<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft einen pulsweise arbeitenden, transversal elektrisch angeregten At- mosphärendruck (TEA-)-Gaslaser mit im Umlauf geführtem gekühltem Arbeitsgas mit einer gekühlten plattenförmigen, sich in Richtung der optischen Achse erstreckenden, metallisch leitenden Kathode, einer im Abstand dazu angeordneten Anode und einer Hilfselektrode zur Vorionisierung des Arbeitsgases.
In elektrisch angeregten Gaslasern wird die zur Anhebung des Energieniveaus eines möglichst grossen Teils der Gasmoleküle benötigte Energie durch Aufrechterhaltung einer Glimmentladung in einem von zwei Spiegeln gebildeten optischen Resonator zugeführt, wodurch ein sogenanntes Plasma im Entladungsbereich aufrecht erhalten wird.
Die Betriebsspannung eines solchen Lasers ist umso höher zu wählen, je höher der Druck des anzuregenden Gases ist und je weiter die Elektroden voneinander entfernt sind.
Um den Abstand der Elektroden voneinander möglichst zu verringern, werden diese parallel zur optischen Achse angeordnet, so dass die Distanz zwischen Kathode und Anode nur geringfügig grösser als der Durchmesser des Laserstrahles sein muss. Das elektrische Feld ist somit bei einem solchen Aufbau transversal zum Laserstrahl gerichtet. Die optische Ausgangsleistung pro Volumeneinheit des Lasergases ist zu dessen Druck proportional, weswegen die Einhaltung von etwa Atmosphärendruck günstig ist.
Wird an die Elektroden eines TEA-Lasers eine hinreichend hohe Spannung angelegt, so zündet eine Gasentladung, und es bildet sich zunächst ein enger Durchbruchskanal. Wird der im Durchbruchskanal fliessende Strom so rasch gesteigert, dass der primäre Entladungskanal keine Zeit hat, sich seitlich zu erweitern, so treten dort hohe Stromdichten auf, welche zu einer sehr starken Erwärmung des Kanals führen, wodurch sich schliesslich eine Entladung in Form eines elektrischen Lichtbogens ausbildet. Diese Entladungsform ist infolge der darin herrschenden hohen Temperaturen zur Anregung des Lasergases nicht geeignet.
Bei einem angeregten Lasergas, welches in TEA-Lasern vorzugsweise aus einem Gemisch von CO2, N2 und He besteht, erfolgt die stimulierte Lichtemission einer Wellenlänge von etwa 10, 6 pm durch den Übergang der CO-Moleküle von ihrem niedrigstenergetischen asymmetrischen Schwingungszustand [ (OOl)-Schwingung, oberes Laserniveau] zum Energieniveau der niedrigstenergetischen symmetrischen Schwingung der Moleküle [ (lOO)-Schwingung, unteres Laserniveau], welches etwa 0, 1 eV unter dem Energieniveau der asymmetrischen Schwingung liegt.
Den verschiedenen Schwingungszuständen der CO-Moleküle sind noch deren gleichfalls quantisierte Zustände der Rotationsenergie überlagert, so dass zwei Gruppen von Energieniveaus resultieren, deren mittlerer energetischer Abstand eben etwa die voranstehend erwähnten 0, 1 eV beträgt.
Ein Teil der N 2-Moleküle des Lasergases wird zunächst durch die im Plasma vorhandenen freien, hochenergetischen Elektronen zu Molekülschwingungen angeregt und geben ihre Anregungsenergie beim Zusammenstoss mit nicht angeregten CO 2 -Molekülen durch einen unelastischen Stoss ab, wodurch die CO 2 -Moleküle ins obere Laserniveau"gepumpt"werden. Beim Auftreffen von Strahlung geeigneter Wellenlänge erfolgt der Übergang der angeregten CO 2 -Moleküle durch stimulierte Emission zum unteren Laserniveau mit nachfolgender rascher Relaxation zum Zustand einer Molekül-Biegeschwingung.
In diesem Zustand verbleiben die CO-Moleküle relativ lange Zeit, so dass die Relaxation zum Grundzustand der CO 2 -Moleküle den zeitbestimmenden Schritt des Lasermechanismus bei einem CO 2 -Laser bedeutet, da die CO-Moleküle erst nach Erreichen ihres energetischen Grundzustandes erneut am Verstärkungsprozess teilnehmen können. Zur Erzielung einer kürzeren Relaxationszeit eines BiegeschwingungsNiveaus dient das dem Lasergas beigemengte He. Die Energie eines Biegeschwingungszustandes der CO 2 -Atome wird wieder durch einen Stoss zweiter Art auf die He-Atome übertragen, welche diese Energie an die Gehäusewände abgeben.
