DE2826567A1

DE2826567A1 - Gasentladungslaser

Info

Publication number: DE2826567A1
Application number: DE19782826567
Authority: DE
Inventors: Alan Sandford Kaye
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1977-06-17
Filing date: 1978-06-16
Publication date: 1979-01-04
Also published as: JPH0140513B2; US4288756A; FR2394907B1; GB2002572B; JPS547894A; GB2002572A; FR2394907A1; CH629342A5

Description

DR. BF,?.G DiPL.-ING. SlAPF DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR

PATENTANWÄLTE 282656?

Postfach 860245 · 8000 München 86

Anwaltsakte: 29 239 l6. Juni 1978

United Kingdom Atomic Energy Authority London SW1Y4QP/Großbritannien

Gasentladungslaser

VII/XX/Sch

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P (089) 988272 Telegramme: Bankkonten: Hypo-Bank München 4410122850

988273 BERGSTAPFPATENT München (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM

988274 TELEX: Bayer Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270) 98 3310 05 24 560 BERG d Postscheck München 653 43-808 (BLZ 700100 80)

Anwaltsakte: 29 239

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Gasentladungslaser, und betrifft insbesondere einen Hochleistungs-Gasentladungslaser mit einer Querströmung mit Kohlendioxyd in dem Lasermedium.

Eine Hauptschwierigkeit beim Betrieb von Hochleistungs-Gasentladungslasern mit einer Querströmung ist das Aufrechterhalten einer stabilen elektrischen Anregungsentladung in dem gasförmigen Lasermedium. Hierzu sind schon verschiedene Ausführungen von Elektrodensystemen vorgeschlagen worden. Beispielsweise hat eine Ausführung eines Hochleistungs-Gasentladungslasers eine kreiszylindrische Kathodenelektrode, die quer zu einer rechteckigen Leitung nahe an einer der Wandungen der Leitung verläuft, und eine dazu parallele Anodenelektrode, die aus einer Vielzahl einzelner, ebener, leitender Ansätze besteht, die bündig an der gegenüberliegenden Wandung der Leitung und in Strömungsrichtung etwas unterhalb der Kathodenelektrode angebracht sind. Die Anordnung ist so gewählt, daß die Gasströmung durch den Bereich der Leitung, in welchem die Elektroden angeordnet sind, und insbesondere über der Anode laminar ist, aber ein Turbulenzbereich im Sog der Kathodenelektrode besteht.

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Gemäß der Erfindung ist eine Gasentladungslaser mit einer Querströmung, mit einem geschlossenen Leitungssystem, mit einem Bereich mit einem rechteckigen Querschnitt, der als Laserhohlraum dienen kann, mit einer Einrichtung zum Umwälzen eines gasförmigen Mediums durch das Leitungssystem, mit einer Anodenelektrode, die auf einer Seite des Bereichs des Leitungssystems angeordnet und quer zu dem Bereich sowie parallel zu dessen optischer Achse verläuft, und mit einer gegenüber der Anodenelektrode und parallel zu dieser angeordneten Kathodenelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden bezüglich der jeweiligen Wandungen des Bereichs des Leitungssystems so geformt und angebracht sind, daß die Wandungen des Bereichs des Leitungssystems aerodynamisch mit den Elektroden zusammenwirken, um die zwischen ihnen bestehende elektrische Entladung zu stabilisieren .

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung hat die Kathodenelektrode einen länglichen Querschnitt, ist mit ihrer größeren Querabmessung unter einem Winkel bezüglich der Strömungsrichtung des Lasermediums angebracht und in einem solchen Abstand von der benachbarten Wandung des Bereichs des Strömungssystems angeordnet, daß die Nähe der Wandung des Bereichs des Leitungssystems die Gasströmung über der Kathode in entsprechender Weise abändert, um das Stabilisieren des Kathodenglimmens zu unterstützen, welches während des Betriebs des Lasers auftritt.

