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Dokumentenidentifikation DE3448212C2 18.03.1993
Titel Längsgeströmter CO2-Laser
Anmelder Trumpf GmbH & Co, 7257 Ditzingen, DE
Erfinder Klingel, Hans, Dipl.-Ing. (FH), 7141 Möglingen, DE
Vertreter Kinkelin, U., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 7032 Sindelfingen
DE-Anmeldedatum 16.06.1984
DE-Aktenzeichen 3448212
File number of basic patent 34225250
Offenlegungstag 13.02.1986
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.03.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.03.1993
IPC-Hauptklasse H01S 3/097
IPC-Nebenklasse H01S 3/03   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen längsgeströmten CO&sub2;-Laser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger CO&sub2;-Laser ist in der Druckschrift CROCKER, A., WILLS, M. S.: Carbon-Dioxide Laser With High Power Per Unit Length, in GB-Z.: Electronics Letters, Vol. 5, Nr. 4, Februar 1969, Seiten 63-64, beschrieben. Die Rohrvorrichtung besteht aus zwei koaxial zueinander angeordneten Quarzglas-Rohren unterschiedlichen Durchmessers, so daß zwischen diesen ein ringförmiger Entladungsraum entsteht. Die Elektroden sind Kupferrohre, die außen am Außenrohr und innen am Innenrohr anliegen, also ebenfalls zueinander koaxiale ringförmige Rohrstücke darstellen. In Längsrichtung sind die inneren Elektroden gegenüber den äußeren jeweils um die halbe Elektrodenlänge versetzt, so daß eine innere Elektrode axial jeweils unter zwei benachbarte äußere Elektroden reicht. Der Sinn dieser Maßnahme besteht darin, mehrere Elektrodenpaare zufolge der Längsüberdeckung kapazitiv in Reihe zu schalten, so daß keine separate elektrische Verbindung zu den inneren Elektroden erforderlich ist, was aus Platzgründen problematisch wäre. Die Energieeinspeisung ist aber dadurch unbefriedigend, so daß mittels zweier an beiden Rohrenden angeordneter Ringelektroden noch eine Gleichstromanregung überlagert wird. Der Aufwand ist sowohl vom Aufbau als auch von der Energieversorgung her sehr groß. Der für industrielle Anwendung ergiebigste Mode Nullter Ordnung, der die Energieverteilung im Strahlquerschnitt beschreibt, läßt sich mit dieser bekannten Anordnung nicht dauerhaft erreichen. Es genügen nämlich schon geringe Abstandsänderungen zwischen den koaxialen Elektroden, das heißt, Abweichungen von der Mittellage oder von der idealen Kreisform abweichende Deformierungen aufgrund der hohen Betriebstemperatur, um merkbare Unsymmetrien im Plasma zu erzeugen.

Aus der DE 29 39 121 C2 ist eine bifilare, helisch entlang der Rohrvorrichtung gewundene Elektrodenanordnung bekannt. Die helische Elektrodenstruktur soll die Erzeugung eines kreissymmetrischen Laserstrahlquerschnitts begünstigen, wobei die beschriebene Anordnung und Schaltung speziell für gepulste, transversale Entladungen in gasförmigen Medien konzipiert ist, deren oberes Laserniveau eine extrem kurze Lebensdauer besitzt. Somit liefert diese Schrift kein Beispiel für eine Verbesserung eines Dauerstrich-Lasers der gattungsgemäßen Art.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen CO&sub2;-Laser der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der sowohl im Hinblick auf konstante als auch dynamische Störgrößen im Dauerstrich- Betrieb seinen Mode beibehält, insbesondere den Mode Nullter Ordnung, und dabei eine wirtschaftliche Bauweise erlaubt.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das anzuregende Plasma befindet sich in einer hohlzylindrischen Rohrvorrichtung, ist also nicht auf einen ringförmigen Querschnitt beschränkt. Bei einem ringförmigen Querschnitt bedeutet ein Koaxialitätsfehler auf einer Seite des Ringspaltes eine Erweiterung des Querabstandes und auf der anderen Seite des Ringspaltes eine entsprechende Verengung, so daß der Fehler verstärkt in Erscheinung tritt. Bei einem hohlzylindrischen Querschnitt ist der Fehlereinfluß geringer. Dadurch, daß weiterhin das Plasma längs des Weges des Laserstrahls fortlaufend von verschiedenen Seiten angeregt wird, werden Inhomogenitäten besser ausgeglichen. Dabei ist der Winkel- Versatz so festgelegt, daß jede Wirkrichtung nur jeweils einmal vorkommt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 5, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung.

Es zeigt

Fig. 1 eine prinzipielle, auseinandergezogene und in eine Ebene gelegte Darstellung eines Lasers,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Rohrvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine Rohrvorrichtung analog zu Fig. 2, mit den Einzelrohren in gestreckter Reihenanordnung.

Gemäß Fig. 1 umfaßt der Laser in schematisch vereinfachter Darstellung eine linke Endflansch-Vorrichtung 17, eine rechte Endflansch-Vorrichtung 18, eine Zwischenflansch- Vorrichtung 21 und eine Rohrvorrichtung 24, bestehend aus Einzelrohren 74, 76 und 77. In der Endflansch-Vorrichtung 17 befinden sich zwei 45°-Spiegel 32, 33 und ein im Zehnmeterradius gekrümmter Konvex-Spiegel 34, die einen Laserstrahl 36 wie dargestellt in die Rohrvorrichtung 24 spiegeln. In der Endflansch- Vorrichtung 18 befinden sich ebenfalls zwei 45°-Spiegel 51, 52 und ein teildurchlässiger Auskoppelspiegel 53, von dem ein Arbeitsstrahl 54 austritt.

