HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gaslaseroszillatorvorrichtung,
insbesondere eine Gaslaseroszillatorvorrichtung mit Axialfluß, bei der
die physische und die optische Achse der elektrischen Entladungsröhre
übereinstimmen.
Stand der Technik
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Der Aufbau einer bekannten, konventionellen Gaslaseroszillatoreinheit
zur Erlangung eines stabilen Laserstrahls ist in Figur 1 dargestellt.
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Die in Figur 1 dargestellte Gaslaseroszillatoreinheit enthält eine
elektrische Entladungsröhre B zum Erzeugen einer elektrischen
Entladung, die als Anregungsquelle für Lasergas eingesetzt wird, das in
eine durch Pfeil A angezeigte Richtung zwischen als Anode und Kathode
dienende Metallelektroden fließt. Eine Kathode C der Metallelektroden
ist mit einem Rohrstück E über ein sich verjüngendes Hohlglied F, das
eine sich verjüngende Innenfläche f aufweist, verbunden. Im Rohrstück
E ist zur Erzeugung eines Lasergaswirbels ein Schlitz D vorgesehen,
der sich gegenüber der Kathode C stromaufwärts befindet. Zumindest die
Innenfläche sowohl des Rohrstückes E als auch des sich verjüngenden
Hohlgliedes F bestehen aus einer Materiallegierung, die Aluminium
enthält, das so bearbeitet wurde, daß auf seiner Außenfläche eine
schwarze, eloxierte Aluminiumschicht G (nachfolgend als "Alumite"
bezeichnet) vorhanden ist. Und zwar wird diese Schicht durch die Verarbeitung
eines organischen Färbemittels erzeugt.
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Mit der soeben beschriebenen Gaslaseroszillatoreinheit kann ein
Gasstrom hoher Geschwindigkeit, etwa 100 m/sec., in einem elektrischen
Entladungsabschnitt H der elektrischen Entladungsröhre B erreicht
werden, wobei diffundierende Laserstrahlen auf wirksame Art und Weise von
der genannten schwarzen Alumite-Schicht G absorbiert werden. Daraus
ergibt sich, daß ein stabiler Laserstrahl erzeugt wird, mit dem eine
Laserstrahlbearbeitung oder dergleichen mit hoher Präzision möglich
ist.
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Bei dem beschriebenen konventionellen Aufbau entsteht jedoch das
Problem, daß die Kathode C sowie ein Gesamtreflektionsspiegel 1
verschmutzen, was zu einer reduzierten Ausgangsleistung des Laserstrahls
führt, wie dies durch eine gestrichelte Linie in Figur 4 (wie später
beschrieben) angedeutet wird.
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Nach von den Erfindern dieser Erfindung durchgeführten Untersuchungen
verdunstet das in der schwarzen Alumite-Schicht G enthaltene
organische Färbemittel in das Lasergas, wenn diese Schicht G diffundierende
Laserstrahlen über eine lange Zeit absorbiert; diese Verdunstung
verschmutzt die Kathode C und den Spiegel 1.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist dementsprechend eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Gaslaseroszillatoreinheit zu schaffen, die das genannte Problem löst,
indem die Kapazität verbessert wird, diffundierende Laserstrahlen mit
Hilfe der sich auf der einen Schlitz aufweisenden Innenfläche des
Rohrstückes sowie auf der Innenfläche des sich verjüngenden
Hohlgliedes befindenden Alumite-Schicht zu absorbieren.
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Um die genannten Probleme zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung
eine Gaslaseroszillatoreinheit mit einer elektrischen Entladungsröhre
zur Erzeugung einer elektrischen Entladung, die als
Laseranregungsquelle für ein Lasergas einzusetzen ist, das in einer Richtung
zwischen Elektroden einer Anode und einer Kathode fließt, die aus
einem
Metallmaterial bestehen und an beiden Seiten der elektrischen
Entladungsröhre angeordnet sind; einem Rohrstück mit einem Schlitz zur
Erzeugung eines Lasergaswirbels im gegenüber der Kathode
stromaufwärtigen Teil und einem sich verjüngenden Hohlglied mit einer sich
verjüngenden Innenfläche, das sich zwischen dem Rohrstück und der Kathode
befindet. Die Kathode ist mit dem Rohrstück über das sich verjüngende
Hohlglied verbunden und zumindest die Innenfläche sowohl des
Rohrstückes als auch die des sich verjüngenden Hohlgliedes besteht aus
einer Materiallegierung, die Aluminium enthält, das so bearbeitet
wurde, daß es eine schwarze, eloxierte Aluminiumschicht aus anorganischem
Material zur Absorption diffundierender Laserstrahlen auf den
Innenflächen bildet.
