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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gaslaser-Oszillator
mit Mikrowellenanregung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
einen Gaslaser-Oszillator, dessen optische Achse mit der Achse einer
Entladungsröhre übereinstimmt,
und der insbesondere für
eine hohe Leistung und einen guten Strahlmodus, guten Strahlbetrieb
und gute Strahlverteilung geeignet ist.
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In
den vergangenen Jahren sind Hochleistungs-Gaslaser-Oszillatoren von hoher Ausgangsleistung
in großem
Umfang verwendet worden und werden zur Bearbeitung von Materialien
großer
Härte und
hohen Schmelzpunktes, z.B. Metallen und Keramiken, verwendet. Als
ein Beispiel des konventionellen Gaslaser-Oszillatorsystems ist
in 7 ein CO2-Gaslaser-Oszillator mit axialem Hochgeschwindigkeitsfluß gezeigt.
Der Laseroszillator von 7 weist folgende Elemente auf:
eine Entladungsröhre 1,
z. B. aus Glas oder einem ähnlichen
dielektrischen Material, einen Reflektor 6, der an einem
Ende der Entladungsröhre 1 angeordnet
ist, einen Teilreflektor 7, der an dem anderen Ende der
Entladungsröhre 1 angebracht
ist, zwei Paare von Elektroden 2, 3 und 2, 3,
außerhalb
und an den jeweiligen Endteilen der Entladungsröhre 1, einen Mikrowellenoszillator 4,
der so verbunden ist, daß er
Radiofrequenzleistung oder Mikrowellenleistung über die Elektroden 2 und 3 eingibt,
ein Gaszirkulationssystem 10, welches ein Gaszirkulationsgebläse 13 und
einen ersten Wärmetauscher 11,
der in einem Teil des Zirkulationsrohrs angeordnet ist, welches
zwischen dem Zentralteil 101 der Entladungsröhre 1 und
dem Gebläse 13 angeordnet
ist, und einen zweiten Wärmetauscher 12 aufweist,
der in dem Gaszirkulationsrohr an dem Teil unmittelbar an der stromabwärtigen Seite
des Gebläses 13 angebracht
ist.
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In
der oben beschriebenen Anordnung ist der Betrieb wie folgt:
Radiofrequenzleistung
oder Mikrowellenleistung wird von dem Oszillator 4 über die
Elektroden 2 und 3 eingegeben, um damit ein elektromagnetisches
Feld von Radiofrequenz oder Mikrowellen in der Richtung senkrecht
zu der optischen Achse des Laseroszillators anzulegen, so daß Glühentladungen
in Entladungsbereichen zwischen einem jeweiligen Paar von Elektroden 2 und 3 erzeugt
werden. Das Lasergas, das durch den jeweiligen Entladungsbereich 5, 5 gelangt,
wird durch das Gewinnen von Energie aus der Entladung angeregt,
und das Lasergas geht in einen Resonanzzustand in einem optischen
Resonator über,
der durch den Reflektor 6 und den Teilreflektor 7 gebildet
wird. Entsprechend wird die Laseroszillation in dem optischen Resonator
erzeugt, der in der Entladungsröhre 1 ausgebildet
ist, und der erzeugte Laserstrahl 8 wird durch den Teilreflektor 7 ausgegeben.
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Als
ein Verfahren zum Entnehmen einer hohen Leistung in dem konventionellen
Laseroszillator, wie in 7 gezeigt, gab es eine Möglichkeit,
einen großen
Innendurchmesser der Entladungsröhre 1 zu wählen, um
dadurch einen Laserstrahl 8 mit großem Durchmessers zu gewinnen.
Die Frequenz der konventionellen Radiofrequenz-Leistungsquelle ist überwiegend
27,12 MHz oder niedriger in Abhängigkeit von
der Regulierung. Der Zustand der Entladung (nämlich der Umfang der Entladung)
in der Entladungsregion 5, die durch Anlegen des elektrischen Radiofrequenzfeldes über die
Elektroden 2 und 3 in einer Richtung senkrecht
zu der optischen Achse gewonnen wird, ändert sich in Abhängigkeit
von den Bedingungen des Innendurchmessers der Entladungsröhre 1 oder
der Dicke der Entladungsröhre 1 oder
der Länge
und dem Krümmungsdurchmesser der
Elektroden. Wenn der Innendurchmesser der Entla dungsröhre 1 vergrößert wird,
werden die Entladungen in einer schmalen Region 5 konzentriert,
die durch schmale Regionen definiert sind, die sich zwischen den
zwei gegenüberliegenden
Elektroden 2 und 3 in den Entladungsregionen 5, 5 befinden.
