DE3782215T2 - Elektrisches entladungssystem in einem gas mit grossem volumen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Verfahren und ein Gerät zur Steuerung eines Gasstroms in einem Laserkanal zwecks Herstellung eines gleichmäßigen, großvolumigen Plasmas, und im besonderen ein Verfahren und ein Gerät zur Herstellung eines durchmischten und gleichmäßig verteilten Gasstroms mit Hilfe der Rückführung nur eines Teils des Gases mit einer Geschwindigkeit, die wesentlich höher ist als die des restlichen Gasstroms.
• Eine der Schwierigkeiten, die bei der Auslegung eines Lasersystems zur Anwendung in einer gewerblichen Umgebung auftreten, ist die Kompaktheit, Größe und Zuverlässigkeit des Systems. Die Laserwirkung wird erzielt, indem ein gasgefülltes Gefäß bzw. ein gasgefüllter Kanal einer elektrischen Entladung ausgesetzt wird, um Plasma zu erzeugen. Die durch die Entladung freiwerdenden Elektronen stoßen mit den aktiven Gasmolekülen zusammen und erregen sie auf höhere Energieniveaus, von denen sie auf niedrigere Energieniveaus zurückspringen und die überschüssige Energie in der Form von Photonen oder Lichtquanten aussenden. Die Partikeldichte auf den höheren Energieniveaus muß größer sein als die auf dem niedrigeren Energieniveau, um eine optimale optische Verstärkung zu erhalten. Die Zugabe von Helium zu einem Gemisch aus Kohlendioxid und Stickstoff ergab eine höhere Leistung.
• Eine elektrische Entladung mit großem Querschnitt, die großvolumige Hohlräume ungeachtet deren Größe oder Form gleichmäßig füllt, ist unverzichtbar zur Entwicklung eines starken und zuverlässigen Lasers für gewerbliche Anwendung. Eine elektrische Entladung hat normalerweise einen nur beschränkten Durchmesser, weil die Temperatur in den verschiedenen Teilen der Entladung nicht gleichmäßig ist. Das führt zu geringeren Dichten und höheren Strömen innerhalb der Plasmasäule und zieht somit die Säule zusammen. Individuelle Vorschaltungen mehrerer Elektroden bieten eine teilweise Lösung durch die Verbreiterung der Emission, aber die einzelnen Ströme tendieren dazu, sich wieder zu vereinigen. Die vernünftige Anwendung und Konstruktion aerodynamischer Kräfte zur Steuerung der Ionen- und Elektronenverteilung in einer großvolumigen Entladung haben einige Fortschritte gebracht und zu einer höheren Kompaktheit und zur Größenreduktion bei gleicher Energieausbeute geführt, im Vergleich zu den bekannten, sehr langen Entladungssystemen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.
• Laser werden eingesetzt, um die Produktionskosten bei Anwendungen wie Schneiden, Schweißen, Bohren, Wärmebehandlung und sonstigen Verfahren zu reduzieren. Laut Veröffentlichungen der Industrie machen jedoch Verkäufe von Lasergeräten nur etwa drei Prozent des Umsatzes der Werkzeugmaschinenindustrie aus. Bisher werden Lasergeräte in der Industrie nur beschränkt eingesetzt wegen mangelnder Zuverlässigkeit, schlechter Strahlqualität, sperriger Größe und großem Gewicht. Diese Probleme, zusammen mit den hohen Kosten je Watt Leistung bei Lasern, haben die Werkzeugmaschinenindustrie und sonstige Industrien, die Lasergeräte einsetzen können, veranlaßt, nur sehr zögernd zu investieren. Als Beispiel für Probleme wegen Größe und Gewicht seien für derzeitige Hochleistungs-Dauerstrich-Laser (1 kW und darüber) die folgenden Maße genannt - Länge 6,71 m [22 ft], Breite 2,14 m [7 ft], Höhe 1,68 m [5,5 ft] - und Gewicht mehrere Tonnen.
• Eine verbesserte Zuverlässigkeit würde die Industrie in die Lage versetzen, Laser in Fertigungsstraßen einzusetzen. Eine verbesserte Strahlqualität würde gewerbliche Anwendungen wie Härten oder Erweichen von Metallen oder Haftmaterial wirtschaftlich machen. Die Miniaturisierung der Geräte würde das Feld der Robotertechnik für neue Anwendungen öffnen. Niedrigere Kosten würde bedeuten, daß andere Geräte durch Lasergeräte ersetzt werden könnten.
