WO2008131744A2 - Laserentladungsrohr fur einen gaslaser und herstellungsverfahren dafür - Google Patents

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Abstract

Bei einem Laserentladungsrohr (3) für einen HF-angeregten Gaslaser (1) mit mindestens zwei außerhalb des Laserentladungsrohrs (3) angeordneten Elektroden (15) sind die Elektroden (15) beabstandet zum Laserentladungsrohr (3) angeordnet und vollständig in mindestens ein isolierendes, dielektrisches Material eingebettet.

Description

Laserentladunqsrohr für einen Gaslaser und Herstellungsverfahren dafür
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserentladungsrohr für einen Hochfrequenz(HF)-angeregten Gaslaser mit mindestens zwei außerhalb des Laserentladungsrohrs angeordneten Elektroden sowie ein Herstellungsverfahren dafür.
Zur Anregung von CO2-Gaslasern hat sich die elektrische Gasentladung mit einem hochfrequenten Wechselfeld (HF-Anregung) gegenüber einer Gleichstromanregung (DC-Anregung) etabliert. Bei diffusionsgekühlten CO2-Gaslasern werden überwiegend metallische Elektroden eingesetzt, die in direktem Kontakt zum Lasergas stehen, während bei geströmten Cθ2-Gaslasern dielektrische Elektroden eingesetzt werden. Als „dielektrische Elektroden" bezeichnet man eine Anordnung, bei der zwischen den (metallischen) Elektroden und dem Lasergas ein Dielektrikum angeordnet ist. Die Elektroden haben keinen Kontakt mit dem Lasergas und befinden sich außerhalb des Laserentladungsrohrs. Die Energieeinkopplung erfolgt kapazitiv über das dielektrische Material des Laserentladungsrohrs.
Das Dielektrikum zwischen den Elektroden und dem Lasergas trägt wesentlich zur Stabilisierung der Entladung bei hohen Leistungsdichten bei, da der Spannungsabfall am Dielektrikum dem lokalen Anwachsen des Stroms in der Gasentladung entgegen wirkt. Das Dielektrikum hat die Funktion eines verteilten kapazitiven Ballastwiderstands, dessen Wirkung von der Dicke, der Anregungsfrequenz und der relativen Dielektrizitätskonstante bestimmt wird. Zur Stabilisierung der Entladung ist Luft als Dielektrikum mit einer relativen Dielektrizitätskonstante sehr nahe bei 1 am besten geeignet. Diese erhöhte Entladungsstabilität ist allerdings mit einer erhöhten Gesamtspannung an den Elektroden verbunden, wodurch die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der Entladungsanordnung steigen. Die Spannung wird umso größer, je größer die Dicke des Dielektrikums ist und je kleiner die Anregungsfrequenz und relative Dielektrizitätskonstante sind.
Zur HF-Anregung von Cθ2-Gaslasern werden Röhrengeneratoren mit Frequenzen von z.B. 13,56 MHz oder 27,12 MHz eingesetzt. Den physikalischen Vorzügen der HF-Anregung stehen die Kosten gegenüber: Röhrengeneratoren sind teuer und ihr Wirkungsgrad liegt bei nur 60-70 %. Kostengünstiger ist die HF-Anregung mit Schaltnetzteilen, die aus Halbleiterbauelementen aufgebaut sind und mit Anregungsfrequenzen von 1-4 MHz, z.B. 3,39 MHz, arbeiten. Durch die niedrigeren Anregungsfrequenzen bei Verwendung von Schaltnetzteilen erhöht sich allerdings das Risiko von Überschlägen und/oder Durchschlägen, da die Spannung an den Elektroden ansteigt. Als Überschlag wird das Auftreten einer elektrischen Entladung in einem gasförmigen, flüssigen oder festen nichtleitenden Medium durch das Auftreten einer zu hohen Feldstärke zwischen zwei elektrischen Leitern verstanden.
