LU84372A1 - Vorrichtung zur erzeugung eines laseraktiven zustandes in einer schnellen unterschallstroemung - Google Patents

Description

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Beschreibung: i j Vorrichtung zur Erzeugung eines j laseraktiven Zustandes in einer | schnellen Unterschallströmung li [j . . - π · w ' | Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung ei-

Ines laseraktiven Zustands in einer schnellen Unterschallströmung mit einem Strömungskanal, mit einem ersten Elektrodenpaar mit einander gegenüberliegenden dielektrischen || Elektroden· im Wandbereich des Strömungskanals sowie einem i: zweiten Elektrodenpaar, dessen eine Elektrode im Strömungs- jj kanal stromaufwärts der Entladung, dessen andere Elektrode i im Strömungskanal stromabwärts der Entladung angeordnet 1 sind, wobei die Elektroden des ersten Elektrodenpaares mit | einer HF-Spannungsouelle verbunden sind.

li ; li * Seit langem werden elektrische Glimmentladungen zur Anre- ji gung von Molekülgasen für Laser, insbesondere für CC^-La-

Ij ser, angewandt. Die Entwicklung von CC^-Lasern begann mit Längsentladungen in Glasröhren. Dabei ist die auskoppelba-j j re Leistung aufgrund der Wärmeabfuhr des Plasmas zur Wand

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i t A 44 781 u u - 183 1. September 1981 4 durch Diffusion auf ca. 80 W/m begrenzt.

Eine Steigerung der spezifischen Ausgangsleistung erzielt man mit konvektiver Wärmeabfuhr in einer schnellen Strömung in Längsrichtung des Entladungsrohres. Zusammen mit einer Entladungsstabilisierung durch Turbulenzbildung erreicht man 500 W/m. Die resultierenden hohen Strömungswi-derstände erfordern hohe Druckdifferenzen zu ihrer Überwindung und bedingen ein aufwendiges Pumpsystem für den Gaskreislauf.

Quergeströmte Laser, bei denen in einer Strömung senkrecht zur optischen Achse eine stärkere Wärmeabfuhr erfolgt, erbringen höhere Leistungen. Die elektrische Entladung ist dabei entweder senkrecht oder parallel der Strömung überlagert. Beide Verfahren erfordern besondere Maßnahmen zur Entladungsstabilisierung. So neigt die Entladung in Strömungsrichtung zu Einschnürungen aufgrund von Inhomogenitäten, insbesondere der Temperatur und der Elektronendichte, die durch die in der Strömung liegenden Elektroden bedingt sind. Zur Unterdrückung der von solchen Stellen ausgehenden Instabilitäten müssen starke Turbulenzen angefacht werden, was den Einsatz apparativer Maßnahmen erfordert (Nighan et al in Appl. Phys. Lett. 2j>, 633, 1974).

Bei Entladungen senkrecht zur Strömung müssen Maßnahmen ergriffen werden, die einer Verschleppung der Entladung in Strömungsrichtung entgegenwirken.

Derartige Querentladungen sind in mehreren Variationen intensiv untersucht worden: u L ·

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A 44 781 u u - 183 1. September 1981 - 5 - 1. Selbständige Gleichstromentladungen:

Bei diesen kann aufgrund des direkten Zusammenhangs zwischen Feldstärke und Ladungsträgererzeugung (extreme Abhängigkeit des Ionisationskoeffizienten von der elektrischen Feldstärke) in stabiler Weise nur eine begrenzte Leistungsdichte erzielt werden. Zur Stabilisierung der Entladung sind daher Elektroden mit starker Segmentierung und aufwendiger Kühlung mit einem Netz von Vorwiderständen erforderlich.