• Die US-A-3,581,146 betrifft ein Verfahren, ein Gasentladungsrohrsystems, in dem eine Vielzahl von Rohren von einer einzigen Kraftquelle aus erregt werden, mit einem Vorschaltsystem zu versehen..
• Die US-A-3,735,284 lehrt die Anwendung aerodynamischer Kräfte zur Steuerung der räumlichen Verteilung der Ladung in einem Lasersystem, um ein einheitliches Plasma zu erhalten.
• Die US-A-3,795,838 zeigt ebenfalls die Anwendung aerodynamischer Kräfte zwecks Erzeugens eines gleichförmigen Plasmas in einem Lasersystem. Hier muß darauf hingewiesen werden, daß sowohl dieses als auch das vorher genannte Patent das erwünschte gleichmäßige Plasma durch Umwälzen des gesamten Lasermediums erzielen. Dementsprechend geht ein Teil des durch reduzierte Lasergröße und -gewicht erlangten Vorteils wieder verloren durch die Notwendigkeit, großvolumige Verdichter aufstellen zu müssen.
• Für diese Zusammenhänge und die nachstehend verwendeten Definitionen wird auf die nachfolgenden Druckschriften hingewiesen:
• "An investigation of Ejector Design by Analysis and Experiment" von Keenan, Neumann und Lustwerk; Journal of Applied Mechanics; September 1950; S. 299;
• "Gaseous Conductors - Theory and Engineering Applications"; James D. Cobine Ph. D.; Dover Publications, Inc.; Ausgabe 1958; und
• "Basic Data of Plasma Physics" von Sanborn C. Brown, M.I.T. Press; Ausgabe 1959.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Hochleistungs- Lasersystem ein Gehäuse, ein Lasergasmedium in diesem Gehäuse, einen Laserkanal im Gehäuse, und Mittel zum Unterhalten eines kontinuierlichen Umwälzstroms im Lasergasmedium durch den Kanal; eine Vielzahl von Elektroden sind am stromaufwärtigen Ende des Gehäuses an einem Ende des Kanals angeordnet, und eine Vielzahl von Elektroden sind am stromabwärtigen Ende des Gehäuses am anderen Ende des Kanals angeordnet. Eine elektrische Energiequelle ist mit den Elektroden zwecks Aufbau und Unterhalt der Entladungen in dem Kanal verbunden, und ein Mittel lenkt einen Lichtenergiestrahl aus dem Kanal. Ein Mittel zur gleichmäßigen Verteilung liefert einen gleichmäßigen Plasmastrom im Kanal und eine Druckerhöhung, um den Druckabfall aufgrund der Stromumwälzung durch den Kanal zu kompensieren. Dieses Mittel zur gleichmäßigen Verteilung besteht aus einem Ejektor, der stromabwärts von der jeweiligen stromaufwärts liegenden Elektrode angeordnet ist, um die Gasströme zu mischen und gleichmäßig verteilt in den Laserkanal einzuführen.
• Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen CO&sub2;-Lasersystems, wobei dieses Verfahren umfaßt: Erzeugen einer Vielzahl von parallelen Entladungen zwischen stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Elektroden zwecks Erzeugung einer gleichmäßig großvolumigen Gasentladung im Laserkanal, Führen eines Primärstroms des Lasergasmediums in einem Umwälzweg durch den Kanal, in dem es zum Druckabfall kommt, und Einführen eines Sekundärstroms des Lasergasmediums mit höherem Druck in den Primärstrom durch die Ejektoren, um die gleichmäßige Verteilung der Gasströme, einen Druckanstieg in Höhe des Umwälz-Druckabfalls, und eine Erhöhung des Mengenstroms durch den Kanal zu erzielen.
• Somit wird die ursprünglich für Lasergeräte auf dem Stand der Technik benötigte große Pumpe in Größe, Gewicht und Kapazität Stark verkleinert, was zu einer erhöhten Systemleistung, geringeren Fertigungskosten, einem geringeren Eingangsenergie darf und zu geringeren Kosten je Watt Ausgangsleistung führt. Der Laser ist hoch-zuverlässig und hat eine ausgezeichnete Strahlqualität bei hoher Leistung.
• In den begleitenden Zeichnungen sind:
• Fig. 1 eine Schemaansicht eines Gaslasers einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
• Fig. 2 eine Schnittansicht eines Ejektors, der eine Vielzahl von Lasergasströmen gleichmäßig verteilt;