Wird an einen Isolator eine elektrische Spannung angelegt, die höher als die
Durchschlagsfestigkeit ist, kommt es zu einem elektrischen Durchschlag. Durch den Isolator fließt ein Strom, verbunden mit einer Ionisation des Isolators und Plasmabildung. Durch die damit einhergehende Ultraviolettstrahlung werden weitere Elektronen aus dem Isolator herausgeschlagen und stehen zur Stromleitung zur Verfügung. Durch die Ionisation wird der Isolator zum elektrischen Leiter und kann dauerhaft oder irreversibel zerstört werden. Durchschläge können feste, flüssige oder gasförmige Isolatoren betreffen.
Bei HF-angeregten Gaslasern können Überschläge von Elektrode zu Elektrode entlang des Laserentladungsrohrs oder Überschläge von den Elektroden zum Gehäuse, wie z.B. den Eckgehäusen oder Absauggehäusen eines quadratisch gefalteten Laserresonators, auftreten.
Da die eingekoppelte Leistung und die Geometrie des Laserresonators bei Verwendung von Schaltnetzteilen anstatt Röhrengeneratoren unverändert bleiben sollen, müssen Maßnahmen getroffen werden, um das Risiko von Überschlägen und/oder Durchschlägen zu verringern. Eine bekannte Maßnahme, um Überschläge oder Durchschläge zu verhindern bzw. das Risiko von Überschlägen und Durchschlägen zu verringern, ist das Ummanteln der Elektroden mit einem durchschlagsfesten Material. Derartige Elektrodenanordnungen für einen Gaslaser sind beispielsweise durch US 5,172,389, JP 01-066983 oder EP-A-O 550759 bekannt geworden.
Aus US 5,172,389 ist ein HF-angeregter Gaslaser mit einem Entladungsrohr aus dielektrischem Material, wie z.B. Quarz, und mit dielektrischen Elektroden bekannt, die außen auf dem Entladungsrohr angeordnet sind. Die Elektroden werden durch Drucken oder Spritzen direkt auf dem Entladungsrohr angebracht und stehen in direktem Kontakt zum Entladungsrohr. Die Anordnung aus Entladungsrohr und Elektroden ist von außen mit einem isolierenden, dielektrischen Material, z.B. Quarz (SiOa) oder Aluminiumoxid (AI2O3), überzogen.
Auch die japanische Patentanmeldung JP 01-066983 beschreibt einen Gaslaser mit dielektrischen Elektroden, die helix- oder spiralförmig außen auf dem Entladungsrohr in direktem Kontakt zum Entladungsrohr angeordnet sind. Die Anordnung aus Entladungsrohr und Elektroden ist mit einer Schicht eines isolierenden, dielektrischen Materials, beispielsweise Quarz (SiO2) oder Aluminiumoxid (AI2O3), überzogen. Die äußere dielektrische Schicht ist außerdem mit einem anorganischen Material imprägniert.
Schließlich ist auch aus der EP-A-O 550 759 ein HF-angeregter Gaslaser mit einem Entladungsrohr aus dielektrischem Material, wie z.B. Aluminiumoxid oder Aluminiumtitanat, und mit dielektrischen Elektroden bekannt, die außen auf dem Entladungsrohr angeordnet sind. Die Elektroden werden durch Ablagern von Metall direkt auf dem Entladungsrohr angebracht und stehen in direktem Kontakt zum Entladungsrohr. Die Elektroden sind von außen mit einem isolierenden, dielektrischen Material, z.B. mit einem keramischen Material, überzogen.
