WO2022128056A1 - Laserverstärker, laser und verfahren mit quer zum e-feld verlaufendem b-feld - Google Patents

Laserverstärker, laser und verfahren mit quer zum e-feld verlaufendem b-feld Download PDF

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WO2022128056A1
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laser amplifier
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PCT/EP2020/085971
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Morris DAHLINGER
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Trumpf Lasersystems For Semiconductor Manufacturing Gmbh
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    • H01S3/223—Gases the active gas being polyatomic, i.e. containing two or more atoms
    • H01S3/2232—Carbon dioxide (CO2) or monoxide [CO]

Definitions

  • the invention relates to a laser amplifier with a laser discharge tube according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention also relates to a gas laser with such a laser amplifier and a method for operating a laser amplifier.
  • DE 38 16 413 A1 discloses a gas laser with a laser amplifier, with electrodes being provided in order to generate a radial or axial electric field.
  • the aim of the well-known laser amplifier is to set the laser gas in additional motion, which is thereby cooled more effectively on the walls.
  • JP 000 H 0 416 7481 A discloses a generic gas laser with a generic laser amplifier.
  • a laser discharge tube of the laser amplifier is penetrated by field lines of a magnetic field.
  • Field lines of an electric field run parallel to the field lines of the magnetic field.
  • the object of the invention is to provide a laser amplifier which—with a structurally simple design—enables a significantly higher laser power, a change in the amplifier characteristic and/or an increase in energy efficiency. It is also an object of the invention to provide a gas laser with such a laser amplifier and a method for operating a laser amplifier.
  • a laser amplifier with the following features: a) an axially extending laser discharge tube; b) two electrodes, which extend in particular parallel to the longitudinal axis of the laser discharge tube, the laser discharge tube being arranged, in particular centrally, between the electrodes, so that electric field lines that can be generated by the electrodes penetrate the laser discharge tube perpendicularly to the axial extent of the laser discharge tube; c) a first magnet which is arranged or formed at least in the vicinity of one of the electrodes, the first magnet extending in particular offset parallel to the jacket of the laser discharge tube and preferably extending essentially in the circumferential direction, with magnetic field lines generated by the first magnet Penetrate the laser discharge tube and cut the electric field lines.
  • the Lorentz force on a charged particle forces the particle to follow a circular path. Stands the magnetic field Transverse to an electric field in which a charged particle is located, a superimposed movement is generated from the acting Lorentz force and the force of the electric field. This increases the effectively covered path of the particle. This increases the probability of collisions with other particles in the laser medium and consequently increases ionization.
  • the electrodes are preferably designed to be axially symmetrical to one another with respect to the longitudinal axis of the laser discharge tube.
  • the electrodes can be coiled.
  • the electrodes can increase the distance from the laser discharge tube as they extend.
  • the two electrodes are particularly preferably of the same design.
  • the structure of the laser amplifier can be structurally simplified.
  • the first magnet is preferably in the form of a permanent magnet.
  • the required magnetic field strengths can be achieved in a structurally simple manner.
  • More than 50%, in particular more than 70%, preferably more than 90%, of the first magnet can extend parallel to one of the electrodes, particularly preferably parallel to both electrodes.
  • the first magnet can be in the form of a horseshoe magnet in which the laser discharge tube is accommodated.
  • the first magnet is arranged or formed radially and/or in the circumferential direction outside one of the electrodes, in particular both electrodes.
  • the first magnet is not located in the electric field that can be generated by the electrodes, so that the first magnet can be used without problems over a long period of time.
  • the laser amplifier can have HF shielding, in particular in the form of HF sheet metal, in order to shield the electric field.
  • the first magnet can have cooling.
  • the first magnet can be arranged or formed with one of the electrodes in a common pole shoe.
  • the laser amplifier has a second magnet.
  • the second magnet is arranged in the area of the electrode, which is located opposite the electrode in the area of the first magnet.
  • the second magnet preferably extends offset parallel to the jacket of the laser discharge tube and extends in particular essentially in the circumferential direction of the laser discharge tube, magnetic field lines generated by the second magnet penetrating the laser discharge tube and intersecting the electric field lines.
  • the second magnet is preferably of the same strength as the first magnet, in particular of the same construction as the first magnet.
  • the second magnet can be in the form of a permanent magnet.
  • the second magnet can be aligned with the electrodes, so that the magnetic field lines at least partially, in particular completely, perpendicularly intersect the electric field lines.
  • the second magnet can extend more than 50%, in particular more than 70%, preferably more than 90% parallel to one of the electrodes, particularly preferably parallel to both electrodes.
  • the second magnet is arranged or formed radially outside of the electrodes.
  • the second magnet is not in the electrical range that can be generated by the electrodes. tric field, so that the second magnet can be used for a long time without any problems.
  • the second magnet can be arranged or formed with one of the electrodes in a common pole shoe.
