DE3603818A1 - Schnellgestroemter axial-hochleistungs co(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-laser - Google Patents
Schnellgestroemter axial-hochleistungs co(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-laserInfo
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- F04C18/08—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
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Description
Die Erfindung betrifft einen schnellgeströmten
Axial-Hochleistungs-CO2-Laser mit mindestens einem
lasergasdurchströmten Entladungsrohr dem jeweils
eine an eine Hochspannungsquelle angeschlossene
Kathode und Anode zugeordnet sind.
Laserlicht entsteht in einem optischen Resonator,
der durch zwei Spiegel an den Stirnflächen
abgeschlossen ist mit Hilfe von Lichtverstärkung
durch stimulierte Emission von Strahlung. Hierzu
wird zwischen Endreflektor und Auskoppelfenster der
Laserstrahl durch die stimulierte Emission von
Photonen aus angeregten CO2-Molekülen erzeugt. Die
Anregung der CO2-Moleküle im Resonator erfolgt
durch eine elektrische Glimmentladung zwischen
mindestens einer Kathode und einer Anode.
Aus der DE-OS 33 23 954 ist ein Axialstrom-
Gastransport-CO2-Laser bekannt, bei dem die
Anodenköpfe und der Kathodenkopf an eine
Hochspannungsgleichstromquelle angeschlossen sind.
Bei der Verwendung einer derartigen Kathode in
einem schnellgeströmten CO2-Hochleistungslaser
springt die Entladung bedingt durch den Druck und
thermische Schwankungen zwischen verschiedenen
Stellen der Innenwandung hin und her. Die Entladung
brennt asymmetrisch mit Vorzugsrichtung zur
Absaugöffnung. Weiterhin zeigt die Entladung
Ansätze zur Bogenbildung.Dabei verstärkt sich
diese Tendenz mit zunehmenden Druck und
Gasdurchsatz. Bei einem kathodenseitigen Gasdruck
von P ≦λτ 50 Millibar und Strömen ≦λτ 130 Millibar
verhindert die Bogenbildung an der Kathode ein
weiteres Anwachsen der Laserleistung.
Die Verwendung einer aus der DE-OS 30 31 692
bekannten Ringkathode beruhigt die Entladung nur
unwesentlich. Auch hier brennt der Kathodenansatz
asymmetrisch und instationär.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
Laserleistung bei vorzugsweise Hochleistungslasern
zu stabilisieren und die an der Kathode
stattfindenden Inhomogenitäten zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Kathode als Hohlkathode ausgebildet ist.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß durch den hohen
Ionisierungsgrad in der Hohlkathode dem
Kathodenansatz der Lasergasbildung ein stabiles,
stationäres Verhalten aufgeprägt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher
beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines schnellgeströmten
Axial-Hochleistungs-CO2-Lasers;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Potentialverteilung
in den Hohlkathoden der Fig. 3
und 4;
Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt A der Fig. 1;
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Hohlkathode
nach der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein schnellgeströmter Axial-
Hochleistungs-CO2-Laser mit 10 bezeichnet, der im
wesentlichen aus zwei Entladungsrohren 11 mit
gemeinsamen Kathodenkopf 12 und zwei Anodenköpfen
13 besteht. Den Resonator bilden ein
totalreflektierender Endspiegel 14 und ein
teildurchlässiger Auskoppelspiegel 15.
Die Anodenköpfe 13 und der Kathodenkopf 12 sind
über Leitungen 17, 18, 19 an eine
Hochspannungsquelle 20 angeschlossen.
Als Lasermedium dient ein schnellströmendes Helium-
Kohlendioxid-Stickstoffgemisch. Eine elektrische
Gasentladung, die im Lasermedium bei einem Druck
von etwa 70 Millibar brennt, regt die
Laserstrahlung an. Die Wellenlänge der
Laserstrahlung liegt im Infraroten bei 10,6
Mikrometer. Die elektrisch eingekoppelte Leistung
setzt sich zu etwa 20% in Laserstrahlung um, der
Rest heizt das Gas auf. Um die Wärme abzuführen,
wird das Gas sowohl in Wärmetauschern 22 als auch
an den wassergekühlten Entladungsrohrwänden
gekühlt. Den Gastransport von dem Kathodenkopf 12
zu den beiden Anodenköpfen 13 übernimmt eine
Wälzkolbenpumpe 23. Vorzugsweise ist der
Gastransport als in sich geschlossener
Lasergaskreislauf 21 ausgebildet. Durch die
tangentiale Einströmung des Lasergases an den
Anodenköpfen 13 und die Absaugung an dem
Kathodenkopf 12, wird eine Strömungsrichtung
entgegen der Laserspiegelanordnung 14, 15 erreicht,
und somit die Verschmutzungsgefahr von
Auskoppelplatte und Spiegel verringert.