Die erwähnten Zeitkonstanten der Vorgänge im Plasma werden als weiterer Vorteil eines Atmosphärendruck-Gaslasers mit steigendem Gasdruck kleiner.
Von entscheidendem Einfluss auf die Anregung der CO 2 -Moleküle ist die Feldstärke E in der
EMI1.1
EMI1.2
EMI1.3
<Desc/Clms Page number 2>
det, während bei Einhaltung dieser Relation nur ein kleiner Teil der Elektronenenergie zur Anregung der Elektronenhülle bzw. zur Ionisierung der Atome dient und somit für das "Pumpen" ins obere Laserniveau verloren ist.
Bei Drücken über etwa 0, 133 bar und beim Überschreiten eines kritischen Wertes der Stromstärke wird eine Glimmentladung allerdings instabil und kontrahiert ausserordentlich leicht zu einem Bogenkanal. Wie bereits erwähnt, ist zur Anregung jedoch nur eine Glimmentladung infolge der in einer solchen vorliegenden niedrigen Gastemperatur, jedoch gleichzeitig sehr hohen Elektronenenergie, geeignet. Der für den Übergang von einer Glimm- zu einer Bogenentladung benötigte Zeitraum liegt in der Grössenordnung von einigen ps, so dass ein räumlich homogenes Plasma bei höheren Gasdrücken als etwa 0, 133 bar nur wenige ps lang aufrecht erhalten werden kann (s. z. B.
W. W. Duley, C02-Lasers, Effects and Applications, Academic Press, New York, S. Francisco, London 1976, Seiten 15 bis 72).
Zur Verhinderung des Überganges in eine Bogenentladung verwendet man bei relativ hohen Drücken vielfach unterteilte Elektroden. Dabei treten Entladungsinstabilitäten auf, die nur durch hohe Ohm'sche Vorwiderstände an jeder Teilelektrode verhindert werden können und daher sehr hohe Betriebsspannungen erforderlich machen. Eine andere ebenfalls bereits verwirklichte Möglichkeit besteht darin, eine Hauptelektrode als Gitter auszubilden und hinter dieser, ausserhalb des Hauptentladungsraumes, eine mit einer isolierenden Schicht überzogene Hilfselektrode anzubringen.
Legt man zwischen diese Hilfselektrode und das Gitter eine sehr hohe Spannung, so bildet sich eine Koronaentladung aus, die das Gitter gleichmässig überzieht. Legt man nun Spannungsimpulse zwischen das Gitter und die andere Hauptelektrode, bildet sich für die Dauer der Impulse eine den Hauptentladungsraum gleichmässig erfüllende Glimmentladung aus. Der Nachteil dieser Anordnung ist ebenfalls der sehr hohe Spannungsbedarf.
In den US-PS Nr. 3, 940, 710 und Nr. 3, 848, 202 sind Dreielektrodenanordnungen beschrieben, wobei zwischen Kathode und Anode durchbrochene Hilfselektroden angeordnet sind. Die Kathoden sind bei den Lasern gemäss den US-PS stiftförmig - als sogenannte "pins" - ausgebildet. Zwischen den einzelnen pins und einem darüber befindlichen Loch in der Hilfselektrode bilden sich inhomogene Entladungen aus, welche die Entstehung einer grossflächigen homogenen Glimmentladung beein- trächtigen.
Gemäss der unter Nr. 0 011 062 veröffentlichten europäischen Patentanmeldung befindet sich bei einem pulsweise arbeitenden TEA-Laser im Abstand zu einer Anode eine gekühlte Kathode, welche als sich in Richtung der optischen Achse des Lasers erstreckende längliche, metallisch leitende Platte ausgebildet ist, und im unmittelbaren Abstand davon, d. h. im Bereich des Kathodenfalls, ist zwecks Erzeugung einer die gesamte Kathode bedeckenden Glimmhaut eine metallisch leitende, durchbrochene Hilfselektrode parallel zur Kathode angeordnet.
Dieser Vorschlag ging von der Beobachtung aus, dass sich bei etwa Atmosphärendruck eine Gasentladung aufrecht erhalten lässt, bei der zwar die positive Säule bereits zu einer Bogenentladung kontrahiert ist, die Kathodenfallzone jedoch grossflächig über die ganze Kathode ausgebreitet bleibt, sofern die Kathode so gut gekühlt wird, dass nicht an irgendeiner Stelle Elektronenemission einsetzen kann. Wird eine Elektrode im Bereich des Kathodenfallsgebietes angeordnet, so erzielt man eine flächenhaft stabile Entladung.