• Fig. 3 eine Schnittansicht des Ejektors aus Fig. 2, die das Vermischen der Lasergasströme zeigt;
• Fig. 4 eine Schnittansicht des Ejektors aus Fig. 2, die die Radialkomponente des Gasstroms sowie die gleichmäßige Verteilungsgeschwindigkeit des Lasergases zeigt; und
• Fig. 5 bis 8 Längsschnitte durch den Laser, die vier unterschiedliche Mittel zum Anlegen magnetischer Felder an den Lasergasstrom zeigen.
• Wie noch genauer beschrieben wird, sieht diese Ausführungsform das Mischen und Pumpen der Lasergasströme in einem Lasergerät mit einem umgewälzten Primärgasstrom vor. Fig. 1 zeigt einen Gaslaser, dessen Aufbau in Fig. 2, 3 und 4 in weiteren Einzelheiten gezeigt wird. Die Lasergruppe besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 10, das mit Endwänden 12 und 14 verschlossen ist, um ein geschlossenes Gehäuse zu bilden. Konzentrisch mit dem Gehäuse 10 ist ein Laserkanal 16 angeordnet, und ein Spiegel 18 und ein Ausgangskoppler 20 sind an einander gegenüberliegenden Enden des Kanals befestigt. Angrenzend an den Kanal 16 ist ein kegelstumpfförmiges Glied 22 angeordnet mit einer Vielzahl gleichmäßig beabstandeter, zylindrischer Durchgänge oder Rohre 24, 26, die spitzwinklig zur Symmetrieachse des Kanals stehen und als Mischrohre 24, 26 für die Gasströme dienen. Anliegend an die einzelnen Mischrohre sind Hauptdüsen 28, 30 angeordnet. Hohle Elektroden 32, 34 sind konzentrisch innerhalb der jeweiligen Hauptdüsen 28, 30 positioniert und sind über Leiter 56 an eine elektrische Hochspannungsquelle 50 angeschlossen, um die elektrische Entladung zur Erzeugung der Laserwirkung zu bewirken.
• Ein Mittel zur gleichmäßigen Verteilung liefert einen einheitlichen Plasmastrom im Laserkanal 16, um einen Druckanstieg zum Ausgleich des Druckabfalls vom Umwälzstrom durch den Laserkanal 16 zu bewirken. Dieses gleichmäßige Verteilungsmittel setzt lediglich einen Teil des Lasergasmediums unter Druck und fördert den unter Druck stehenden Teil in den Laserkanal 16 mit einer vorgewählten Geschwindigkeit, die im wesentlichen größer ist als die Geschwindigkeit des umgewälzten Primärgases. Dieses gleichmäßige Verteilungsmittel umfaßt eine Vielzahl von Ejektoren, die ringförmig um den Laserkanal 16 angeordnet sind, sowie eine Pumpe 64, die in Stromverbindung zwischen dem Primärgasstrom und den Ejektoren angeschlossen ist. Jeder Ejektor führt einen Sekundärgasstrom zwecks gleichmäßiger Verteilung, Turbulenz, Druckanstieg und Erhöhung des Mengenstroms ein. Als Vorschaltmittel für die Entladungsströme kann eine in der obigen US-A-3,581,146 gezeigte Vorrichtung dienen. Es hat sich herausgestellt, daß ein außergewöhnliches und eigenartiges Merkmal des Ejektors signifikant zur Turbulenz und gleichmäßigen Verteilung der Lasergasströme beiträgt. Die Ejektoren umfassen die Primärdüsen 28, 30 und das zugehörige Mischrohr 26, 24. Wenn die Ejektordüse 28, 30 den Hochgeschwindigkeits-Sekundärgasstrom ausbläst, tritt er in das Mischrohr 24, 26 ein, das eine im allgemeinen zylindrischen Form aufweist, und so wird das Gas vom Primärgasumwälzstrom von den massiven Zusammenstößen zwischen den Gasmolekülen mitgerissen. Aus den Zusammenstößen ergeben sich Wirbel, und diese Wirbel mischen diese verschiedenen Ströme homogen. Die Winkelgeschwindigkeiten dieser Wirbel nehmen mit dem Strömen der vermischten Gase stromabwärts ab. Im Ausgangsbereich des Mischrohrs ist eine aerodynamische Kontur gebildet, zwecks Entwicklung radialer Strömungskomponenten in den vermischten Gasströmen. Das erzeugt im Laserkanal einen homogenen Längsstrom mit einer gleichmäßigen, radialen Geschwindigkeitsverteilung.
• Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen die Mischrohre 24, 26 im Profil und zwar, genauer gesagt, die im Ausgangsbereich ausgebildete aerodynamische Form. Wie aus der Schnittansicht deutlich sichtbar, enden die Rohre 24, 26, auf der einen Seite in einer umgekehrten Kehlleistenform 29, enthaltend eine erste Kurve 31, die in eine zweite Kurve 33 übergeht. Die erste Fläche 31 ist in einem ersten vorgegebenen Radius gekrümmt und erstreckt sich von der Mittellinie des Mischrohrs 24 aus radial nach außen, und die zweite Fläche 33 ist in einem zweiten vorgegebenen Radius gekrümmt und erstreckt sich radial nach innen zur Mittellinie des Mischrohrs 24 zu. Die zweite gekrümmte Fläche 33 liegt zwischen dem Laserkanal 16 und der ersten gekrümmten Fläche 31. Ein der umgekehrten Kehlleistenform 29 gegenüberliegender Radiusabschnitt 35 paßt auf die zweite Kurve. Diese aerodynamische Kontur ist wesentlich für die Ausbildung einer radialen Komponente im Gasstrom am Austritt aus dem Mischrohr. Die Reaktion des Gasstroms auf die Ausgangskontur ergibt einen homogenen Gasstrom im Konturbereich und im Laserkanal mit mikroturbulent-gleichförmiger Geschwindigkeitsverteilung, wie durch die Strömungspfeile und Wellenfrontprofile gezeigt wird. Wenn die Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt nicht gleichförmig ist, werden die langsamer strömenden Bereiche stärker aufgeheizt und diese heißeren Bereiche werden weniger dicht. Das führt zur optischen Störung des Laserstrahls und kann letztlich einen elektrischen Lichtbogen hervorrufen.
• Der Laserkanal 16 ist an den mit den Bezugszahlen 40 und 42 angezeigten Stellen offen, um die Umwälzung des Gases durch das Gehäuse und in die Mischrohre 24, 26 zu ermöglichen, wie durch die Strömungspfeile angezeigt wird. Hohlelektroden 44 und 46 sind an eine elektrische Stromquelle 50 angeschlossen und ergänzen den Entladungskreis. Die Pfeile in den Fig. 1, 2, 3 und 4 zeigen die Gasströme. Der Primärstrom ist der Umwälzstrom, der durch den Kanal 16, aus den Öffnungen 40 und 42 und durch das Volumen zwischen dem Kanal 16 und dem Gehäuse 10 strömt, und wird durch die Ejektoren mitgerissen, die einen verwirbelten Hochgeschwindigkeits-Sekundärgasstrom in das Mischrohr einführen, wie in Fig. 3 ersichtlich ist. Eine Reihe zylindrischer, gerippter Wärmeaustauscher, die allgemein mit der Bezugsziffer 48 gekennzeichnet sind, liegt an den Öffnungen 40, 42, um die Lasergastemperatur zu steuern. Helium steht in den Behältern 52 und 54 unter Druck und wird durch ein Leitungssystem 56, 58 zu den Elektroden 32, 34, 44, 46 geführt.
• Ein Lasergas-Abblassystem zwecks Erzielens optimaler kontinuierlicher und vorhersagbarer Ergebnisse ist vorgesehen, um Verunreinigungen, einschließlich z. B. Öl, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe, aus dem Lasergas abzuziehen. Das System beinhaltet eine Abgaspumpe 60, die über das Rohr 62 mit dem Gehäuse 10 verbunden ist, und ein weiteres Abgasrohr 63 aufweist, das zu einem geeigneten (nicht dargestellten) Auffanggefäß führt. Eine Umwälzpumpe 64 mit positivem Fördervolumen ist über das Rohr 66 mit dem Gehäuse 10 und dem Wärmeaustauscher 68 im wesentlichen wie gezeigt verbunden. Stickstoffgas und Kohlendioxid stehen in den Behältern 70 und 72 unter Druck und sind mit dem Leitungssystem 74 und von dort mit den Primärdüsen 32 und 34 verbunden. Ein katalytischer Konverter 67 wandelt durch chemische Reaktion jedes im System gebildete CO in CO&sub2; um. Eine (nicht dargestellte) elektrische Heizanlage ist vorgesehen, um die Gastemperatur auf geeigneter Höhe zu halten, damit der Konverter 67 auch arbeiten kann. Ein Molekularsieb 69 ist vorgesehen, damit vermieden wird, daß das Gas durch Verunreinigungen vergiftet wird.
• Eine Reihe von Ringmagneten 80, die als Permanentmagneten dargestellt sind, liegen um den Laserkanal 16 und sind darauf der Länge nach beabstandet aufgebracht für einen Zweck, der noch erklärt wird.