Das Risiko von Durchschlägen und Überschlägen kann anhand der
Durchschlagsfestigkeit E0 bewertet werden. Die Durchschlagsfestigkeit E0 eines Isolators ist die elektrische Feldstärke, die in einem Material höchstens auftreten darf, ohne dass es zu einem Durchschlag kommt. Durchschläge werden vermieden, solange die elektrische Feldstärke E kleiner als die Durchschlagsfestigkeit E0 ist. Festkörper haben eine höhere Durchschlagsfestigkeit als Gase, da die Dichte des Materials größer ist und die Stoßionisation erst bei viel höheren Feldstärken einsetzt; die Elektronen können in einem Festkörper nicht lange genug beschleunigen, um die entsprechende Energie zu erreichen, bevor sie auf ein Atom treffen. Je höher die Durchschlagsfestigkeit E0 eines Isolators ist, umso geringer ist das Risiko von Durchschlägen und/oder Überschlägen. Luft hat eine Durchschlagsfestigkeit von 2-3 kV/mm, Quarzglas (SiO2) von 15-20 kV/mm und Aluminiumoxid (AI2O3) von 10-17 kV/mm (abhängig vom AI2O3-Gehalt). Die angegeben Werte stellen nur Richtwerte dar, da die Durchschlagsfestigkeit von weiteren Parametern, wie der genauen Zusammensetzung und Reinheit der Werkstoffe und der Einwirkungszeit der Spannung abhängt. Außerdem ist die Durchschlagsfestigkeit bei vielen Werkstoffen nicht proportional zur Dicke.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einem Laserentladungsrohr der eingangs genannten Art das Risiko von Überschlägen und/oder Durchschlägen noch weiter zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Elektroden beabstandet zum Laserentladungsrohr angeordnet und vollständig (bis auf ihre elektrischen Anschlüsse) in mindestens ein isolierendes, dielektrisches Material eingebettet sind.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Elektroden nicht direkt auf dem Laserentladungsrohr angebracht sind, sondern vollständig in ein weiteres Dielektrikum eingebettet sind, wodurch das Risiko von Überschlägen und/oder Durchschlägen reduziert ist.
Bevorzugt werden als isolierende, dielektrische Materialien keramische Werkstoffe, wie z.B. Aluminiumoxid (AI2O3) und Aluminiumnitrid (AIN), oder hochschmelzende Kunststoffe, wie z.B. PTFE (Polytetrafluorethylen), Polyetheretherketon (PEEK), PFA
(Perfluoralkoxy-Copolymer) und E-CTFE (Ethylen-Chlortrifluorethylen), verwendet.
Für die Durchschlagsfestigkeit einiger keramischer Werkstoffe gilt nach Angaben des
Verbands der keramischen Industrie:
Aluminiumoxid (80-86 % AI2O3) 10 kV/mm Aluminiumoxid (86-95 % AI2O3) 15 kV/mm
Aluminiumoxid (95-99 % AI2O3) 15 kV/mm
Aluminiumoxid (> 99 % AI2O3) 17 kV/mm
Aluminiumnitrid > 20 kV/mm
PTFE (Polytetrafluorethylen) ist bspw. unter den Handelsnamen Teflon (DuPont), Hostafion (Hoechst, Dyneon) und Algoflon (Solvay Solexis) bekannt, PEEK (Polyetheretherketon) unter den Handelsnamen Tecapeek (Ensinger) und VICTREX PEEK (Victrex), PFA (Perfluoralkoxy-Copolymer) unter den Handelsnamen Hyflon (Solvay Solexis), Tecaflon PFA (Ensinger), Teflon-PFA (DuPont) und Hostaflon-PFA (Hoechst) und E-CTFE (Ethylen-Chlortrifluorethylen) unter den Handelsnamen Halar (Solvay Solexis) und Tecaflon ECTFE (Ensinger). Für die Durchschlagsfestigkeit einiger Kunststoffe gilt nach Angaben der Hersteller: PEEK 19 KV/mm Teflon (Du Pont) 36 kV/mm
Hyflon (Solvay Solexis) 35-40 kV/mm
Halar (Solvay Solexis) 30-35 kV/mm
Tecaflon ECTFE (Ensinger) 40 kV/mm
Vorzugsweise ist der keramische Werkstoff in dem Bereich, der die Elektroden innenseitig umgibt, gebrannt, da die Durchschlagsfestigkeit einer gebrannten Keramik bis zu 10 mal höher als die einer gespritzten Keramik ist. Außerdem können bei gespritzten Keramiken Lufteinschlüsse in der Keramik auftreten. Diese Lufteinschlüsse werden leitend und die elektrische Feldstärke erhöht sich entsprechend.