2. Kombinierte Entladungen:

Durch Trennen der Funktionen Ladungsträgererzeugung und Vibrationsanregung erzielt man eine Verbesserung der Entladungsstabilität und damit eine Leistungsdichte'er-höhung. Bekannte Methoden der getrennten Ladungsträgererzeugung sind die folgenden: a) Pulser-Sustainer:

Einer unselbständigen Gleichstromentladung niedriger elektrischer Feldstärke sind kurze Hochspannungspulse hoher Frequenz zur Ionisierung des Plasmas überlagert. Die Feldstärke der Gleichstromentladung ist im allgemeinen niedriger als bei selbständigen Entladungen und auf optimale Vibrationsanregung des Molekülgases abgestimmt. Die kurzen Hochspannungsimpulse erzeugen eine hohe Elektronendichte in einem stabilen, zeitlich überwiegend rekombinierenden Plasma. Die Verbesserung der Entladung wird jedoch mit einer komplizierten Energieversorgung erkauft. Dieses Konzept wurde durch eine zusätzlich überlagerte /1 * A 44 781 u u - 183 1. September 1981 - 6 - UV-Vorionisierung zur sogenannten PIE-Entlaâung weiterentwickelt (NAM et al in IEEE J.Quantum Electronics, QE J_5, 44,1979) .

b) Unselbständige Gleichstromentladung mit Elektronenstrahlionisierung :

Mit diesem Konzept sind die besten Leistungsdaten zu erzielen, die Anlage ist jedoch aufwendig und empfindlich. Der Elektronenstrahl wird über eine dünne Metallfolie in die Entladung eingekoppelt, deren Bruch zu schwerwiegenden Betriebsstörungen führt.

Der Betrieb ist nicht unproblematisch, da hohe Spannungen und eine Abschirmung gegen Röntgenstrahlen erforderlich sind.

3. Selbständige Hochfrequenzentladungen:

Der zeitlichen Änderung des elektrischen Feldes entsprechend besteht die Hochfrequenzentladung aus einer alternierenden Folge von kurzen selbständigen und langen unselbständigen Entladungsphasen bei zeitlich konstanter Elektronendichte. In einem rekombinationsbestimmten Plasma verschiebt sich der Einsatz von Volumeninstabilitäten zu höheren spezifischen Leistungs-dichten. Die Hochfrequenzentladung bietet die Möglichkeit, durch geeignete Wahl der Frequenz die Verluste an Ladungsträgern zu verringern. Dies geschieht, indem die Amplitude der Elektronendriftbewegung klein gegenüber dem Abstand der Elektroden gehalten wird. Die Einkopplung der Hochfrequenzenergie kann über metallische Elektroden oder kapazitiv erfolgen (Europäische Offen-^ legungsschrift 3280, US-Patentschrift 3 748 594; / A 44 781 u u - 183 1. September 1981 - 7 - »

Gavrilyuk et al in Sov. J.Quantum Electron. 9, 326, 1979; Christensen et al in IEEE Quantum Electronics QE 16, 949, 1980).

Bei der elektrodenbehafteten Einkopplung ergibt sich gegenüber der Gleichstromentladung der weitere Vorteil, daß der Polaritätswechsel die Kathodenfunktion der jeweiligen Elektrode periodisch in Zeiten unterbricht, die sehr viel kleiner sind als die typische Anwachszeit von thermischen Instabilitäten, die sonst von der Kathode ausgehen würden. Deshalb kann im Vergleich zu Gleichstromentladungen die HF-Entladung über besonders einfach aufgebaute Elektroden mit grober Segmentierung eingekoppelt werden. Weiterhin besitzt die Hochfreguenzentladung eine positive Strom-Spannungs-Charakteristik, wodurch sich die sonst übliche Ohmsche Stabilisierung erübrigt (DE-Patentschrift 29 17 995; Schock et al in LASER + Elektro-Optik 2, 76, 1981).

Es ist weiterhin bekannt, einem parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden elektrischen Gleichfeld ein quer zur Strömung gerichtetes elektrisches HF-Feld zu überlagern und dadurch die Leistungsdichte der Entladung zu erhöhen (Eckbreth et al in Appl. Phys. Elett. 2]_, 25 1972). Die Überlagerung des Hochfrequenzfeldes dient dabei der Stabilisierung der Gleichstromlängsentladung. Bei dieser Anordnung ergibt sich jedoch nach wie vor die Schwierigkeit, daß aufgrund der im Kanalquerschnitt angeordneten metalli-j sehen Elektroden Inhomogenitäten die Leistungsdichte begren zen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung dieser bekannten Art derart weiterzubilden, daß in einem iu < i A 44 781 u u - 183 1. September 1981 8

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schnellströmenden Gas eine homogene elektrische Anregung hoher Leistungsdichte möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektroden des zweiten Elektrodenpaares mit einer zweiten HF-Spannungsquelle verbunden sind, und daß die Elektroden des zweiten Elektrodenpaares mehrere über den Querschnitt des Strömungskanals verteilte dielektrische Einzelelektroden umfassen, die einen von einem dielektrischen Material allseits umgebenen metallischen Kern aufweisen.