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Es ist ein Merkmal dieser Erfindung, daß die Anordnung und die
Materialien von Rohrstück mit Schlitz zur Erzeugung eines Lasergaswirbels
im Oberlaufabschnitt der Kathode und von sich verjüngendem Hohlglied,
das das Rohrstück mit der Kathode verbindet, dem Stand der Technik
entsprechen und die Bildung einer schwarzen Alumite-Schicht auf der
Innenfläche des Rohrstückes und des sich verjüngenden Hohlgliedes auf
konventionelle Weise erfolgt. Die hohe Geschwindigkeit des Gaslasers
in der elektrischen Entladungsröhre und eine gute Absorptionskapazität
der schwarzen Alumite-Schicht für diffundierende Laserstrahlen werden
nicht beeinträchtigt. Durch die Wahl eines anorganischen Materials zur
Bildung der schwarzen Alumite-Schicht kann das Problem des aufgrund
der Absorption diffundierender Laserstrahlen auftretenden Verdunstens
von organischem Material gelöst und ein Verschmutzen oder Beschädigen
von Elektroden und Spiegel verhindert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung
werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels verdeutlicht. Die Beschreibung bezieht sich auf die
beigefügten Zeichnungen, darin zeigt
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Figur 1 einen Schnitt durch einen vergrößert
dargestellten Abschnitt einer konventionellen
Gaslaserstrahl-Oszillatoreinheit,
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Figur 2 eine schematische Ansicht einer
Gaslaseroszillatoreinheit nach einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
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Figur 3 einen Schnitt durch einen vergrößert
dargestellten Abschnitt einer Gaslaseroszillatoreinheit
einer Ausführungsform nach der Erfindung und
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Figur 4 eine graphische Darstellung eines Vergleiches
auf Zeitbasis zwischen der Änderung einer
Laserausgangsleistung entsprechend einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und der
Laserausgangsleistung einer konventionellen Einheit
nach Figur 1.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELES
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der
beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben.
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In Figur 2 ist eine schematischen Ansicht einer Ausführungsform einer
Gaslaseroszillatoreinheit nach der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wobei ihre zeichnerische Darstellung keinen Unterschied zum
konventionellen Aufbau erkennen läßt. Aus Figur 2 geht hervor, daß eine
elektrische Entladungsröhre 1 aus einem dielektrischen Material wie Glas
mit Metallelektroden 2 und 3 an beiden Enden versehen ist. Zwischen
den Elektroden 2 und 3 ist eine Hochspannungsquelle 4 angeschlossen,
um eine Spannung von beispielsweise 30 kV an die Elektroden 2 und 3
anzulegen. Bei dem hier beschriebenen Aufbau dient die Metallelektrode
2 als Kathode, während die Metallelektrode 3 als Anode dient, so daß
der zwischen ihnen liegende Abschnitt in der elektrischen
Entladungsröhre 1 wegen der von der Hochspannungsquelle 4 angelegten
Hochspannung als elektrischer Entladungsraum 5 definiert wird.
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Außerhalb der Kathode 2 des elektrischen Entladungsraumes 5 ist ein
Gesamtreflektionsspiegel 11 vorgesehen. Dieser Spiegel 11 ist
gegenüber der Kathode 2 in einer Lasergaseinlaßkammer 13 angeordnet, die
koaxial mit der elektrischen Entladungsröhre 1 verläuft. Außerhalb der
Anode 3 des elektrischen Entladungsraumes 5 ist ein
Teilreflektionsspiegel 12 angeordnet, und zwar gegenüber der Anode 3 in einer
Lasergasauslaßkammer 14, die koaxial mit der elektrischen Entladungsröhre 1
verläuft. Die optische Achse des Gesamtreflektionsspiegels 11 stimmt
überein mit der optischen Achse des Teilreflektionsspiegels 12,
wodurch eine Gaslaseroszillatoreinheit mit Axialfluß gebildet wird.
