擴(kuò)散冷卻式氣體激光器結(jié)構(gòu)以及就擴(kuò)散冷卻式氣體激光器結(jié)構(gòu)而設(shè)定排放分布的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種擴(kuò)散冷卻式氣體激光器結(jié)構(gòu)，其帶有第一電極和第二電極以及位于所述電極之間的排放間隙，其中，電介質(zhì)在排放間隙側(cè)上位于所述電極中的至少一個(gè)上。
[0002]本發(fā)明還涉及一種在擴(kuò)散冷卻式氣體激光器結(jié)構(gòu)中設(shè)定排放分布的方法，所述擴(kuò)散冷卻式氣體激光器結(jié)構(gòu)帶有第一電極和第二電極以及位于所述電極之間的排放間隙，其中，電介質(zhì)在排放間隙側(cè)上位于所述電極中的至少一個(gè)上，其中，高頻功率在空間上被耦合進(jìn)所述排放間隙中。
【背景技術(shù)】
[0003]氣體激光器結(jié)構(gòu)包括在相對(duì)電極前方的諧振鏡，所述諧振鏡反射激光束并且將其保持在所述氣體激光器結(jié)構(gòu)內(nèi)。
[0004]帶有超過(guò)500W光功率的高性能激光器能用于激光加工，例如用于標(biāo)記金屬或非金屬，用于對(duì)諸如金屬的材料進(jìn)行切割、焊接和加工。
[0005]工業(yè)激光器的設(shè)計(jì)選擇為使得最大可能的有效程度以及最大性能得以實(shí)現(xiàn)。這些由氣體激光器的排放不期望熱量的能力來(lái)確定。熱量的排放能夠通過(guò)擴(kuò)散到冷卻壁上實(shí)現(xiàn)或是借助于使激光氣體循環(huán)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明涉及擴(kuò)散冷卻式激光器。
[0006]在氣體激光器、尤其是CO2激光器的情況下必須確保的是發(fā)生盡可能均勻的氣體排放。這意味著在任何可能的情況下必須避免跨激光器長(zhǎng)度的電壓改變。因此已知的是提供位于內(nèi)部電極和外部電極之間的附加電感器。這意味著制造激光器期間附加的努力，以及因而更高的成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種擴(kuò)散冷卻式氣體激光器，其中，能在無(wú)需附加的電感器的情況下設(shè)定統(tǒng)一的排放分布。
[0008]根據(jù)本發(fā)明該任務(wù)通過(guò)如下的一種擴(kuò)散冷卻式氣體激光器結(jié)構(gòu)來(lái)解決，其該擴(kuò)散冷卻式氣體激光器結(jié)構(gòu)帶有第一電極和第二電極以及位于所述電極之間的排放間隙，其中，電介質(zhì)在排放間隙側(cè)上位于所述電極中的至少一個(gè)上，其中，電介質(zhì)的介電厚度d/ ε res發(fā)生變化，以用于影響排放間隙中的沿至少一個(gè)維度的、尤其是在上面定位有所述電介質(zhì)的電極的區(qū)域上的排放分布，其中，d為電介質(zhì)的厚度，且為電介質(zhì)的結(jié)果介電常數(shù)。電介質(zhì)的介電厚度d/e_在此限定為電介質(zhì)的厚度d與電介質(zhì)的結(jié)果介電常數(shù)ε _的商。結(jié)果介電常數(shù)通過(guò)在電極與排放間隙之間的給定位置中存在的材料的介電常數(shù)來(lái)確定。利用根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)散冷卻式氣體激光器結(jié)構(gòu)，能省去激光氣體的循環(huán)，因?yàn)樗黾す鈿怏w能借助于經(jīng)由激光器壁的擴(kuò)散式冷卻而被冷卻。通過(guò)使介電厚度沿著至少一個(gè)維度、尤其是在電極的區(qū)域上變化，可以設(shè)定激光器媒介(所述氣體)的沿著至少一個(gè)維度、尤其是在電極的區(qū)域上的溫度分布。