Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Laserverstärker mit einem Laserentladungsrohr gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gas- laser mit einem solchen Laserverstärker sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Lase rverstärkers.

Es ist bekannt, elektrische und magnetische Felder zur Optimierung eines Laserverstärkers einzusetzen.

S.H. Tavassoli, H. Latifi, Magnetic field effects on electrical parameters of rf excited CO ₂ -Lasers, Physics Letters A, Volume 335, Issue 4, 2005, Pages 295-303, ISSN 0375-9601, https://doi.Org/10.1016/j.physleta.2004.12.031 und Sohbatzadeh, F & Tavassoli, Seyed Hassan & Latifi, Hamid. (2004), The influence of an external magnetic field on a radio frequency excited CO ₂ laser. Physics of Plasmas. 11, https://doi.Org/10.1063/l.1767833 offenbaren die Wirkung eines homogenen Magnetfeldes auf einen im elektrischen Wechselfeld angeregten CO ₂ -Laser. Dabei wurde jeweils ein Leistungsanstieg durch das Magnetfeld beobachtet.

Die DE 38 16 413 Al offenbart einen Gaslaser mit einem Laserverstärker, wobei Elektroden vorgesehen sind, um ein radiales oder axiales elektrisches Feld zu erzeugen. Ziel des bekannten Laserverstärkers ist es, Lasergas in zusätzliche Bewegung zu versetzten, welches dadurch an den Wänden effektiver gekühlt wird.

Aus der JP 000 H 0 416 7481 A ist ein gattungsgemäßer Gaslaser mit einem gattungsgemäßen Laserverstärker bekannt geworden. Ein Laserentladungsrohr des Laserverstärkers wird von Feldlinien eines Magnetfeldes durchsetzt. Feldlinien eines elektrischen Feldes verlaufen dabei parallel zu den Feldlinien des Magnetfeldes.

Aufgabe der Erfindung

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, einen Laserverstärker bereitzustellen, der - bei konstruktiv einfacher Ausbildung - eine signifikant höhere Laserleistung, eine Änderung der Verstärkerkennlinie und/oder eine Steigerung der Energieeffizienz ermöglicht. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, einen Gaslaser mit einem solchen Laserverstärker sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Laserverstärkers bereitzustellen.

Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Laserverstärker gemäß Patentanspruch 1, einen Gaslaser gemäß Patentanspruch 14 und ein Verfahren ge- maß Patentanspruch 15. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen wieder.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit gelöst durch einen Laserverstärker mit folgenden Merkmalen: a) Einem sich axial erstreckenden Laserentladungsrohr; b) zwei Elektroden, die sich insbesondere parallel zur Längsachse des Laserentladungsrohrs erstrecken, wobei das Laserentladungsrohr, insbesondere zentrisch, zwischen den Elektroden angeordnet ist, sodass durch die Elektroden erzeugbare elektrische Feldlinien das Laserentladungsrohr senkrecht zur axialen Erstreckung das Laserentladungsrohr durchdringen; c) einen ersten Magneten, der zumindest in der Nähe einer der Elektroden angeordnet oder ausgebildet ist, wobei sich der erste Magnet insbesondere parallel versetzt zum Mantel des Laserentladungsrohrs erstreckt und sich vorzugsweise im Wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckt, wobei durch den ersten Magneten erzeugte magnetische Feldlinien das Laserentladungsrohr durchdringen und die elektrischen Feldlinien schneiden.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Laserverstärkers können Elektronen im Lasermedium auf effektiv längeren Bahnen bewegt werden. Hierdurch können Stöße hervorgerufen werden, die eine höhere Ionisierung zur Folge haben. Durch die Anordnung des elektrischen Feldes zum magnetischen Feld vergrößert sich die freie Weglänge der ionisierten Teilchen, welche sich somit auf „geraderen" Bahnen durch die Entladungsrohre befinden. In einem Niederdrucksystem ohne weitere Einflüsse würde das bedeuten, dass Sputtereffekte, die durch Kollisionen mit der Röhre hervorgerufen werden, verringert werden. Allerdings befinden sich besetzungsinvertierte laseraktive Teilchen in der Röhre. Durch Erhöhung der freien Weglänge wird die Stoßwahrscheinlichkeit mit diesen erhöht. Diese Stöße wiederum erniedrigen aber die Energie der ionisierten Teilchen, wodurch auch bei Kollisionen mit der Röhrenwand Sputtereffekte verringert werden.