Bei einer ersten besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist auf dem Laserentladungsrohr ein Außenrohr aus mindestens einem isolierenden, dielektrischen Material angeordnet, in das die Elektroden vollständig eingebettet sind. Vorzugsweise wird das Außenrohr auf das Laserentladungsrohr aufgeschoben. Die getrennte Ausführung von Laserentladungsrohr und Außenrohr hat den Vorteil, dass die Laserentladungsrohre separat ausgetauscht werden können. Durch die Wechselwirkung der HF-Energie mit dem Material der Laserentladungsrohre, vor allem Quarzglas, können Defekte im Quarzglas entstehen, die die Laserstrahlqualität beeinträchtigen. Wenn die Elektroden direkt auf dem Laserentladungsrohr angebracht sind, können die Laserentladungsrohre nicht separat ausgetauscht werden, sondern nur gemeinsam mit den Elektroden, was zu höheren Ersatzteilkosten bei einem Laser führt. Bevorzugt ist das Außenrohr aus einem inneren Trägerrohr und einem äußeren Dielektrikum aufgebaut, wobei das Trägerrohr und das äußere Dielektrikum vorzugsweise aus dem gleichen isolierenden, dielektrischen Material oder aus verschiedenen isolierenden, dielektrischen Materialien bestehen.
Bei einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind auf dem Laserentladungsrohr ein oder mehrere Außenstreifen aus mindestens einem isolierenden, dielektrischen Material angebracht, in die die Elektroden jeweils vollständig eingebettet sind.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen des wie oben ausgebildeten Außenrohrs mit folgenden Verfahrensschritten:
- Aufbringen, insbesondere Aufspritzen, der Elektroden als leitfähige, insbesondere metallische, Schichten auf ein Trägerrohr aus isolierendem, dielektrischem Material, insbesondere aus keramischem Werkstoff; und - Aufbringen, insbesondere Aufspritzen, eines äußeren Dielektrikums aus isolierendem, dielektrischem Material, insbesondere keramischem Werkstoff, auf die Elektroden und vorzugsweise auch auf das Trägerrohr, so dass die Elektroden (bis auf ihre elektrischen Anschlüsse) vollständig von isolierendem, dielektrischem Material umgeben sind.
Vorzugsweise wird das gesamte Außenrohr, also auch das Trägerrohr, schichtweise durch Aufspritzen (Plasma- oder Flammspritzen) von isolierendem, dielektrischem Material, insbesondere keramischem Werkstoff, hergestellt. Beispielsweise kann auf einen wassergekühlten, drehenden Dorn mittels eines Plasmabrenners ein keramischer Werkstoff aufgespritzt werden, bis ein Trägerrohr mit ca. 2 mm
Wandstärke entsteht. Durch Verwendung eines konischen Doms kann auch sehr einfach ein konisches Rohr hergestellt werden. In einer anderen vorteilhaften Variante wird ein Trägerrohr aus einem gebrannten keramischen Werkstoff, z.B. AI2O3 (Aluminiumoxid) verwendet.
Bevorzugt werden die Elektroden auf das Trägerrohr aufgebracht, indem das Trägerrohr mit einer Aussparungen aufweisenden Matrize abgedeckt wird, dann jeweils eine z.B. 0,2 - 0,5 mm dicke Metallschicht (z.B. Kupfer, Aluminium oder Molybdän) durch die Aussparungen hindurch auf das Trägerrohr aufgebracht wird und danach die Matrize wieder entfernt wird.
Nach Aufbringen des äußeren Dielektrikums aus einem isolierenden, dielektrischen Material auf die Elektroden kann zum Schutz gegen Feuchtigkeit das isolierende, dielektrische Material organisch oder anorganisch imprägniert werden. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen des wie oben ausgebildeten Außenstreifens mit folgenden Verfahrensschritten:
- Eintauchen einer streifenförmigen Elektrode in flüssiges isolierendes, dielektrisches Material; und
- Trocknenlassen des isolierenden, dielektrischen Materials auf der Elektrode.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen des wie oben ausgebildeten Außenstreifens mit folgenden Verfahrensschritten: - Beschichten einer streifenförmigen Elektrode im Nassverfahren oder durch
Pulverbeschichtung mit einem isolierenden, dielektrischen Material, insbesondere Kunststoff, und
- Einbrennen oder Sintern des isolierenden, dielektrischen Materials unter Temperaturen von etwa 200 bis 500°C.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Cθ2-Gaslaser mit einem gefalteten Laserresonator;
Fig. 2a ein Laserentladungsrohr mit geradlinigen Elektroden;
Fig. 2b ein Laserentladungsrohr mit gewendelten Elektroden;
Fig. 3a-3c die einzelnen Verfahrensschritte zum Herstellen einer ersten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laserentladungsrohrs mit zwei in ein dielektrisches Rohr eingebetteten Elektroden;
Fig. 4 eine Querschnittansicht des dielektrischen Rohrs der ersten
Ausführungsform; und Fig. 5 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Laserentladungsrohrs mit zwei jeweils in einen keramischen g
Außenstreifen eingebetteten Elektroden in einer Querschnittansicht, wobei die Außenstreifen in einem Abstand zum Laserentladungsrohr angeordnet sind (Fig. 5a) oder direkt auf dem Laserentladungsrohr angebracht sind (Fig. 5b).
