DE4127566A1 - Gasentladungslaser - Google Patents

Description

Gasentladungslaser sind in vielen Ausführungen bekannt und werden in vielen verschiedenen Gebieten angewendet. Ein besonderes Interesse findet der CO₂-Laser. Es beruht zum einen auf der im Infrarotbereich bei etwa 10 µm Wellenlänge liegenden Laserstrahlung, die von den meisten Werkstoffen absorbiert wird und zum anderen darauf, daß Leistungen im Gigawatt-Bereich bei Impulsbetrieb und im Milliwatt- bis Kilowatt-Bereich beim Dauerstrichbetrieb mit hohem Wir­ kungsgrad erzielt werden können. Die Anwendung von Gasent­ ladungslasern reicht daher von der industriellen Material­ bearbeitung über den Einsatz in der Meßtechnik bis zur medizinischen Anwendung bei chirurgischen Verfahren. Ent­ sprechend den vielfältigen Aufgaben sind Gasentladungslaser in zahlreichen Dimensionen und Leistungsbereichen bekannt. Seither ist es jedoch noch nicht gelungen, besonders kleine und einfache Ausführungsformen von Gasentladungslasern mit einer relativ hohen Ausgangsleistung und einem hohen Gesamtwirkungsgrad zu verwirklichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasentla­ dungslaser zu schaffen, der sich durch eine geringe Bau­ länge, einen geringen Bauaufwand und einen günstigen Wir­ kungsgrad auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Laserrohr aus einem keramischen Werkstoff guter Wärmeleitfähigkeit besteht, eine glasierte Oberfläche hat und an den Enden auf seiner Außenseite metallisiert ist, daß das Laserrohr zwischen seinen Enden von einer Kühlvor­ richtung umgeben ist und daß als Ringelektroden ausgebil­ dete Endköpfe aus Metall auf die Enden des Laserrohrs auf­ gesteckt und durch ein Metallot mit dem Laserrohr verbunden sind, wobei der eine Endkopf als Kathode einen Endspiegel und der andere Endkopf als Anode einen Auskoppelspiegel enthält und daß ein das Arbeitsgas enthaltendes Gas-Reser­ voir über Ein- bzw. Auslaßöffnungen in den Endköpfen an das Laserrohr angeschlossen ist.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist überraschender­ weise eine Miniaturisierung eines Kohlendioxid-Lasers gelungen, wie sie bisher nicht erreicht worden ist. In einer erprobten Ausführungsform betrug die maximale Bau­ länge des Lasers weniger als 25 cm, wobei mit CO₂ als Arbeitsgas eine stufenlos regelbare Leistung von 1 bis 10 W im Dauerstrichbetrieb möglich war. Das Gewicht des erprob­ ten Kohlendioxid-Lasers lag unter 1 Kilogramm und die Lei­ stungsaufnahme des Gerätes betrug weniger als 100 W.

Als keramischer Werkstoff zur Herstellung des Laserrohrs ist erfindungsgemäß Al₂O₃ vorgesehen. Die vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit dieses Werkstoffs macht es möglich, auf eine aktive Kühlung des Laserrohrs zu verzichten. Noch günstigere Leistungsdaten lassen sich erzielen, wenn nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung das Laserrohr aus AlN mit einer Wärmeleitfähigkeit von 150 W/mK hergestellt wird. Auch BeO mit einer noch beträchtlich höheren Wärme­ leitfähigkeit kommt als Werkstoff zur Herstellung des Laserrohrs in Betracht. Dieses sehr toxische Material erfordert aber besondere Schutzmaßnahmen und ist ver­ gleichsweise teuer.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Kühlvorrichtung aus einem mit Kühlrippen versehenen Kühlkörper aus Metall besteht, der die Mantelfläche des Laserrohrs umgreift, wobei zwischen den Endköpfen und dem Kühlkörper ein Isolierabstand vorgesehen ist. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Laserrohres läßt sich mit einem solchen einfachen Kühlkörper eine ausreichende Kühl­ leistung erreichen, so daß auf eine aktive Kühlung, z. B. einen Kühlkreislauf mit Wasser oder Glykol, verzichtet wer­ den kann. Dies trägt zu einer wesentlichen Vereinfachung des erfindungsgemäßen Gasentladungslasers bei. Als Kühlkör­ per kann vorteilhaft ein konventioneller, für Elektronikge­ räte vorgesehener Strangkühlkörper verwendet werden. Wei­ terhin kann zur Verbesserung des Wärmeübergangs kann zwi­ schen dem Laserrohr und dem Kühlkörper ein Wärmeleitmittel, beispielsweise eine Wärmeleitpaste vorgesehen sein. Zur Erhöhung der Kühlleistung kann zusätzlich der Luftaustausch im Bereich des Kühlkörpers mit Hilfe eines Lüfters gestei­ gert werden.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann zur Bil­ dung eines geschlossenen Systems vorgesehen sein, daß die Ein- bzw. Auslaßöffnungen jeweils durch eine vorzugsweise flexible Leitung mit einem Ende eines Glaskolbens verbunden sind, der das Gas-Reservoir enthält. Das Volumen des Gasre­ servoirs beträgt dabei vorzugsweise etwa das Hundertfache des aktiven Lasergas-Volumens. Es hat sich weiterhin für die angestrebte Miniaturisierung als günstig erwiesen, wenn das Verhältnis von Länge zu Innendurchmesser des Laserroh­ res etwa 15 bis 20 beträgt.