Die Lorentzkraft auf ein geladenes Teilchen, verursacht durch das Magnetfeld des ersten Magneten, zwingt das Teilchen auf eine Kreisbahn. Steht das Magnetfeld quer zu einem elektrischen Feld, in dem sich ein geladenes Teilchen befindet, wird eine überlagerte Bewegung aus der wirkenden Lorentzkraft und der Kraft des elektrischen Feldes erzeugt. Dadurch steigt der effektiv zurückgelegte Weg des Teilchens. Im Lasermedium steigt dadurch die Stoßwahrscheinlichkeit mit anderen Teilchen und folglich steigt die Ionisierung.

Die Elektroden sind vorzugsweise zueinander axialsymmetrisch zur Längsachse des Laserentladungsrohrs ausgebildet.

Die Elektroden können gewendelt ausgebildet sein. Dabei können die Elektroden im Verlauf ihrer Erstreckung den Abstand zum Laserentladungsrohr vergrößern.

Die beiden Elektroden sind besonders bevorzugt gleich ausgebildet. Hierdurch kann der Aufbau des Laserverstärkers konstruktiv vereinfacht werden.

Der erste Magnet ist vorzugsweise in Form eines Permanentmagneten ausgebildet. Hierdurch können die benötigten magnetischen Feldstärken auf konstruktiv einfache Art und Weise erreicht werden.

Der erste Magnet kann sich zu mehr als 50%, insbesondere zu mehr als 70%, vorzugsweise zu mehr als 90%, parallel zu einer der Elektroden, besonders bevorzugt parallel zu beiden Elektroden, erstrecken.

Der erste Magnet kann in Form eines Hufeisenmagneten ausgebildet sein, in dem das Laserentladungsrohr aufgenommen ist.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Magnet radial und/oder in Umfangsrichtung außerhalb zu einer der Elektroden, insbesondere zu beiden Elektroden, angeordnet oder ausgebildet. In diesem Fall befindet sich der erste Magnet nicht in dem von den Elektroden erzeugbaren elektrischen Feld, sodass der erste Magnet über lange Zeit störungsfrei einsetzbar ist. Der Laserverstärker kann eine HF-Abschirmung, insbesondere in Form eines HF- Bleches, aufweisen, um das elektrische Feld abzuschirmen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der erste Magnet eine Kühlung aufweisen.

Zur weiteren konstruktiven Vereinfachung des Laserverstärkers kann der erste Magnet mit einer der Elektroden in einem gemeinsamen Polschuh angeordnet oder ausgebildet sein.

Weiter bevorzugt weist der Laserverstärker einen zweiten Magneten auf. Der zweite Magnet ist dabei im Bereich der Elektrode angeordnet, die sich gegenüber der Elektrode im Bereich des ersten Magneten befindet. Der zweite Magnet erstreckt sich vorzugsweise parallel versetzt zum Mantel des Laserentladungsrohrs und erstreckt sich insbesondere im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Laserentladungsrohrs, wobei durch den zweiten Magneten erzeugte magnetische Feldlinien das Laserentladungsrohr durchdringen und die elektrischen Feldlinien schneiden.

Der zweite Magnet ist vorzugsweise gleich stark wie der erste Magnet, insbesondere baugleich mit dem ersten Magneten, ausgebildet.

Der zweite Magnet kann in Form eines Permanentmagneten ausgebildet sein.

Der zweite Magnet kann mit den Elektroden fluchten, sodass die magnetischen Feldlinien zumindest teilweise, insbesondere vollständig, die elektrischen Feldlinien senkrecht schneiden.

Der zweite Magnet kann sich zu mehr als 50%, insbesondere zu mehr als 70%, vorzugsweise zu mehr als 90%, parallel zu einer der Elektroden, besonders bevorzugt parallel zu beiden Elektroden, erstrecken.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Magnet radial außerhalb zu den Elektroden angeordnet oder ausgebildet. In diesem Fall befindet sich der zweite Magnet nicht in dem von den Elektroden erzeugbaren elek- trischen Feld, sodass der zweite Magnet über lange Zeit störungsfrei einsetzbar ist.

