DE602004001040T2

DE602004001040T2 - Diffusionsgekühltes lasersystem

Info

Publication number: DE602004001040T2
Application number: DE602004001040T
Authority: DE
Inventors: Jochen West Hartford DEILE
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG; Trumpf Inc
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG; Trumpf Inc
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2004-01-24
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2024-01-25
Also published as: DE602004001040D1; WO2004066461A1; ATE328381T1; EP1586142A1; US6879616B2; EP1586142B1; US20040146081A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Lasersysteme und, genauer gesagt, einen verbesserten Gaslaser.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Stand der Technik sind verschiedene Lasersysteme bekannt. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 6,285,703 mit dem Titel "Laser Resonator" von Schlüter einen bestimmten kreisringförmigen CO₂-Laser mit einer koaxialen Entladungsstruktur. Das US-Patent Nr. 4,359,777 von Fox, et al. offenbart, dass zum Erhalten eines Gaslasers hoher Effizienz, der eine transversale elektrische Erregung eines Lasergasmediums verwendet, die Erregungsenergie auf nur das optische Modenvolumen des Lasermodes angewendet werden sollte.
Das US-Patent Nr. 6,198,759 von Broderick et al. beschreibt einen im Freiraummode betriebenen Laser mit schmalem Spalt. Somit gibt das Patent von Broderick et al. an, dass die Elektroden einen Spalt bilden, der groß genug ist, um den Wellenlei termode zu vermeiden, und eine gekrümmte Oberfläche haben, so dass ein Innenelektrodenspalt von einem jeweiligen Ende in Richtung zum Zentrum des Lasergehäuses abnimmt, um die Form eines grundlegenden transversalen Modes des natürlich auftretenden Laserstrahls für die Gruppe zu verwendender Spiegeln zu bilden. Jedoch kann eine solche Vorrichtung noch störende transversale Reflexionen unterstützen, die die Gesamteffizienz und die Strahlqualität reduzieren können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Gaslaser zur Verfügung, der folgendes enthält: (a) ein Paar von gegenüberliegenden Elektroden mit einer inneren und einer äußeren Elektrode, die ein Entladungsvolumen mit einem Zwischenelektrodenspalt definieren, wobei jede des Paars von gegenüberliegenden Elektroden eine Reihe von Sägezähnen in einem Muster hat, wobei der Zwischenelektrodenspalt ein erstes und ein zweites gegenüberliegendes Ende hat, wobei der Zwischenelektrodenspalt eine erste Dimension beim ersten Ende hat, eine zweite Dimension beim zweiten Ende und eine dritte Dimension bei einer Stelle zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende, wobei die dritte Dimension kleiner als die erste und die zweite Dimension ist; und (b) ein Paar von Spiegeln, wobei jeder der Spiegel benachbart zu einem der Enden zum Führen von im Zwischenelektrodenspalt erzeugtem Licht durch das Entladungsvolumen angebracht ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in einem Gaslaser folgendes vorgesehen: (a) eine zylindrische innere Elektrode mit einer Außengewindefläche; (b) eine hohlzylindrische äußere Elektrode mit einer Innengewindefläche, die von der Außengewindefläche der inneren Elektrode beabstandet ist und dieser gegenüberliegt, um dadurch ein Entladungsvolumen zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode mit einem kreisringförmigen Zwischenelektrodenspalt zu definieren, der ein erstes Ende und ein zweites Ende hat, eine erste radiale Dimension beim ersten Ende, eine zweite radiale Dimension beim zweiten Ende und eine dritte radiale Dimension zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende, die kleiner als die erste und die zweite radiale Dimension ist; und (c) ein Paar von Spiegeln, wobei jeder Spiegel benachbart zu einem der Enden zum Führen von im Zwischenelektrodenspalt erzeugtem Licht durch das Entladungsvolumen angebracht ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Steighöhe der Gewindeflächen unterschiedlich. Die Steighöhe könnte auch an beiden Elektroden dieselbe sein oder eine Kombination aus einem Links- und einem Rechtsgewinde.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Verhältnis von einer Steighöhe zur anderen keine ganze Zahl.
Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung sind in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 6 definiert. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen 2–5 und 7–9 definiert.