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Vorzugsweise hat die Kathodenelektrode die Form eines abgeflachten Rohrs mit einem etwa dreieckigen Querschnitt und einem Längenverhältnis von etwa 2:1 und ist mit ihrer größeren Querabmessung unter einem Winkel zwischen etwa 45° und 120° bezüglich der Strömungsrichtung des Lasermediums angebracht.

Der Durchmesser des Rohrs, aus welchem die Kathode hergestellt ist, hängt von dem Betriebsdruck des Lasermediums ab; beispielsweise reicht für einen Laser, der ausgelegt ist, um bei einem Druck im Bereich von 50 Torr betrieben zu werden, ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 9,5mm aus. Ein Betrieb bei höheren Drücken erfordert eine kleinere Elektrode und umgekehrt .

Der Abstand der Kathode von der benachbarten Leitungswandung ist eine Funktion der Gasströmungsgeschwindigkeit sowie des Gasdrucks. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 50m/sek und einem Druck von etwa 50 Torr ist ein Abstand zwischen 7mm und 12mm angemessen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Anodenelektrode eine Anordnung eng gepackter ,gleichmäßig geformter Metallknöpfe auf, die elektrisch voneinander isoliert, mit einer entsprechenden Stabilisierungseinrichtung verbunden und in der Wandung des Bereichs des Leitungssystems angebracht

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sind, wobei die Wandung der Leitung in Strömungsrxchtung unmittelbar oberhalb der Anode einen Bereich aufweist, durch den, wenn er in der richtigen Lage angeordnet ist, das gasförmige Medium turbulent über die Anodenelektrode strömt. Beispielsweise kann eine Platte in Strömungsrichtung oberhalb der Anode vorgesehen sein, deren Dicke so bemessen ist, daß sie weiter in den Gasstrom vorsteht als die Metallknöpfe, welche die Anodenelektroden bilden, so daß die hintere Kante der Platte eine Turbulenz in dem strömenden gasförmigen Medium hervorruft, wenn es über die Anodenelektrode strömt.

Die Anodenelektrode kann in Bauteile unterteilt sein, die jeweils, ohne benachbarte Bauteile zu stören, in den Bereich des Leitungssystems eingesetzt und aus diesem herausgenommen werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig.1 eine schematische Darstellung eines Hochlei-

stungs-Gaslasers gemäß der Erfindung; und

Fig.2 eine schematische Darstellung eines Quer

schnitts eines Teils des Lasers.

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In Fig.1 der Zeichung weist ein Hochleistungs-Gasentladungslaser mit einer Querströmung ein geschlossenes Leitungssystem 1 auf, das schematisch dargestellt ist, und durch welches ein gasförmiges Lasermedium ,das, wie in der Lasertechnik bekannt, eine Mischung aus Kohlendioxyd, Stickstoff und Helium aufweist, mittels eines Gebläses 2 umgewälzt werden kann. Ein in seiner Gesamtheit mit 3 bezeichneter Abschnitt des Leitungssystems 1 weist einen rechteckigen Querschnitt auf und kann als optischer Hohlraum 4 dienen, in welchem ein Laservorgang mittels eines Spiegelsystems 5 stattfinden kann. Die Spiegel 5 sind in gasdichten Gehäusen 6 untergebracht, welche mittels wassergekühlter, den Strahl festlegender öffnungen 7 mit dem Leitungssystem 1 in Verbindung stehen. Die Spiegel 5 sind jedoch an einer optischen Bank angebracht, welche von elastisch nachgebenden Rahmen oder Halterungen in der Weise getragen ist, daß sie sich in einem Zustand dynamischen Gleichgewichts befinden und Schwingungen des Leitungssystems 1 und/oder irgendwelche Dimensionsänderungen in dem Leitungssystem 1 nicht mit den sich ergebenden Wirkungen auf die Stabilität des optischen Hohlraums 1 an die Spiegel 5 übertragen werden. Die optische Bank ist nicht dargestellt. Die Spiegel 5 sind aus einer Kupferlegierung hergestellt wobei die Spiegelflächen vergoldet sind. Die Spiegel 5 weisen im Inneren Kühlkanäle auf, durch welche Wasser umgewälzt werden kann. Die Kühlkanäle werden dadurch gebildet, daß Löcher in die Spiegelkörper 5 gebohrt werden, und dann Kupferendplatten 8 aufgelö tet werden, um Verteiler an den Seiten der Spiegel 5 zu