• Beim Betrieb der Vorrichtung erzeugt die Umwälzpumpe 64 einen Druck, um einen Hochgeschwindigkeits-Gasstrom durch den katalytischen Konverter 67, den Wärmeaustauscher 68, die Leitung 74, die Ringanordnung von Primärdüsen 28, 30 und die Ringanordnung von Mischrohren 24, 26 in den Laserkanal 16 hervorzurufen. Dieser Strom setzt sich fort durch den Laserkanal 16, aus den Öffnungen 40, 42, um die Leitschaufeln 76, 78, an den Wärmeaustauschern 48 vorbei und wieder zurück zu den Mischrohren 24, 26 in einem Umwälzstrom, wie er im wesentlichen durch die Pfeile gezeigt ist. Der Betrieb des Ejektors beim Mischen und gleichmäßigen Verteilen der Lasergasströme ergibt eine gleichmäßige, großvolumige Gasentladung im Laserkanal. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 und 3 sieht man, daß aus der Primärdüse 28, 30 Gas mit sehr hoher Geschwindigkeit ausströmt und in das betreffende Mischrohr 24, 26 einströmt. Wie in den Figuren dargestellt, tritt eine relativ konische Gasgrenzschicht in das Mischrohr ein und erweitert sich beim Entlangströmen an diesem Rohr nach außen. Die Gasmoleküle des umgewälzten Primärgasstroms werden von der Massengeschwindigkeit dieser Grenzlage mitgerissen. Aus Zusammenstößen zwischen den Gasmolekülen im Gasstrom, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten strömen, entstehen Wirbel und diese Wirbel vermischen und vermengen diese Ströme weitgehend. Die Kreisgeschwindigkeiten dieser Wirbel vermindern sich beim Abströmen dieser vermischten Gasströme und führen zu einer vollständigen Vermischung der Gasströme und zu einem homogenen und einheitlichen Gasgemisch. In einem Beispiel des dieses Systems beträgt das Querschnittsverhältnis der entsprechenden Mischrohre zum Primärdüsenhals etwa 27,5:1. Es wird in Betracht gezogen, daß auch andere Verhältnisse möglich sind: Das angegebene Verhältnis ist nachgewiesenermaßen vorteilhaft.
• Der Laserstrahl tritt durch den Ausgangskoppler 20 in wesentlichen parallel zum Primärgasstrom aus. Durch Umstellen des optischen Systems kann der Strahl so gelenkt werden, daß er quer zur Längsachse des Kanals 16 austritt. Dieses System wird in Fig. 12 der obigen US-A-3,795,838 eindeutig dargestellt. In der vorliegenden Ausführungsform tritt eine Ejektorpumpe mit waagrechter Anordnung an die Stelle des Düsenblocks gemäß Fig. 12 des obigen Patents.
• Bei Lasersystemen mit geschlossenem Gaskreislauf, d.i. ein Gasumwälzsystem, führt die Kontaminierung des Lasergases durch Öl, Staub, Verunreinigungen, Ozon, Kohlenmonoxid oder chemische Reaktionen innerhalb des Systems zu ernsthaften Instabilitätsproblemen bei den Zusatzgeräten und beeinflußt die Energieabgabe und Zuverlässigkeit des Systems durch Vergiftung des Gases. Der katalytische Konverter 67 und das Molekularsieb 69 verhindern die Vergiftung des Gases. Der Wärmeaustauscher 68 leitet Wärme ab und kühlt auf diese Weise das Lasergas auf optimale Temperatur. Eine Abgaspumpe 60 mit den zugehörigen Leitungen 10, 62, 63 ist vorgesehen und ermöglicht die Überwachung der Zusammensetzung des Lasergases durch periodische Probennahme, so daß die optimale Gasmischung, falls erforderlich, durch Einleiten von Frischgas aus den Behältern 52, 54, 70, 72 gewahrt werden kann.
• Jetzt wird auf die Fig. 5 bis 8 einschl. Bezug genommen; es wurde festgestellt, daß bei der Konstruktion von gewerblichen Lasergeräten, bei denen die Kontinuität des Betriebs und die Zuverlässigkeit wesentliche Faktoren sind, ein zusätzliches Magnetfeld, das mit dem Plasmastrom in Wechselwirkung steht, durch Verhindern des Auftretens thermaler Instabilitäten innerhalb der Entladung ein homogenes Entladungsplasma gewährleistet. Solche thermalen Instabilitäten sind angehende Lichtbogen, die sich in Richtung des Gasstroms ausbilden können und, falls sie nicht sofort gelöscht werden, verhindern, daß der Laser seine volle Leistung abgibt. Wenn sich ein solcher Lichtbogen ausbildet, könnte er das laseroptische System verbrennen und zerstören und würde den Laserresonator kurzschließen. Deshalb zeigen Fig. 5 bis 8 verschiedene Ausführungsformen von Mitteln, die den Laserkanal 16 umgeben, um ein Magnetfeld zu erzeugen und thermische und Zusatzgerät- Instabilitäten wechselseitig zu beeinflussen.