Weiterhin gibt es eine andere konventionelle Elektrodenanordnung,
die ein Paar von ringförmigen
Elektroden (nicht gezeigt) aufweist, an die Radiofrequenz- oder Mikrowellenleistung
an den jeweiligen Enden der Entladungsröhre angelegt wird, oder es
wird eine Mikrowellenleistung von 500 MHz oder mehr durch eine Wellenführung auf
eine Weise angelegt, daß ihr
elektrisches Mikrowellenfeld senkrecht zu der optischen Achse der
Entladungsröhre
ist, um Entladungen zu gewinnen. Diese oben beschriebenen Beipiele
des Standes der Technik ergeben jedoch keine zufriedenstellenden
Resultate. Zum Beispiel zeigt 9 einen
Entladungszustand in dem Entladungsbereich unter einer solchen Mikrowellenanwendung.
Wie in 9 gezeigt, wird als ein Ergebnis des Skin-Effektes
der Mikrowelle die Entladung nur in dem ringförmigen Bereich erzeugt, der
nur der Innenwand der Entladungsröhre 1 gegenüberliegt.
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10 zeigt
Beziehungen von Entladungszuständen,
Kleinsignalverstärkungsverteilungen
und Strahlform für
drei Zustände
von Entladungen, nämlich
(A) – Entladung
von 8, (B) – Entladung
von 9 und (C) – Entladung
in dem ganzen Bereich im Fall von Gleichstrom (DC). Wie in 10 gezeigt, werden
die Kleinsignalverstärkungsverteilung
und die Strahlform, d. h. das Brennmuster, durch den Zustand der
Entladung beeinflußt.
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Der
Ausgangslaserstrahl 8 wird gebündelt und für Laserbearbeitung etc. verwendet
und eine gleichmäßige Entladung,
die durch (C) in 10 gezeigt wird und die eine Kleinsignalverstärkungsverteilung
besitzt, die fast im Gauss-Zustand ist, ist am wünschenswertesten. Bei tatsächlicher
Bearbeitung ist die Strahlform jedoch dafür anfällig, eine nicht gleichmäßige Form
anzunehmen, wie in dem Entladungszustand (A) oder (B) gezeigt. Wenn
Schneiden oder eine ähnliche
Bearbeitung durchgeführt
wird, entstehen durch Verwendung eines solchen Strahles mit ungenauer
Verteilung nicht wünschenswerte
Probleme der Ausrichtung in der Schneidbearbeitung im Falle des
Entladungszustandes (A) oder schlechter Konvergenz des Laserstrahls
im Falle des Entladungszustandes (B).
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In
der bekannten DC-Entladung des Lasers dehnt sich die Entladung im
allgemeinen im ganzen Entladungsbereich leicht aus, und es sind
keine besonderen Maßnahmen
nötig.
In letzter Zeit wird jedoch der DC-Entladungs-Gaslaser weniger verwendet,
da sein Elektrodenverbrauch periodische Wartungsmaßnahmen
erfordert. Dementsprechend hat in letzter Zeit der Radiofrequenz-
oder Mikrowellenlaseroszillator in großem Umfang Anwendung gefunden.
In solch einer Radiofrequenz- oder Mikrowellenlaseroszillation ist
es jedoch im allgemeinen schwierig, den Entladungsbereich in den
ganzen Raum des Abschnitts der Entladungsröhre auszudehnen. Entsprechend
sind solche Versuche, wie in 11 gezeigt,
vorgeschlagen worden, in denen mehrere Elektrodenpaare so kombiniert
sind, daß ein
gleichförmigerer
Entladungsbereich in der Entladungsröhre 1 gewonnen wird,
und wie in 12 gezeigt, in der eine Entladungsröhre mit
kleinem Durchmesser, die einen kleinen Durchmesser 2t hat, der nur
zweimal so groß wie
die Dicke t des Entladungsbereiches in der Entladungsröhre ist,
so daß der
Nichtentladungsbereich eliminiert wird. Solche konventionellen Möglichkeiten
haben jedoch jeweilige Probleme der Verkomplizierung der Anordnung
und des Betriebes und eine kürzere
Lebenszeit der Entladungsröhre
aufgrund der Konzentration der Entladung in einem Bereich kleinen
Durchmessers.