Zur weiteren konstruktiven Vereinfachung des Laserverstärkers kann der zweite Magnet mit einer der Elektroden in einem gemeinsamen Polschuh angeordnet oder ausgebildet sein.

Der zweite Magnet ist weiter bevorzugt parallel zum ersten Magnet ausgerichtet, sodass die Nordpole der beiden Magnete parallel zueinander versetzt in dieselbe Richtung weisen. Hierdurch wird ein besonders homogenes Magnetfeld im radialen Zentrum des Laserentladungsrohrs erreicht.

Weiter bevorzugt weist das Laserentladungsrohr einen kreisförmigen Querschnitt auf.

Der Laserverstärker kann eine Wechselspannungsquelle zum Anlegen einer Wechselspannung im Hochfrequenzbereich (HF-Wechselspannung, insbesondere RF- Wechselspannung) aufweisen, die mit den Elektroden verbunden ist.

Zum Erreichen einer hohen Effizienz bei geringem Bauraum kann der Laserverstärker räumlich gefaltet sein.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Gaslaser mit einem hier beschriebenen Laserverstärker.

Der Gaslaser ist dabei vorzugsweise in Form eines CO ₂ -Gaslasers ausgebildet.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann dabei erreicht werden, dass der Gasdruck bzw. der Stickstoffanteil des Gases im Laserverstärker reduziert werden kann.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird schließlich gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Laserverstärkers, insbesondere eines hier beschriebenen Laserver- stärkers, mit einem Laserentladungsrohr, bei dem im Laserentladungsrohr ein elektrisches Feld und ein magnetisches Feld erzeugt wird, wobei die elektrischen Feldlinien teilweise senkrecht zu den magnetischen Feldlinien im Laserentladungsrohr verlaufen, wobei sowohl die elektrischen Feldlinien als auch die magnetischen Feldlinien im Laserentladungsrohr senkrecht zur Längsachse des Laserentladungsrohrs verlaufen.

Die Elektroden werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise mit einer Hochfrequenzspannung betrieben.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Gaslaser mit einem gefalteten Laserverstärker in einer Schnittdarstellung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Gaslasers von Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung durch eine erste Ausführungsform eines Entladungsrohrs des Laserverstärkers.

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung durch eine zweite Ausführungsform eines Entladungsrohrs des Laserverstärkers.

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung durch eine dritte Ausführungsform eines Entladungsrohrs des Laserverstärkers.

Der in Fig. 1 und in Fig. 2 gezeigte Gaslaser 1, hier in Form eines CO ₂ -Gaslasers, weist einen quadratisch gefalteten Laserverstärker 2 mit vier sich aneinander an- schließenden Laserentladungsrohren 3 auf, die über Eckgehäuse 4, 5 miteinander verbunden sind. Ein in Richtung der Achsen der Laserentladungsrohre 3 verlaufender Laserstrahl 6 ist strichpunktiert dargestellt. Umlenkspiegel 7 in den Eckgehäusen 4 dienen der Umlenkung des Laserstrahls 6 um jeweils 90°. In einem der Eckgehäuse 5 sind ein Rückspiegel 8 und ein teiltransmissiver Auskoppelspiegel 9 angeordnet. Der Rückspiegel 8 ist hochreflektierend ausgebildet und reflektiert den Laserstrahl 6 um 180°, so dass die Laserentladungsrohre 3 in entgegen gesetzter Richtung erneut durchlaufen werden. Ein Teil des Laserstrahles 6 wird an dem teiltransmissiven Auskoppelspiegel 9 aus dem Laserverstärker 2 ausgekoppelt, der andere Teil verbleibt im Laserverstärker 2 und durchläuft die Laserentladungsrohre 3 erneut. Der über den Auskoppelspiegel 9 aus dem Laserverstärker 2 ausgekoppelte Laserstrahl ist in Fig. 1 mit 10 bezeichnet.