Solange es nicht anders definiert ist, haben alle technischen und wissenschaftlichen Ausdrücke, die hierin verwendet sind, dieselbe Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu welchem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Obwohl Verfahren und Materialien, die ähnlich oder gleich denjenigen sind, die hierin beschrieben sind, beim Ausführen oder Testen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, werden nachfolgend geeignete Verfahren und Materialien beschrieben. Im Streitfall wird die vorliegende Beschreibung, einschließlich der Definitionen, kontrollieren. Zusätzlich sind die Materialien, Verfahren und Beispiele nur illustrativ und sollen nicht beschränkend sein.
Diese und andere Aspekte, Merkmale, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Beschreibung, die beigefügten Ansprüche und die beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht eines diffusionsgekühlten Lasersystems.
2 ist eine vergrößerte detaillierte Ansicht des in 1 gezeigten Kreises.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil davon bilden und in welchen anhand einer Illustration spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in wel chen die Erfindung ausgeführt werden kann. Diese Ausführungsbeispiele sind in ausreichendem Detail beschrieben, um Fachleuten auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen, und es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und dass strukturelle, logische und elektrische Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindungen abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einem beschränkenden Sinn anzunehmen. Dieselben Bezugszeichen identifizieren identische Komponenten, die in mehreren Figuren erscheinen.
Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung bezüglich der Elektrodenstruktur eines Resonators, um eine Diffusionskühlung zu optimieren, während eine Strahlqualität beibehalten wird.
1 zeigt einen Teil einer kreisringförmigen Gasentladungslaserstruktur 10, die die Aspekte, die für die vorliegende Erfindung relevant sind, und ausreichende zusätzliche Details, um ihre Verbindung zu verstehen, zeigt. Während die folgenden Abschnitte die vorliegende Erfindung in Bezug auf kreisringförmige Gaslasersysteme beschreiben, ist die vorliegende Erfindung auch in anderen Typen von Lasersystemen betreibbar, wie beispielsweise bei Stab-Lasersystemen, wie beispielsweise dem System, das in dem US-Patent Nr. 6,198,759 von Broderick et al. beschrieben ist.
Wie es in 1 gezeigt ist, ist die Laserstruktur 10 aus mehreren Hauptkomponenten aufgebaut. Eine erste Komponente ist eine zylindrisch geformte äußere Elektrodenanordnung 12, während eine zweite Komponente eine zylindrisch geformte innere Elektrodenanordnung 14 ist. Die innere Elektrodenanordnung 14 ist innerhalb der äußeren Elektrodenanordnung 12 unter Ausbildung eines kreisringförmigen Zwischenelektrodenspalts 15 zwischen einer zylindrischen Elektrodenfläche 20 der äußeren Elektrodenanordnung 12 und einer zylindrischen Elektrodenfläche 22 der inneren Elektrodenanordnung 14 angebracht. Die Laserstruktur enthält auch eine erste und eine zweite Reflektoranordnung 16 und 18. Die Struktur und der Betrieb des ersten und des zweiten Reflektors 16 und 18 sind auf diesem Gebiet bekannt (siehe z.B. das US-Patent Nr. 6,285,703 von Schlüter).
In Betrieb erregt eine Funkfrequenz mit bekannten Gasen vermischtes Kohlenstoffdioxid im Zwischenelektrodenspalt 15, um eine Populationsinversion zu erzeugen. Vom Gas emittiertes Licht reflektiert in Längsrichtung durch den Zwischenelektro denspalt rückwärts und vorwärts zwischen der ersten und der zweiten Reflektoranordnung 16 und 18. Wie es in dem Patent von Schlüter gezeigt ist, gibt es ein Austrittstor (nicht gezeigt), bei welchem Licht von der Laserstruktur 10 extrahiert wird.