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Eine
andere Schrift des Standes der Technik, die US-PS 4,780,881 zeigt
eine Anordnung, in der ein Entladungsgas von einer einzelnen gasblasenden Röhre mit
großem
Durchmesser, die tangential zu dem kreisförmigen Abschnitt der Entladungsröhre angeordnet
ist, geblasen wird. Diese Schrift des Standes der Technik schlägt jedoch
keine Eliminierung des Nichtentladungs-Bereiches in dem kreisförmigen Querschnitt
der Entladungsröhre
vor.
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Weiterhin
wurde, wie in der veröffentlichten japanischen
Patentanmeldung Hei 3-123089 (Tokkai Sho 3-123089) gezeigt, durch
Erzeugen einer Turbulenz des Entladungsgases, das in die Entladungsröhre eingegeben
wird, eine Erhöhung
der Radiofrequenzleistung erreicht. Diese Turbulenz gab jedoch wahrscheinlich
aufgrund von Innenwandrillen bzw. -erhebungen keinen guten Zustand
des Laserstrahls.
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Weiterhin
gab es für
den DC-Entladungstyp-Gaslaser-Oszillator einen Vorschlag, das Entladungsgas
schraubenförmig
fließen
zu lassen, um eine unerwünschte
Erzeugung eines Entladungsbogensbereiches zu verhindern, wie in
dem US-Patent 4,672,621
von Horiuchi gezeigt wird. Die oben erwähnte Schrift von Horiuchi schlug
jedoch keine Verbesserung des Laserstrahlzustandes in der Radiofrequenz-
oder Mikrowellenentladung vor.
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In
SEHGAL, S.K., NUNDY, U., CHATTERJEE, U.K.: Transverse mode selection
in a convectively cooled cw-CO2 laser with
a cyclonic flow configuration, US-Z.: Rev. Sci. Instrum. 62 (7),
July 1991, S. 1717–1720
ist eine starke zyklonströmungsinduzierte
Entladungsbegrenzung beschrieben, um die TM-Moden niedriger Ordnung
in einem cw-CO2-Hochleistungslaser mit schneller
Axialströmung
auszuwählen.
Der Strahl wird dazu verwendet, in Anodennähe entweder ein Strömungsprofil
mit radialer Einströmung
oder mit tangentialer Einströmung
zu erzeugen.
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Zusammenfassend
gesagt, in dem Radiofrequenz- oder Mikrowellen-Hochleistungsgaslaser-Oszillator
des Standes der Technik kann der Nichtentladungsbereich der Querschnittsebene
der Entladungsröhre 1,
insbesondere in dem Zentralteil des Querschnitts, nicht eliminiert
werden.
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Der
oben beschriebene Stand der Technik erfordert spezielle Gestaltungen
der Elektrodenform (Durchmesserbreite und Länge und Abstand zu der Entladungsröhre) oder
eine zusätzliche
Anpassung der Elektrodenform und einen Radiofrequenz- oder Mikrowellenoszillator,
um eine Ungleichförmigkeit
der Entladung aufgrund einer Abweichung der Elektrodenanordnung
und Elektrodengröße von dem
Konstruktionsentwurf zu minimieren. Eine solche Anpassung erfordert
eine lange Zeit bei fachmännischer
Arbeit. Weiterhin resultiert die kleine Dimensionierung der Entladungsröhre in schlechter
Ausgangsleistung.
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Ein
Gasoszillator der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist
au der JP-A-3-123089 bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
vor, die oben erwähnten
Probleme zu lösen,
und zielt darauf ab, einen Hochleistungs-Gaslaser-Oszillator mit
gutem Ausgangsstrahlzustand und -betrieb, welcher für Verarbeitungszwecke
geeignet ist, mittels einer gleichmäßigen Entladung für jeden
gewünschten Durchmesser
der Entladungsröhre,
nur unter Verwendung einer einfach geformten Elektrode, zu schaffen.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Nach
dem Aufbau der vorliegenden Erfindung kann, indem das Gas in der
Entladungsröhre mit
einem Geschwindigkeitsvektor mit einer Komponente in radialer Richtung
auf einer transversalen Querschnittsebene senkrecht zu der Achse
der Entladungsröhre
versehen wird, ein zufriedenstellender Ausgangsstrahlmodus des Lasers
ohne die Notwendigkeit des Aufweitens der Entladung im Querschnitt gewonnen
werden. Die Verbesserung des Strahlmodus des Lasers nach der vorliegenden
Erfindung ist auffallend, da die lasererzeugende Oszillationsfrequenz
höher wird.