Infolge des geringen Abstandes der Hilfselektrode von der Kathode kann es bei einem solchen Laser allerdings infolge auch nur geringer Durchbiegungen der Hilfselektrode zu Kurzschlüssen kommen, selbst wenn diese Elektrode aus einzelnen hohlen, kühlmitteldurchflossenen Stäben besteht.
An die Fertigungstechnik werden somit ausserordentlich hohe Anforderungen gestellt.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese Schwierigkeiten zu überwinden und einen Gaslaser zu schaffen, bei welchem Kathode und Hilfselektrode als kompakte, fertigungstechnisch leicht beherrschbare Bauteile ausgebildet sind und welcher grosse Betriebssicherheit bei geringerem Energieaufwand für die Hilfsentladung aufweist.
Die gestellte Aufgabe wird bei einem TEA-Gaslaser der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass die plattenförmige Kathode Ausnehmungen aufweist, in welche die Hilfselektroden eingefügt sind, wobei der Abstand zwischen einer Fläche einer Kathodenausnehmung und einer Fläche einer Hilfselektrode jeweils im Bereich des Kathodenfalls liegt.
<Desc/Clms Page number 3>
Die Kathode mit den darin integrierten Hilfselektroden und auch die Anode können nach Art eines Rogowski-Profils (W. W. Duley, CO2-Lasers, Effects and Applications, Academic Press, New York, S. Francisco, London 1976, Seite 41) gekrümmt ausgebildet sein.
Das Kathodenfallgebiet erstreckt sich im Fall eines CO 2 -Lasers bei Drücken von etwa 0, 1 bis 1 bar über eine Länge von weniger als 1 mm. Der Abstand zwischen einer Fläche der Kathodenausnehmung und einer Fläche der Hilfselektrode kann daher günstigerweise etwa 0, 2 bis 0, 7 mm betragen. Die Ausdehnung der Kathodenfallzone hängt nur in geringem Ausmass von der Zusammensetzung des Lasergases ab, auch Gase wie KrF, N2, XeF, Ar, F, HF, CO und N20 sind dafür geeignet. Die verwendeten Spiegel, von denen einer teildurchlässig ist, müssen auf die Wellenlänge der jeweils abgegebenen kohärenten Strahlung abgestimmt sein.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Kathode längs- oder querverlaufende Nuten auf, in welche die Hilfselektroden als Stege eingesetzt sind. Dabei kann eine Nut und ein darin eingefügter Steg unterhalb der optischen Achse des Lasers angeordnet sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind Nuten paarweise symmetrisch beiderseits unterhalb der optischen Achse des Lasers angeordnet und darin jeweils Stege eingefügt.
Beim Anlegen von Spannungsimpulsen an die Anode des Hauptentladungsraumes überschneiden sich in diesem Fall die von den Hilfsentladungen ausgehenden Elektronenwolken im Bereich der Achse des Laserstrahles, wodurch der Wirkungsgrad des Lasers, d. h. die optische Ausgangslei- stung des Gerätes im Verhältnis zur aufgewendeten elektrischen Energie, weiter gesteigert wird.
Gemäss wieder einer andern zweckmässigen Ausführungsform weist die Kathode leistenförmige bzw. kammförmige Erhebungen auf, wobei in die von den Erhebungen begrenzten Ausnehmungen Hilfselektroden eingesetzt sind und wobei der Abstand zwischen einer Fläche einer Erhebung und einem freien Ende einer Hilfselektrode im Bereich des Kathodenfalls liegt.
Die Abmessungen der Hilfselektroden werden in diesem Fall so gewählt, dass die Abstände der weiteren Begrenzungsflächen der Hilfselektrode von den ihnen gegenüberliegenden Kathodenerhebungen grösser sind als der Kathodenfall, wodurch die Hilfsentladung auf die freien Enden der Hilfselektrode beschränkt bleibt. Eine auf diese Weise geformte Kathode kann zwecks Durchströmung mit einem Kühlmedium hohl ausgebildet sein, wobei in diesem Fall diejenigen Flächen der Hilfselektrode, an denen keine Glimmentladung brennen soll, gegen die Kathode isoliert sein müssen. Die Hilfselektroden können stiftförmig ausgebildet sein, wobei die Hilfsentladung zwischen den Stirnflächen der Stifte und den korrespondierenden Ausnehmungsflächen der Kathode aufrecht erhalten werden kann. Es ist aber etwa auch möglich, an Stelle von Stiften Drahtbüschel zu verwenden.
