扩散冷却式气体激光器结构以及就扩散冷却式气体激光器结构而设定排放分布的方法

摘要

一种扩散冷却式气体激光器结构(1)，其包括第一电极和第二电极(2、5)以及在电极(2、5)之间设置的排放间隙(4)，其中电介质(13)在排放间隙侧上设置于所述电极(5)中的至少一个上，其特征在于，所述电介质(13)的用于影响所述排放间隙(4)中的排放分布的介电厚度d/εres沿着上面定位有所述电介质(13)的电极(5)的至少一个维度变化，其中d为所述电介质(13)的厚度并且εres为所述电介质(13)的结果介电常数，并且电介质在其最厚位置处的厚度为至少1毫米，或者大于电极长度的百分之一，或者大于由待耦合的射频电功率的频率所确定的波长的千分之一。

说明书

技术领域

本发明涉及一种扩散冷却式气体激光器结构，其带有第一电极和 第二电极以及位于所述电极之间的排放间隙，其中，电介质在排放间 隙侧上位于所述电极中的至少一个上。

本发明还涉及一种在扩散冷却式气体激光器结构中设定排放分布 的方法，所述扩散冷却式气体激光器结构带有第一电极和第二电极以 及位于所述电极之间的排放间隙，其中，电介质在排放间隙侧上位于 所述电极中的至少一个上，其中，高频功率在空间上被耦合进所述排 放间隙中。

背景技术

气体激光器结构包括在相对电极前方的谐振镜，所述谐振镜反射 激光束并且将其保持在所述气体激光器结构内。

带有超过500W光功率的高性能激光器能用于激光加工，例如用 于标记金属或非金属，用于对诸如金属的材料进行切割、焊接和加工。

工业激光器的设计选择为使得最大可能的有效程度以及最大性能 得以实现。这些由气体激光器的排放不期望热量的能力来确定。热量 的排放能够通过扩散到冷却壁上实现或是借助于使激光气体循环实 现。本发明涉及扩散冷却式激光器。

在气体激光器、尤其是CO₂激光器的情况下必须确保的是发生尽 可能均匀的气体排放。这意味着在任何可能的情况下必须避免跨激光 器长度的电压改变。因此已知的是提供位于内部电极和外部电极之间 的附加电感器。这意味着制造激光器期间附加的努力，以及因而更高 的成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种扩散冷却式气体激光器，其中，能在无 需附加的电感器的情况下设定统一的排放分布。

根据本发明该任务通过如下的一种扩散冷却式气体激光器结构来 解决，其该扩散冷却式气体激光器结构带有第一电极和第二电极以及 位于所述电极之间的排放间隙，其中，电介质在排放间隙侧上位于所 述电极中的至少一个上，其中，电介质的介电厚度d/ε_res发生变化，以 用于影响排放间隙中的沿至少一个维度的、尤其是在上面定位有所述 电介质的电极的区域上的排放分布，其中，d为电介质的厚度，且ε_res为电介质的结果介电常数。电介质的介电厚度d/ε_res在此限定为电介质 的厚度d与电介质的结果介电常数ε_res的商。结果介电常数通过在电 极与排放间隙之间的给定位置中存在的材料的介电常数来确定。利用 根据本发明的扩散冷却式气体激光器结构，能省去激光气体的循环， 因为所述激光气体能借助于经由激光器壁的扩散式冷却而被冷却。通 过使介电厚度沿着至少一个维度、尤其是在电极的区域上变化，可以 设定激光器媒介(所述气体)的沿着至少一个维度、尤其是在电极的 区域上的温度分布。尤其是所述温度分布能设定成：使得其沿着至少 一个维度、尤其是在电极的区域上几乎恒定。介电厚度被设定意味着 不必提供附加的电感器。作为对设定恒定温度的替代，可行的是设定 沿着至少一个维度、尤其是在电极的区域上的增益分布。通过调节或 设定介电厚度，可以将耦合电功率的分布适配为：能产生所述气体在 排放间隙中的期望的温度分布。术语“维度”在此应理解为方向的含 义，其中，方向可以是笔直的或者也可以是圆周方向、即弧形的，例 如对于圆柱形电极而言。