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schaffen. Die Spiegelanordnungen werden dann vergütet, um die Oberflächen zu härten, welche die Spiegelflächen der Spiegel 5 bilden. Die durch den Laser erzeugte Strahlung verläßt die Einrichtung über ein wassergekühltes Austrittsfenster 9, das aus Zink-Selenid hergestellt ist. Der Strahl 8 wird dann mittels eines optischen Systems 11 auf ein Werkstück 10 gerichtet. Ein schwenkbarer Spiegel 12 ist vorgesehen, mittels welchem der Strahl 8 zu einem Kalorimeter 13 abgelenkt werden kann, so daß dessen Leistungspegel bestimmt werden kann.

Das gasförmige Lasermedium wird mittels einer Gleichstromentladung erregt, welche zwischen zwei Gruppen von Elektroden 14 ausgebildet wird, die in dem Abschnitt 3 des Leitungssystems 1 untergebracht sind. Die Elektroden 14 sind in Fig.1 nur schematisch angedeutet; sie werden genau anhand der Fig.2 beschrieben.

Das Leitungssystem 1 weist zwei Wärmeaustauscher 15 und eine Strömungssteuereinrichtung auf, welche nicht dargestellt ist, aber sicherstellt, daß das gasförmige Lasermedium eine konstante Geschwindigkeit und eine gleichmäßig kleine Trubulenz hat, wenn es den Bereich 3 des Leitungssystems 1 durchströmt. Eine entsprechende Strömungssteuereinrichtung ist beispielsweise ein Sieb mit einer entsprechend bemessenen Siebweite.

In Fig.2 ,welche eine schematische Querschnittsdarstellung des

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Abschnitts 3 des Leitungssystems 1 ist, in welchem der Laservorgang stattfindet, ist der Abschnitt 3 des Leitungssystems 1 mittels einer zentralen Anordnung 21 ,welche aus einer halbzylindrischen Vorderkante 22, zwei parallelen Teilen 23 und zwei schräg verlaufenden Teilen 24 besteht, in Längsrichtung in zwei gleiche Bereiche 3a unterteilt. Die Anordnung 21 ist einer Stromlinienform angenähert, damit keine Verzerrungen in dem Strömungsbild des gasförmigen Lasermediums hervorgerufen werden.

Die Anordnung ist aus einem keramischen Werkstoff hergestellt, der beispielsweise unter der Bezeichnung Pyroceram bekannt ist. An Teilen der Anordnung 21 ist jeweils eine Kathodenelektrode 25 angebracht. Die Kathodenelektroden 25 sind hohl, so daß Kühlwasser durch sie umgewälzt werden kann,und haben einen langge streckten Querschnitt mit entsprechend flachen Seiten und abgerundeten Kanten. Der Querschnitt der Kathoden 25 ist ein stumpfwinkliges Dreieck mit abgerundeten Kanten. Durch diese Form ist die mechanische Steifigkeit der Kathoden 25 erhöht. Wenn andere Laseranordnungen verwendet werden, bei welchen die Gasströmung horizontal anstatt vertikal verläuft, dann braucht diese zusätzliche Steifigkeit nicht erforderlich zu sein, und die Kathodenelektroden 25 weisen eine einfachere Form mit parallelen Seiten auf. Das Verhältnis der größeren zu den kleineren Querschnittsabmessungen jeder der Kathodenelektroden 25 beträgt etwa 2:1. Die Größe der Kathoden 25 hängt von dem Betriebsdruck des