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Nach
der erfindungsgemäßen Anordnung wird
aufgrund der sehr hohen Frequenz (d.h. 2,45 GHz) bei der mikrowelleninduzierten
Entladung ein Entladungsbereich in dem peripheren Teil des Querschnitts
der Entladungsröhre
gebildet. Durch die Einrichtung zum Versehen des Gases mit einem
Geschwindigkeitsvektor mit einer Komponente in radialer Richtung
auf einer transversalen Querschnittsebene wird das Lasergas in dem
Entladungsbereich gleichmäßig auf
eine Weise gemischt, um den Nichtentladungsbereich in einen zentralen
Teil des Querschnittes zu eliminieren, und dadurch wird die Kleinsignalverstärkungsverteilung
in dem Entladungsbereich gleichförmig
gemacht. Dadurch wird eine unerwünschte
Konzentration der Entladung in dem Entladungsbereich in der Entladungsröhre verhindert,
und eine unerwünschte
ungleichförmige
Verteilung der Laserenergie wird eliminiert. Dementsprechend ist der
Grenzwert der Eingabeleistung drastisch erhöht und dadurch kann ein Laserstrahl
einer hohen Leistung stabil emittiert werden.
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Die
neuen Merkmale der Erfindung, insbesondere der Aufbau und der Inhalt
des erfindungsgemäßen Gaslaser-Oszillators, zusammen
mit weiteren Zielen und Merkmalen, gehen aus der folgenden detaillierten
Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen weiter hervor.
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1 ist
eine schematische Blockansicht des Gaslaser-Oszillators nach einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, der mit einer Mikrowellenanregung vorgesehen
ist.
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform
des Gaslaser-Oszillators der vorliegenden Erfindung mit Mikrowellenanregung.
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3(a) ist eine Querschnittsansicht, die einen Gasflußgleichrichter 14 zeigt,
der bei den Gaslaser-Oszillatoren von 1 und 2 verwendet wird.
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3(b) ist eine Vorderansicht des Gasflußgleichrichters.
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3(c) ist eine Querschnittsansicht, die in vergrößerter Skala
eine Endkammer 105 an einem Ende der Entladungsröhre 1 zeigt.
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3(d) ist eine schematische Querschnittsansicht,
die den Zustand bzw. die Verteilung des Gasflusses durch einen Gasflußgleichrichter 14 zeigt.
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4 ist
eine schematische Ansicht, die das Gasflußgeschwindigkeitsprofil entlang
eines Durchmessers der Entladungsröhre zeigt.
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5(a) ist eine Kurve, die die Beziehung zwischen
der Radikalkomponente des Gasflußgeschwindigkeitsvektors und
dem Kleinsignalverstärkungswert
zeigt.
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5(b) ist eine Querschnittsansicht, die einen Meßpunkt der
Gasflußgeschwindigkeit
zeigt.
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6 ist
ein Diagramm, das schematisch den Entladungszustand und die Strahlform
(Brennmuster) für
Beispiel (A) der Radiofrequenzlaseroszillation und für Beispiel
(B) der Mikrowellenlaseroszillation zeigt.
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7 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines typischen konventionellen
CO2-Gaslaser-Oszillators aus dem Stand der Technik
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8 ist
eine Querschnittsansicht, die einen bestimmten Zustand des Entladungsbereichs 5 der Entladungsröhre zeigt.
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9 ist
die Querschnittsansicht eines anderen konventionellen CO2-Gaslaser-Oszillators,
der durch Mikrowellenleistung angeregt wird.
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10 ist
ein Diagramm, das schematisch einen Entladungszustand, eine Kleinsignalverstärkungsverteilung und
eine Strahlform für
verschiedene Typen von konventionellen Laserstrahl-Oszillatoren
zeigt.
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11 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die eine konventionelle Weise
zeigt, in der ein verbesserter Entladungszustand durch Ändern der
Elektrodenanordnung des in 7 und 8 gezeigten
konventionellen Laseroszillators erreicht wird.
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12 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer anderen konventionellen
Weise aus dem Stand der Technik, in der ein verbesserter Entladungszustand
durch Verringern des Durchmessers der Entladungsröhre auf
einen Wert gewonnen wird, der nicht größer als das Doppelte der Dicke
des Skin-Effekt-Bereiches in der Entladungsröhre ist.