Der in Fig. 1 gezeigte Cθ2-Gaslaser 1 weist einen quadratisch gefalteten Laserresonator 2 mit vier sich aneinander anschließenden Laserentladungsrohren 3 auf, die über Eckgehäuse 4, 5 miteinander verbunden sind. Ein in Richtung der Achsen der Laserentladungsrohre 3 verlaufender Laserstrahl 6 ist strichpunktiert dargestellt. Umlenkspiegel 7 in den Eckgehäusen 4 dienen der Umlenkung des Laserstrahls 6 um jeweils 90°. Im Eckgehäuse 5 sind ein Rückspiegel 8 und ein teiltransmissiver Auskoppelspiegel 9 angeordnet. Der Rückspiegel 8 ist hoch reflektierend ausgebildet und reflektiert den Laserstrahl 6 um 180°, so dass die Laserentladungsrohre 3 in entgegen gesetzter Richtung erneut durchlaufen werden. Ein Teil des Laserstrahles 6 wird an dem teiltransmissiven Auskoppelspiegel 9 aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelt, der andere Teil verbleibt im Laserresonator 2 und durchläuft die Laserentladungsrohre 3 erneut. Der über den Auskoppelspiegel 9 aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelte Laserstrahl ist mit 10 bezeichnet. Im Zentrum des gefalteten Laserresonators 2 ist als Druckquelle für Lasergas ein Radialgebläse 11 angeordnet, das über Zufuhrleitungen 12 für Lasergas mit den Eckgehäusen 4, 5 in Verbindung steht. Absaugleitungen 13 verlaufen zwischen Absauggehäusen 14 und dem Radialgebläse 11. Die Strömungsrichtung des Lasergases im Innern der Laserentladungsrohre 3 sowie in den Zufuhr- und Absaugleitungen 12, 13 ist durch Pfeile veranschaulicht. Die Anregung des Lasergases erfolgt über Elektroden 15, die benachbart zu den Laserentladungsrohren 3 angeordnet und mit einem HF-Generator 16 verbunden sind. Als HF-Generator 16 wird ein Röhrengenerator mit einer Anregungsfrequenz von 13,56 MHz oder 27,12 MHz verwendet.
Alternativ können Schaltnetzteile aus Halbleiterbauelementen mit einer Anregungsfrequenz zwischen 1 und 4 MHz verwendet werden. Durch die niedrigeren Anregungsfrequenzen bei Verwendung von Schaltnetzteilen erhöht sich allerdings das Risiko von Überschlägen und/oder Durchschlägen, da die Spannung ansteigt. Da sich die Elektroden 15 und benachbarten Flansche der Zufuhrleitungen 12 in den Eckgehäusen 4, 5 bzw. Absaugleitungen 13 in den Absauggehäusen 14 auf einem unterschiedlichen elektrischen Potential befinden, ist ein ausreichender Abstand zwischen den Enden der Elektroden 15 und den Flanschen der Zufuhr- und Absaugleitungen 12, 13 erforderlich.
In Fig. 1 sind die Elektroden 15 wie in Fig. 2a gezeigt geradlinig entlang der Laserentladungsrohre 3, also parallel zur jeweiligen Rohrachse, angeordnet. Für Gaslaser großer Leistung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Elektroden 15 gewendelt um die Laserentladungsrohre 3 anzuordnen (Fig. 2b).
