DE102004039082A1

DE102004039082A1 - Anordnung mit einem HF-angeregten Laserresonator

Info

Publication number: DE102004039082A1
Application number: DE102004039082A
Authority: DE
Inventors: Markus Schwandt
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2006-02-23
Also published as: US20060039440A1

Abstract

Bei einer Anordnung (1) mit einem HF-Generator (2), einem Laserresonator (3) und einer zwischen HF-Generator (2) und Laserresonator (3) vorgesehenen Kabelverbindung (4), wobei die Ausgangsimpedanz des HF-Generators (2) und die Eingangsimpedanz des Laserresonators (3) unterschiedlich sind, weist die Kabelverbindung (4) mindestens ein Kabel (5) auf, dessen Kabelimpedanz und Länge derart gewählt sind, dass die Ausgangsimpedanz des HF-Generators (2) an die Eingangsimpedanz des Laserresonators (3) angepasst ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem HF-Generator, einem Laserresonator und einer zwischen HF-Generator und Laserresonator vorgesehenen Kabelverbindung, wobei die Ausgangsimpedanz des HF-Generators und die Eingangsimpedanz des Laserresonators unterschiedlich sind.

Bei der Erzeugung von HF-Energie für die Anregung von Gaslasern unterscheidet man freischwingende Generatoren, also Generatoren, deren interne Impedanz und Schwingfrequenz abhängig von der Lastimpedanz sind, und Generatoren mit fester Frequenz, z.B. 13,56 MHz. Letztere besitzen in der Regel eine interne Impedanz von 50 Ohm. Zur Energieübertragung zwischen Generator und Laserresonator kommen bei diesen Systemen auch Kabel mit einer Kabelimpedanz von 50 Ohm zum Einsatz. Die Eingangsimpedanz des Laserresonators ist neben Anregungsfrequenz und Gaszusammensetzung in erster Linie von der Anregungsgeometrie abhängig und entspricht in der Regel nicht 50 Ohm. Der Laserresonator wird an die Ausgangsimpedanz des HF-Generators über eine oder mehrere Matchboxen angepasst, die im Laserresonator (d.h. intern) und/oder außerhalb des Laserresonators (d.h. extern) angeordnet sind. Bei HF-angeregten Gaslasern wird die Länge des Kabels derart gewählt, dass der Laser ein optimales Zündverhalten zeigt.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Anordnung der eingangs genannten Art die Anzahl an Bauteilen zur Energieübertragung und Impedanztransformation zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kabelverbindung mindestens ein Kabel aufweist, dessen Kabelimpedanz und Länge derart gewählt sind, dass die Ausgangsimpedanz des HF-Generators an die Eingangsimpedanz des Laserresonators angepasst ist.

Erfindungsgemäß übernimmt die Kabelverbindung gleichzeitig die Energieübertragung und die Impedanztransformation zwischen der Ausgangsimpedanz des HF-Generators und der Eingangsimpedanz des Laserresonators, so dass mindestens eine Matchbox nicht mehr erforderlich ist. Dadurch kann neben Kosten auch der bisher von der Matchbox eingenommene Platz eingespart werden. Die Ausgangsimpedanz des HF-Generators entspricht der Eingangsimpedanz des Kabels und die Eingangsimpedanz des Laserresonators entspricht der Ausgangsimpedanz des Kabels, wenn keine Matchboxen dazwischen geschaltet sind. Die elektrischen Eigenschaften der Kabelverbindung sind abhängig von der Impedanz der Kabelverbindung, der Impedanz am Eingang der Kabelverbindung, der Impedanz am Ausgang der Kabelverbindung, der elektrischen Verschaltung der Kabel zueinander oder gegen andere Potentiale im Stromkreis (Masse oder elektrisch schwimmend), der Länge des oder der Kabel und der Frequenz der übertragenen HF-Energie. Die HF-Frequenz ist in der Regel ein fester Parameter, der nicht variiert wird. Durch Ausnutzung des Transformationsverhaltens eines oder mehrerer Kabel kann jede beliebige Impedanz am generatorseitigen Eingang (Eingangsimpedanz) des oder der Kabel in jede gewünschte Impedanz am resonatorseitigen Ausgang (Ausgangsimpedanz) des oder der Kabel überführt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kabelverbindung mehrere parallel geschaltete Kabel auf, deren Kabelimpedanz und Länge jeweils derart gewählt sind, dass die Ausgangsimpedanz des HF-Generators an die Eingangsimpedanz des Laserresonators angepasst ist. Die mehreren parallel geschalteten Kabel weisen bevorzugt die gleiche Länge und gleiche Kabelimpedanz auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist resonatorseitig eine Matchbox vorgesehen und die Kabelimpedanz und Länge des mindestens einen Kabels sind derart gewählt, dass die Ausgangsimpedanz des HF-Generators an die Eingangsimpedanz der Matchbox angepasst ist.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist generatorseitig eine Matchbox vorgesehen und die Kabelimpedanz und Länge des mindestens einen Kabels sind derart gewählt, dass die Ausgangsimpedanz der Matchbox an die Eingangsimpedanz des Laserresonators angepasst ist.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist die Kabelverbindung mindestens ein erstes Kabel, das den HF-Generator mit dem Laserresonator verbindet, und ein an den HF-Generator angeschlossenes zweites Kabel mit offenem oder auf Masse gelegtem Ausgang auf, dessen Kabelimpedanz und Länge derart gewählt sind, dass die Ausgangsimpedanz des HF-Generators an die Eingangsimpedanz des Laserresonators angepasst ist.