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Lasers ab; für einen Laser, in welchem das gasförmige Lasermedium durch den Abschnitt 3 des Leitungssystems 1 mit einem Druck von etwa 50 Torr strömt, können die Kathodenelektroden 25 in herkömmlicher Weise dadurch hergestellt werden, daß ein Kupferrohr mit einem Außendurchmesser von 9,5mm verformt wird. Die Kathodenelektroden 25 sind parallel zur optischen Achse des optischen Hohlraums 4 angebracht, wobei ihre größeren Querschnittsabmessungen unter rechtem Winkel zu der Gasströmungsrichtung angeordnet sind, obwohl sie mit ihren größeren Querschnittsabmessungen auch in einem Bereich von 45° bis 120° bezüglich der GasStrömungsrichtung angeordnet sein können. Die Scheitel der Dreiecke, welche die Querschnitte der Kathoden 25 bilden, zeigen strömungsaufwärts ,wie in Fig.2 dargestellt, d.h. sind der Gasströmung entgegengerichtet, so daß sie auf sie auftrifft.

Das Profil und die Ausrichtung der Kathodenelektroden 25 innerhalb derfestgelegten Grenzen führt zu einer größeren Fläche und damit im Vergleich zu einer kreiszylindrischen Kathode zu einer geringeren Gesamtstromdichte in dem Kathodenglimmen, das während des Betriebs auftritt, und führt zu einer größeren Stabilität bezüglich des Kathodenglimmens.

Jede der Kathodenelektroden ist in einem Abstand von etwa 10mm von dem benachbarten Teil 23 der Anordnung 21 angebracht. Der genaue Abstand der Kathodenelektroden 25 bezüglich der entspre-

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chenden Teile 23 des Aufbaus 21 hängt von der tatsächlichen Ausrichtung der Kathodenelektroden 25, der Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Lasermediums und dessen Druck ab. Bei einem Laser, der mit einem Druck von 50 Torr und einer Gasströmungsgeschwindigkeit von etwa 50m/sek betrieben wird, können Abstände von etwa 7 bis 12mm verwendet werden.

Mit den beschriebenen Gasparametern ändern die Oberflächen der Teile 23 der Anordnung 21 den Gasstrom gegenüber den Kathodenelektroden 25 ab, um so das den Elektroden zugeordnete Kathodenglimmen zu stabilisieren. Wenn die Kathodenelektroden 25 weiter von dem benachbarten Teil 23 der Anordnung 21 angeordnet sind, wird das Kathodenglimmen seitlich in Kanäle mit hohen Strömen bei niedrigen Pegeln des elektrischen Leistungseingangs bei der Gasentladung eingeschnürt. Wenn die Kathodenelektroden 25 näher bei dem benachbarten Teil 23 der Anordnung 21 angeordnet sind, werden die Kathodenglimmbereiche hoch turbulent, was für das Aufrechterhalten von hohen Pegeln der elektrischen Gasentladungen weniger vorteilhaft ist.

Die beschriebene Kathodenform ist ein wichtiges Betriebsmerkmal, da bei niedrigeren Stromwerten in der Gasentladung, wenn beispielsweise das Kathodenglimmlicht nicht die gesamten Oberflächenbereiche der Kathodenelektroden 25 bedeckt, das Kathodenglimmen sich in Längsrichtung vorzugsweise in Umfangsrichtung ausbreitet.

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Infolgedessen kann eine gleichförmige Entladung in dem gasförmigen Lasermedium bei einer niedrigen Eingangsleistung aufrechterhalten werden, wenn das Kathodenglimmen weniger als die ganze Fläche der Kathoden 25 bedeckt. Wenn der Leistungspegel dann erhöht wird, wobei der Gasdruck konstant bleibt, breitet sich das Kathodenglimmen gleichmäßig von der Unterseite der Kathoden 25 aus, bis es die ganzen Betriebsflächen der Kathoden 25 bedeckt. Folglich kann bei konstantem Druck ein zufriedenstellender Betrieb über einen großen Bereich von Leistungseingangspegeln erreicht werden.

