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Die Erfindung betrifft einen durch eine HF-Entladung
angeregten Laser zum Erzeugen eines Laserstrahls hoher Energie
zum Schneiden von metallischen Werkstücken o.ä., und
insbesondere einen durch eine HF-Entladung angeregten Laser, der
zu einem stabilen HF-Entladungspumpen imstande ist.
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Mit HF-Entladung angeregte Laser mit axialer CO&sub2;-Strömung
finden wegen ihrer Vorteile, einer hohen Ausgangsleistung
und stabiler Oszillation breite Anwendung.
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Ein bekannter, mit HF-Entladung angeregter Laser mit axialer
Strömung ist in Fig. 9 der Zeichnung dargestellt. Dieser
Laser umfaßt ein Entladungsrohr 1 mit vier Rohrsegmenten. Das
Entladungsrohr 1 kann aber auch jede gewünschte Anzahl
Rohrsegmente abhängig von der Ausgangsleistung aufweisen. Ein
Spiegel 2 mit vollständiger Reflexion und ein
Auskoppelspiegel 3 sind genau an den Enden des Entladungsrohres 1
angeordnet. Mit 4 ist ein austretender Laserstrahl
bezeichnet. Die Segmente des Entladungsrohrs 1 haben
Gaseinlaß- und -auslaßkanäle, die mit einem einzigen Roots-Gebläse
7 verbunden sind. Kühleinheiten 5, 6 dienen zum Kühlen des
bei der Entladung erwärmten Lasergases und des
Roots-Gebläses 7. Das Lasergas strömt im Entladungsrohr 1 und den
Gasanschlußrohren in Richtung der Pfeile.
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Elektroden 8a, 8b bis 11a, 11b sind an entsprechende HF-
Energiequellen 12, 13, 14, 15 angeschlossen. Das Gas strömt
im Entladungsrohr 1 mit einer Geschwindigkeit von etwa 100
m/s. Eine elektrische Entladung wird in dem Entladungsrohr 1
durch Anlegen einer HF-Spannung von Seiten der
HF-Energiequellen
12 bis 15 erzeugt, um eine Laseroszillation zu
generieren.
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Die Schaltung eines Entladungsrohrsegmentes des bekannten
Lasers ist in Fig. 10 dargestellt. Mit 12 ist eine
HF-Energiequelle bezeichnet und 16 ist eine Anpasserschaltung zum
Anpassen der Impedanz zwischen der HF-Energiequelle 12 und
dem Entladungsrohr 1. Die Ausgänge der HF-Energiequelle 12
sind über die Anpaßschaltung 16 mit den Elektroden 8a, 8b
des Entladungsrohres 1 verbunden, wobei die Elektrode 8b
geerdet ist.
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Mit dieser HF-Entladungslaseranordnung variiert jedoch die
Laserausgangsleistung in zyklischen Perioden von etwa
mehreren Hz. Diese Leistungsfluktuation ist in Fig. 11
dargestellt, in der die Zeit auf der horizontalen Achse und die
Ausgangsleistung auf der vertikalen Achse aufgetragen ist.
Wie Fig. 11 zeigt, hat die Laserleistungsfluktuation die
Größe von etwa 40 W bei einer Ausgangsleistung von rund 800
W.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen mit HF-Entladung
angeregten Laser zu schaffen, der das vorgenannte Problem
löst und zu einer stabilen HF-Entladung fähig ist.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein durch HF-
Entladung angeregter Laser vorgesehen, mit einem
Gasentladungslaserrohr mit mehreren Elektrodenpaaren und einer
entsprechenden Anzahl von HF-Energiequellen zum Erzeugen der
Laseroszillation und mit entsprechend mehreren
LC-Anpaßschaltungen zum Impedanzanpassen zwischen den
HF-Energiequellen und dem Laserrohr, wobei jede Anpaßschaltung 2 in
Reihe geschaltete Kapazitäten zur Überbrückung je eines
Elektrodenpaares aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verbindung zwischen den Kapazitäten an Masse geschaltet ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein durch HF-
Entladung angeregter Laser vorgesehen, mit einem
Gasentladungslaserrohr mit mehreren Elektrodenpaaren und einer
entsprechenden Anzahl von HF-Energiequellen zum Erzeugen der
Laseroszillation und mit entsprechend mehreren
LC-Anpaßschaltungen zum Impedanzanpassen zwischen den
HF-Energiequellen und dem Laserrohr, wobei jede Anpaßschaltung 2 in
Reihe geschaltete Kapazitäten zur Überbrückung je eines
Elektrodenpaares aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jede
Anpaßschaltung gegenüber jeder HF-Energiequelle durch eine
Gleichstromtrennung isoliert ist und nicht an Masse
geschaltet ist, und dar jede Anpaßschaltung eine symmetrische
Schaltung ist.