  • the second magnet is more preferably aligned parallel to the first magnet, so that the north poles of the two magnets point parallel to one another in the same direction. This achieves a particularly homogeneous magnetic field in the radial center of the laser discharge tube.
  • the laser discharge tube has a circular cross section.
  • the laser amplifier can have an AC voltage source for applying an AC voltage in the high-frequency range (HF AC voltage, in particular RF AC voltage), which is connected to the electrodes.
  • HF AC voltage high-frequency range
  • RF AC voltage radio frequency
  • the laser amplifier can be spatially folded.
  • the object according to the invention is also achieved by a gas laser with a laser amplifier described here.
  • the gas laser is preferably in the form of a CO 2 gas laser.
  • the configuration according to the invention makes it possible to reduce the gas pressure or the nitrogen content of the gas in the laser amplifier.
  • the object according to the invention is finally achieved by a method for operating a laser amplifier, in particular a laser amplifier described here. stronger, with a laser discharge tube in which an electric field and a magnetic field are generated in the laser discharge tube, with the electric field lines partially running perpendicular to the magnetic field lines in the laser discharge tube, with both the electric field lines and the magnetic field lines in the laser discharge tube being perpendicular to the longitudinal axis of the Laser discharge tube run.
  • the electrodes are preferably operated with a high-frequency voltage.
  • FIG. 1 shows a plan view of a gas laser with a folded laser amplifier in a sectional view
  • Fig. 2 is a perspective view of the gas laser of Fig. 1,
  • FIG 3 shows a schematic sectional illustration through a first embodiment of a discharge tube of the laser amplifier.
  • FIG. 4 shows a schematic sectional illustration through a second embodiment of a discharge tube of the laser amplifier.
  • FIG. 5 shows a schematic sectional illustration through a third embodiment of a discharge tube of the laser amplifier.
  • the gas laser 1 shown in FIG. 1 and in FIG. 2, here in the form of a CO 2 gas laser, has a square-folded laser amplifier 2 with four adjoining closing laser discharge tubes 3, which are connected to each other via corner housings 4, 5.
  • a laser beam 6 running in the direction of the axes of the laser discharge tubes 3 is shown in broken lines.
  • Deflection mirrors 7 in the corner housings 4 serve to deflect the laser beam 6 by 90° in each case.
  • a rear-view mirror 8 and a partially transmissive output mirror 9 are arranged in one of the corner housings 5 .
  • the rear-view mirror 8 is designed to be highly reflective and reflects the laser beam 6 through 180°, so that the laser discharge tubes 3 are passed through again in the opposite direction.
  • a part of the laser beam 6 is decoupled from the laser amplifier 2 at the partially transmissive decoupling mirror 9, the other part remains in the laser amplifier 2 and runs through the laser discharge tubes 3 again.
  • the laser beam coupled out of the laser amplifier 2 via the coupling-out mirror 9 is denoted by 10 in FIG.
  • a radial fan 11 is arranged in the center of the folded laser amplifier 2 as a pressure source for laser gas and is connected to the corner housings 4, 5 via supply housings 12 for laser gas. Further housings 14 of the laser amplifier 2 are arranged centrally between the corner housings 4, 5 and are connected to suction housings 13, which serve to suck off the laser gas from the laser amplifier 2 and return it to the radial fan 11.
  • the direction of flow of the laser gas inside the laser discharge tubes 3 and in the supply and exhaust housings 12, 13 is illustrated in FIG. 1 by arrows.
  • the laser gas is excited via electrodes 15 which are arranged adjacent to the laser discharge tubes 3 and are connected to an HF generator (not shown). For example, a tube generator with an excitation frequency of 13.56 MHz or 27.12 MHz can be used as the HF generator.
  • a magnet 17 is arranged on each of the electrodes 15, as explained in FIG.
  • FIG. 2 shows a sectional view of part of the laser amplifier 2 in the area of one of the laser discharge tubes 3.
  • the laser discharge tube 3 is arranged between electrodes 15.
  • FIG. The electrodes 15 are charged with AC voltage.
  • the frequency of the AC voltage is preferably in the high-frequency range (HF frequency range, in particular RF frequency range).
  • the electrodes 15 are arranged in two pole shoes 16 between magnets 17 .
  • the magnets 17 are preferably in the form of permanent magnets.
  • the north pole and south pole of the magnets 17 are arranged transversely, in particular perpendicularly, to the imaginary extended connecting line between the electrodes 15 .
  • the magnets 17 are arranged transversely, in particular perpendicularly, to the longitudinal extent of the laser discharge tube 3 .
  • electric field lines 18 of the electrodes 15 intersect with the magnetic field lines 19 of the magnets 17 in the radial central area 20 of the laser discharge tube 3.
  • the electric field lines 18 in the central area 20 particularly preferably run perpendicular to the magnetic field lines 19.