Die Herstellung der Elektrodenanordnung wird nun mit Bezug auf Fig. 3 am Beispiel von gewendelten Elektroden 15 beschrieben:
In einem ersten Verfahrensschritt wird ein inneres Trägerrohr 21 aus einem isolierenden, dielektrischen Material hergestellt. Dazu wird auf einen wassergekühlten, drehenden Dorn (nicht gezeigt) mittels eines Plasmabrenners ein keramischer Werkstoff, vor allem Aluminiumoxid (AI2O3), aufgespritzt, bis ein Trägerrohr 21 mit ca. 2 mm Wandstärke entsteht. Als keramischer Werkstoff wird Aluminiumoxid (AI2O3) mit einer hohen Reinheit eingesetzt, da die Durchschlagsfestigkeit des Trägerrohrs 21 unter anderem von der Reinheit des
Aluminiumoxids abhängt. Für Aluminiumoxide mit einer Reinheit > 99 %, d.h. einem AI2O3-Gehalt > 99 % (Typ C799), liegt die Durchschlagsfestigkeit nach Angaben des Verbandes der Technischen Keramik bei 17 kV/mm. Für Aluminiumoxide mit einem AI2O3-Gehalt von 80-86 % (Typ C780) liegt die Durchschlagsfestigkeit bei 10 kV/mm und für Aluminiumoxide mit einem AI2O3-Gehalt von 86-95 % (Typ C786) und einem AI2O3-Gehalt von 95-99 % (Typ C795) liegt die Durchschlagsfestigkeit bei jeweils 15 kV/mm. Dabei ist zu beachten, dass die Durchschlagsfestigkeit von weiteren Parametern, wie der Einwirkzeit der Spannung, abhängt. Außerdem ist die Durchschlagsfestigkeit bei vielen Werkstoffen nicht proportional zur Dicke
Um die Durchschlagsfestigkeit des Trägerrohrs 21 weiter zu erhöhen, kann das Trägerrohr 21 durch Extrudieren erzeugt werden. Extrudierverfahren werden angewendet, wenn rotationssymmetrische Bauteile hergestellt werden, deren Längen- zu Querschnittsverhältnisse sehr groß sind, wie bspw. bei Rohren. Beim Extrudieren werden dem Pulver neben Wasser noch diverse organische Binder und Gleitmittel zugemischt, so dass eine plastisch verformbare Masse entsteht. Dieses extrudierte Rohr wird anschließend unter hohen Temperaturen gesintert. Dabei entweicht das Bindemittel und eine dichte Keramik ohne Poren entsteht. Damit ist die Durchschlagsfestigkeit gegenüber einer gespritzten, porösen Keramik wesentlich höher.
In einem zweiten Verfahrensschritt werden Elektroden erzeugt. Dazu wird das Trägerrohr 21 mit einer geteilten Matrize 22 abgedeckt, die zwei 180° gegenüberliegende wendeiförmige Aussparungen 23 aufweist (Fig. 3a). Dann wird über den Plasmabrenner Metall (vorzugsweise Kupfer) aufgespritzt, so dass nach Entfernen der Matrize 22 zwei ca. 0,2 - 0,5 mm dicke gewendelte Metallstreifen als Elektroden 15 auf dem Trägerrohr 21 verbleiben (Fig. 3b). Diese Metallstreifen werden mittig mit je einem Anschlusskontakt 25 verlötet, der zur späteren Kontaktierung der Elektroden 15 dient. Die Elektroden 15 können auch durch Aufpinseln auf dem Trägerrohr 21 aufgebracht werden. Für den Fall, dass geradlinige Elektroden verwendet werden, weist die Matrize 22 statt wendeiförmiger Aussparungen 23 zwei 180° gegenüberliegende geradlinige Aussparungen auf.
In einem dritten Verfahrensschritt wird eine weitere ca. 2 mm dicke Schicht aus einem isolierenden, dielektrischen Material als äußeres Dielektrikum 26 auf das Trägerrohr 21 gespritzt, so dass die Elektroden 15 vollständig in einem dielektrischen Außenrohr 27 eingeschlossen bzw. eingebettet sind (Fig. 3c). Mit anderen Worten sind die Elektroden 15 von allen Seiten von isolierenden, dielektrischen Materialien umgeben. Als Materialien für das äußere Dielektrikum 26 können keramische
Werkstoffe oder Kunststoffe, wie bspw. PTFE, PFA und E-CTFE verwendet werden. Das dielektrische Außenrohr 27 mit den darin eingebetteten Elektroden 15 wird auf das Laserentladungsrohr 3 geschoben und mittels Halteringen 28 (z.B. aus Teflon) fixiert. Um die Entladung im Laserentladungsrohr 3 besser beobachten zu können, werden Sichtfenster 29 in das Außenrohr 27 geschnitten. Zum Schutz gegen Feuchtigkeit wird abschließend das Außenrohr 27 anorganisch imprägniert.