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Das vorgenannte Problem beruht auf einem gegenseitigen Strom
infolge einer Gasströmung zwischen den
Entladungsrohrsegmenten sowie auf einem Strom infolge einer gegenseitigen
Impedanz der die Entladungsrohrsegmente tragenden Träger.
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Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung werden die Einflüsse
des gegenseitigen Stroms und der gegenseitigen Impedanz
durch Erden der Verbindung in der Anpaßschaltung eliminiert.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung werden die Einflüsse
der vorgenannten Ströme eliminiert, indem die Anpaßschaltung
durch eine Gleichstromtrennung von der HF-Energiequelle
isoliert wird.
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Die Zeichnung zeigt:
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Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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Fig. 3 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform
der Erfindung;
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Fig. 4 ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform
der Erfindung;
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Fig. 5 ein Blockschaltbild einer fünften Ausführungsform
der Erfindung;
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Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Fluktuation der
Laserausgangsleistung gemäß den erfindungsgemäßen
Ausführungsformen;
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Fig. 7 zur Darstellung eines elektrischen Stroms zwischen
den Entladungsrohrsegmenten;
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Fig. 8 ein Diagramm einer der Anordnung in Fig. 7
äquivalenten Schaltung;
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Fig. 9 eine Ansicht eines konventionellen durch
HF-Entladung angeregten Lasers mit axialer Strömung;
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Fig. 10 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung eines
einzigen Entladungsrohrsegmentes an einem
konventionellen durch HF-Entladung angeregten Lasers;
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Fig. 11 zur Darstellung einer Fluktuation der
Laserausgangsleistung des konventionellen durch
HF-Entladung angeregten Lasers.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in
bestmöglicher Realisierung anschließend näher anhand der
Zeichnung erläutert.
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Zunächst wird die Interferenz zwischen
Entladungsrohrsegmenten beschrieben. Um abzukürzen, werden
Entladungsrohrsegmente mit jeweils zwei Elektroden beschrieben. Fig. 7 zeigt
eine Anordnung zur Erläuterung, wie zwischen den
Entladungsrohrsegmenten ein elektrischer Strom zustandekommt. Die
Entladungsrohrsegmente 1a, 1b haben Elektroden 8a, 8b und
9a, 9b, an die von HF-Energiequellen 12, 13 HF-Spannungen
angelegt sind. Das Bezugszeichen A repräsentiert einen
gegenseitigen Strom infolge einer Gasströmung zwischen den
Entladungsrohrsegmenten 1a, 1b und einer Impedanz eines das
Entladungsrohr abstützenden Trägers.
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Ein Ersatzschaltbild der Anordnung in Fig. 7 ist in Fig. 8
dargestellt. Diese zeigt einen Strom 11 aus der
HF-Energiequelle 12 in Fig. 7, einen Strom I&sub2; aus der HF-Energiequelle
13 der Fig. 7 und einen gegenseitigen Strom I&sub0; zwischen den
beiden an die Energiequellen 12, 13 gekuppelten Schaltungen.