尤其是所述溫度分布能設(shè)定成:使得其沿著至少一個(gè)維度、尤其是在電極的區(qū)域上幾乎恒定。介電厚度被設(shè)定意味著不必提供附加的電感器。作為對(duì)設(shè)定恒定溫度的替代，可行的是設(shè)定沿著至少一個(gè)維度、尤其是在電極的區(qū)域上的增益分布。通過(guò)調(diào)節(jié)或設(shè)定介電厚度，可以將耦合電功率的分布適配為:能產(chǎn)生所述氣體在排放間隙中的期望的溫度分布。術(shù)語(yǔ)“維度”在此應(yīng)理解為方向的含義，其中，方向可以是筆直的或者也可以是圓周方向、即弧形的，例如對(duì)于圓柱形電極而言。
[0009]尤其地，所述電介質(zhì)可具有結(jié)果介電常數(shù)沿著至少一個(gè)維度、尤其是在電極的區(qū)域上的變化，從而影響所述電介質(zhì)的介電厚度。結(jié)果介電常數(shù)的預(yù)定分布尤其能被設(shè)定。
[0010]替代地或附加地，介電厚度能被影響成:使電介質(zhì)具有沿著至少一個(gè)維度、尤其是在電極的區(qū)域上的厚度變化，從而影響電介質(zhì)的介電厚度。因此，為了設(shè)定介電厚度，厚度d和/或結(jié)果介電常數(shù)可被影響。介電常數(shù)尤其能通過(guò)選擇用于電介質(zhì)的材料而被設(shè)定。
[0011]介電厚度沿著至少一個(gè)維度、尤其是在電極的區(qū)域上的分布可以是無(wú)階梯式的。替代地，介電厚度沿著至少一個(gè)維度、尤其是在電極的區(qū)域上的分布可以是階梯式的。為此，階梯可具有相同或不同的長(zhǎng)度、高度和/或?qū)挾?。因而能設(shè)定介電厚度沿著至少一個(gè)維度、尤其是在電極的區(qū)域上的幾乎任何分布。對(duì)于介電厚度的階梯式分布，所述分布能尤其具有多于兩個(gè)階梯，優(yōu)選多于三個(gè)階梯，尤其優(yōu)選多于七個(gè)階梯。以該方式可以實(shí)現(xiàn)明顯更均勻的溫度設(shè)定。
[0012]在電介質(zhì)包括介電常數(shù)ε _不同的至少兩種材料組分的情況下，產(chǎn)生了設(shè)定介電厚度的一個(gè)簡(jiǎn)單方式，其中，至少一種材料組分的厚度沿著至少一個(gè)維度、尤其是在電極的區(qū)域上變化。這于是導(dǎo)致了沿著排放間隙的方向、尤其是沿著與電極表面垂直的方向的變化的結(jié)果介電厚度。
[0013]至少一種材料組分可在整個(gè)電極區(qū)域上分布。所述電極區(qū)域因而能附加地受到保護(hù)而防止腐蝕。
[0014]至少一種材料組分可具有介電常數(shù)在電極區(qū)域上的恒定分布。這代表了成本高效的變型。介電厚度的變化能借助于第二材料組分實(shí)現(xiàn)。
[0015]電功率在氣體激光器結(jié)構(gòu)中以高頻(高頻功率)被二維地耦合進(jìn)所述排放間隙中。所述頻率處于1ΜΗζ-300ΜΗζ的范圍內(nèi)、尤其處于10ΜΗζ_100ΜΗζ的范圍內(nèi)。尤其優(yōu)選地處于70MHz-90MHz的范圍內(nèi)。耦合的電功率大于2kW。電極區(qū)域的空間擴(kuò)展在長(zhǎng)度上為至少500mm且在寬度上為至少300mm。對(duì)于電極而言這樣的最小尺寸是必要的，以便能夠產(chǎn)生充分高的激光功率。帶有沿著至少一個(gè)維度、尤其是在電極的區(qū)域上的介電厚度分布的裝置具有有利的附加效果，從而能在排放間隙中設(shè)定隨電場(chǎng)強(qiáng)度的空間分布而變化的波長(zhǎng)。尤其是能夠設(shè)定電場(chǎng)強(qiáng)度非常一致的分布，這對(duì)于電功率的優(yōu)化使用是期望的。如果不僅是結(jié)果介電常數(shù)的分布是變化的、而且電介質(zhì)沿著至少一個(gè)維度、尤其是在電極的區(qū)域上的空間擴(kuò)展也是改變的，那么這會(huì)尤其好地起作用。