Im Zentrum des gefalteten Laserverstärkers 2 ist als Druckquelle für Lasergas ein Radialgebläse 11 angeordnet, das über Zufuhrgehäuse 12 für Lasergas mit den Eckgehäusen 4, 5 in Verbindung steht. Mittig zwischen den Eckgehäusen 4, 5 sind weitere Gehäuse 14 des Laserverstärkers 2 angeordnet, welche mit Absauggehäusen 13 in Verbindung stehen, die der Absaugung des Lasergases aus dem Laserverstärker 2 und der Rückführung zum Radialgebläse 11 dienen. Die Strömungsrichtung des Lasergases im Innern der Laserentladungsrohre 3 sowie in den Zufuhr- und Absauggehäusen 12, 13 ist in Fig. 1 durch Pfeile veranschaulicht. Die Anregung des Lasergases erfolgt über Elektroden 15, die benachbart zu den Laserentladungsrohren 3 angeordnet und mit einem (nicht gezeigten) HF- Generator verbunden sind. Als HF-Generator kann beispielsweise ein Röhrengenerator mit einer Anregungsfrequenz von 13,56 MHz oder 27,12 MHz verwendet werden. Auf den Elektroden 15 ist jeweils ein Magnet 17 angeordnet, wie in Fig. 3 erläutert wird.

Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind sowohl in ein jeweiliges Zufuhrgehäuse 12 als auch in ein jeweiliges Absauggehäuse 13 des Gaslasers 1 jeweils zwei Wärmetauscher eingebracht, um eine stufenweise Abkühlung des Lasergases zu ermöglichen. Der in Fig. 2 gezeigte Gaslaser 1 wird für diese stufenweise Abkühlung mit Kühlanordnung gekühlt. Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Teils des Laserverstärkers 2 im Bereich eines der Laserentladungsrohre 3. Das Laserentladungsrohr 3 ist zwischen Elektroden 15 angeordnet. Die Elektroden 15 werden mit Wechselspannung beaufschlagt. Die Frequenz der Wechselspannung liegt vorzugsweise im Hochfrequenzbereich (HF-Frequenzbereich, insbesondere RF-Frequenzbereich).

Die Elektroden 15 sind in zwei Polschuhen 16 zwischen Magneten 17 angeordnet. Die Magnete 17 sind vorzugsweise in Form von Permanentmagneten ausgebildet. Nordpol und Südpol der Magneten 17 sind quer, insbesondere senkrecht, zur gedanklich verlängerten Verbindungslinie zwischen den Elektroden 15 angeordnet. Weiterhin sind die Magnete 17 quer, insbesondere senkrecht, zur Längserstre- ckung des Laserentladungsrohrs 3 angeordnet. Hierdurch schneiden sich elektrische Feldlinien 18 der Elektroden 15 mit den magnetischen Feldlinien 19 der Magnete 17 im radialen Zentrumsbereich 20 des Laserentladungsrohrs 3. Besonders bevorzugt verlaufen die elektrischen Feldlinien 18 im Zentrumsbereich 20 senkrecht zu den magnetischen Feldlinien 19.

Die Elektroden 15 können jeweils einstückig mit jeweils einem Magneten 17 ausgebildet sein, um einen konstruktiv besonders einfachen Aufbau des Laserverstärkers 2 zu erzielen.

Die Elektroden 15 und/oder die Magnete 17 können spiegelsymmetrisch zu einer durch den Zentrumsbereich 20 verlaufenden, sich in Längsrichtung des Laserentladungsrohrs 3 erstreckenden Spiegelebene ausgebildet sein. Hierdurch wird ein besonders symmetrischer Feldlinienverlauf erreicht.