  • the electrodes 15 can each be formed in one piece with a respective magnet 17 in order to achieve a structurally particularly simple design of the laser amplifier 2 .
  • the electrodes 15 and/or the magnets 17 can be mirror-symmetrical to a mirror plane running through the central area 20 and extending in the longitudinal direction of the laser discharge tube 3 . This achieves a particularly symmetrical course of the field lines.
  • FIG. 4 shows a sectional representation of a further embodiment of a part of the laser amplifier 2 in the area of one of the laser discharge tubes 3.
  • the laser discharge tube 3 is arranged between electrodes 15.
  • FIG. The electrodes 15 are charged with AC voltage.
  • the frequency of the AC voltage is preferably in the high-frequency range (HF frequency range, in particular RF frequency range).
  • the electrodes 15 and the laser discharge tube 3 are arranged inside a magnet 17 .
  • the magnet 17 is designed in the form of a horseshoe magnet, preferably in the form of a permanent magnet.
  • the north pole and south pole of the magnet 17 are arranged transversely, in particular perpendicularly, to the imaginary extended connecting line between the electrodes 15 .
  • the magnet 17 is arranged transversely, in particular perpendicularly, to the longitudinal extent of the laser discharge tube 3 .
  • electric field lines 18 of the electrodes 15 intersect with the magnetic field lines 19 of the magnet 17 in the radial central area 20 of the laser discharge tube 3.
  • the electric field lines 18 in the central area 20 particularly preferably run perpendicular to the magnetic field lines 19.
  • the electrodes 15 and/or the magnet 17 can be mirror-symmetrical to a mirror plane running through the central region 20 and extending in the longitudinal direction of the laser discharge tube 3 . This achieves a particularly symmetrical course of the field lines.
  • FIG. 5 shows a sectional illustration of a further embodiment of a part of the laser amplifier 2 in the area of one of the laser discharge tubes 3.
  • the laser discharge tube 3 is arranged between electrodes 15.
  • FIG. The electrodes 15 are charged with AC voltage.
  • the frequency of the AC voltage is preferably in the high-frequency range (HF frequency range, in particular R.F frequency range).
  • the electrodes 15 are offset perpendicularly to the magnets 17 in the circumferential direction.
  • the magnets 17 are preferably in the form of permanent magnets.
  • the north pole and south pole of the magnets 17 are arranged transversely, in particular perpendicularly, to the imaginary extended connecting line between the electrodes 15 .
  • the magnets 17 are arranged transversely, in particular perpendicularly, to the longitudinal extent of the laser discharge tube 3 .
  • electric field lines 18 of the electrodes 15 intersect with the magnetic field lines 19 of the magnets 17 in the radial central area 20 of the laser discharge tube 3.
  • the electric field lines 18 in the central area 20 particularly preferably run perpendicular to the magnetic field lines 19.
  • the electrodes 15 and/or the magnets 17 can be mirror-symmetrical to a mirror plane running through the central area 20 and extending in the longitudinal direction of the laser discharge tube 3 . This achieves a particularly symmetrical course of the field lines.
  • the invention relates in summary to a laser amplifier 2 with a laser discharge tube 3.
  • the laser discharge tube 3 is located between two electrodes 15.
  • the electrodes 15 are preferably located between two magnets 17.
  • the two magnets 17 are preferably aligned parallel to one another , so that the north poles and south poles of the two magnets 17 are directly opposite each other.
  • the invention also relates to a gas laser 1 with such a laser amplifier 2 and a method for operating a laser amplifier 2 in which the field lines 18, 19 of the electric and magnetic fields in the laser discharge tube 3 intersect, in particular at least partially perpendicularly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft zusammenfassend einen Laserverstärker (2) mit einem Laserentladungsrohr (3). Das Laserentladungsrohr (3) befindet sich zwischen zwei Elektroden (15). Die Elektroden (15) befinden sich vorzugsweise zwischen zwei Magneten (17). Die beiden Magnete (17) sind vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet, sodass sich die Nordpole und Südpole der beiden Magnete (17) einander direkt gegenüberliegen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gaslaser (1) mit einem solchen Laserverstärker (2) und ein Verfahren zum Betrieb eines Laserverstärkers (2), bei dem sich die Feldlinien (18, 19) des elektrischen und magnetischen Feldes im Laserentladungsrohr (3), insbesondere zumindest teilweise senkrecht, kreuzen.

Description

Laserverstärker, Laser und Verfahren mit quer zum E-Feld verlaufendem B-Feld
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Laserverstärker mit einem Laserentladungsrohr gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gas- laser mit einem solchen Laserverstärker sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Lase rverstärkers.
Es ist bekannt, elektrische und magnetische Felder zur Optimierung eines Laserverstärkers einzusetzen.