Zur Aufrechterhaltung eines mittleren Druckes
innerhalb der Entladungsrohre 11 von ca. 70
Millibar ist an den Lasergaskreislauf 21 eine
Vakuumpumpe 24 angeschlossen.
Über eine Leitung 25 wird dem Laser 10
kontinuierlich eine geringe Lasergasmenge von der
Gasversorgung 26 zugeführt. Über eine nicht näher
dargestellte Druck- bzw. Vakuummeßzelle, die an den
Lasergaskreislauf 21 angeschlossen ist, wird der
Lasergas-Ist-Druck erfaßt und einer Regeleinheit
zugeführt.
Der oben beschriebene schnellgeströmte Axial-
Hochleistungs-CO2-Laser wird bevorzugt zur
Materialbearbeitung, insbesondere zum Schneiden,
Schweißen und Oberflächenveredeln eingesetzt. Unter
einem Hochleistungslaser wird hierbei ein Laser mit
einer Ausgangsleistung von P 1 KW bezeichnet. In
der Fig. 1 ist lediglich eine Grundeinheit
bestehend aus zwei Entladungsrohren 11, denen zwei
Anodenköpfe und ein Kathodenkopf zugeordnet sind,
dargestellt. Selbstverständlich ist es auch
möglich, mehrere dieser Grundeinheiten aneinander
zu setzen.
In der Fig. 3 ist der Kathodenkopf 12 der Fig. 1
vergrößert dargestellt. In den Kathodenkopf 12
münden beidseitig die Entladungsrohre 11. Die
Entladungsrohre 11 haben einen
Entladungsrohrdurchmesser 29 von vorzugsweise 24
Millimeter. Die als Hohlkathode ausgebildete
Kathode 27 besteht aus einem Aluminiumzylinder 44
von 100 mm Durchmesser mit einer Zentralbohrung 28
von 25 mm Durchmesser. Der Aluminiumzylinder 44 ist
in der Mitte des Kathodenkopfes 12 zentrisch zu den
Entladungsrohren 11 angeordnet. An beiden
Stirnseiten 30, 31 befindet sich eine
Hohlkathodenringnut 32, deren Breite-Tiefenverhältnis
1 : 3, vorzugsweise 2,5 mm zu 6 mm
ist. Die dick ausgezogenen Oberflächen 33 des
Kathodeninnenraumes 34, d. h. die Stirnseiten 30,
31 der Kathode 27 und die den Stirnseiten 30, 31
gegenüberliegenden sowie die anschließenden
Seitenwände des Kathodeninnenraumes sowie die
Zentralbohrung 28 sind isoliert, vorzugsweise
eloxiert, während die Hohlkathoden 32 metallisch
sind. Selbstverständlich ist es auch möglich,
anstatt einer Eloxalschicht, die Seitenwände
mittels keramischer Materialien, wie z. B. Stenan
oder Folien zu isolieren. Hierdurch wird
vorteilhaft eine größere Dauerbetriebsfestigkeit
der Kathodenflächen 43 erreicht.
Die mit dem Lasergaskreislauf 21 verbundene
Absaugöffnung ist mit 35 bezeichnet.
Über die Leitung 19 und den eloxierten Kathodenkopf
12 steht die Hohlkathode 27 aufgrund des relativ
geringen Widerstandes der Eloxalschicht mit der
Hochspannungsquelle 20 in Verbindung.
Wird der Kathodeninnenraum 34 nicht eloxiert
sondern beispielsweise mittels keramischer
Materialien isoliert, muß zwischen Kathodenkopf 12
und Kathode 27 eine unisolierte Kontaktstelle
freigelassen werden.
Die Potentialverteilung der Hohlkathodenringnutgeometrie
ist in Fig. 2 dargestellt. In der
Nähe der Kathodenwände K existiert ein starkes
radiales Feld E r , während im Zentrum nur ein
schwaches axiales Feld E z vorliegt. Im Bereich der
Hohlkathode 32 ist dabei der Ionisierungsgrad des
Gases um ein vielfaches höher, als in einer
normalen Glimmentladung. Die Ursache dafür ist, daß
die Elektronen die Kathodenfall und negatives
Glimmlicht durchlaufen haben und vom Fallgebiet der
gegenüberliegenden Kathodenwand wieder in die
Gasentladung reflektiert werden. Der hohe
Ionisierungsgrad in der Hohlkathode 32 führt zu
einem stabilen und stationären Verhalten des
Kathodenansatzes der Lasergasentladung.