Die Endköpfe des Lasers können nach einem weiteren Vor­ schlag der Erfindung durch ringförmige Drehteile gebildet sein, in die der Endspiegel bzw. der Auskoppelspiegel gas­ dicht eingesetzt sind. Da das Laserrohr und die Endköpfe sehr genau gefertigt und beim Verlöten exakt zueinander ausgerichtet werden können, ist es ausreichend, wenn ledig­ lich der Endspiegel justierbar befestigt ist. Erfindungsge­ mäß kann dies dadurch erreicht werden, daß der Endspiegel mittels dreier Gewindestifte axial gegen einen am Endkopf abgestützten O-Ring spannbar ist.

Für eine Ausführung des erfindungsgemäßen Lasers als Koh­ lendioxid-Laser hat sich eine Gasmischung aus Helium, Stickstoff und Kohlendioxid als besonders geeignet erwie­ sen. Es wurde gefunden, daß eine Gasmischung, die ungefähr 75 Teile Helium, 15 Teile Stickstoff und 10 Teile Kohlendi­ oxid enthält, zu einem stabilen Betriebsverhalten beiträgt. Die Leistung eines Kohlendioxid-Lasers nach der Erfindung läßt sich zwischen 1 und 10 W regeln, indem der Betriebs­ druck der Gasmischung zwischen 20 und 60 mbar, die Spannung zwischen 3,5 und 4,5 kV und der Strom zwischen 6 und 20 mA variiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen als geschlossenes System ausge­ führten Kohlendioxid-Laser im Schnitt.

Der dargestellte Kohlendioxid-Laser besteht aus einem Laserrohr 1, das aus einem keramischen Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist und eine glasierte Ober­ fläche hat. Das Laserrohr 1 ist selbsttragend ausgeführt. Zu seiner Kühlung ist um das Laserrohr 1 ein aus Aluminium bestehender Kühlkörper 2 angebracht. Der Kühlkörper 2 weist eine in Längsrichtung geschlitzte, zentrale Längsbohrung auf, in die das Laserrohr 1 mit geringem Übermaß einge­ drückt ist, so daß der Kühlkörper 2 das Laserrohr 1 mit Vorspannung umgreift. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs vom Laserrohr 1 auf den Kühlkörper 2 wurde die Bohrung des Kühlkörpers 2 vor dem Einsetzen des Laserrohrs 1 zusätzlich mit einer Wärmeleitpaste versehen. Der Kühlkörper 2 weist zahlreiche, sich in Längsrichtung erstreckende Kühlrippen 3 auf, von denen einige an ihren radial äußeren Rändern mit einer Halterung zur Befestigung des Kühlkörpers auf einer Grundplatte oder an einem Gehäuse versehen sind. Der Kühl­ körper 2 dient somit als Träger für das Laserrohr 1 und die damit verbundenen Bauelemente.