尤其地，所述电介质可具有结果介电常数ε_res沿着至少一个维度、 尤其是在电极的区域上的变化，从而影响所述电介质的介电厚度。结 果介电常数ε_res的预定分布尤其能被设定。

替代地或附加地，介电厚度能被影响成：使电介质具有沿着至少 一个维度、尤其是在电极的区域上的厚度变化，从而影响电介质的介 电厚度。因此，为了设定介电厚度，厚度d和/或结果介电常数ε_res可 被影响。介电常数尤其能通过选择用于电介质的材料而被设定。

介电厚度沿着至少一个维度、尤其是在电极的区域上的分布可以 是无阶梯式的。替代地，介电厚度沿着至少一个维度、尤其是在电极 的区域上的分布可以是阶梯式的。为此，阶梯可具有相同或不同的长 度、高度和/或宽度。因而能设定介电厚度沿着至少一个维度、尤其是 在电极的区域上的几乎任何分布。对于介电厚度的阶梯式分布，所述 分布能尤其具有多于两个阶梯，优选多于三个阶梯，尤其优选多于七 个阶梯。以该方式可以实现明显更均匀的温度设定。

在电介质包括介电常数ε_res不同的至少两种材料组分的情况下， 产生了设定介电厚度的一个简单方式，其中，至少一种材料组分的厚 度沿着至少一个维度、尤其是在电极的区域上变化。这于是导致了沿 着排放间隙的方向、尤其是沿着与电极表面垂直的方向的变化的结果 介电厚度。

至少一种材料组分可在整个电极区域上分布。所述电极区域因而 能附加地受到保护而防止腐蚀。

至少一种材料组分可具有介电常数在电极区域上的恒定分布。这 代表了成本高效的变型。介电厚度的变化能借助于第二材料组分实现。

电功率在气体激光器结构中以高频(高频功率)被二维地耦合进 所述排放间隙中。所述频率处于1MHz-300MHz的范围内、尤其处于 10MHz-100MHz的范围内。尤其优选地处于70MHz-90MHz的范围 内。耦合的电功率大于2kW。电极区域的空间扩展在长度上为至少 500mm且在宽度上为至少300mm。对于电极而言这样的最小尺寸是 必要的，以便能够产生充分高的激光功率。带有沿着至少一个维度、 尤其是在电极的区域上的介电厚度分布的装置具有有利的附加效果， 从而能在排放间隙中设定随电场强度的空间分布而变化的波长。尤其 是能够设定电场强度非常一致的分布，这对于电功率的优化使用是期 望的。如果不仅是结果介电常数的分布是变化的、而且电介质沿着至 少一个维度、尤其是在电极的区域上的空间扩展也是改变的，那么这 会尤其好地起作用。

至少一种材料组分可具有沿着一个维度、尤其是在电极的区域上 的变化的厚度。

根据一个实施例，所述电介质可包括介电常数ε_res不同的至少两 种材料组分，其中，所述材料组分(尤其是分层的)设置成沿排放间 隙的方向一种布置在另一种之上，并且所述至少两种材料组分沿着至 少一个维度、尤其是在电极的区域上的厚度比是变化的。在这种情况 下，结果介电常数ε_res由沿排放间隙方向的、尤其是沿垂直于电极表 面方向的材料层的介电常数来产生。

为了设定介电厚度，所述电介质可包括介电常数ε_res不同的至少 两种材料组分，其中，一种材料组分在至少一个区域中被另一材料组 分包封或是由另一材料组分界定。一种材料组分在一个区域中可尤其 被另一材料组分完全包封。被包封的材料组分在此可采用不同的几何 形状。还可行的是，例如空气作为一种材料组分被包封在另一材料组 分中。气穴(lufteinschlüsse)因此能以针对性的方式使用以用于设定 介电厚度。