• Fig. 5 zeigt das von den Permanentmagneten 80 mit einander gegenüberliegenden Polen erzeugte statische Magnetfeld. In diesem Beispiel leistet die Wechselwirkung zwischen dem Feld und dem Gasstrom keine Arbeit und zieht weder Energie aus dem System ab noch setzt sie Energie zu. Die Kraftlinien erzeugen eine statisches, welliges Feld, dessen Stärke bzw. Intensität in Richtung des Plasmastroms zu- und abnimmt. Beim Durchströmen reagiert der Lasergasstrom mit dem auf diese Weise erzeugten welligen Magnetfeld und verändert das Elektronenflußmuster, indem es den Elektronen eine Geschwindigkeitskomponente erteilt, die rechtwinklig zum Fluß steht, das Wandern der geladenen Partikeln bewirkt und heißere und kältere Bereiche mischt, um so das Entstehen thermischer Instabilitäten zu verhindern. Daraus ergibt sich ein gleichförmigeres Plasma.
• Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, in der ein statisches Magnetfeld durch gleichstromerregte Elektromagneten 78' erzeugt wird. Das Feld reagiert mit dem Lasergasstrom wie im obigen Beispiel und verändert auf diese Weise das Elektronenflußmuster, um ein homogenes Plasma zu erzeugen. Jedoch hat das durch die Spannungsquelle 82 erzeugte Magnetfeld eine variable Intensität und kann extern über die Steuerung der angelegten Gleichspannung gesteuert werden.
• Die Ausführungsform gemäß Fig. 7 weist einen langgestreckten Elektromagneten 84 auf, der um einen wesentlichen Abschnitt des Kanals 16 liegt. Bei Erregung durch eine Gleichspannungsquelle 83 wird ein axial gleichförmig verteiltes Magnetfeld erzeugt, das die Entwicklung thermischer Instabilitäten durch Verteilen der magnetischen Kraftlinien in Richtung des Lasergasstroms verhindert. Die Wirkung dieses Feldes verhindert thermische Instabilitäten durch Führen der geladenen Partikel auf im wesentlichen parallelen Pfaden im Laserkanal.
• Die Ausführungsform gemäß Fig. 8 zeigt einen Oszillator 86, der dem Gleichstromfeld aus der Stromversorgung 85 ein Wechselfeld überlagert. Die Wechselwirkung der zwei Energiequellen mit dem Elektromagnet 84 mit kettenförmig angeordneten Magnetspulen erzeugt ein welliges Magnetfeld im rechten Winkel zur Richtung des Lasergasstroms. Die Energie zum Zusammendrücken und Dehnen des Felds wird vom Oszillator geliefert und bewirkt eine radiale Bewegungsrichtung der geladenen Partikel zum Homogenisieren des Gases. Um das Auftreten von stehenden Wellen zu verhindern, muß die Oszillatorfrequenz um eine Mehrfaches höher liegen, als die Durchflußzeit des Gasstroms.
• Die oben beschriebenen Prinzipien wurden in einem 5 kw Laser verwirklicht. Dabei stellte sich heraus, daß die Höhe der auf diese Weise erzielten Plasmasteuerung Einschränkungen bei der Lasergeometrie aufhebt, so daß großvolumige Resonatorhohlräume gleichmäßig mit Plasma gefüllt werden können, und man auf diese Weise ein optimales optisches System entwickeln kann. Jetzt können sehr große und robuste optische Spiegel eingesetzt werden, die zu einer geringeren Flußdichte führen und auf diese Weise das Verwerfen und die Zerstörung durch Wärme verhindern. Diese Technologie schließt die Notwendigkeit zum Einsatz sehr empfindlicher, zerbrechlicher und aufwendiger optischer Systeme aus, die sich nicht immer für den gewerblichen Einsatz anpassen lassen.
• Es wird erwartet, daß die Anwendung der Plasmasteuerung zum gleichmäßigen Füllen großvolumiger Hohlräume ermöglichen wird, daß ein 5 kw Laser die Abmessungen von etwa 0,61 m [2 Fuß]·0,61 m [2 Fuß]·0,30 m [1 Fuß] haben wird und somit für den Einsatz an einem Robotarm ausgelegt werden kann.
• Vorstehend wurde ein Hochleistungs-Gaslaserentladungssystem hoher Zuverlässigkeit, jedoch mit reduzierter Größe und mit geringem Gewicht beschrieben.