Die Elektrodenflächen 20 und 22 haben jeweils eine komplexe longitudinale Form, die aufgrund der Winzigkeit eines Details gegenüber den Gesamtdimensionen der Laserstruktur 10 in 1 nicht gesehen werden kann. Jede der Oberflächen weicht von einer zylindrischen Form ab, wobei der Durchmesser der Elektrodenfläche 22 der inneren Elektrodenfläche 14 nahezu 148,5 Millimeter an ihren Enden 24 und 26 ist, und ändert sich zu einer Dimension von etwa 149 Millimetern bei ihrer Mitte 29. Auf gleiche Weise ändert sich die Elektrodenfläche 20 der äußeren Elektrodenanordnung 12 von einer Dimension von etwa 161,5 Millimetern an ihren Enden 28 und 30 zu einer Dimension von etwa 161 Millimetern bei ihrer Mitte 32. Somit ist der Zwischenelektrodenspalt 15 etwa 6,5 Millimeter an seinen Enden und etwa 6 Millimeter in der Mitte. Somit weicht jede Oberfläche 20 und 22 von ihrem Enden zu ihrer Mitte von einem richtig symmetrischen Zylinder um etwa 0,25 Millimeter ab. In Abhängigkeit von der Spiegelstruktur kann der Zwischenelektrodenspalt 15 in Längsrichtung nicht symmetrisch sein, so dass die Dimensionen an den Enden 24 und 26 unterschiedlich voneinander sein würden, oder die Strahltaille kann nicht in der Mitte/im Zentrum der Elektroden in Bezug auf ihre Längsdimension ausgebildet sein.
2 zeigt das Detail, das die Zentren 29 und 32 der inneren und der äußeren Elektrodenanordnung 14 und 12 umgibt. Wie es in 2 gezeigt ist, ist jeder Elektrodenfläche 20 und 22 ein sägezahnförmiges Muster überlagert. Das Sägezahnmuster auf der Oberfläche 22 ist durch Bilden eines Gewindes an ihrer zylindrischen Oberfläche ausgebildet, während das Sägezahnmuster an der Oberfläche 20 durch Bilden eines Gewindes an ihrer inneren Oberfläche ausgebildet ist. Bei anderen Lasersystemen, wie beispielsweise bei Slab-Lasersystemen, kann das Sägezahnmuster gefräst bzw. geschnitten sein. In jedem Fall ist die Steighöhe des Sägezahnmusters an der Oberfläche 22 kleiner als die Steighöhe des Sägezahnmusters an der Oberfläche 20. Dies wird so durchgeführt, dass die beabstandeten Sägezahnmuster keine regelmäßige Variation des Zwischenelektrodenspalts 15 erzeugen, was Störmoden unterstützen und eine Strahlqualität verschlechtern könnte, sondern eine unregelmäßige Form für den Zwischenelektrodenspalt 15 erzeugen.
Bei einem illustrativen Ausführungsbeispiel hat jeder Sägezahn nahezu rechte Winkel in Bezug auf die Oberflächen 22 und 20, um dadurch Diskontinuitäten im Zwischenelektrodenspalt zu bilden. Die Tiefe jedes Zahns und der Abstand zwischen Zähnen wird derart ausgewählt, dass ein Energieaufbau in Moden höherer Ordnung aufgrund einer Beugung oder einer Reflexion von Licht von den Oberflächen 20 und 22 abgehalten wird, aber nicht eine Verstärkung bezüglich eines erwünschten Modes des Laserhohlraums behindert wird. Beispielsweise können die Tiefe und der Abstand der Gewinde an der Oberfläche 22 nahezu 0,7 Millimeter sein, während die Tiefe und der Abstand der Sägezähne an der Oberfläche 20 nahezu 0,48 Millimeter sein können. Zusätzlich ist das Verhältnis des Abstands zwischen Zähnen (z.B. 0,7 bis 0,48) keine ganze Zahl, um ein Wiederholen von Mustern entlang der Laserröhre zu verhindern. Schließlich könnten Moden, die andere als der Grundmode sind, im Laser der vorliegenden Erfindung durch derartiges Formen der Oberflächen 20 und 22 erzeugt werden, das sie mit der Form von solchen Moden übereinstimmen.
Vorteilhafterweise ist herausgefunden worden, dass ein Laser, der gemäß den hierin angegebenen Lehren aufgebaut ist, einen äußerst effizienten diffusionsgekühlten Gasentladungslaser mit einer Minimierung von Störmoden zur Verfügung stellt und Moden höherer Ordnung eliminiert.