Die Enden des Laserrohrs 1 ragen aus dem Kühlkörper 2 her­ aus und sind auf ihrer Außenseite in einem ausreichenden Isolierabstand von dem Kühlkörper 2 metallisiert. Auf die metallisierten Enden ist jeweils ein als hohlzylindrisches Drehteil ausgebildeter Endkopf 4 bzw. 5 aufgesteckt und durch Löten unter Verwendung eines Metallots gasdicht mit dem Laserrohr 1 verbunden. Der durch Löten erzeugte Kera­ mik-Metall-Übergang begünstigt die Wärmeübertragung zwi­ schen dem Laserrohr 1 und den Endköpfen 4, 5. Die Endköpfe 4, 5 bestehen aus Edelstahl und haben die Aufgabe von Ring­ elektroden. Sie sind hierzu über nicht dargestellte Leitun­ gen an eine Spannungsquelle anschließbar. Der Endkopf 4 dient als Anode. Er trägt einen aus ZnSe bestehenden Aus­ koppelspiegel 6, der die Bohrung 7 des Endkopfs 4 gasdicht verschließt. Die Fertigungsgenauigkeit der Endköpfe 4, 5 und ihre genaue Ausrichtung zueinander ermöglicht die direkte Befestigung des Auskoppelspiegels 6 an dem Endkopf 4 ohne Justiermöglichkeit. Der Endkopf 5 dient als Kathode. Er weist einen metallischen Endspiegel 8 auf, der mittels dreier, nicht dargestellter Gewindestifte justierbar ist. Die Abdichtung erfolgt mittels eines O-Rings, auf dem der Endspiegel 8 in axialer Richtung abgestützt ist. Durch den Endspiegel 8 wird die Bohrung 9 des Endkopfes 5 gasdicht verschlossen.

In die Bohrungen 7, 9 der Endköpfe 4, 5 münden radial hül­ senförmige Anschlußstutzen 10, an die jeweils über einen flexiblen Metallschlauch 11 ein Glaskolben 12 angeschlossen ist, der als Gas-Reservoir dient. Das Laserrohr 1, die Boh­ rungen 7, 9 und der Glaskolben 12 sind mit einer Gasmi­ schung aus Helium, Stickstoff und Kohlendioxid gefüllt.

Zum Betrieb des beschriebenen Kohlendioxid-Lasers wird an die Endköpfe 4, 5 eine Spannung von z. B. 3,8 kV angelegt. Der Betriebsdruck liegt bei 45 mbar und der Strom bei 8 mA. Bei dieser Einstellung wird eine Leistung des Kohlendioxid- Lasers von ca. 3 W erreicht. Nach einer anfänglichen, durch die Aufwärmphase des Lasers zu Betriebsbeginn bedingten Leistungsschwankung von nur +/-4% konnte nach einer etwa 20minütigen Betriebsdauer eine Leistungsstabilität von +/- 1,5% festgestellt werden. Die Oberflächentemperatur des Kühlkörpers 2 beträgt nach einer Betriebszeit von einer Stunde lediglich ca. 70^oC bei einer Umgebungstemperatur von 20^oC. Die genannten Daten zeigen, daß mit Hilfe der passi­ ven Kühlung durch den Kühlkörper 2 sehr günstige Betriebs­ werte erreicht werden können.

Die Leistung des beschriebenen Kohlendioxid-Lasers mit geschlossenem System wird begrenzt durch die Aufwärmung des Gasgemischs und dadurch, daß ein Gasaustausch mit dem Gas- Reservoir nur durch Diffusion möglich ist. Wird der beschriebene Laser im Gasdurchfluß betrieben, so läßt sich die Leistung bis auf 10 W steigern, wenn der Betriebsdruck auf 60 mbar, die Spannung auf 4,5 kV und der Strom auf 20 mA erhöht werden. Für diesen Leistungswert von 10 W ergibt sich eine normierte Leistung von etwa 65 W/m. Dieser Wert wird mit den seither bekannten Geräten nur unter optimalen Bedingungen erreicht. Es ist daher überraschend, daß es mit dem beschriebenen, sehr einfachen Aufbau des Lasers unter Verwendung eines Laserrohrs aus keramischem Material, näm­ lich Al₂O₃ und ohne eine aktive Kühlung gelungen ist, eine so hohe Effektivität zu erreichen. Durch Variation des Betriebsdrucks zwischen 20 und 60 mbar und der Spannung zwischen 3,5 und 4,5 kV, wobei der Strom zwischen 6 und 20 mA liegt, läßt sich die Leistung des beschriebenen Kohlen­ dioxid-Lasers zwischen 1 und 10 W stufenlos regeln.