Claims (16)

1. Lasersystem hoher Ausgangsleistung, bestehend aus einem Gehäuse (10, 12, 14), einem in diesem Gehäuse (10, 12, 14) untergebrachten Lasergasmedium, einem Laserkanal (16) in diesem Gehäuse, Mittel zum Erzeugen einer kontinuierlichen Umwälzung dieses Lasergasmediums durch den Kanal, einer Vielzahl von Elektroden (32, 34) am stromaufwärtigen Ende (12) des Gehäuses (10, 12, 14) anliegend an einem Ende des Kanals (16), eine Vielzahl von Elektroden (44, 46) am stromabwärtigen Ende (14) des Gehäuses (10, 12, 14) anliegend am anderen Ende des Kanals (16), eine Quelle elektrischer Leistung (50), die an die Elektroden (32, 34, 44, 46) angeschlossen ist zwecks Aufbaus und Aufrechterhaltens der Entladungen im Laserkanal (16), Mittel zur gleichmäßigen Verteilung zwecks Sicherstellung eines gleichmäßigen Plasmastroms im Kanal und Erzeugen eines Druckanstiegs zum Ausgleich des Druckabfalls aufgrund des Umwälzstroms durch den Kanal (16), wobei diese Mittel zur gleichmäßigen Verteilung einen stromabwärts von der entsprechenden stromaufwärtsliegenden Elektrode (32, 34) angeordneten Ejektor zum Mischen und gleichmäßigen Verteilen von Gasströmen im Laserkanal (16), sowie Mittel zum Auslenken eines Lichtenergiestrahls aus diesem Kanal (16) umfassen.