ANDERE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Da nun eines oder mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben worden sind, sollte es Fachleuten auf dem Gebiet klar werden, dass das Vorangehende nur illustrativ und nicht beschränkend ist, während es nur anhand eines Beispiels präsentiert worden ist. Alle in dieser Beschreibung (einschließlich irgendwelcher beigefügten Ansprüche, der Zusammenfassung und der Zeichnungen) offenbarten Merkmale können durch alternative Merkmale ersetzt werden, die demselben Zweck, einem äquivalenten oder einem ähnlichen Zweck dienen, solange es nicht anders ausdrücklich angegeben ist. Daher wird angenommen, dass zahlreiche andere Ausführungsbeispiele der Modifikationen davon in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, und Äquivalente dazu fallen.

Claims

Gaslaser (10), der folgendes aufweist: eine innere Elektrode (14) mit einer äußeren Oberfläche (22); eine äußere Elektrode (12) mit einer inneren Oberfläche (20), die von der äußeren Oberfläche (22) der inneren Elektrode (14) beabstandet ist und dieser gegenüberliegt, um dadurch ein Entladungsvolumen zwischen der inneren Elektrode (14) und der äußeren Elektrode (12) mit einem Zwischenelektrodenspalt (15) zu definieren, der ein erstes Ende und ein zweites Ende hat, eine erste Dimension am ersten Ende, eine zweite Dimension am zweiten Ende und eine dritte Dimension zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende, die kleiner als die erste und die zweite Dimension ist; und ein Paar von Spiegeln (16, 18), wobei jeder der Spiegel benachbart zu einem der Enden angebracht ist, zum Führen von im Zwischenelektrodenspalt (15) erzeugten Licht durch das Entladungsvolumen, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche (20) der äußeren Elektrode (12) und die äußere Oberfläche (22) der inneren Elektrode (14) ein sägezahnförmiges Muster haben.
Gaslaser nach Anspruch 1, wobei jedes der Muster eine andere Steighöhe hat.
Gaslaser nach Anspruch 2, wobei ein Verhältnis der anderen Steighöhen keine ganze Zahl ist.
Gaslaser nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Dimension dieselben sind.
Gaslaser nach Anspruch 1, wobei die äußere Elektrode (12) hohl und zylindrisch ist, die innere Elektrode (14) zylindrisch ist und der Zwischen elektrodenspalt (15) kreisringförmig ist.
Gaslaser (10), der folgendes aufweist: eine innere Elektrode (14) mit einer äußeren Oberfläche (22); eine äußere Elektrode (12) mit einer inneren Oberfläche (20), die von der äußeren Oberfläche (22) der inneren Elektrode (14) beabstandet ist und dieser gegenüberliegt, um dadurch ein Entladungsvolumen zwischen der inneren Elektrode (14) und der äußeren Elektrode (12) zu definieren, mit einem Zwischenelektrodenspalt (15), der ein erstes Ende und ein zweites Ende hat, eine erste Dimension am ersten Ende, eine zweite Dimension am zweiten Ende und eine dritte Dimension zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende, die kleiner als die erste und die zweite Dimension ist; und ein Paar von Spiegeln (16, 18), wobei jeder der Spiegel benachbart zu einem der Enden angebracht ist, zum Führen von im Zwischenelektrodenspalt (15) erzeugten Licht durch das Entladungsvolumen, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche (20) der äußeren Elektrode (12) und die äußere Oberfläche (22) der inneren Elektrode (14) mit Gewinden versehen sind und dass die erste Steighöhe der mit Gewinde versehenen äußeren Oberfläche (22) unterschiedlich von einer zweiten Steighöhe der mit Gewinde versehenen inneren Oberfläche (20) ist und/oder die Gewinde der inneren Oberfläche (20) von entgegengesetzter Gängigkeit wie die Gewinde der äußeren Oberfläche (22) sind.
Gaslaser nach Anspruch 6, wobei ein Verhältnis der ersten Steighöhe zur zweiten Steighöhe keine ganze Zahl ist.
Gaslaser nach Anspruch 6, wobei die erste und die zweite Dimension dieselben sind.
Gaslaser nach Anspruch 6, wobei die äußere Elektrode (12) hohl und zylindrisch ist, die innere Elektrode (14) zylindrisch ist und der Zwischenelektrodenspalt (15) kreisringförmig ist.