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Dabei
ist zu verstehen, daß einige
oder alle der Figuren schematische Darstellungen zum Zwecke der
Illustration sind und nicht notwendigerweise tatsächliche
relative Größen oder
Positionen der Elemente zeigen.
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Im
folgenden wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf die 1 bis 6 beschrieben. 7 bis 12 geben
den Stand der Technik wieder
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1 zeigt
einen Gaslaser-Oszillator. Die entsprechenden Teile und Komponenten
sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in dem Beispiel des Standes
der Technik aus 7 bezeichnet.
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Als
eine erste bevorzugte Ausführungsform des
Gaslaser-Oszillators ist in 1 ein CO2-Gaslaser-Oszillator
mit einem Hochgeschwindigkeits-Axialfluß gezeigt. Der Laseroszillator
von 1 weist folgende Elemente auf: eine Entladungsröhre 1,
z. B. aus Glas, Keramik, Quarz oder einem ähnlichen wärmebeständigen dielektrischen Material,
einen Reflektor 6, der an einem Ende der Entladungsröhre 1 angebracht
ist, einen Teilreflektor 7, der an dem anderen Ende der
Entladungsröhre 1 angebracht
ist, zwei Paare von Elektroden 2, 3 und 2, 3,
außerhalb
und an den jeweiligen Endteilen der Entladungsröhre 1, einen Mikrowellenoszillator 4,
der so angeschlossen ist, daß er Mikrowellenleistung über die
Elektroden 2 und 3 eingibt, und ein Gaszirkulationssystem 10 zum Vorsehen
eines Hochgeschwindigkeitsgasflusses in der Entladungsröhre 1.
Weiterhin hat der Oszillator der vorliegenden Erfindung ein Paar
Gasfluß-Gleichrichter 14,
das diesen mikrowellenangeregten Gaslaser-Oszillator kennzeichnet
und in jeweiligen Endkammern 105 vorgesehen ist, die zwischen
den jeweiligen Enden der Entladungsröhre 1 und Gaszufuhröffnungen
des Gaszirkulationssystems 10 angeschlossen sind.
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Ein
detaillierter Aufbau wird im folgenden beschrieben. Das Gaszirkulationssystem
weist Gaszirkulationsrohre, ein Gebläse 13, einen ersten
Wärmetauscher 11,
der in einem Teil des Zirkulationsrohres, das zwischen dem Zentralteil 101 der
Entladungsröhre 1 und
dem Gebläse 13 angeordnet
ist, und einen zweiten Wärmetauscher 12,
der in dem Zirkulationsrohr an dem Teil unmittelbar stromabwärts des
Gebläses 13 angeordnet
ist.
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Jeder
der oben erwähnten
Gasfluß-Gleichrichter 14 ist
in der Endkammer 105 in einer Weise, wie in 3(c) gezeigt, angeordnet. Das heißt, die Endkammer 105 ist
ein schalenförmiges
Gehäuse, das
aus dem gleichen Material wie dasjenige der Entladungsröhre 1 auf
kontinuierliche Weise mit dem Ende der Entladungsröhre 1,
aber mit einem größeren Durchmesser
als die Entladungsröhre 1 gemacht ist.
Der Gasfluß-Gleichrichter 14 ist
ein Rohr aus Metall oder Glas, wie in 3(a) gezeigt,
mit mehreren Schlitzen 142, dessen Schnittebene so ausgerichtet ist,
daß sie
einen vorbestimmten Winkel im Querschnitt gegen eine Ebene, die
die Achse der Entladungsröhre 1 und
die Kante des Schlitzes 142 umfaßt, wie in 3(b) gezeigt, besitzt. Das ferne Ende des Gasfluß-Gleichrichters 14 ist
hermetisch mit der Innenwand (d. h. Spiegelfläche) des Spiegels 6 verbunden,
und das innere Ende (das entgegengesetzt zu dem fernen Ende ist),
an dem die Schlitze 142 enden, ist hermetisch durch Schmelzen
an das Ende der Entladungsröhre 1 oder
an das Verbindungs teil eines Flansches 106 der Endkammer 105 zu
dem Ende der Röhre 1 über eine
bekannte Glas-Metall-Schmelzschicht 141 angeschlossen.