如果电介质包括水、陶瓷、PTFE、空气或聚乙烯材料中的一种或 多种，那么对于激光器应用而言是尤其有利的。这些材料具有极其不 同的介电常数，使得这些材料中若干种的组合将使得介电厚度的设定 能以尤其简单和针对性的方式进行。水也可例如用于附加的冷却。

另一优点产生自使用第一固体材料组分，所述第一固体材料组分 包封另一非固体材料组分(即流体)或界定所述非固体材料组分的空 间。所述流体于是也可用于附加的冷却。水本身已经证实是尤其有利 的流体，因为其具有大于50的相对较高的介电常数，并且不会通过所 使用的高频功率而被不利地化学地改变。

尤其是在涉及共轴激光器时，如果中央功率输入部设置在电极上 并且对于中央功率输入部而言电介质的结果介电常数ε_res朝着电极的 端部尤其稳定地下降，那么会是有利的。利用该措施能实现在激光器 长度上的一致的温度分布。

替代地，可使得在一个电极处，功率输入部设置在该电极的两个 端部中的一个处，并且电介质的结果介电常数ε_res从中央功率输入部 朝着电极的边缘尤其稳定地下降。电功率、尤其是处于上述范围中的 高频功率能以该方式尤其均匀地耦合。

中央功率输入部还可设置在电极上，并且电介质的结果介电常数 ε_res可从中央功率输入部朝着电极的边缘尤其稳定地增加。

功率输入部还可在电极上设置在该电极的两个端部中的一个处， 并且电介质的结果介电常数ε_res可从中央功率输入部朝着该电极的边 缘尤其稳定地增加。在这种情况下，将会存在中央功率输入部和边缘 处的功率输入部。

气体激光器结构可设计为盘形激光器。该设计的特征在于，大致 在一高度水平上延伸的两个电极。激光束通常由这种结构中的电极来 引导。利用介电厚度的分布，能设定功率耦合以及温度分布。

气体激光器结构可设计为共轴激光器。该结构的特征在于，在圆 筒形结构中将一个电极设置为内导体，且将一个电极设置为外导体。 激光束在这种结构中通常不由电极来引导，而是能在气体排放腔内以 所谓自由束的方式自由扩展。这意味着激光束不由几何结构(例如电 极本身)来引导，而是在气体排放腔内在电极之间自由扩展。这样的 激光束通常形成凹式形式。激光束朝着谐振镜扩展并且在谐振镜之间 具有小的空间扩展度。

如果电极沿着至少一个维度、尤其是在电极的区域上的距离发生 变化，则可设定排放间隙，所述排放间隙的宽度不恒定。利用该措施 可以以针对性的方式设定激光束的形状。通过自由的激光束，可以利 用该结构实现改进的功率耦合。

为此，至少一个电极可包括面向另一电极的表面，该表面的截面 为双曲线形。相对的电极可为平坦的，或者也可具有双曲线形截面。 在共轴激光器的情况下，所述电极表面可包括沿截面观视时为双曲线 形的表面。

至少一种材料组分可具有如下厚度，该厚度在电极区域上变化并 且被调节成与激光束的空间扩展相适应。以该方式，功率可更均匀地 耦合。如果所述至少一种材料组分本身具有凸形结构，其中，在电极 中心与电极边缘相比具有更厚的扩展，则所述至少一种材料组分的空 间扩展被很好地调节以适于凹形激光束。该形状可以是在多个阶梯上 的阶梯式的或者是无阶梯式的、双曲线形或椭圆形。