2. Lasersystem gemäß Anspruch 1, wobei jeder Ejektor eine Primärdüse (28, 30) und eine Mischrohr (26, 24) aufweist und jede Primärdüse (28, 30) an eine Lasergasdruckquelle (64) angeschlossen ist, die außerhalb des Gehäuses (10, 12, 14) liegt.

3. Lasersystem gemäß Anspruch 2, einschließlich eines Wärmeaustauschers (68), der außerhalb des Gehäuses (10, 12, 14) angeordnet ist und in Strömungsverbindung mit der Primärdüse (28, 30) steht.

4. Lasersystem gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei jedes Mischrohr (26, 24) in seinem Ausgangsbereich eine aerodynamische Kontur aufweist.

5. Lasersystem gemäß Anspruch 4, wobei diese aerodynamische Kontur eine Kurve (29) in umgekehrter Kehlleistenform auf einer Seite des Mischrohrs, und einen Radiusabschnitt (35) an der anderen Seite aufweist, um dem Gasstrom beim Ausströmen eine Radialkomponente zu erteilen.

6. Lasersystem gemäß einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Verhältnis des Querschnitts der einzelnen Mischrohre (24, 26) zur Einschnürung der einzelnen Primärdüsen (30, 28) im wesentlichen 27,5:1 beträgt.

7. Lasersystem gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, einschließlich den Laserkanal (16) umgebender Mittel zum Erzeugen magnetischer Felder zur Beeinflussung thermischer und Zusatzgerät-Instabilitäten.

8. Lasersystem gemäß Anspruch 7, wobei diese magnetfelderzeugenden Mittel eine Vielzahl von ringförmigen Permanentmagneten (80) aufweisen, die beabstandet den Laserkanal entlang angeordnet sind und den Kanal (16) umgeben.

9. Lasersystem gemäß Anspruch 7, wobei die magnetfelderzeugenden Mittel eine Vielzahl von Elektromagneten (78), die beabstandet den Laserkanal (16) entlang angeordnet sind, sowie eine Gleichspannungsquelle (82), die an die Elektromagneten angeschlossen ist, aufweisen.

10. Lasersystem gemäß einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 9, wobei in jeder Elektrode (32, 34) ein Durchlaß angebracht ist und sie konzentrisch zu der entsprechenden Primärdüse (28, 30) angeordnet ist, und sie mit einer Heliumgasquelle (52) verbunden ist, um metastabile Heliumatome in die Gasströme einzuführen.

11. Lasersystem gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Lenken des Lichtenergiestrahls aus dem Laserkanal (16) ein Spiegelpaar (18, 20) umfassen, die sich einander gegenüberliegend jeweils an einem Ende des Laserkanals (16) angeordnet sind, um einen ausgehenden Strahl parallel zum Laserkanal (16) zu richten.

12. Lasersystem gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Mittel zum Lenken eines Sichtenergiestrahls aus dem Laserkanal (16) ein optisches System umfassen, das so angeordnet ist, daß es den Strahl quer zum Lasergasstrom und quer zum Laserkanal (16) richtet.

13. Lasersystem gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, wobei die Quelle der elektrischen Leistung (50) Mittel zum Vorsehen einer unabhängigen Stromregulierung für jede Elektrode (32, 34, 44, 46) aufweist.

14. Lasersystem gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, einschließlich eines Wärmeaustauschers (48), der in einer Zwischenstellung zwischen dem Laserkanal (16) und dem Gehäuse (10, 12, 14) angeordnet ist, wobei der kontinuierliche Umwälzstrom des Lasergasmediums durch diesen Wärmeaustauscher (48) strömt.

15. Verfahren zum Betrieb eines CO&sub2;-Lasersystems gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, wobei dieses Verfahren das Erzeugen einer Vielzahl paralleler Entladungen zwischen den stromaufwärts und den stromabwärts liegenden Elektroden (32, 34; 44, 46), um eine gleichmäßig großvolumige Gasentladung im Laserkanal (16) zu erzeugen, das Führen eines Primärstroms des Gaslasermediums auf einem Umwälzpfad durch den Kanal (16), wobei ein Druckabfall auftritt, und Einführen eines Sekundärstroms des Lasergasmediums unter höherem Druck in den Primärstrom durch die Ejektoren zwecks Erzeugens der gleichmäßigen Verteilung, eines Druckanstiegs, der gleich ist mit dem Druckabfall im Umwälzpfad, und Erhöhung des Mengenstroms durch den Kanal beinhaltet.

16. Verfahren gemäß Anspruch 15, einschließlich des Schritts der Einführung eines dritten Gasstroms aus Helium durch die Elektroden (32, 34; 44, 46) zum Einleiten von metastabilen Heliumatomen in die Gasströme sowie Verhinderung der Metallzerstäubung.