Die andere Endkammer 105, die an den Teil-Spiegel 7 angeschlossen
ist, ist im wesentlichen auf die gleiche Weise, wie oben erwähnt, ausgebildet,
mit der Ausnahme, daß anstelle
des Spiegels 6 der Teilspiegel 7 an ihr fernes
Ende anschließt.
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In
der oben beschriebenen Anordnung ist der typische Betrieb wie folgt:
Mikrowellenleistung
wird von dem Oszillator 4 über die Elektroden 2 und 3 angelegt,
um ein elektromagnetisches Feld von Mikrowellen in der Richtung
senkrecht zu der optischen Achse des Laseroszillators zu erzeugen.
Dann werden Glühentladungen
in Entladungsbereichen 5, 5 zwischen einem jeweiligen
Paar von Elektroden 2 und 3 erzeugt. Das Lasergas,
das durch den jeweiligen Entladungsbereich 5, 5 gelangt, wird
durch Gewinnen von Energie aus Entladung angeregt, und das Lasergas
geht in einen Resonanzzustand in einem optischen Resonator, der
durch den Reflektor 6 und den Teilreflektor 7 gebildet
wird, über. Eine
Laseroszillation wird in dem optischen Resonator, der in der Entladungsröhre 1 ausgebildet
ist, erzeugt, und der erzeugte Laserstrahl 8 wird durch
den Teilreflektor 7 ausgegeben.
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Das
Gas wird durch das Gebläse 13 in
eine Richtung, geblasen, wie sie durch Pfeile 9 gezeigt wird,
nämlich
von dem Gebläse 13 durch
einen zweiten Wärmetauscher,
der die Temperatur des Gases absenkt, das als ein Ergebnis der Kompression
durch das Gebläse 13 erhöht ist,
dann weiter durch das Rohr 10, den Raum in der Endkammer 105,
die Schlitze 142 des Gasfluß-Gleichrichters 14 nach
innen, in den Raum des Gasfluß-Gleichrichters 14 hinein,
durch einen Entladungsbereich 5 in der Entladungsröhre 1,
den Zentralteil 101, den ersten Wärmetauscher 11, der
die Temperatur des Gases, das durch die Laseroszillation angestiegen
ist, absenkt, und zurück
zu dem Gebläse.
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Wie
in 3(b) gezeigt, ist der Gasfluß-Gleichrichter 14 ein
Rohr, das an beiden Enden der Entladungsröhre 1 angeschlossen
ist und mehrere Schlitze 142 aufweist, die im Wesentlichen
parallel zu der Achse der Entladungsröhre 1 über deren
Umfang verteilt verlaufen und deren Wandung zur Erzeugung einer
einwärts
gerichteten Gaswirbelströmung
mit Radialkomponenten in einer Querschnittsebene der Entladungsröhre 1 schräg durchsetzen.
Dementsprechend erzeugt das Gas, welches durch die mehrfachen Schlitze 142 nach
innen in den zylindrischen Raum innerhalb des Gasfluß-Gleichrichters 142 fließt, eine
solche Einwärtsbewegung, wie
in 3(d) gezeigt.
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Um
es noch detaillierter zu beschreiben: Das Gas fließt von der
Endkammer 105 durch die Mehrfachschlitze 142 des
Gasfluß-Gleichrichters 14 nach innen
in den kreisförmigen
Innenraum und bewirkt aufgrund der Richtung der Schnittebene, die
schräg zu
der Ebene ist, die die Achse der Entladungsrohre 1 und
den Schlitz 142 umfaßt,
einen einwärtsblasenden
Wirbelwind, wie in 3(c) gezeigt. Der Gasfluß erhält einen
Geschwindigkeitsvektor mit einer Komponente in radialer Richtung
auf der transversalen Querschnittsebene, die senkrecht zu der Achse
der Entladungsröhre
steht.
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Nach
vielen Experimenten, die von den Erfindern ausgeführt wurden,
bewirkt die Existenz des Geschwindigkeitsvektors mit einer Komponente
in radialer Richtung auf der transversalen Querschnittsebene zufriedenstellende
Verbesserungen beim Eliminieren des Nichtentladungsbereiches, und dadurch
auch im Erreichen des guten Laseroszillationszustands. Mit anderen
Worten, die Experimente der Erfinder haben gezeigt, daß ein einfacher
schraubenförmiger
Gasfluß,
der durch Einströmenlassen
eines Gasflusses von einer Einlaßöffnung hervorgerufen wird,
die in einer Richtung angeordnet ist, die im wesentlichen tangential
zu der kreisförmigen
Innenwand der Entladungsröhre
ist, was nur einen einfachen schraubenförmigen Gasfluß, aber
nicht die radiale Richtungskomponente des Geschwindigkeitsvektors
bewirkt, keine zufriedenstellende Verbesserung des Laseroszillationsmodus
bewirkt.