Jede der Anodenelektroden 26 weist eine eng gepackte Anordnung von gleichmäßig geformten, achssymmetrischen Knöpfen 27 aus einem Metall, wie beispielsweise Nickel oder Kupfer auf. Die genaue Form der Knöpfe 27 ist nicht kritisch. Die maximale Eingangsleistung nimmt annähernd umgekehrt zu dem Abstand zwischen den Knöpfen 27 zu; Abmessungen, welche sich für den beschriebenen Laser als zweckmäßig herausgestellt haben, sind folgende: ein Durchmesser von 12mm, eine Höhe von 6mm und ein Kantenradius von 3mm. Jeder Knopf 27 ist mit einem zugeordneten Widerstand und möglicherweise mit einer Induktionsspule verbunden. Die eng gepackteAnordnung ergibt einen maximalen Oberflächenbereich und infolgedessen eine minimale Stromdichte, während durch das glatte Profil scharfe Kanten vermieden sind, welche ein örtlich starkes Glimmen hervorrufen könnten.

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In Stromungsrichtung vor den Knöpfen 27, die jeweils eine Anodenelektrode 26 bilden, ist eine Keramikplatte 28 angeordnet, welche die Gasentladung in den Bereichen der Anodenelektroden

28 aerodynamisch stabilisiert. Die Platten 28 sind so angeordnet, daß ihre Hinterkanten etwa 0,5mm über die oberen Flächen der Knöpfe 27 vorstehen, welche die Anodenelektroden 26 bilden. Eine derartige Anordnung führt zu einer vorteilhaften Wechselwirkung zwischen der sich ergebenden turbulenten Gasströmung über und zwischen den Knöpfen 27 und der Gasentladung, so daß wesentlich höhere Eingangsleistungspegel verwendet werden können, als sie verwendet werden könnten, wenn die Gasströmung über den Anodenelektroden 26 nicht turbulent ist.

Die Knöpfe 27 sind auf Keramikplatten 29 angebracht, von welchen eine Anzahl jeweils eine Anodenelektrode 26 bilden. Die Platten

29 sind an nicht näher dargestellten Trägern angebracht, welche am umfang O-Ring-Gasdichtungen aufweisen, so daß,wenn die Anodenelektroden 26 durch Löcher 30 in die Wandung der Leitung 1 eingesetzt werden, das Leitungssystem 1 gasdicht bleibt.

Aufgrund des Baukastensystems der Anodenelektroden 26 können die wirksamen Flächen derAnoden des Lasers erforderlichenfalls geändert werden und auch die Wartung des Lasers ist erleichtert, da bei einem Ausfall nur ein bestimmtes Teil und nicht die ganze Anodenelektrode 26 ausgewechselt zu werden braucht.

Ende der Beschreibung

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Claims

Patentansprüche

lly Gasentladungslaser mit einem geschlosssenen Leitungssystem mit einem Bereich mit rechteckigem Querschnitt, der als ein Laserhohlraum dienen kann, mit einer Einrichtung zum Umwälzen eines gasförmigen Mediums durch das Leitungssystem, mit einer Anodenelektrode, die auf einer Seite des Bereichs des Leitungssystems angeordnet ist und quer zu dem Bereich und parallel zu dessen optischer Achse verläuft, und mit einer der Anodenelektrode gegenüberliegenden, parallel dazu verlaufenden Kathodenelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (25, 26) bezüglich der jeweiligen Wandungen (23) des Bereichs des Leitungssystems (1) so geformt und angebracht sind, daß die Wandungen (23) des Bereichs des Leitungssystems (1) aerodynamisch mit den Elektroden (25, 26)