Die in Fig. 4 gezeigte Elektrodenanordnung zeigt das dielektrische Außenrohr 27 mit den darin eingebetteten Elektroden 15. Die Elektroden 15 sind auf dem inneren Trägerrohr 21 angeordnet. An der Außenseite sind die Elektroden 15 und das Trägerrohr 21 von dem äußeren Dielektrikum 26 umgeben. Das Außenrohr 27 mit den eingebetteten Elektroden 15 kann auf das Laserentladungsrohr 3 aufgeschoben oder in einem Abstand zum Laserentladungsrohr 3 angeordnet sein, so dass ein Luftspalt zwischen dem Laserentladungsrohr 3 und dem Außenrohr 27 entsteht.
Das in Fig. 5a gezeigte Laserentladungsrohr 3 weist außen zwei einander gegenüberliegende geradlinige Elektroden 15 auf, die beabstandet zum Laserentladungsrohr 3 angeordnet und vollständig in einen Außenstreifen 30 aus einem isolierenden, dielektrischen Material eingebettet sind. Der Außenstreifen 30 mit den darin eingebetteten Elektroden 15 ist in einem Abstand zum Laserentladungsrohr 3 angeordnet, so dass zwischen dem Laserentladungsrohr 3 und dem Außenstreifen 30 ein Luftspalt 31 entsteht. Der Luftspalt 31 stellt ein weiteres Dielektrikum dar und stabilisiert die Entladung in den Laserentladungsrohren 3. Alternativ kann der Außenstreifen 30 direkt auf dem Laserentladungsrohr 3 angebracht sein, wie in Fig. 5b gezeigt ist.
Die Herstellung der Außenstreifen 30 mit den darin eingebetteten Elektroden 15 erfolgt bspw. durch Beschichtung von streifenförmigen Elektroden im Nassverfahren bzw. durch Bepulvern mit isolierendem, dielektrischem Material, wie Teflon, Halar, etc., und anschließendes Einbrennen, Sintern oder Lufttrocknen des isolierenden, dielektrischen Materials auf den Elektroden 15. Außenstreifen 30 mit Schichtdicken größer als 20 μm können auch durch thermisches Spritzen auf die streifenförmigen Elektroden 15 aufgetragen werden. Hier hat sich vor allem das Plasmaspritzen bewährt. Beim Plasmaspritzen werden in einer ca. 10.000 °C heißen Plasmaflamme oxidkeramische Pulver, wie z.B. Aluminiumoxid, oder Pulvergemische, wie z.B. Aluminiumoxid/Titandioxid, aufgetragen.
Die Elektroden 15 sind bevorzugt als metallische Streifen ausgebildet, die in das Außenrohr 27 oder den Außenstreifen 30 eingebettet sind. Es ist auch möglich, die Elektroden 15 als leitfähige Schicht, z.B. aus Graphit, auszubilden. Die leitfähige Schicht kann auf das innere Trägerrohr 21 aufgespritzt oder aufgepinselt werden. Elektroden aus Graphit können beispielsweise durch Laserschneiden oder Fräsen aus einem Graphitrohr hergestellt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Laserentladungsrohr (3) für einen HF-angeregten Gaslaser (1 ), mit mindestens zwei außerhalb des Laserentladungsrohrs (3) angeordneten Elektroden (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (15) beabstandet zum Laserentladungsrohr (3) angeordnet und vollständig in mindestens ein isolierendes, dielektrisches Material eingebettet sind.
2. Laserentladungsrohr nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine isolierende, dielektrische Material ein keramischer Werkstoff oder ein Kunststoff ist.
3. Laserentladungsrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff in dem Bereich, der die Elektroden (15) innenseitig umgibt, gebrannt ist.
4. Laserentladungsrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Laserentladungsrohr (3) ein Außenrohr (27) aus mindestens einem isolierenden, dielektrischen Material angeordnet ist und dass die Elektroden (15) in das Außenrohr (27) vollständig eingebettet sind.
5. Laserentladungsrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (27) auf das Laserentladungsrohr (3) aufgeschoben oder in einem Abstand zum Laserentladungsrohr (3) angeordnet ist.
6. Laserentladungsrohr nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (27) aus einem inneren Trägerrohr (21) und einem äußeren Dielektrikum (26) aufgebaut ist, insbesondere aus einem gespritzten keramischen Werkstoff.
7. Laserentladungsrohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Trägerrohr (21 ) und das äußere Dielektrikum (26) aus dem gleichen isolierenden, dielektrischen Material bestehen, insbesondere aus Kunststoff oder aus einem gebrannten und einem gespritzten keramischen Werkstoff.
8. Laserentladungsrohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Trägerrohr (21 ) und das äußere Dielektrikum (26) aus verschiedenen isolierenden, dielektrischen Materialien bestehen, insbesondere aus einem
. keramischen Trägerrohr (21 ) und einem Kunststoff als äußerem Dielektrikum.
9. Laserentladungsrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Laserentladungsrohr (3) ein oder mehrere Außenstreifen (30) aus mindestens einem isolierenden, dielektrischen Material angebracht sind und dass die Elektroden (15) jeweils in die Außenstreifen (30) vollständig eingebettet sind.
10. Laserentladungsrohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Außenstreifen (30) in Kontakt zum
Laserentladungsrohr (3) oder in einem Abstand zum Laserentladungsrohr (3) angeordnet sind.
1 1 . Laserentladungsrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (15) gewendelt um das
Laserentladungsrohr (3) angeordnet sind.
12. HF-angeregter Gaslaser (1) mit mindestens einem Laserentladungsrohr (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Laserentladungsrohr (3) und dem Außenrohr (27) ein insbesondere kreisrunder Ringspalt vorgesehen ist, der im Betrieb des Gasiasers (1 ) mit Luft gefüllt ist.
13. Verfahren zum Herstellen des Außenrohrs (27) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Aufbringen, insbesondere Aufspritzen, der Elektroden (15) als leitfähige, insbesondere metallische, Schichten auf ein Trägerrohr (21 ) aus isolierendem, dielektrischem Material, insbesondere aus keramischem Werkstoff; und
- Aufbringen, insbesondere Aufspritzen, eines äußeren Dielektrikums (26) aus isolierendem, dielektrischem Material, insbesondere keramischem Werkstoff, auf die Elektroden (15) und vorzugsweise auch auf das Trägerrohr (21 ).
14. Herstellungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das
Trägerrohr (21 ) durch Aufspritzen von isolierendem, dielektrischem Material, insbesondere keramischem Werkstoff, hergestellt wird.
15. Herstellungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägerrohr (21 ) ein gebranntes Keramikrohr verwendet wird.
16. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen der Elektroden (15) das Trägerrohr (21 ) mit einer Aussparungen (23) aufweisenden Matrize (22) abgedeckt wird, dann ein leitfähiges Material, vorzugsweise Metall, vorzugsweise Kupfer, durch die
Aussparungen (23) hindurch auf das Trägerrohr (21 ) aufgebracht wird und danach die Matrize (22) entfernt wird.
17. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen des äußeren Dielektrikums (26) aus isolierendem, dielektrischem Material auf die Elektroden (15) das äußere Dielektrikum (26) zum Schutz gegen Feuchtigkeit imprägniert wird.
18. Verfahren zum Herstellen des Außenstreifens (30) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Eintauchen einer streifenförmigen Elektrode (15) in flüssiges isolierendes, dielektrisches Material; und
- Trocknenlassen des isolierenden, dielektrischen Materials auf der Elektrode (15).
19. Verfahren zum Herstellen des Außenstreifens (30) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Beschichten einer streifenförmigen Elektrode (15) im Nassverfahren oder durch Pulverbeschichtung mit einem isolierenden, dielektrischen Material, vorzugsweise Kunststoff, und
- Einbrennen oder Sintern des isolierenden, dielektrischen Materials.
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