Die Fig. 2 zeigt parallel und winkelmäßig symmetrisch zu einer gemeinsamen geometrischen Längsachse 26 angeordnete Einzelrohre 74, 76, 77 aus Glas gemäß einer vorteilhaften Anordnung. Die Einzelrohre haben einen Außendurchmesser von 20 mm bei einer Wandstärke von 2 mm. Das Einzelrohr 74 ist rechts oben berührend mit einer rinnenförmigen Elektrode 78 aus Kupferblech belegt, die sich nahezu über die ganze verfügbare Länge erstreckt und eine Breitenausdehnung von über 100° hat. Sie ist symmetrisch zu einer Mittenebene 81 angeordnet, die durch die Längsachse 26 und die Längsachse 79 des Einzelrohres 74 geht. Gegenüberliegend ist eine ebenso symmetrisch zur Mittenebene 81 ausgebildete Elektrode 82 angeordnet.

Die anderen Einzelrohre 76, 77 sind in gleicher Weise mit Elektroden 86, 87 und 88, 89 belegt, wobei diese Elektrodenpaare symmetrisch zu weiteren Mittenebenen 83 und 84 ausgerichtet sind. Die Mittenebenen sind gegeneinander um einen Winkel verdreht, welcher dem der Anzahl von Elektrodenpaaren entsprechenden Teil von 360° entspricht. Im vorliegenden Beispiel mit drei Einzelrohren 74, 76, 77 und drei Elektrodenpaaren beträgt der Winkel zwischen den Mittenebenen 81, 83, 84 jeweils 120°. Die Elektroden 78, 82, 86, 87, 88, 89 bedecken eine wesentlich ausgedehnte und nicht nur linienartige oder gar punktartige Fläche.

Ein einige Zentimeter breiter Streifen aus Kupferblech ist zu einem dreistrahligen Stern 91 gebogen, der sich mit seinen Kreisabschnittsflanken 92, 93, 94 jeweils an die Elektroden 82, 86, 88 anschmiegt und diese über ihre ganze Breite kontaktiert. Die Kreisabschnittsflanken werden durch etwas vorstehende Bögen 96, 97, 98 miteinander verbunden. Der Stern 91 mit dem Bogen 96 befindet sich in der Längsmitte der Rohrvorrichtung 24. Vom Bogen 96 geht nach oben ein Anschlußteil 99 aus Kupfer weg, das mit einem Kupferblechstreifen 101 lösbar verbunden ist, der etwa horizontal zur Zwischenflansch-Vorrichtung 21 (Fig. 1) führt und dort an einen Pol der Hochfrequenz-Spannung angeschlossen ist.

An den Scheitelbereichen der Elektroden 78, 87, 89 liegt ein Ring 102 aus Kupfer an, der unten mit einem Anschlußteil 103 aus Kupfer verbunden ist, der wiederum mit einem Kupferblechstreifen 104 verbunden ist, der zur Zwischenflansch-Vorrichtung 21 führt und dort an den anderen Pol der Hochfrequenz-Spannung angeschlossen ist.

In der Schemadarstellung der Fig. 3 sind die Einzelrohre 74, 76 und 77 von Fig. 1 und 2 zur besseren Veranschaulichung der gegenseitig bezüglich des Laserstrahls jeweils verdrehten Elektrodenpaare 78, 82; 86, 87 und 88, 89 hintereinanderliegend gezeigt, so als wäre der gefaltete Strahlenweg gestreckt worden.


Anspruch[de]
  1. 1. Längsgeströmter CO&sub2;-Laser mit mindestens mehreren hundert Watt Ausgangsleistung, mit einer geometrischen Längsachse, mit einer das CO&sub2; enthaltenden, gradlinigen, aus Einzelrohren bestehenden Rohrvorrichtung aus dielektrischem Material, parallel zu der Längsachse, mit jeweils einer Endflanschvorrichtung in den Endbereichen der Rohrvorrichtung, mit einer Gas-Anschlußöffnung in jeder Endflanschvorrichtung, die mit der Rohrvorrichtung kommuniziert, und mit sich längs der Rohrvorrichtung erstreckenden Hochfrequenz-Elektroden, wobei die Einzelrohre aus anorganischem Glas bestehen, und die Hochfrequenz-Elektroden in eine Mehrzahl in Längsrichtung des Laserstrahls aufeinander folgender Elektrodenpaare gegliedert sind, dadurch gekennzeichnet,

    daß jedes Elektrodenpaar durch symmetrisch bezüglich einer radialen Mittelebene (81, 83, 84) ausgebildete und einander gegenüberliegende Hochfrequenz-Elektroden gebildet ist, und die Mittenebene jedes Elektrodenpaares um einen Winkel gegenüber der des benachbarten Elektrodenpaares verdreht ist, welcher Winkel wenigstens annähernd 360° geteilt durch die Anzahl der Elektrodenpaare beträgt,

    und daß die Einzelrohre (74, 76, 77) gleiche Innen- bzw. Außendurchmesser aufweisen.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Elektrodenpaare (78, 82; 86, 87; 88, 89) vorgesehen sind, deren Mittenebenen (81, 83, 84) um wenigstens annähernd 120° gegeneinander versetzt sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als gefalteter Laser ausgebildet ist, wobei die Rohrvorrichtung (24) eine Mehrzahl von Einzelrohren (74, 76, 77) zwischen den Endflanschvorrichtungen (17, 18; 56, 57) und in Reihe bezüglich des gefalteten Strahlenweges (36) aufweist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelrohre (74, 76, 77) symmetrisch bezüglich der geometrischen Längsachse (26) angeordnet sind.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelrohre (74, 76, 77) jeweils gleich lang sind.






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