Sowohl koaxiale Leitungen (Koaxialkabel) als auch Streifenleitungen können zur Energieübertragung und Impedanztransformation genutzt werden.

Jede Kabelverbindung ist vorteilhafterweise flexibel, um kabelschlepptaugliche Anwendungen zu ermöglichen, bei denen der Laserresonator relativ zum HF-Generator bewegt wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je 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.
Es zeigen:
1a die erfindungsgemäße Anordnung mit einem einzigen Kabel;
1b die erfindungsgemäße Anordnung mit einem einzigen Kabel und einer resonatorseitigen Matchbox zwischen Kabel und Laserresonator;
1c die erfindungsgemäße Anordnung mit einem einzigen Kabel und einer generatorseitigen Matchbox zwischen HF-Generator und Kabel;
2 die erfindungsgemäße Anordnung mit vier parallel geschalteten Kabeln; und
3 die erfindungsgemäße Anordnung mit zwei Kabeln.
Die in 1a gezeigte Anordnung 1 umfasst einen HF-Generator 2, einen Laserresonator 3 und eine zwischen HF-Generator 2 und Laserresonator 3 vorgesehene Kabelverbindung 4, die aus einem einzigen Kabel 5 besteht. Der Laserresonator 3 ist direkt, also ohne Matchbox, am HF-Generator 2 angeschlossen. Die elektrischen Eigenschaften der Kabelverbindung 4 sind von der Ausgangsimpedanz des HF-Generators 2, der Kabelimpedanz des Kabels 5, der Kabellänge L und der HF-Frequenz des HF-Generators 2 abhängig. Die Kabelimpedanz und Länge des Kabels 5 sind derart gewählt, dass die Ausgangsimpedanz des HF-Generators 2 an die Eingangsimpedanz des Laserresonators 3 angepasst ist.
Neben der Länge L des Kabels 5 sind Längen L + n·λ/2 möglich, die sich um ganzzahlige Vielfache der halben Wellenlänge λ von der ermittelten Kabellänge L unterscheiden.
Die in 1b gezeigte Anordnung 1' umfasst einen HF-Generator 2, einen Laserresonator 3 und eine zwischen HF-Generator 2 und Laserresonator 3 vorgesehene Kabelverbindung 4, die aus einem einzigen Kabel 5 besteht. Das Kabel 5 ist resonatorseitig an eine interne oder externe Matchbox 6 angeschlossen, die dem Laserresonator 3 vorgeschaltet ist. Die Kabelimpedanz und Länge L des Kabels 5 sind derart gewählt, dass die Ausgangsimpedanz des HF-Generators 2 an die Eingangsimpedanz der Matchbox 6 angepasst ist. Die Matchbox 6 transformiert die Ausgangsimpedanz des Kabels 5 auf die Eingangsimpedanz des Laserresonators 3.
Die in 1c gezeigte Anordnung 1'' umfasst einen HF-Generator 2, einen Laserresonator 3 und eine Kabelverbindung 4, die aus einem einzigen Kabel 5 besteht. Das Kabel 5 ist generatorseitig an eine dem HF-Generator 2 nachgeschaltete Matchbox 6 angeschlossen. Die Matchbox 6 transformiert die Ausgangsimpedanz des HF-Generators auf die Eingangsimpedanz des Kabels 5. Die Kabelimpedanz und Länge L des Kabels 5 sind derart gewählt, dass die Ausgangsimpedanz der Matchbox 6 an die Eingangsimpedanz des Laserresonators 3 angepasst ist.
Von der Anordnung 1 unterscheidet sich die in 2 gezeigte Anordnung 11 allein dadurch, dass die Kabelverbindung 14 aus vier parallel geschalteten Kabeln 15a, 15b, 15c und 15d besteht. Koaxialkabel sind mit bestimmten Kabelimpedanzen, wie z.B. 50 Ohm und 75 Ohm, kostengünstig auf dem Markt verfügbar, wohingegen Kabel mit anderen Kabelimpedanzen als Sonderanfertigung zu entsprechend hohen Preisen erhältlich sind. Daher bietet sich an, durch Parallelschaltung mehrerer Kabel die gewünschte Kabelimpedanz zu erzeugen. Die parallelgeschalteten Kabel können unterschiedliche Längen und Kabelimpedanzen aufweisen. Die vier Kabel 15a, 15b, 15c und 15d der Anordnung 11 weisen identische Längen auf und sind flexibel bzw. biegsam, um kabelschlepptaugliche Anwendungen zu ermöglichen, bei denen der Laserresonator 3 relativ zum HF-Generator 2 bewegt wird. Die Kabelimpedanz und Länge L jedes Kabels 15a, 15b, 15c und 15d sind derart gewählt, dass die Ausgangsimpedanz des HF-Generators 2 an die Eingangsimpedanz des Laserresonators 3 angepasst ist.
Die in 3 gezeigte Anordnung 21 umfasst einen HF-Generator 2, einen Laserresonator 3 und eine zwischen HF-Generator 2 und Laserresonator 3 vorgesehene Kabelverbindung 24, die aus zwei Kabeln 25a und 25b besteht. Das Kabel 25a der Kabelverbindung 24 weist eine Länge L₁ auf und verbindet den HF-Generator 2 mit dem Laserresonator 3. Das zweite Kabel 25b der Kabelverbindung 14 weist eine Länge L₂ auf. Das eine Ende des Kabels 25b ist mit dem HF-Generator 2 verbunden und das andere Ende besitzt einen offenen Ausgang.
Die Funktionen Energieübertragung und Impedanztransformation werden von den Kabeln 25a und 25b der Kabelverbindung 24 getrennt übernommen. Das Kabel 25a überträgt die Energie vom HF-Generator 2 zum Laserresonator 3, und das Kabel 25b übernimmt die Impedanztransformation von der Ausgangsimpedanz des HF-Generators 2 auf die Eingangsimpedanz des Laserresonators 3. Die Länge L₂ und Kabelimpedanz des Kabels 25b sind so gewählt, dass die Ausgangsimpedanz des HF-Generators 2 an die Eingangsimpedanz des Laserresonators 3 angepasst ist. Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Länge L₁ des Kabels 25a zwischen HF-Generator 2 und Laserresonator 3 ein freier Parameter ist. Die Länge L₁ kann daher so gewählt werden, dass der Laser ein optimales Zündverhalten zeigt.
Das Kabel 25b der Kabelverbindung 24, das in 3 über einen offenen Ausgang verfügt, kann alternativ auf Masse gelegt sein. Beide Varianten bieten die Möglichkeit, die Impedanztransformation durchzuführen, wobei sich allerdings die dazu erforderlichen Kabellängen unterscheiden. Während bei einem auf Masse gelegten Kabel bereits kurze Kabellängen L₂ ausreichen, ist bei einem Kabel mit offenem Ausgang die Kabellänge um λ/2 größer.