Fig. 4 zeigt eine Schnittdarstellung eine weitere Ausführungsform eines Teils des Laserverstärkers 2 im Bereich eines der Laserentladungsrohre 3. Das Laserentladungsrohr 3 ist zwischen Elektroden 15 angeordnet. Die Elektroden 15 werden mit Wechselspannung beaufschlagt. Die Frequenz der Wechselspannung liegt vorzugsweise im Hochfrequenzbereich (HF-Frequenzbereich, insbesondere RF- Frequenzbereich). Die Elektroden 15 und das Laserentladungsrohr 3 sind innerhalb eines Magneten 17 angeordnet. Der Magnet 17 ist dabei in Form eines Hufeisenmagneten ausgebildet, vorzugsweise in Form eines Permanentmagneten. Nordpol und Südpol des Magneten 17 sind quer, insbesondere senkrecht, zur gedanklich verlängerten Verbindungslinie zwischen den Elektroden 15 angeordnet. Weiterhin ist der Magnet 17 quer, insbesondere senkrecht, zur Längserstreckung des Laserentladungsrohrs 3 angeordnet. Hierdurch schneiden sich elektrische Feldlinien 18 der Elektroden 15 mit den magnetischen Feldlinien 19 des Magneten 17 im radialen Zentrumsbereich 20 des Laserentladungsrohrs 3. Besonders bevorzugt verlaufen die elektrischen Feldlinien 18 im Zentrumsbereich 20 senkrecht zu den magnetischen Feldlinien 19.

Die Elektroden 15 und/oder der Magnet 17 kann/können spiegelsymmetrisch zu einer durch den Zentrumsbereich 20 verlaufenden, sich in Längsrichtung des Laserentladungsrohrs 3 erstreckenden Spiegelebene ausgebildet sein. Hierdurch wird ein besonders symmetrischer Feldlinienverlauf erreicht.

Fig. 5 zeigt eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Teils des Laserverstärkers 2 im Bereich eines der Laserentladungsrohre 3. Das Laserentladungsrohr 3 ist zwischen Elektroden 15 angeordnet. Die Elektroden 15 werden mit Wechselspannung beaufschlagt. Die Frequenz der Wechselspannung liegt vorzugsweise im Hochfrequenzbereich (HF-Frequenzbereich, insbesondere R.F- Frequenzbereich).

Die Elektroden 15 sind in Umfangsrichtung senkrecht versetzt zu Magneten 17 angeordnet. Die Magnete 17 sind vorzugsweise in Form von Permanentmagneten ausgebildet. Nordpol und Südpol der Magneten 17 sind quer, insbesondere senkrecht, zur gedanklich verlängerten Verbindungslinie zwischen den Elektroden 15 angeordnet. Weiterhin sind die Magnete 17 quer, insbesondere senkrecht, zur Längserstreckung des Laserentladungsrohrs 3 angeordnet. Hierdurch schneiden sich elektrische Feldlinien 18 der Elektroden 15 mit den magnetischen Feldlinien 19 der Magnete 17 im radialen Zentrumsbereich 20 des Laserentladungsrohrs 3. Besonders bevorzugt verlaufen die elektrischen Feldlinien 18 im Zentrumsbereich 20 senkrecht zu den magnetischen Feldlinien 19.

Die Elektroden 15 und/oder die Magnete 17 können spiegelsymmetrisch zu einer durch den Zentrumsbereich 20 verlaufenden, sich in Längsrichtung des Laserentladungsrohrs 3 erstreckenden Spiegelebene ausgebildet sein. Hierdurch wird ein besonders symmetrischer Feldlinienverlauf erreicht.

Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung zusammenfassend einen Laserverstärker 2 mit einem Laserentladungsrohr 3. Das Laserentladungsrohr 3 befindet sich zwischen zwei Elektroden 15. Die Elektroden 15 befinden sich vorzugsweise zwischen zwei Magneten 17. Die beiden Magnete 17 sind vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet, sodass sich die Nordpole und Südpole der beiden Magnete 17 einander direkt gegenüberliegen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gaslaser 1 mit einem solchen Laserverstärker 2 und ein Verfahren zum Betrieb eines Laserverstärkers 2, bei dem sich die Feldlinien 18, 19 des elektrischen und magnetischen Feldes im Laserentladungsrohr 3, insbesondere zumindest teilweise senkrecht, kreuzen.

Bezuqszeichenliste

1 Gaslaser

2 Laserverstärker

3 Laserentladungsrohr

4 Eckgehäuse

5 Eckgehäuse

6 Laserstrahl

7 Umlenkspiegel

8 Rückspiegel

9 Auskoppelspiegel

10 Laserstrahl

11 Radialgebläse

12 Zufuhrgehäuse

13 Absauggehäuse

14 weiteres Gehäuse

15 Elektrode

16 Polschuh

17 Magnet

18 elektrische Feldlinie

19 magnetische Feldlinie

20 Zentrumsbereich