Durch die Verbindung des zweiten Elektrodenpaares mit einer HF-Spannungsquelle erhält man ein elektrisches Feld, dessen elektrischer Feldvektor sich bezüglich Betrag und/ oder Richtung ändert.

Die Stabilisierung beruht im wesentlichen auf den folgenden Effekten: a) Die Richtungsänderung des elektrischen Feldvektors unterdrückt das Anwachsen von richtungsbestimmten Instabilitäten.

b) Die Betragsänderung des elektrischen Feldvektors führt dazu, daß sich selbständige und unselbständige Entladungsphasen abwechseln. Während der unselbständigen Entladungsphase ist das Plasma rekombinationsbestimmt und wirkt dadurch stabilisierend.

Für den Spezialfall der senkrechten Überlagerung und der Ύ' zeitlichen Phasenverschiebung von y ergibt sich ein umlaufender Feldstärkevektor konstanten Betrages.

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A 44 781 u u - 183 1. September 1981 9 Günstig kann es auch sein, wenn die beiden HF-Spannungs-quellen verschiedene Frequenzen ohne Phasenkopplung erzeugen.

Für den Fall ungleicher Frequenz der Generatoren und fehlender Phasenkopplung ergibt sich ein Feldstärkevektor mit statistischer Winkelgeschwindigkeit und Modulation des Betrages.

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß bereits ein Experiment bekannt geworden ist, bei dem innerhalb einer Glasröhre die Entladung mit gleichförmig rotierendem E-Feldvektor betrieben wird (Zhilinskii et al in Sov. Phys. Tech. Phys. 23, 1293, 1978). Die Einkopplung der Hochfrequenzenergie erfolgt dabei durch zwei Elektrodenpaare, die außerhalb eines Glasrohres angeordnet sind. Aufgrund dieser Rohranordnung ist die erzielbare Leistungsdichte begrenzt, was durch die erreichte eingekoppelte elektrische ! 3 I Leistungsdichte von 4 W/cm offenkundig wird.

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Bei dieser Gestaltung wäre eine begrenzte Leistungssteigerung durch zusätzliche Überlagerung einer Längsströmung im Rohr denkbar. Demgegenüber ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung des zweiten Elektrodenpaares im Strömungskanal und die Auflösung desselben in Einzelelektroden eine Überlagerung einer Querströmung mit hoher Gasgeschwindigkeit. Damit können die Vorzüge eines rotierenden elektrischen Feldes mit denen eines raschen Gasaustausches in der Entladung 1 kombiniert werden.

! ^ i t A 44 781 u u - 183 1. September 1981 - 1o -

Die in Einzelelektroden aufgelöste stromaufwärts des Entladungsbereichs angeordnete Elektrode hat darüberhinaus jedoch auch eine strömungstechnische Wirkung, sie homogenisiert nämlich die in den Entladungsbereich eintretende Gasströmung. In ähnlicher Weise hat auch die stromabwärts gelegene, in einzelne Elektroden aufgelöste Elektrode eine zusätzliche Wirkung, sie begrenzt nämlich den Entladungsbereich auf der stromabwärts gelegenen Seite des Entladung sbereichs und verhindert dadurch wirkungsvoll eine Verschleppung der Entladung in Strömungsrichtung.

Der Einsatz von mit dielektrischem Material ummantelten Elektroden im zweiten Elektrodenpaar ermöglicht einen homogenen Stromansatz an den Elektroden ohne die sonst notwendigen Maßnahmen der Segmentierung der Elektroden einerseits und der Ohmschen Stabilisierung andererseits. Dadurch entfällt die insbesondere bei Hochleistungslasern aufwendige Kühlung. Darüberhinaus wird durch Einsatz der dielektrischen Elektroden ein direkter Kontakt zwischen Gas und Metall vermieden, was zu einem verbesserten Langzeitverhalten des Lasers führt.

Aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften (Durchbruchfeldstärke, Dielektritzitätskonstante) bietet sich insbesondere Al^O^ als Dielektrikum an.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Einzelelektroden die Form von Platten haben, die im Abstand voneinander paral-.lel zur Strömungsrichtung angeordnet sind. Der Glättungseffekt der Strömung beim Eintritt in den Entladungsbereich ist durch diese Ausgestaltung besonders ausgeprägt.

h A 44 781 u u - 183 1, September 1981 11 9

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Einzelelektroden stromaufwärts unmittelbar vor den Elektroden des ersten Elektrodenpaares enden und daß die einzelnen Elektroden stromabwärts unmittelbar hinter den Elektroden des ersten Elektrodenoaares beginnen. Man erhält dadurch einen genau definierten Entladungsbereich zwischen den Elektroden des ersten Elektrodenpaares.

Je nach Anwendung des Lasers kann dieser kontinuierlich, gepulst oder pulsüberlagert betrieben werden. Beaufschlagt man beispielsweise eines der beiden Elektrodensysteme mit einer kontinuierlichen Hochfrequenzspannung und das andere mit einer gepulsten Spannung, so kann unter Ausnutzung der dabei auftretenden E-Vektordrehung eine stabile Entladung für eine kontinuierliche Laserstrahlung mit Pulsüberlagerung erzeugt werden.

Die erfindungsgemäße Gestaltung des Elektrodensystems, das zum Teil zusätzlich die Funktion der Strömungsbeeinflussung und der Entladungsbegrenzung übernimmt, ermöglicht die Anwendung sehr hoher Gasgeschwindigkeiten ohne Entladungsverschleppung in Strömungsrichtung. Dadurch werden gleichzeitig drei Maßnahmen zur Entladungsstabilisierung kombiniert: a. hohe Strömungsgeschwindigkeit, b. Variation des Betrages der elektrischen Feldstärke, c. Richtungsänderung des Feldstärkevektors.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung können durch die folgenden charakteristischen Merkmale zusammenfassend gekennzeichnet werden: L· A 44 781 u u - 183 1. September 1981 12 - * 1. Die hohe erzielbare Leistungsdichte ermöglicht den Bau kompakter Laser mit einfachen Elektroden durch Wegfall der sonst üblichen Segmentierung und Vorionisierung.

2. Eine verlustbehaftete Ohmsche Stabilisierung entfällt.

3. Es wird keine Elektrodenkühlung benötigt.

4. In der Entladungszone entfallen metallische Kontakte mit dem Plasma, wodurch das Langzeitverhalten des Lasers verbessert wird.

5. Die Elektrodenanordnung ermöglicht einen pulsüberlagerten Dauerbetrieb des Lasers.

Insbesondere die Punkte 1 bis 3 haben die Konsequenz, daß der technische Aufwand für das Lasersystem gering, sein Wirkungsgrad jedoch hoch ist.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines laseraktiven Zustands.

In einem Kanal 1, der vorzugsweise einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, sind in gegenüberliegende Seitenwände 2 und 3 Elektroden 4 und 5 eingelassen, die gemeinsam ein erstes Elektrodenpaar bilden. Die ebenen Elektrodenoberflächen schließen mit den Seitenwänden des Kanals ab und be-a stehen aus einem Dielektrikum 6 mit geringem Verlustwinkel, t.' A 44 781 u u - 183 1. September 1981 -13- m welches auf der Rückseite mit einem Metallbelag 7 versehen ist. Im Volumenbereich 8 zwischen den beiden Elektroden 4 und 5 befindet sich der Resonator des Lasers.

Vor und hinter dem Volumenbereich 8 befinden sich weitere Elektroden 9 und 10, die gemeinsam ein zweites Elektrodenpaar bilden. Beide Elektroden werden durch Einzelelektroden 11 bzw. 12 aufgebaut, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Form von Platten haben, die im gegenseitigen Abstand parallel zur Strömungsrichtung über den Querschnitt des Kanals 1 verteilt sind. Die Einzelelektroden 11 und 12 bestehen aus einem metallischen Kern 13 bzw. 14, der umgeben ist von einem dielektrischen Material 15 bzw. 16. Die Elektroden des ersten Elektrodenpaares und die Elektroden des zweiten Elektrodenpaares sind über Induktivitäten 17 und 18 bzw. 19 und 20 mit Hochfrequenzgeneratoren 21 bzw.

