auch gering sind, nicht ein.Thermal tension between the anode tube 11 and the subsequent components 1 and 7 no longer occur, since the ceramic anode tube 11 is an excellent heat conductor which dissipates the heat generated at the anode electrode 10a for radiation to the entire anode tube surface. Due to the good heat dissipation, the thin copper coating 10a of the anode surface, whose mechanical forces are also low, does not become thermally stressed.
Da die Anodenelektrode 10a direkt auf das keramische Anodenrohr 11 aufgebracht ist, wird beim erfindungsgemäßen Laser die Wärmeableitung von der Anodenelektrode 10a zum das Anodenrohr 11 umspülenden Kühlwasser gegenüber der Wärmeableitung der Anode bei den bekannten Lasern erheb¬ lich erhöht. Elektrische Potentialprobleme mit dem Kühl- wasser treten nicht auf. Since the anode electrode 10a is applied directly to the ceramic anode tube 11, in the laser according to the invention the heat dissipation from the anode electrode 10a to the cooling water flowing around the anode tube 11 is increased considerably compared to the heat dissipation of the anode in the known lasers. There are no electrical potential problems with the cooling water.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Ionenlaser, insbesondere Argonlaser, mit einem gas- dichten Entladungsrohr (1) , an dessen einem Ende eine1. Ion laser, in particular argon laser, with a gas-tight discharge tube (1), at one end of which one
Anode (3) und an dessen anderem Ende eine Kathode (2) angeordnet ist, um im Entladungsrohr (1) ein elek¬ trisch ionisiertes Gas zu erzeugen, dessen emittierte Strahlung an in der Achse des Entladungsrohres (1), außerhalb von Kathode (2) und Anode (3) angeordneten Resonatorspiegeln (8a, 8b) wenigstens teilweise re¬ flektierbar ist, gekennzeichnet durch einen rohrförmi- gen Anodenträger (11) aus elektrisch nichtleitendem Material, dessen Innenmantel wenigstens teilweise mit einer die Anodenelektrode bildenden, elektrisch leit¬ fähigen Beschichtung (10a) versehen ist.Anode (3) and at the other end a cathode (2) is arranged in order to generate an electrically ionized gas in the discharge tube (1), the emitted radiation of which on the axis of the discharge tube (1), outside of the cathode (2 ) and anode (3) arranged resonator mirrors (8a, 8b) is at least partially reflectable, characterized by a tubular anode support (11) made of electrically non-conductive material, the inner jacket of which is at least partially coated with an electrically conductive coating forming the anode electrode (10a) is provided.
2. Ionenlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Anodenträger (11) einstückig aus einem keramischen Material, bevorzugt im wesentlichen aus Aluminiumoyxd oder Berylliumoxyd, gebildet ist.2. Ion laser according to claim 1, characterized in that the tubular anode carrier (11) is formed in one piece from a ceramic material, preferably essentially from aluminum oxide or beryllium oxide.
3. Ionenlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der rohrförmige Anodenträger (11) so ausgebildet, daß die Leckrate zwischen dem Rohrinnen- und dem -außenraum kleiner als 1 mPa/cm3*s ist.3. Ion laser according to claim 1 or 2, characterized gekenn¬ characterized in that the tubular anode carrier (11) is formed so that the leakage rate between the tube interior and the exterior is less than 1 mPa / cm 3 * s.
4. Ionenlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn¬ zeichnet durch eine zweite und dritte Beschichtung (10b, 12) auf dem dem Entladungsrohr (1) ab- bzw. zu¬ gewandten Ende des Anodenträgers (11) , bevorzugt im wesentlichen aus Nickel, die durch eine Lötverbindung mit einer mit der ersten Beschichtung (10a) in Verbin¬ dung stehenden Anodenstromzuleitung (7) bzw. dem Ent- ladungsrohr (1) vakuumdicht verbunden sind. 4. Ion laser according to one of claims 1 to 3, gekenn¬ characterized by a second and third coating (10b, 12) on the discharge tube (1) facing or towards the end of the anode carrier (11), preferably substantially Nickel, which are connected in a vacuum-tight manner by a soldered connection to an anode current feed line (7) or the discharge tube (1) which is connected to the first coating (10a).
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0167347A2 (en) * 1984-07-03 1986-01-08 Christopher Edward Maloney Gas laser tube apparatus
US4764932A (en) * 1985-12-13 1988-08-16 Continental Laser Corporation Ion laser having direct liquid cooling of segmented discharge tube

Patent Citations (2)

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