Mit der Erfindung ist es gelungen, einen Kohlendioxid-Laser extrem kleiner Abmessung zu schaffen, mit dem erhebliche Ausgangsleistungen erzielt werden können, obwohl nur kostengünstige und mit geringem Fertigungsaufwand herstell­ bare Bauelemente benötigt werden und zu Gunsten eines ein­ fachen, aber robusten Aufbaus auf jegliche Stabilisierungs- und Optimierungsmöglichkeiten verzichtet wurde. Die konti­ nuierlich einstellbare Ausgangsleistung mit der Möglichkeit einer Amplitudenmodulation bis ca. 1 MHz und die geringe Baugröße bieten viele Anwendungsmöglichkeiten in der Indu­ strie und Medizin. Eine bevorzugte Anwendung findet der beschriebene Kohlendioxid-Laser in der Gasanalytik zum Nachweis von Spurengasen mittels photoakustischer Nachweis­ methoden.

Der beschriebene Gasentladungslaser eignet sich auch für den Einsatz anderer Arbeitsgase. Beispielsweise kann Lach­ gas (N₂O) als Arbeitsgas eingesetzt werden, welches wegen der damit erreichbaren Wellenlänge für optische Analysever­ fahren von großem Interesse ist.

Claims (18)

1. Gasentladungslaser mit einem ein Arbeitsgas enthalten­ den Laserrohr, in dem zwischen Elektroden eine elektri­ sche Entladungszone gebildet ist, dadurch gekennzeich­ net, daß das Laserrohr (1) aus einem keramischen Werk­ stoff guter Wärmeleitfähigkeit besteht, von einer Kühl­ vorrichtung (2, 3) umgeben ist und an seinen aus der Kühlvorrichtung (2, 3) herausragenden Enden als Ring­ elektroden ausgebildete Endköpfe (4, 5) aus Metall trägt, die gasdicht mit dem Laserrohr (1) verbunden sind und von denen der eine als Kathode einen Endspie­ gel (8) und der andere als Anode einen Auskoppelspiegel (6) enthält, und daß über Öffnungen (10) in den Endköp­ fen (4, 5) an das Laserrohr (1) ein Arbeitsgas enthal­ tendes Gas-Reservoir (12) angeschlossen ist.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Laserrohrs (1) metallisiert sind und daß die Endköpfe (4, 5) durch Löten mit einem Metallot mit dem Laserrohr (19 verbunden sind.

3. Laser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserrohr (1) aus Al₂O₃ besteht.

4. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserrohr (1) aus AlN besteht.

5. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserrohr (1) aus BeO besteht.

6. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung aus einem mit Kühlrippen (3) versehenen Kühlkörper (2) aus Metall besteht, der die Mantelfläche des Laserrohrs (1) umgreift, wobei zwischen dem Kühlkörper (2) und den Endköpfen (4, 5) ein Isolierabstand besteht.

7. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kühlkörper (2) und dem Laserrohr (1) ein Wärmeleitmittel vorgesehen ist.

8. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Belüftung des Kühlkörpers (2) ein Lüfter vorgesehen ist.

9. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines geschlossenen Systems die Öffnungen (10) in den Endköpfen (4, 5) durch eine vorzugsweise flexible Leitung (11) mit einem Glaskolben (12) verbunden sind, der das Gas-Reservoir enthält.

10. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Gas-Reservoirs (12) etwa das Hundertfache des aktiven Lasergasvolumens beträgt.

11. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge zu Innen­ durchmesser des Laserrohrs (1) etwa 15 bis 20 beträgt.

12. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endköpfe (4, 5) durch ringför­ mige Drehteile gebildet sind, in die der Endspiegel (8) bzw. Auskoppelspiegel (6) gasdicht eingesetzt sind.

13. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Endspiegel (8) mittels dreier Gewindestifte axial gegen einen am Endkopf (5) abge­ stützten O-Ring spannbar ist.

14. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsgas ein Helium-Stick­ stoff-Kohlendioxid-Gemisch vorgesehen ist.

15. Laser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmischung ungefähr 75 Teile Helium, 15 Teile Stick­ stoff und 10 Teile Kohlendioxid enthält.

16. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsdruck des Arbeitsgases im Bereich von 20 bis 60 mbar regelbar ist.

17. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung zwischen 3,5 und 4,5 kV regelbar ist.

18. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auskoppelspiegel (6) aus ZnSe besteht.