22 verbunden.

Die Induktivitäten kompensieren den kapazitiven Blindwiderstand der Elektroden, so daß die Generatoren lediglich mit dem Widerstand der Entladung abgeschlossen sind.

Das Gas, in dem der laseraktive Zustand erzeugt werden soll, strömt in Richtung des Pfeiles A durch die Anordnung, wobei der Gasstrom durch die Einzelelektroden 11 am stromaufwärts gelegenen Ende des Volumenbereiches 8 geglättet und homogenisiert wird. Das Gas durchsetzt den Volumenbereich 8, wobei durch das sich bezüglich Richtung und gegebenenfalls Stärke ändernde elektrische Feld eine Entladung in dem Gasstrom erzeugt wird, die sich quer zur Strömungsrichtung homogen über den ganzen Volumenbereich 8 ausbreitet und auf / der stromabwärts gelegenen Seite des Volumenbereiches 8 1rs

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I» A 44 781 u u - 183 1. September 1981 14 durch die Einzelelektroden 12 begrenzt wird. Wesentlich ist dabei, daß der Ansatz der Entladung großflächig auf der Plattenoberfläche erfolgt, so daß es im Gegensatz zu herkömmlichen Gleichstromlängsentladungen nicht zu Einschnürungen des Plasmas im Entladungsbereich kommt.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können außerordentlich hohe Leistungsdichten erzielt werden. Beispielsweise wurde in ersten Untersuchungen mit einer solchen Anordnung in kontinuierlicher Betriebsweise eine homogene Entladung hoher Leistungsdichte 35 KW/1 und damit ein CO2-Laser mit einem Gesamtwirkungsgrad von 20 % realisiert. Das Entlade-volumen betrug dabei 0,35 1. Als Elektroden sind Keramikplatten (A^O^) mit einer Dicke von 2,5 mm eingesetzt. Die Generatorfreguenz beträgt 6 MHZ.

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Claims (6)

1. September 1981 2

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines laseraktiven Zustands ! in einer schnellen Unterschallströmung mit einem Strö mungskanal, mit einem ersten Elektrodenpaar mit einan- ! der gegenüberliegenden dielektrischen Elektroden im il Wandbereich des Strömungskanals sowie einem zweiten ! * Elektrodenpaar, dessen eine Elektrode im Strömungskanal stromaufwärts der Entladung, dessen andere Elektro-j; de im Strömungskanal stromabwärts der Entladung ange- jj ordnet sind, wobei die Elektroden des ersten Elektro denpaares mit einer HF-Spannungsguelle verbunden sind, j dadurch gekennzeichnet, daß die !j Elektroden (9, 10) des zweiten Elektrodenpaares mit ei- '! ner zweiten HF-Spannungsguelle (22) verbunden sind, und daß die Elektroden (9, 10) des zweiten Elektrodenpaares mehrere über den Querschnitt des Strömungskanals (1) ! verteilte dielektrische Einzelelektroden (11, 12) um- j; fassen, die einen von einem dielektrischen Material (1lj !; 12) allseits umgebenen metallischen Kern aufweisen. Ü /λ r ;j \l l M > ] i , I € • A 44 781 u u - 183

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelektroden (11, 12) die Form von Platten haben, die im Abstand voneinander parallel zur Strömungsrichtung angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (4, 5) des ersten Elektrodenpaaresaus einer dielektrischen Platte bestehen, auf deren Rückseite eine metallische Platte angebracht oder eine metallische Schicht aufgebracht ist.

4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelektroden (11) stromaufwärts unmittelbar vor den Elektroden (4, 5) des ersten Elektrodenpaares enden und daß die Einzelelektroden (12) stromabwärts unmittelbar hinter den Elektroden (4, 5) des ersten Elektrodenpaares beginnen.

5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite HF-Spannungs-quelle (22) eine HF-Spannung der gleichen Frequenz erzeugt wie die erste, wobei beide HF-Spannungen eine feste Phasenbeziehung mit einer Phasenverschiebung aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden HF-Spannungsquellen (21, 22) verschiedene Frequenzen ohne Phasenkopplung l erzeugen. Λ l ft' ft . I \ Λ V W I *\