In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer als Hohlkathode ausgebildeten Kathode 27
dargestellt. Für gleiche Teile der Fig. 1 bis 3
werden in der Fig. 4 gleiche Bezugsziffern
verwendet. In der Fig. 4 sind die Hohlkathoden-
Ringnuten 32 in dem Kathodenkopf zentrisch zu den
zwei Entladungsrohren 11 in den Kathodendeckeln 37,
38 angeordnet. Die beiden Hohlkathoden-Ringnuten
sind von einem durchmessergrößeren Glaszylinder 39
umgeben der an beiden Enden Schlitze 40 aufweist
und in den Kathodendeckeln 37, 38 in Aussparungen
41, 42 gehalten ist. Durch diesen Glaszylinder 39
wird der Lasergasstrahl an den Kathodendeckeln
vorbeigeführt und verhindert somit, daß die
Entladung auf der Innenwandung des Kathodenkopfes
12 brennt.
Claims (8)
1. Schnellgeströmter Axial-Hochleistungs-CO2-Laser
mit mindestens einem lasergasdurchströmten
Entladungsrohr, dem jeweils eine an eine
Hochspannungsquelle angeschlossene Kathode und
Anode zugeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kathode als Hohlkathode (27) ausgebildet
ist.
2. Schnellgeströmter Axial-Hochleistungs-CO2-Laser
nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kathode zwei Kathodenflächen (43)
aufweist und in einem Kathodenkopf (12) mit
tangentialer Lasergasöffnung (35) zentrisch zu
zwei Entladungsrohren (11) angeordnet ist und
jedem Entladungsrohr (11) eine Kathodenfläche
(43) zugeordnet ist.
3. Schnellgeströmter Axial-Hochleistungs-CO2-Laser
nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kathodenflächen (43) in den
Seitenflächen (37) des Kathodenkopfes (12)
angeordnet und als Hohlkathoden-Ringnuten (32)
ausgebildet sind.
4. Schnellgeströmter Axial-Hochleistungs-CO2-Laser
nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ringnuten (32) von einem gemeinsamen
Glaszylinder (39) umgeben sind, dessen Enden
geschlitzt sind.
5. Schnellgeströmter Axial-Hochleistungs-CO2-Laser
nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hohlkathode (27) aus einem
oberflächenisolierten (33) Aluminiumzylinder
(44) mit Zentralöffnung (8) besteht, in dessen
Stirnseiten (30, 31) jeweils eine Hohlkathoden-
Ringnut (32) angeordnet ist.
6. Schnellgeströmer Axial-Hochleistung-CO2-Laser
nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Aluminiumzylinder (44) zwischen den
beiden Entladungsrohren (11) angeordnet ist.
7. Schnellgeströmter Axial-Hochleistungs-CO2-Laser
nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Breite- Tiefenverhältnis der
Hohlkathoden-Ringnut (32) 1 : 3 beträgt.
8. Schnellgeströmter Axial-Hochleistungs-CO2-Laser
nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche (43) der Hohlkathoden-Ringnut
(32) metallisch ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863603818 DE3603818A1 (de) | 1986-02-07 | 1986-02-07 | Schnellgestroemter axial-hochleistungs co(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-laser |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863603818 DE3603818A1 (de) | 1986-02-07 | 1986-02-07 | Schnellgestroemter axial-hochleistungs co(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-laser |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3603818A1 true DE3603818A1 (de) | 1987-08-13 |
Family
ID=6293606
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19863603818 Withdrawn DE3603818A1 (de) | 1986-02-07 | 1986-02-07 | Schnellgestroemter axial-hochleistungs co(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-laser |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3603818A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3928540A1 (de) * | 1989-08-29 | 1991-03-14 | Tzn Forschung & Entwicklung | Laservorrichtung nach dem gastransportprinzip |
EP0565729A4 (de) * | 1991-10-04 | 1993-08-26 | Fanuc Ltd | Laservorrichtung. |
EP4239197A1 (de) * | 2022-02-09 | 2023-09-06 | Ebara Corporation | Vakuumpumpe |
-
1986
- 1986-02-07 DE DE19863603818 patent/DE3603818A1/de not_active Withdrawn
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3928540A1 (de) * | 1989-08-29 | 1991-03-14 | Tzn Forschung & Entwicklung | Laservorrichtung nach dem gastransportprinzip |
US5742627A (en) * | 1991-04-10 | 1998-04-21 | Fanuc, Ltd. | Laser oscillator using a plate-type heat exchanger |
EP0565729A4 (de) * | 1991-10-04 | 1993-08-26 | Fanuc Ltd | Laservorrichtung. |
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EP4239197A1 (de) * | 2022-02-09 | 2023-09-06 | Ebara Corporation | Vakuumpumpe |
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Legal Events
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