S.H. Tavassoli, H. Latifi, Magnetic field effects on electrical parameters of rf excited CO2-Lasers, Physics Letters A, Volume 335, Issue 4, 2005, Pages 295-303, ISSN 0375-9601, https://doi.Org/10.1016/j.physleta.2004.12.031 und Sohbatzadeh, F & Tavassoli, Seyed Hassan & Latifi, Hamid. (2004), The influence of an external magnetic field on a radio frequency excited CO2 laser. Physics of Plasmas. 11, https://doi.Org/10.1063/l.1767833 offenbaren die Wirkung eines homogenen Magnetfeldes auf einen im elektrischen Wechselfeld angeregten CO2-Laser. Dabei wurde jeweils ein Leistungsanstieg durch das Magnetfeld beobachtet.
Die DE 38 16 413 Al offenbart einen Gaslaser mit einem Laserverstärker, wobei Elektroden vorgesehen sind, um ein radiales oder axiales elektrisches Feld zu erzeugen. Ziel des bekannten Laserverstärkers ist es, Lasergas in zusätzliche Bewegung zu versetzten, welches dadurch an den Wänden effektiver gekühlt wird.
Aus der JP 000 H 0 416 7481 A ist ein gattungsgemäßer Gaslaser mit einem gattungsgemäßen Laserverstärker bekannt geworden. Ein Laserentladungsrohr des Laserverstärkers wird von Feldlinien eines Magnetfeldes durchsetzt. Feldlinien eines elektrischen Feldes verlaufen dabei parallel zu den Feldlinien des Magnetfeldes.
Aufgabe der Erfindung
Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, einen Laserverstärker bereitzustellen, der - bei konstruktiv einfacher Ausbildung - eine signifikant höhere Laserleistung, eine Änderung der Verstärkerkennlinie und/oder eine Steigerung der Energieeffizienz ermöglicht. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, einen Gaslaser mit einem solchen Laserverstärker sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Laserverstärkers bereitzustellen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Laserverstärker gemäß Patentanspruch 1, einen Gaslaser gemäß Patentanspruch 14 und ein Verfahren ge- maß Patentanspruch 15. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen wieder.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit gelöst durch einen Laserverstärker mit folgenden Merkmalen: a) Einem sich axial erstreckenden Laserentladungsrohr; b) zwei Elektroden, die sich insbesondere parallel zur Längsachse des Laserentladungsrohrs erstrecken, wobei das Laserentladungsrohr, insbesondere zentrisch, zwischen den Elektroden angeordnet ist, sodass durch die Elektroden erzeugbare elektrische Feldlinien das Laserentladungsrohr senkrecht zur axialen Erstreckung das Laserentladungsrohr durchdringen; c) einen ersten Magneten, der zumindest in der Nähe einer der Elektroden angeordnet oder ausgebildet ist, wobei sich der erste Magnet insbesondere parallel versetzt zum Mantel des Laserentladungsrohrs erstreckt und sich vorzugsweise im Wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckt, wobei durch den ersten Magneten erzeugte magnetische Feldlinien das Laserentladungsrohr durchdringen und die elektrischen Feldlinien schneiden.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Laserverstärkers können Elektronen im Lasermedium auf effektiv längeren Bahnen bewegt werden. Hierdurch können Stöße hervorgerufen werden, die eine höhere Ionisierung zur Folge haben. Durch die Anordnung des elektrischen Feldes zum magnetischen Feld vergrößert sich die freie Weglänge der ionisierten Teilchen, welche sich somit auf „geraderen" Bahnen durch die Entladungsrohre befinden. In einem Niederdrucksystem ohne weitere Einflüsse würde das bedeuten, dass Sputtereffekte, die durch Kollisionen mit der Röhre hervorgerufen werden, verringert werden. Allerdings befinden sich besetzungsinvertierte laseraktive Teilchen in der Röhre. Durch Erhöhung der freien Weglänge wird die Stoßwahrscheinlichkeit mit diesen erhöht. Diese Stöße wiederum erniedrigen aber die Energie der ionisierten Teilchen, wodurch auch bei Kollisionen mit der Röhrenwand Sputtereffekte verringert werden.
Die Lorentzkraft auf ein geladenes Teilchen, verursacht durch das Magnetfeld des ersten Magneten, zwingt das Teilchen auf eine Kreisbahn. Steht das Magnetfeld quer zu einem elektrischen Feld, in dem sich ein geladenes Teilchen befindet, wird eine überlagerte Bewegung aus der wirkenden Lorentzkraft und der Kraft des elektrischen Feldes erzeugt. Dadurch steigt der effektiv zurückgelegte Weg des Teilchens. Im Lasermedium steigt dadurch die Stoßwahrscheinlichkeit mit anderen Teilchen und folglich steigt die Ionisierung.
Die Elektroden sind vorzugsweise zueinander axialsymmetrisch zur Längsachse des Laserentladungsrohrs ausgebildet.