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4 ist
ein schematisches Diagramm, das ein Profil der Intensität der Gasgeschwindigkeit
zeigt, wenn der Gasfluß-Gleichrichter
verwendet wird, unter Berücksichtigung
der diametralen Position entlang eines Durchmessers auf einer transversalen Querschnittsebene
in der in den 1 bis 3(d) gezeigten
Ausführungsform.
Wie in 4 gezeigt, wurde als ein Ergebnis der Verwendung
des Gasfluß-Gleichrichters 14 der
oben beschriebenen Anordnung eine spezielle Musterprofilkurve der
Radialrichtungskomponente des Geschwindigkeitsvektors Vr, abgesehen
von dem Fall des Ausschlusses des Gasfluß-Gleichrichters 14,
erreicht.
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5(a) und 5(b) zeigen
eine charakteristische Beziehung zwischen der Radialrichtungskomponente
des Geschwindigkeitsvektors (m/sec.) und der Kleinsignalverstärkung (in
%/m). 5(a) ist eine Kurve, die die
Beziehung zwischen der Radialkomponente des Gasflußgeschwindigkeitsvektors und
dem Kleinsignalverstärkungswert
zeigt. 5(b) ist eine Querschnittsansicht,
die den Meßpunkt
der Gasflußgeschwindigkeit
zeigt. Wie in 5(b) gezeigt, weitet sich der
Entladungsbereich nicht im ganzen Querschnitt der Entladungsröhre 1 aus.
Für den Fall,
daß die
Gasgeschwindigkeit eine Komponente in radialer Richtung im Querschnitt
von 5(b) hat, verteilt sich der
Kleinsignalverstärkungswert
im ganzen Querschnitt.
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Die
Gasflußgeschwindigkeit
kann in eine Komponente der axialen Richtung und eine Komponente
der zur Achse vertikalen Richtung unterteilt werden. Weiterhin kann
die Komponente der vertikalen Richtung (was die Komponente auf einer
vertikalen Querschnittsebene ist, die senkrecht zu der optischen
Achse ist) an einem Punkt des vertikalen Querschnitts in eine Komponente
radialer Richtung und eine Komponente in tangentialer Richtung auf
einem Kreis unterteilt werden, der einen Mittelpunkt auf der optischen
Achse hat. Und die Experimente der Erfinder und diejenigen von 5 haben gezeigt, daß die Komponente der radialen
Richtung die Verbesserung in der Kleinsignalverstärkung beeinflußt.
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In
dem Beispiel des CO2-Gaslaser-Oszillators ist die Relaxationszeitdauer
der natürlichen
Entladung von CO2-Molekülen als
das Lasermedium etwa 2 msec; und es wird berücksichtigt, daß bei einem
Laserresonator die CO2-Moleküle
sofort aufgrund einer Entladung zu dem niedrigeren Niveau übergehen.
Die Erfinder haben jedoch gefunden, daß es möglich wird, eine gleichmäßige Verteilung
der Entladung auch in den Bereichen, wo keine Entladungen hervorgerufen
werden, zu erreichen, indem das Lasergas innerhalb der oben erwähnten Relaxationszeitdauer
zu Stellen diffundiert wird, zu denen die oben beschriebene Entladung
sich noch nicht ausgedehnt hat. Das heißt, durch Sicherstellen einer solchen
Geschwindigkeitsvektorkomponente in radialer Richtung, um eine Bewegung
des Entladungsgases in radialer Richtung um etwa die Hälfte des
Innendurchmesser der Entladungsröhre 1 innerhalb der
Zeitdauer von 1 msec bis 2 msec zu ermöglichen, welches die natürliche Relaxationszeitdauer
von CO2 ist, wird die Kleinsignalverstärkung sehr gleichmäßig, ungeachtet
einer Verteilung des Entladungsmusters in der Entladungsröhre. Und
dadurch wird der Modus, d.h. der Zustand bzw. die Verteilung des Ausgangslaserstrahls
gleichförmig.