Claims

Anordnung (1; 1'; 1''; 11; 21) mit einem HF-Generator (2), einem Laserresonator (3) und einer zwischen HF-Generator (2) und Laserresonator (3) vorgesehenen Kabelverbindung (4; 14; 24), wobei die Ausgangsimpedanz des HF-Generators (2) und die Eingangsimpedanz des Laserresonators (3) unterschiedlich sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelverbindung (4; 14; 24) mindestens ein Kabel (5; 15a-15d; 25b) aufweist, dessen Kabelimpedanz und Länge derart gewählt sind, dass die Ausgangsimpedanz des HF-Generators (2) an die Eingangsimpedanz des Laserresonators (3) angepasst ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelverbindung (14) mehrere parallel geschaltete Kabel (15a-15d) aufweist, deren Kabelimpedanz und Länge jeweils derart gewählt sind, dass die Ausgangsimpedanz des HF-Generators (2) an die Eingangsimpedanz des Laserresonators (3) angepasst ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Kabel (15a-15d) identisch mit gleicher Länge und gleicher Kabelimpedanz sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass resonatorseitig eine Matchbox (6) vorgesehen ist und dass Kabelimpedanz und Länge des mindestens einen Kabels (5) derart gewählt sind, dass die Ausgangsimpedanz des HF-Generators (2) an die Eingangsimpedanz der Matchbox (6) angepasst ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass generatorseitig eine Matchbox (6) vorgesehen ist und dass Kabelimpedanz und Länge des mindestens einen Kabels (5) derart gewählt sind, dass die Ausgangsimpedanz der Matchbox (6) an die Eingangsimpedanz des Laserresonators (3) angepasst ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelverbindung (24) mindestens ein erstes Kabel (25a), das den HF-Generator (2) mit dem Laserresonator (3) verbindet, und ein an den HF-Generator (2) angeschlossenes zweites Kabel (25b) mit offenem oder auf Masse gelegtem Ausgang aufweist, dessen Kabelimpedanz und Länge derart gewählt sind, dass die Ausgangsimpedanz des HF-Generators (2) an die Eingangsimpedanz des Laserresonators (3) angepasst ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kabel (5; 15a-15d; 25a, 25b) eine koaxiale Leitung, insbesondere ein Koaxialkabel, oder eine Streifenleitung ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kabel (5; 15a-15d; 25a, 25b) ein Standardkabel ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kabel (5; 15a-15d; 25a, 25b) flexibel ist.