Die Elektroden können gewendelt ausgebildet sein. Dabei können die Elektroden im Verlauf ihrer Erstreckung den Abstand zum Laserentladungsrohr vergrößern.
Die beiden Elektroden sind besonders bevorzugt gleich ausgebildet. Hierdurch kann der Aufbau des Laserverstärkers konstruktiv vereinfacht werden.
Der erste Magnet ist vorzugsweise in Form eines Permanentmagneten ausgebildet. Hierdurch können die benötigten magnetischen Feldstärken auf konstruktiv einfache Art und Weise erreicht werden.
Der erste Magnet kann sich zu mehr als 50%, insbesondere zu mehr als 70%, vorzugsweise zu mehr als 90%, parallel zu einer der Elektroden, besonders bevorzugt parallel zu beiden Elektroden, erstrecken.
Der erste Magnet kann in Form eines Hufeisenmagneten ausgebildet sein, in dem das Laserentladungsrohr aufgenommen ist.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Magnet radial und/oder in Umfangsrichtung außerhalb zu einer der Elektroden, insbesondere zu beiden Elektroden, angeordnet oder ausgebildet. In diesem Fall befindet sich der erste Magnet nicht in dem von den Elektroden erzeugbaren elektrischen Feld, sodass der erste Magnet über lange Zeit störungsfrei einsetzbar ist. Der Laserverstärker kann eine HF-Abschirmung, insbesondere in Form eines HF- Bleches, aufweisen, um das elektrische Feld abzuschirmen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der erste Magnet eine Kühlung aufweisen.
Zur weiteren konstruktiven Vereinfachung des Laserverstärkers kann der erste Magnet mit einer der Elektroden in einem gemeinsamen Polschuh angeordnet oder ausgebildet sein.
Weiter bevorzugt weist der Laserverstärker einen zweiten Magneten auf. Der zweite Magnet ist dabei im Bereich der Elektrode angeordnet, die sich gegenüber der Elektrode im Bereich des ersten Magneten befindet. Der zweite Magnet erstreckt sich vorzugsweise parallel versetzt zum Mantel des Laserentladungsrohrs und erstreckt sich insbesondere im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Laserentladungsrohrs, wobei durch den zweiten Magneten erzeugte magnetische Feldlinien das Laserentladungsrohr durchdringen und die elektrischen Feldlinien schneiden.
Der zweite Magnet ist vorzugsweise gleich stark wie der erste Magnet, insbesondere baugleich mit dem ersten Magneten, ausgebildet.
Der zweite Magnet kann in Form eines Permanentmagneten ausgebildet sein.
Der zweite Magnet kann mit den Elektroden fluchten, sodass die magnetischen Feldlinien zumindest teilweise, insbesondere vollständig, die elektrischen Feldlinien senkrecht schneiden.
Der zweite Magnet kann sich zu mehr als 50%, insbesondere zu mehr als 70%, vorzugsweise zu mehr als 90%, parallel zu einer der Elektroden, besonders bevorzugt parallel zu beiden Elektroden, erstrecken.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Magnet radial außerhalb zu den Elektroden angeordnet oder ausgebildet. In diesem Fall befindet sich der zweite Magnet nicht in dem von den Elektroden erzeugbaren elek- trischen Feld, sodass der zweite Magnet über lange Zeit störungsfrei einsetzbar ist.
Zur weiteren konstruktiven Vereinfachung des Laserverstärkers kann der zweite Magnet mit einer der Elektroden in einem gemeinsamen Polschuh angeordnet oder ausgebildet sein.
Der zweite Magnet ist weiter bevorzugt parallel zum ersten Magnet ausgerichtet, sodass die Nordpole der beiden Magnete parallel zueinander versetzt in dieselbe Richtung weisen. Hierdurch wird ein besonders homogenes Magnetfeld im radialen Zentrum des Laserentladungsrohrs erreicht.
Weiter bevorzugt weist das Laserentladungsrohr einen kreisförmigen Querschnitt auf.
Der Laserverstärker kann eine Wechselspannungsquelle zum Anlegen einer Wechselspannung im Hochfrequenzbereich (HF-Wechselspannung, insbesondere RF- Wechselspannung) aufweisen, die mit den Elektroden verbunden ist.
Zum Erreichen einer hohen Effizienz bei geringem Bauraum kann der Laserverstärker räumlich gefaltet sein.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Gaslaser mit einem hier beschriebenen Laserverstärker.
Der Gaslaser ist dabei vorzugsweise in Form eines CO2-Gaslasers ausgebildet.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann dabei erreicht werden, dass der Gasdruck bzw. der Stickstoffanteil des Gases im Laserverstärker reduziert werden kann.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird schließlich gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Laserverstärkers, insbesondere eines hier beschriebenen Laserver- stärkers, mit einem Laserentladungsrohr, bei dem im Laserentladungsrohr ein elektrisches Feld und ein magnetisches Feld erzeugt wird, wobei die elektrischen Feldlinien teilweise senkrecht zu den magnetischen Feldlinien im Laserentladungsrohr verlaufen, wobei sowohl die elektrischen Feldlinien als auch die magnetischen Feldlinien im Laserentladungsrohr senkrecht zur Längsachse des Laserentladungsrohrs verlaufen.