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(089)988272 Telegramme: 988273 BERGSTAPFPATENT München 988274 TELEX: 983310 05 24 560 BERG d

Bankkonten: Hypo-Bank München 4410122850 (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM Bayet Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270) Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)

ORIGINAL INSPECTED

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zusammenwirken, tun die zwischen ihnen bestehende elektrische Entladung zu stabilisieren.
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenelektrode (25) einen länglichen Querschnitt hat ,mit ihrer größeren Querabmessung unter einem Winkel bezüglich der Strömungsrichtung des Lasermediums angebracht und in einem solchen Abstand von der benachbaren Wandung (23) des Bereichs des Leitungssystems (1) angeordnet ist, daß die Nähe der Wandung (23) des Bereichs des Leitungssystems (1) die Gasströmung über der Kathode (25) in einer entsprechenden Weise abwandelt, um dadurch die Stabilisierung des Kathodenglimmens zu unterstützen, welches während des Betriebs des Lasers auftritt.
3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Kathode (25) ein Längenverhältnis von etwa 2:1 hat und mit seiner größeren Querschnittsabmessung unter einem Winkel zwischen 45° und 120° bezüglich der Strömungsrichtung des Gasstroms angebracht ist.
4. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenelektrode (25) in Form eines Rohrs mit einem im allgemeinen dreieckigen Querschnitt ausgebildet ist.

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5. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche für einen Betrieb bei einem Gasdruck im Bereich von 50 Torr und bei einer Gasströmungsgeschwindigkeit im Bereich von 50m/sek, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenelektrode in einem Abstand zwischen 7 und 12mm von der benachbarten Leitungswandung (23) angebracht ist.
6. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne t,daß die Anodenelektrode (26) eine Anordnung von eng gepackten, gleichmäßig geformten Metallknöpfen (27) aufweist, die elektrisch voneinander isoliert sind, jeweils mit einem entsprechenden Stabilisierungseinrichtung" verbunden und in der Wandung (1) des Bereichs des Leitungssystems angebracht werden können, wobei die Wandung des Leitungssystems in Strömungsrichtung unmittelbar oberhalb der Anode (26) einen Bereich (28) aufweist, durch den, wenn er entsprechend angeordnet ist, das gasförmige Medium turbulent über die Anodenelektrode (261 strömt.
7. Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeicrh-

n e t, daß der Bereich (3) des Leitungssystems (1) eine Stufe (28) mit einer Höhe aufweist, so daß sie weiter in den Gasstrom vorsteht als die Metallknöpfe (27), welche die Anodenelktrode bilden, so daß die hintere Kante der Stufe eine Turbulenz in dem strömenden gasförmigen Medium zur Folge hat, wenn es über die Anodenelektrode (27) strömt.

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8. Laser nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch g e kennz eichnet, daß die Anodenelektrode (27) in Bausteine (29) aufgeteilt ist, die, ohne benachbarte Bausteine zu stören, in das Leitungssystem (1) eingesetzt oder aus diesem herausgenommen werden können.
9. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

g e koe nnzeichnet, daß der Bereich (3) des Leitungssystems durch eine zentrale Anordnung (21 bis 24) in zwei Bereiche aufgeteilt ist, daß eine Anode in jeder Wandung (1) des Leitungssystems angeordnet ist und daß eine Kathodenelektrode (25) bei der zentralen Anordnung (21 bis 24) und gegenüber einer entsprechenden Anodenelektrode (27) angeordnet ist.
10. Laser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich η e t,daß die zentrale Anordnung (21 bis 24) etwa eine Stromlinienform aufweist.
11. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um eine gleichmäßige, kleine eng begrenzte Turbulenz in dem Gasstrom hervorzurufen/ wenn er in den Bereich (3, 4) des Leitungssystems (1) eintritt, in welchem ein Laservorgang stattfindet.

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