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Weiterhin
kann, indem der Geschwindigkeitsvektor Vr in der radialen Richtung
nicht größer als
der unten genannte Wert ausgesucht wird, der Strahlmodus bei der
Lasererzeugung im Mikrowellenbereich verbessert werden: Vr < D/Trn,wobei
gilt
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- D:
- der Innendurchmesser
der Entladungsröhre,
- Trn:
- die natürliche Relaxationszeitdauer
des Anregungsniveaus des Lasermediums.
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2 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
des Gaslaser-Oszillator-Systems eines CO2-Gaslaser-Oszillators mit
Hochgeschwindigkeitsaxialfluß.
Der Gaslaser-Oszillator von 2 ist im
wesentlichen ähnlich
zu dem Gaslaser-Oszillator von 1, außer der
Art und Weise der Anregung des Gases.
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Die
zweite Ausführungsform
des Gaslaser-Oszillators ist ein CO2-Gaslaser mit Hochgeschwindigkeitsaxialfluß, der durch
eine Mikrowellenleistung angeregt wird. Der Laseroszillator von 2 ist
ein Gaslaser-Oszillator, der durch Mikrowellen angeregt wird; und
er weist folgende Elemente auf: eine Entladungsröhre 1, z. B. aus Glas,
Keramik, Quarz oder einem ähnlichen
wärmebeständigen dielektrischen
Material, einen Reflektor 6, der an einem Ende der Entladungsröhre 1 angebracht
ist, einen Teilreflektor 7, der an dem anderen Ende der
Entladungsröhre 1 angebracht
ist, eine Wellenführung 15,
die an die jeweiligen Endteile der Entladungsröhre 1 angeschlossen
ist, auf eine Weise, daß sie
sie umschließt, einen
Mikrowellenoszillator 4',
der so angeschlossen ist, daß er
eine Mikrowellenleistung in den Entladungsbereich 5, 5 eingibt,
ein Gaszirkulationssystem 10, um einen Hochgeschwindigkeitsgasfluß in der Entladungsröhre 1 zu
bewirken, und ein Paar von Gasfluß-Gleichrichtern 14,
die in jeweiligen Endkammern 105 vorgesehen sind, die zwischen
den jeweiligen Enden der Entladungsröhre 1 und Gaszufuhröffnungen
des Gaszirkulationssystems 10 angeschlossen sind. Das Gaszirkulationssystem
weist Gaszirkulationsrohre, ein Gebläse 13, einen ersten
Wärmetauscher 11,
der in einem Teil des Zirkulationsrohres angebracht ist, das zwischen
dem Zentralteil 101 der Entladungsröhre 1 und dem Gebläse 13 liegt,
und einen zweiten Wärmetauscher 12 auf,
der in dem Zirkulationsrohr an dem Teil unmittelbar stromabwärts des
Gebläses 13 angebracht
ist.
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Jeder
Gasfluß-Gleichrichter 14 ist
an der Endkammer 105 auf die gleiche Weise, wie in 1(a) gezeigt, angebracht.
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In
der oben beschriebenen Ausführung
von 2 ist der Betrieb wie folgt:
Mikrowellenleistung
von z. B. 2,45 GHz oder einer höheren
Frequenz von der Leistungszufuhr 4' wird an die Entladungsbereiche 5, 5 angelegt,
und anschließend
werden Glüh entladungen
in Entladungsbereichen 5, 5 in dem Wellenführungsteil
erzeugt. Das Lasergas, das durch die jeweiligen Entladungsbereiche 5, 5 gelangt,
wird angeregt, indem es Energie aus der Mikrowellenstrahlung gewinnt,
und das Lasergas geht in einem optischen Resonator, der durch den Reflektor 6 und
den Teilreflektor 7 gebildet wird, in einen Resonanzzustand über. Es
wird in dem optischen Resonator, der in der Entladungsröhre 1 ausgebildet
ist, eine Laseroszillation erzeugt, und der erzeugte Laserstrahl 8 wird
durch den Teilreflektor 7 ausgegeben.
-
Der
sonstige Betrieb, die Funktion und die technischen Vorteile, die
natürlich
die Funktion des Gasfluß-Gleichrichters 14 umfassen,
sind ähnlich
zu denjenigen des Gaslaser-Oszillators von 1, und die
Beschreibungen der Betriebsweise, der Funktion und der Vorteile
der ersten Ausführungsform
gelten entsprechend mit der notwendigen Änderung.