Die Elektroden werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise mit einer Hochfrequenzspannung betrieben.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln 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.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Gaslaser mit einem gefalteten Laserverstärker in einer Schnittdarstellung,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Gaslasers von Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung durch eine erste Ausführungsform eines Entladungsrohrs des Laserverstärkers.
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung durch eine zweite Ausführungsform eines Entladungsrohrs des Laserverstärkers.
Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung durch eine dritte Ausführungsform eines Entladungsrohrs des Laserverstärkers.
Der in Fig. 1 und in Fig. 2 gezeigte Gaslaser 1, hier in Form eines CO2-Gaslasers, weist einen quadratisch gefalteten Laserverstärker 2 mit vier sich aneinander an- schließenden 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°. In einem der Eckgehäuse 5 sind ein Rückspiegel 8 und ein teiltransmissiver Auskoppelspiegel 9 angeordnet. Der Rückspiegel 8 ist hochreflektierend 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 Laserverstärker 2 ausgekoppelt, der andere Teil verbleibt im Laserverstärker 2 und durchläuft die Laserentladungsrohre 3 erneut. Der über den Auskoppelspiegel 9 aus dem Laserverstärker 2 ausgekoppelte Laserstrahl ist in Fig. 1 mit 10 bezeichnet.
Im Zentrum des gefalteten Laserverstärkers 2 ist als Druckquelle für Lasergas ein Radialgebläse 11 angeordnet, das über Zufuhrgehäuse 12 für Lasergas mit den Eckgehäusen 4, 5 in Verbindung steht. Mittig zwischen den Eckgehäusen 4, 5 sind weitere Gehäuse 14 des Laserverstärkers 2 angeordnet, welche mit Absauggehäusen 13 in Verbindung stehen, die der Absaugung des Lasergases aus dem Laserverstärker 2 und der Rückführung zum Radialgebläse 11 dienen. Die Strömungsrichtung des Lasergases im Innern der Laserentladungsrohre 3 sowie in den Zufuhr- und Absauggehäusen 12, 13 ist in Fig. 1 durch Pfeile veranschaulicht. Die Anregung des Lasergases erfolgt über Elektroden 15, die benachbart zu den Laserentladungsrohren 3 angeordnet und mit einem (nicht gezeigten) HF- Generator verbunden sind. Als HF-Generator kann beispielsweise ein Röhrengenerator mit einer Anregungsfrequenz von 13,56 MHz oder 27,12 MHz verwendet werden. Auf den Elektroden 15 ist jeweils ein Magnet 17 angeordnet, wie in Fig. 3 erläutert wird.
Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind sowohl in ein jeweiliges Zufuhrgehäuse 12 als auch in ein jeweiliges Absauggehäuse 13 des Gaslasers 1 jeweils zwei Wärmetauscher eingebracht, um eine stufenweise Abkühlung des Lasergases zu ermöglichen. Der in Fig. 2 gezeigte Gaslaser 1 wird für diese stufenweise Abkühlung mit Kühlanordnung gekühlt. Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Teils des Laserverstärkers 2 im Bereich eines der Laserentladungsrohre 3. Das Laserentladungsrohr 3 ist zwischen Elektroden 15 angeordnet. Die Elektroden 15 werden mit Wechselspannung beaufschlagt. Die Frequenz der Wechselspannung liegt vorzugsweise im Hochfrequenzbereich (HF-Frequenzbereich, insbesondere RF-Frequenzbereich).
Die Elektroden 15 sind in zwei Polschuhen 16 zwischen Magneten 17 angeordnet. Die Magnete 17 sind vorzugsweise in Form von Permanentmagneten ausgebildet. Nordpol und Südpol der Magneten 17 sind quer, insbesondere senkrecht, zur gedanklich verlängerten Verbindungslinie zwischen den Elektroden 15 angeordnet. Weiterhin sind die Magnete 17 quer, insbesondere senkrecht, zur Längserstre- ckung des Laserentladungsrohrs 3 angeordnet. Hierdurch schneiden sich elektrische Feldlinien 18 der Elektroden 15 mit den magnetischen Feldlinien 19 der Magnete 17 im radialen Zentrumsbereich 20 des Laserentladungsrohrs 3. Besonders bevorzugt verlaufen die elektrischen Feldlinien 18 im Zentrumsbereich 20 senkrecht zu den magnetischen Feldlinien 19.
Die Elektroden 15 können jeweils einstückig mit jeweils einem Magneten 17 ausgebildet sein, um einen konstruktiv besonders einfachen Aufbau des Laserverstärkers 2 zu erzielen.