In Fig. 8 gibt es ferner eine gegenseitige Impedanz Z&sub0;
gemeinsam für einen Strom infolge der Gasströmung und einen
HF-Strom infolge der Impedanz des das Entladungsrohr 1
abstützenden Trägers, zwei gleich grobe Impedanzen Z&sub1;&sub1;, Z&sub1;&sub2;,
in welche die Impedanz des Entladungsrohrsegmentes 1a
unterteilt ist, und zwei gleich große Impedanzen Z&sub2;&sub1;, Z&sub2;&sub2;, in
welche die Impedanz des Entladungsrohrsegmentes 1b
unterteilt ist. Ferner sind die Spannung e1 und die Kreisfrequenz
ω&sub1; der HF-Energiequelle 12 dargestellt sowie die Spannung e2
und die Kreisfrequenz ω&sub2; der HF-Energiequelle 13. Diese
Spannungen bestimmen sich wie folgt:
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e1 = E&sub1;sinω&sub1;t
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e2 = E&sub2;sinω&sub2;t,
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dann ergibt sich für den Strom I&sub1;
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wobei
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ω&sub3; = ω&sub1; - ω&sub2;
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ω&sub4; = ( ω&sub1; + ω&sub2; )/2
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k = (Ima - Imb)/(Ima + Imb) x tan (ω&sub1; - ω&sub2;)t/2
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Ima = E&sub1; {(Z&sub2;&sub1; + Z&sub2;&sub2;)(Z&sub1;&sub2; + Z&sub0;) + Z&sub2;&sub1;Z&sub2;&sub2;}/ Z
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Imb = - E&sub2;Z&sub1;&sub2;Z&sub2;&sub2;/ Z
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Wenn man
die Verbindung zwischen den Energiequellen e1 und
e2 an Masse schaltet, so gilt folgende Gleichung:
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Imb = - E&sub2;Z&sub1;&sub2;(Z&sub2;&sub1; - Z&sub2;&sub2;)/ Z
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Da Z&sub2;&sub1; und Z&sub2;&sub2; allgemein gleich grob sind, ist
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Imb = 0
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und da
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I&sub1; = Ima sinω&sub1;t
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Ima = E1/(Z&sub1;&sub1; + Z&sub1;&sub2;)
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Somit kann die Interferenz zwischen den
Entladungsrohrsegmenten 1a, 1b vermieden werden, wenn man die Verbindung
zwischen den Energiequellen e1, e2 an Masse schaltet.
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Aus dem Ersatzschaltbild der Fig. 8 ist ersichtlich, dar ein
gegenseitiger Strom I&sub0; fließt, da die beiden an ihre
Energiequelle geschalteten Schaltungen eine gemeinsame
Masseschaltung aufweisen. Deshalb kann kein gegenseitiger Strom
I&sub0; fließen, wenn die Masseschaltung aufgetrennt wird. Dies
kann man dadurch erreichen, dar die Entladungsrohrsegmente
gegenüber den HF-Energiequellen hinsichtlich des
Gleichstroms getrennt werden.
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten
Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist die Verbindung für eine HF-
Energiequelle geerdet.
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Eine HF-Energiequelle 12 und eine Anpaßschaltung 16 zum
Anpassen des Entladungsrohres 1 an die HF-Energiequelle 12 mit
Induktivitäten L1, L2 und Kapazitäten C1, C2, C3 sind
dargestellt. Die Anpaßschaltung 16 ist eine symmetrische
Schaltung wie Fig. 1 zeigt. Am Entladungsrohr 1 sind die
Elektroden 8a, 8b vorgesehen.
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Wie vorstehend näher erläutert wurde, wird die Verbindung
zwischen den Kapazitäten C1, C2 geerdet, um eine Interferenz
zwischen den Entladungsrohrsegmenten zu verhindern. Da die
Anpaßschaltung 16 eine symmetrische Schaltung ist, ergibt
sich das gleiche Resultat, wenn man einen Punkt in der
Schaltung erdet, soweit die Impedanz in zwei gleich grobe
Impedanzen unterteilt ist, nämlich gesehen vom
Entladungsrohr 1 aus zur Hochfrequenzenergiequelle 12.
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Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die
sich von der ersten darin unterscheidet, dar am Ausgang der
Anpaßschaltung 16 zwei Kapazitäten C2, C3 angeordnet sind.