An den spitzen Enden der einzelnen Drähte bilden sich sehr inhomogene elektrische Felder aus, welche schon bei geringen Spannungen das Stattfinden einzelner Entladungen ermöglichen und so zu einer weiteren Verringerung des Energiebedarfes der Hilfsentladung beitragen.
Bei allen beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemässen Lasers ist es von besonderem Vorteil, wenn die plattenförmige Kathode und die Hilfselektroden, getrennt durch eine gut wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht, welche vorzugsweise aus Berylliumoxyd besteht, auf einem blockförmigen Kühlkörper aufliegen.
Die Kathode und auch die Hilfselektroden können beispielsweise aus Kupfer bestehen und mit der wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Schicht mechanisch fest verbunden sein, etwa durch elektrolytische Abscheidung von Cu auf einer entsprechend der gewünschten Elektrodenform teilweise abgedeckten Isolierschicht.
In den Zeichnungen ist die Erfindung an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele schematisch näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer Lasereinheit (Lasermodul) senkrecht zu ihrer optischen Achse mit einem Gebläse zur Kreislaufführung des Arbeitsgases. In den Fig. 2a und 2b sind zwei verschieden ausgebildete Kathoden mit Hilfsanoden im Schrägriss dargestellt. Fig. 3 veranschaulicht eine weitere erfindungsgemässe Elektrodenanordnung für die Hilfsentladung, und Fig. 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in Fig. 3.
In Fig. 1 ist die äussere Gehäusewand einer Lasereinheit mit --1--, die innere mit --2-- bezeichnet. Ein blockförmiger Kühlkörper --3-- ist in einen von der inneren Gehäusewand --2-- an drei Seiten umschlossenen Schacht eingesetzt. Auf dem Kühlkörper befindet sich eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht --4--, auf welcher eine plattenförmige Kathode --5-- aufliegt, in
<Desc/Clms Page number 4>
deren als Längsnuten --6-- ausgebildeten, symmetrisch beiderseits unterhalb der optischen Achse angeordneten Ausnehmungen Hilfselektroden --7-- als Stege eingefügt sind, welche gleichfalls auf der Schicht -4-- aufliegen. Der Abstand zwischen einander gegenüberliegenden Flächen von Kathode und Hilfselektroden liegt im Bereich des Kathodenfalls.
Der Kathode gegenüber ist die Anode - an der Innenseite der äusseren Gehäusewand angeordnet. Der von den Elektroden begrenzte Hauptentladungsraum ist entlang seiner gesamten Längserstreckung gegenüber dem innerhalb der Gehäusewände befindlichen Gasraum offen. Das Lasergas wird mittels eines Gebläses über Wärmeaustauscher -9-- durch den Entladungsraum quer zu dessen optischer Achse im Umlauf geführt.
Im dargestellten Beispiel wird zur Gasumwälzung ein Roots-Gebläse mit den flügelförmigen Rad- körpern --10, 11-- verwendet, mit dessen Hilfe der notwendige hohe Gasdurchsatz - zweckmässig etwa 50 m/s oder mehr-erreicht werden kann. Für die Kühlmittelversorgung des Kühlkörpers
EMI4.1
der dargestellten Schnittansicht ist ein an der äusseren Gehäusewand befestigter Spiegel --15-sichtbar, welcher zentral von der optischen Achse des Lasermoduls durchsetzt wird.
Die gemäss Fig. 1 bereits in einen Lasermodul eingesetzt gezeigte Zusammenstellung von Kühlkörper, Isolatorschicht, Kathode und Hilfselektrode ist in Fig. 2a im Schrägriss anschaulicher dargestellt, wobei für einander entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet wurden.
In Fig. 2b ist mit --5-- eine hohle Kathode mit kammförmigen Erhebungen --16-- bezeichnet, in deren Ausnehmungen --6-- stiftförmige Hilfselektroden --17-- eingesetzt sind, welche teilweise von einem elektrisch isolierenden Mantel --18-- umgeben sind. Es ist lediglich eine dieser Hilfselektroden eingezeichnet. Der Abstand zwischen der Fläche --19-- und dem Ende --20-- der Hilfs- elektrode --17-- beträgt hier 0, 4 mm und liegt im Bereich des Kathodenfalls.