Die Elektroden 15 und/oder die Magnete 17 können spiegelsymmetrisch zu einer durch den Zentrumsbereich 20 verlaufenden, sich in Längsrichtung des Laserentladungsrohrs 3 erstreckenden Spiegelebene ausgebildet sein. Hierdurch wird ein besonders symmetrischer Feldlinienverlauf erreicht.
Fig. 4 zeigt eine Schnittdarstellung eine weitere Ausführungsform eines Teils des Laserverstärkers 2 im Bereich eines der Laserentladungsrohre 3. Das Laserentladungsrohr 3 ist zwischen Elektroden 15 angeordnet. Die Elektroden 15 werden mit Wechselspannung beaufschlagt. Die Frequenz der Wechselspannung liegt vorzugsweise im Hochfrequenzbereich (HF-Frequenzbereich, insbesondere RF- Frequenzbereich). Die Elektroden 15 und das Laserentladungsrohr 3 sind innerhalb eines Magneten 17 angeordnet. Der Magnet 17 ist dabei in Form eines Hufeisenmagneten ausgebildet, vorzugsweise in Form eines Permanentmagneten. Nordpol und Südpol des Magneten 17 sind quer, insbesondere senkrecht, zur gedanklich verlängerten Verbindungslinie zwischen den Elektroden 15 angeordnet. Weiterhin ist der Magnet 17 quer, insbesondere senkrecht, zur Längserstreckung des Laserentladungsrohrs 3 angeordnet. Hierdurch schneiden sich elektrische Feldlinien 18 der Elektroden 15 mit den magnetischen Feldlinien 19 des Magneten 17 im radialen Zentrumsbereich 20 des Laserentladungsrohrs 3. Besonders bevorzugt verlaufen die elektrischen Feldlinien 18 im Zentrumsbereich 20 senkrecht zu den magnetischen Feldlinien 19.
Die Elektroden 15 und/oder der Magnet 17 kann/können spiegelsymmetrisch zu einer durch den Zentrumsbereich 20 verlaufenden, sich in Längsrichtung des Laserentladungsrohrs 3 erstreckenden Spiegelebene ausgebildet sein. Hierdurch wird ein besonders symmetrischer Feldlinienverlauf erreicht.
Fig. 5 zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Teils des Laserverstärkers 2 im Bereich eines der Laserentladungsrohre 3. Das Laserentladungsrohr 3 ist zwischen Elektroden 15 angeordnet. Die Elektroden 15 werden mit Wechselspannung beaufschlagt. Die Frequenz der Wechselspannung liegt vorzugsweise im Hochfrequenzbereich (HF-Frequenzbereich, insbesondere R.F- Frequenzbereich).
Die Elektroden 15 sind in Umfangsrichtung senkrecht versetzt zu Magneten 17 angeordnet. Die Magnete 17 sind vorzugsweise in Form von Permanentmagneten ausgebildet. Nordpol und Südpol der Magneten 17 sind quer, insbesondere senkrecht, zur gedanklich verlängerten Verbindungslinie zwischen den Elektroden 15 angeordnet. Weiterhin sind die Magnete 17 quer, insbesondere senkrecht, zur Längserstreckung des Laserentladungsrohrs 3 angeordnet. Hierdurch schneiden sich elektrische Feldlinien 18 der Elektroden 15 mit den magnetischen Feldlinien 19 der Magnete 17 im radialen Zentrumsbereich 20 des Laserentladungsrohrs 3. Besonders bevorzugt verlaufen die elektrischen Feldlinien 18 im Zentrumsbereich 20 senkrecht zu den magnetischen Feldlinien 19.
Die Elektroden 15 und/oder die Magnete 17 können spiegelsymmetrisch zu einer durch den Zentrumsbereich 20 verlaufenden, sich in Längsrichtung des Laserentladungsrohrs 3 erstreckenden Spiegelebene ausgebildet sein. Hierdurch wird ein besonders symmetrischer Feldlinienverlauf erreicht.
Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung zusammenfassend einen Laserverstärker 2 mit einem Laserentladungsrohr 3. Das Laserentladungsrohr 3 befindet sich zwischen zwei Elektroden 15. Die Elektroden 15 befinden sich vorzugsweise zwischen zwei Magneten 17. Die beiden Magnete 17 sind vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet, sodass sich die Nordpole und Südpole der beiden Magnete 17 einander direkt gegenüberliegen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gaslaser 1 mit einem solchen Laserverstärker 2 und ein Verfahren zum Betrieb eines Laserverstärkers 2, bei dem sich die Feldlinien 18, 19 des elektrischen und magnetischen Feldes im Laserentladungsrohr 3, insbesondere zumindest teilweise senkrecht, kreuzen.