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Die Lasergaseinlaßkammer 13 ist mit einem Ende eines
Lasergaszirkulationspfades 15 verbunden, während die Lasergasauslaßkammer 14 mit dem
anderen Ende des Pfades 15 verbunden ist. Im mittleren Bereich des
Lasergaszirkulationspfades 15 ist eine Pumpe 16 vorgesehen, um das
Lasergas in die durch einen Pfeil 17 angedeutete Richtung zu bewegen
und für eine kontinuierliche Zirkulation des Lasergases von der
Lasergaseinlaßkammer 13 durch die elektrische Entladungsröhre 1 zur
Lasergasauslaßkammer 14 zu sorgen.
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Gegenüber dem Lasergasstrom vor und hinter der Pumpe 16 sind im
Zirkulationspfad 15 Kühleinheiten 18 und 19 angeordnet, um die wegen der
elektrischen Entladung im Entladungsraum 5 erhöhten Temperaturen des
von der Pumpe 16 zirkulierten Lasergases zu verringern.
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Die in Figur 3 dargestellte Lasergaseinlaßkammer 13 ist mit einem
Rohrstück 22 ausgestattet, das zwei Schlitze 21 zur Erzeugung eines
Wirbelstroms in dem Lasergas enthält, das aus dem
Lasergaszirkulationspfad 15 in das Rohrstück 22 eingeführt wird, das gegenüber der
Kathode 2 im Oberlaufteil des Stromes angeordnet ist, wodurch der
verwirbelte Lasergasstrom in den elektrischen Entladungsraum 5 der
elektrischen Entladungsröhre 1 eingelassen wird. Das Rohrstück 22 ist mit
der Kathode 2 über ein sich verjüngendes Hohlglied 23 verbunden,
dessen Innenfläche 23a sich verjüngend verläuft. Der gesamte Körper oder
zumindest der Innenflächenabschnitt sowohl des Rohrstückes 22 als auch
des sich verjüngenden Hohlgliedes 23 besteht aus einem Material der
Aluminiumgruppe, das einem Schwärzungsprozeß unterzogen wurde, um eine
schwarze Alumite-Schicht 31 an der Oberfläche zu bilden. Anstelle der
in diesem Beispiel vorhandenen zwei Schlitze 21 kann auch ein
einzelner Schlitz vorgesehen sein.
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Wird bei dem hier beschriebenen Aufbau eine hohe Spannung aus einer
Hochspannungsquelle 4 an die Metallelektroden 2 und 3 angelegt, so
wird in dem Entladungsraum 5 eine anwachsende elektrische Entladung
erzeugt. Unter den geschilderten Bedingungen elektrischer Entladung
wird das durch den Entladungsraum 5 strömende und von der Pumpe 16
zirkulierte Gas angeregt, indem es die genannte anwachsende
elektrische Entladungsenergie absorbiert. Das angeregte Lasergas wird mit
Hilfe eines optischen Resonators, der durch den
Gesamtreflektionsspiegel 11 und den Teilreflektionsspiegel 12 gebildet wird, in einen
Resonanzzustand versetzt, wodurch ein Laserstrahl 25 durch den nicht
reflektierenden Abschnitt des Teilreflektionsspiegels 12 (s. Figur 2)
ausgesendet wird.
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Bei den beschriebenen Vorgängen wird, gegenüber der Kathode 2, im
Oberlauf des Lasergases ein Wirbel erzeugt, bevor es in den
Entladungsraum 5 eingelassen wird. Der Wirbelstrom des Lasergases wird
durch die sich verjüngende Öffnung, definiert durch die Innenfläche
23a im sich verjüngenden Hohlglied 23, gepreßt, um einen
stabilisierten Hochgeschwindigkeitsgasstrom mit einer Geschwindigkeit von etwa
100 m pro Sekunde beim Einlaß in den Entladungsraum 5 sicherzustellen.