Die Verbindung zwischen den Kapazitäten C2, C3 ist geerdet.
Wie bereits erläutert, kann die Anpaßschaltung 16, da sie
eine symmetrische Schaltung ist, entweder eingangs- oder
ausgangsseitig geerdet werden. Ob die Anpaßschaltung einlaß-
oder auslaßseitig geerdet wird, bestimmt man mit Rücksicht
auf die Bedingungen für die Unterbringung der Komponenten
des Lasers.
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Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit
einer HF-Energiequelle 12, einer Anpaßschaltung 16 für die
Anpassung zwischen der HF-Energiequelle 12 und einem
Entladungsrohr 1 und mit einer Induktivität L und Kapazitäten
C1, C2, C3 für die Anpaßschaltung 16. Das Entladungsrohr 1
hat die Elektroden 8a, 8b. Wie beim ersten und zweiten
Ausführungsbeispiel ist die Verbindung zwischen den Kapazitäten
C2, C3 geerdet, um Interferenz zwischen den
Entladungsrohrsegmenten zu vermeiden. Hier ist jedoch die Anpaßschaltung
16 nicht symmetrisch. Eine vierte Ausführungsform gemäß Fig.
4 unterscheidet sich von der der Fig. 3 darin, dar die
Anpaßschaltung 16 eine umgekehrte L-Schaltung ist. Die anderen
Einzelheiten der vierten Ausführungsform sind die gleichen
wie in Fig. 3.
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Gemäß einer fünften Ausführungsform in Fig. 5 wird eine
Anpaßschaltung gegen eine HF-Energiequelle
gleichspannungsgetrennt. Es ist eine HF-Energiequelle 12 vorgesehen und
eine Anpaßschaltung 16 für die Anpassung zwischen der HF-
Energiequelle 12 und einem Entladungsrohr 1, die
Induktivitäten L1, L2 und Kapazitäten C1, C2, C3 aufweist. Ein Trenn-
Transformator T1 isoliert die HF-Energiequelle 12 und die
Anpaßschaltung 16 gegen den Übergang von Gleichstrom. Die
Anpaßschaltung 16 ist auch in Fig. 5 eine symmetrische
Schaltung. Das Entladungsrohr 1 hat die Elektroden 8a und
8b, wobei die Elektrode 8b nicht geerdet ist.
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Mit dieser Anordnung wird eine Schleife vermieden, in der
der in Fig. 8 beschriebene gegenseitige Strom I&sub0; fließen
kann, so daß Strominterferenz zwischen den
Entladungsrohrsegmenten vermieden ist.
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Fig. 6 zeigt die Form der mit den Ausführungsformen der Fig.
1, 2, 3 und 4 erzeugten Ausgangsleistung des Lasers. Auf der
horizontalen Achse ist die Zeit und auf der vertikalen Achse
die Ausgangsleistung aufgetragen. Gemäß Fig. 6 beträgt die
Schwankung bzw. Fluktuation der Ausgangsleistung bei etwa
800 W = 10 W oder weniger. Deshalb ist die Schwankung der
Leistung im Vergleich mit der Leistungsschwankung der Fig.
11 verringert.
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Mit der Ausführungsform gemaß Fig. 5 laßt sich im
wesentlichen der gleiche, in Fig. 6 dargestellte Vorteil erzielen.
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Gemäß der erstgenannten vorbeschriebenen Erfindung ist die
Interferenz zwischen den Entladungsrohrsegmenten eliminiert,
da die Verbindung der Reaktanz geerdet ist, womit
Schwankungen der Ausgabgsleistung stark verringert sind.
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Gemäß der zweiten Erfindung wird die Anpaßschaltung für
Gleichspannung gegenüber der HF-Energiequelle isoliert, um
einen Stromfluß zwischen den Entladungsrohrsegmenten zu
verhindern. Demzufolge wird Interferenz zwischen den
Entladungsrohrsegmenten eliminiert. Die zweite Erfindung bietet
den gleichen Vorteil wie die erste Erfindung.