Bezuqszeichenliste
1 Gaslaser
2 Laserverstärker
3 Laserentladungsrohr
4 Eckgehäuse
5 Eckgehäuse
6 Laserstrahl
7 Umlenkspiegel
8 Rückspiegel
9 Auskoppelspiegel
10 Laserstrahl
11 Radialgebläse
12 Zufuhrgehäuse
13 Absauggehäuse
14 weiteres Gehäuse
15 Elektrode
16 Polschuh
17 Magnet
18 elektrische Feldlinie
19 magnetische Feldlinie
20 Zentrumsbereich

Claims

Patentansprüche Laserverstärker (2) mit einem Laserentladungsrohr (3), wobei der Laserverstärker (2) zumindest zwei Elektroden (15) aufweist, die sich insbesondere jeweils parallel zur Längsachse des Laserentladungsrohrs (3) erstrecken, wobei das Laserentladungsrohr (3) zwischen den Elektroden (15) angeordnet ist, sodass elektrische Feldlinien (18) zwischen den Elektroden (15) das Laserentladungsrohr (3) senkrecht zur axialen Erstreckung des Laserentladungsrohrs (3) durchdringen, und wobei der Laserverstärker (2) einen ersten Magneten (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Magnet (17) im Bereich einer der Elektroden (15) angeordnet oder ausgebildet ist und die Orientierung des ersten Magneten (17) von dessen Nordpol zu dessen Südpol insbesondere radial versetzt und tangential zum Umfang des Laserentladungsrohrs (3) verläuft, wobei die magnetischen Feldlinien (19) des ersten Magneten (17) zumindest teilweise, insbesondere vollständig, das Laserentladungsrohr (3) durchdringen und die elektrischen Feldlinien (18) schneiden. Laserverstärker nach Anspruch 1, bei dem der erste Magnet (17) insbesondere mit den Elektroden (15) fluchtet, wobei die magnetischen Feldlinien (19) zumindest teilweise, insbesondere vollständig, die elektrischen Feldlinien (18) senkrecht schneiden. Laserverstärker nach Anspruch 1 oder 2, bei dem sich der erste Magnet (17) zu mehr als 50% parallel zu einer der Elektroden (15) erstreckt. Laserverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Magnet (17) radial außerhalb zu einer der Elektroden (15) angeordnet oder ausgebildet ist. Laserverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Magnet (17) zusammen mit einer der Elektroden (15) in einem gemeinsamen Polschuh (16) ausgebildet ist. Laserverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laserverstärker (2) einen zweiten Magneten (17) aufweist, wobei der zweite Magnet (17) im Bereich der weiteren Elektrode (15) angeordnet oder ausgebildet ist und die Orientierung des zweiten Magneten (17) von dessen Nordpol zu dessen Südpol insbesondere radial versetzt und tangential zum Umfang des Laserentladungsrohrs (3) verläuft, wobei die magnetischen Feldlinien des zweiten Magneten (17) zumindest teilweise, insbesondere vollständig, das Laserentladungsrohr (3) durchdringen und die elektrischen Feldlinien (18) schneiden. Laserverstärker nach Anspruch 6, bei dem der zweite Magnet (17) insbesondere mit den Elektroden (15) fluchtet, wobei die magnetischen Feldlinien (19) zumindest teilweise, insbesondere vollständig, die elektrischen Feldlinien (18) senkrecht schneiden. Laserverstärker nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem sich der zweite Magnet (17) zu mehr als 50% parallel zu einer der Elektroden (15) erstreckt. Laserverstärker nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem der zweite Magnet (17) radial außerhalb zu beiden Elektroden (15) angeordnet oder ausgebildet ist. Laserverstärker nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die Verbindung von Nordpol zu Südpol des zweiten Magneten (17) radial versetzt in dieselbe Richtung weist wie die Verbindung von Nordpol zu Südpol des ersten Magneten (17). - 15 - Laserverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Laserentladungsrohr (3) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Laserverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laserverstärker (2) eine Wechselspannungsquelle zur Abgabe einer Wechselspannung im Hochfrequenzbereich aufweist, wobei die Wechselspannungsquelle zur Spannungsversorgung der Elektroden (15) mit den Elektroden (15) verbunden ist. Laserverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laserverstärker (2) gefaltet ist. Gaslaser (1) mit einem Laserverstärker (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Verfahren zum Betrieb eines Laserverstärkers (2), insbesondere eines Lase rverstärkers (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einem Laserentladungsrohr (3), bei dem im Laserentladungsrohr (3) ein elektrisches Feld und ein magnetisches Feld erzeugt wird, wobei die elektrischen Feldlinien (18) teilweise, insbesondere vollständig, senkrecht zu den magnetischen Feldlinien (19) im Laserentladungsrohr (3) verlaufen, wobei sowohl die elektrischen Feldlinien (18) als auch die magnetischen Feldlinien (19) im Laserentladungsrohr (3) senkrecht zur Längsachse des Laserentladungsrohrs (3) verlaufen.
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