Außerdem absorbiert die geschwärzte Aluminiumschicht 31 die
diffundierenden Laserstrahlen wirkungsvoll, beispielsweise einen Infrarotstrahl
mit einer Wellenlänge von 9 bis 11 um eines CO&sub2;-Laserstrahls. Dadurch
wird ein stabilisierter Laserstrahl 25 für einen
Laserstrahl-Anwendungsfall erzeugt.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform sind insbesondere das Rohrstück
22 und das sich verjüngende Hohlglied 23 aus einer Materiallegierung
gefertigt, die Aluminium enthält, die Alumite-Schicht 31 ist in der
Form einer anorganischen schwarzen Alumite-Schicht vorgesehen, die
hauptsächlich Nickel enthält.
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Nach einem von den Erfindern dieser Erfindung durchgeführten
Experiment kann ein Verdunsten organischen Materials, das für eine
konventionelle Gaslaseroszillatoreinheit äußerst schädlich ist, bei dem oben
beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht beobachtet werden. Es wird
selbst dann nicht beobachtet, wenn die schwarze Alumite-Schicht 31
über lange Zeit diffundierende Laserstrahlen absorbiert. Es ist also
damit möglich, das Problem auszuschließen, das bei konventionellen
Gaslaservorrichtungen darin besteht, daß die Elektroden 2 und 3 und
die Spiegel 11 und 12 verschmutzen und damit die
Laserstrahlausgangsleistung verringern. Wie aus der durchgezogenen Linie in Figur 4
hervorgeht, wird die Laserausgangsleistung stabilisiert, was über einen
längeren Zeitraum gesehen zu einer bemerkenswerten Verbesserung der
Stabilität der Laserstrahlausgangsleistung gegenüber der durch eine
gestrichelte Linie in Figur 4 dargestellten konventionellen
Laserstrahlausgangsleistung führt.
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Die durch die Absorption infraroter Strahlen in die Alumite-Schicht 31
entstehende Wärme wird von dem Aluminiummaterial absorbiert, das eine
ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit hat; es wird von dem Lasergasstrom
hoher Geschwindigkeit gekühlt. Durch starke Wärme auftretende
Verwerfungen im Material der Einheit werden also verhindert.
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Es wird darauf hingewiesen, daß eine schwarze Alumite-Schicht mit
einem anderen anorganischen Material als Nickel die gleiche Wirkung
erzielen kann, solange die schwarze Alumite-Schicht auf einer
anorganischen Substanz basiert.
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Entsprechend dem Aufbau der vorliegenden Erfindung sind Konfiguration
und Materialien von Rohrstück, das Schlitze zur Erzeugung eines
Wirbels im, gegenüber der Kathode, Oberlauf des Lasergasstromes aufweist,
und des sich verjüngenden Hohlgliedes, das Rohrstück und Kathode
verbindet, wie bei dem Stand der Technik; ebenso bleibt die Tatsache, daß
eine schwarze Alumite-Schicht auf der Innenfläche sowohl des
Rohrstückes als auch des sich verjüngenden Hohlgliedes gebildet wird,
konventionell. Aus dem Grund entsteht weder eine Verschlechterung bei der
ausreichend hohen Fließgeschwindigkeit des Lasergases in der
elektrischen Entladungsröhre noch bei der Absorptionskapazität für
diffundierende Laserstrahlen durch die schwarze Alumite-Schicht.
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Durch die Wahl eines anorganischen Materials für die schwarze Alumite-
Schicht wird das beim Stand der Technik auftretende Problem der
Verdunstung organischen Materials aufgrund der Absorption von
diffundierenden Laserstrahlen ausgeschaltet und damit verhindert, daß
Elektroden und Spiegel verschmutzt oder beschädigt werden. Der oben
beschriebene Aufbau sichert über lange Zeit die Erzeugung eines stabilen
Laserstrahls und verbessert damit die Anwendungsgenauigkeit bei
Bearbeitungs- oder anderen Vorgängen, bei denen Laserstrahlen eingesetzt
werden.