[0016]至少一種材料組分可具有沿著一個(gè)維度、尤其是在電極的區(qū)域上的變化的厚度。
[0017]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述電介質(zhì)可包括介電常數(shù)ε _不同的至少兩種材料組分，其中，所述材料組分(尤其是分層的)設(shè)置成沿排放間隙的方向一種布置在另一種之上，并且所述至少兩種材料組分沿著至少一個(gè)維度、尤其是在電極的區(qū)域上的厚度比是變化的。在這種情況下，結(jié)果介電常數(shù)ε 由沿排放間隙方向的、尤其是沿垂直于電極表面方向的材料層的介電常數(shù)來(lái)產(chǎn)生。
[0018]為了設(shè)定介電厚度，所述電介質(zhì)可包括介電常數(shù)ε _不同的至少兩種材料組分，其中，一種材料組分在至少一個(gè)區(qū)域中被另一材料組分包封或是由另一材料組分界定。一種材料組分在一個(gè)區(qū)域中可尤其被另一材料組分完全包封。被包封的材料組分在此可采用不同的幾何形狀。還可行的是，例如空氣作為一種材料組分被包封在另一材料組分中。氣穴(IufteinschlUsse)因此能以針對(duì)性的方式使用以用于設(shè)定介電厚度。
[0019]如果電介質(zhì)包括水、陶瓷、PTFE、空氣或聚乙烯材料中的一種或多種，那么對(duì)于激光器應(yīng)用而言是尤其有利的。這些材料具有極其不同的介電常數(shù)，使得這些材料中若干種的組合將使得介電厚度的設(shè)定能以尤其簡(jiǎn)單和針對(duì)性的方式進(jìn)行。水也可例如用于附加的冷卻。
[0020]另一優(yōu)點(diǎn)產(chǎn)生自使用第一固體材料組分，所述第一固體材料組分包封另一非固體材料組分(即流體)或界定所述非固體材料組分的空間。所述流體于是也可用于附加的冷卻。水本身已經(jīng)證實(shí)是尤其有利的流體，因?yàn)槠渚哂写笥?0的相對(duì)較高的介電常數(shù)，并且不會(huì)通過(guò)所使用的高頻功率而被不利地化學(xué)地改變。
[0021]尤其是在涉及共軸激光器時(shí)，如果中央功率輸入部設(shè)置在電極上并且對(duì)于中央功率輸入部而言電介質(zhì)的結(jié)果介電常數(shù)ε _朝著電極的端部尤其穩(wěn)定地下降，那么會(huì)是有利的。利用該措施能實(shí)現(xiàn)在激光器長(zhǎng)度上的一致的溫度分布。
[0022]替代地，可使得在一個(gè)電極處，功率輸入部設(shè)置在該電極的兩個(gè)端部中的一個(gè)處，并且電介質(zhì)的結(jié)果介電常數(shù)從中央功率輸入部朝著電極的邊緣尤其穩(wěn)定地下降。電功率、尤其是處于上述范圍中的高頻功率能以該方式尤其均勻地耦合。
[0023]中央功率輸入部還可設(shè)置在電極上，并且電介質(zhì)的結(jié)果介電常數(shù)ε.可從中央功率輸入部朝著電極的邊緣尤其穩(wěn)定地增加。
[0024]功率輸入部還可在電極上設(shè)置在該電極的兩個(gè)端部中的一個(gè)處，并且電介質(zhì)的結(jié)果介電常數(shù)￡_可從中央功率輸入部朝著該電極的邊緣尤其穩(wěn)定地增加。在這種情況下，將會(huì)存在中央功率輸入部和邊緣處的功率輸入部。
[0025]氣體激光器結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為盤形激光器。該設(shè)計(jì)的特征在于，大致在一高度水平上延伸的兩個(gè)電極。激光束通常由這種結(jié)構(gòu)中的電極來(lái)引導(dǎo)。利用介電厚度的分布，能設(shè)定功率耦合以及溫度分布。<