Gemäss den Fig. 3 und 4 ist eine Kathode --5-- mit zueinander in Längsrichtung versetzten leisten-bzw. kammförmigen Erhebungen --21-- gestaltet, welche auf einer Isolierschicht --4-- aufliegen. In die Ausnehmungen --6-- dieser Kathode sind Hilfselektroden --7-- eingesetzt, welche gleichfalls durch die wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht --4-- von dem darunter befindlichen, mit letzterer in Kontakt stehenden Kühlkörper-3- (Fig. 4) getrennt sind. Der Abstand zwischen der Stirnfläche --22-- einer Hilfselektrode und der dieser gegenüberliegenden Fläche der Kathode beträgt bei dieser Ausführungsform vorzugsweise 0, 4 mm und liegt somit im Bereich des Kathodenfalls.
Die Abstände der normal zur Stirnfläche verlaufenden Hilfselektrodenflächen --23-- zu den korrespondierenden Flächen --24-- der Kathode --5-- werden in diesem Fall mit etwa 2 bis 3 mm gewählt, so dass an den letztgenannten Flächen keine Entladung auftritt.
Ein erfindungsgemässer TEA-Laser bzw. eine Lasereinheit (-modul) kann nun so betrieben werden, dass zunächst ein Kondensator geeigneter Kapazität über einen Ladewiderstand aufgeladen wird. Hat der Kondensator die richtige Betriebsspannung erreicht, wird er an die Hauptanode geschaltet, wobei die Elektronen aus der Hilfsentladung in den Hauptentladungsraum"gesaugt"werden und dort eine der Kondensatorladung entsprechend kurzzeitige intensive Glimmentladung ausgebildet wird.
Ein erfindungsgemässer Laser bzw. eine Lasereinheit hat bei einer Gaszusammensetzung von 20% CO 2, 20% N 2 und 60% He beispielsweise folgende technische Daten :
Wirkungsgrad : 15%
Strahlleistung : bis 1, 0 kW, gepulst
Pulsweite : variabel
Strahlquerschnitt : etwa 1 cm2
Pulswiederholungsrate : 1 kHz
Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches : 50 m/s
Druck : 0, 4 bar
Abmessungen des Entladungsraumes :
Länge : 150 cm, Breite : 6 cm, Höhe = 4 cm
Form und Abmessungen von Kathode und Hilfselektroden gemäss Fig. 3 mit 80 Ausnehmungen pro Kathodenplatte
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
EMI5.2
EMI5.3
mässer Lasereinheiten (-module) entlang ihrer optischen Achsen zu einem Lasersystem vereinigt werden, wobei an einer Endwand des Systems ein total reflektierender Spiegel geeigneter Form und an der andern ein planer, teildurchlässiger Spiegel vorgesehen sind. Um die Baulänge eines solchen Systems zu verringern, kann der Laserstrahl nötigenfalls mehrmals umgelenkt werden. Die Strahldurchtrittsöffnungen in den Zwischenwänden können jeweils gasdicht aneinandergekuppelt werden oder aber mit Fenstern, welche für die Wellenlänge der erzeugten Strahlung möglichst durchlässig sind, versehen sein.
Werden gasdichte Kupplungen verwendet, so können diese gleichzeitig als Modenblende ausgebildet sein, deren Durchmesser so dimensioniert ist, dass nur der Grundmodus TEM 00 der Laserschwingung unbehindert durchtreten kann und alle höheren Moden gedämpft bzw. deren Anschwingen verhindert werden. Das Aussondern höherer Moden bietet den Vorteil der besseren Fokussierbarkeit des resultierenden Laserstrahles. Gute Fokussierbarkeit ist für alle Anwendungsgebiete von Laserstrahlung in der Materialbearbeitung von grosser Bedeutung.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Pulsweise arbeitender, transversal elektrisch angeregter Atmosphärendruck (TEA-) -Gaslaser mit im Umlauf geführtem gekühltem Arbeitsgas mit einer gekühlten plattenförmigen, sich in Richtung der optischen Achse erstreckenden, metallisch leitenden Kathode, einer im Abstand dazu angeordneten Anode und einer Hilfselektrode zur Vorionisierung des Arbeitsgases, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmige Kathode (5) Ausnehmungen (6) aufweist, in welche die Hilfselektroden (7,17) eingefügt sind, wobei der Abstand zwischen einer Fläche (19) einer Kathodenausnehmung (6) und einer Fläche (20,22) einer Hilfselektrode (7,17) jeweils im Bereich des Kathodenfalles liegt.