还可设置的是，两个电极的表面彼此平行地布置。

电介质在其最厚位置处可具有至少1mm的厚度。至少5mm的更 大厚度是有利的。已发现至少10mm的更大厚度是尤其有利的。所述 厚度应尤其大于气体激光器结构的电极长度的百分之一。与由耦合高 频功率的频率所确定的波长的千分之一相比更大的厚度也已被发现是 尤其有利的。利用这样的厚度，并且尤其是当耦合高频功率处于上述 范围中时，能够抵消电极表面上基于波长效应所引起的不期望的耦合 功率分布。如已经提到的，为了高的激光功率，对于电极而言需要特 定的最小区域。为了能够根本上实现扩散冷却式激光器，电耦合的能 量必须带有最小可能损失量地转化成激光。为此，处于上述范围内的 频率尤其良好地适配。然而，在电极区域上在10MHz-100MHz之间 的频率处将已经形成驻波，所述驻波的长度大于500mm。该效应可借 助于带有变化介电厚度的结构而被抵消。

在1mm、5mm或10mm的电介质最小厚度下产生又一优点。当 设计气体排放时(其进而对设计激光束而言是必须的)，边缘层在激光 束与电极之间、或者在激光束与电介质材料之间形成。该边缘层具有 电容和电感，从而影响电功率耦合。因此，这导致了波长变得更短。 这也将增加不期望的形成驻波的效应。该效应也可由带有变化介电厚 度的结构抵消。为此电介质的最小厚度将是必须的，该最小厚度也可 根据电极的尺寸以及上述耦合HF功率的波长来确定。

同样是本发明范围一部分的是用于在扩散冷却式气体激光器结构 的情况下设定排放分布的方法，所述扩散冷却式气体激光器结构带有 第一电极和第二电极以及位于所述电极之间的排放间隙，其中，电介 质在排放间隙侧上位于所述电极中的至少一个上，其中，高频功率被 二维地耦合进排放间隙中，且二维耦合的HF功率的分布被设定，其 中，电介质的介电厚度d/ε_res被设定以影响排放间隙中的排放分布，其 中，d为电介质的厚度并且ε_res为电介质的结果介电常数。

结果介电常数在此可借助于介电常数ε_r不同的材料组分的组合而 被设定。

介电厚度的分布还可借助于几何形状不同的材料组分的组合而被 设定。为此，可设定不同的二维几何形状或三维几何形状。一种材料 组分也可尤其以三维形状被包封另一材料组分中。

通过设定介电厚度可设定在排放间隙上的、尤其是在排放间隙的 长度上的排放的预定的(尤其是恒定的)温度分布。

替代地，通过设定介电厚度可在排放间隙上设定预定的增益分布。

电介质的介电厚度也可设定为使用至少两个电介质材料层，在从 排放间隙的方向观视时一个电介质材料层位于另一个之上，从而至少 一个材料层的厚度沿着至少一个维度、尤其是在承载电介质的电极的 区域上发生变化。

本发明的其他特征和优点从本发明实施例的以下说明、示出本发 明主要细节的附图、以及从权利要求书所得到。各个特征可各自被单 独地实现或是作为任意组合中若干的一部分实现以用于本发明的任何 变型。

附图说明

本发明的优选实施例在附图中示意性地图示并且以下参照附图中 的各图而被详尽地解释。附图示出的是：

图1a为穿过根据本发明的扩散冷却式气体激光器结构的部分剖 视图；

图1b为共轴激光器的结果功率和温度分布，其中未对中央功率输 入部相对于长度设定介电厚度；

图1c为共轴激光器的期望温度分布；

图2为图1a的扩散冷却式气体激光器结构的放大剖视图；

图3为穿过电极的剖视示意图，所述电极带有形成电介质的两个 不同材料层；

图4为穿过电极的剖视示意图，所述电极带有包括两种材料的电 介质，其中所述材料的厚度沿着电极的所述至少一个维度连续地改变；

图5为穿过电极的又一剖视示意图，所述电极带有电介质，其中 材料层沿着电极的至少一个维度具有不同的厚度；

图6为穿过电极的剖视示意图，所述电极带有电介质，其中第二 材料层嵌装在第一材料层中；

图7为带有输入部的电极，所述输入部在宽度上位于中央；

图8为带有输入部的电极，所述输入部位于所述区域的中央。

具体实施方式

图1a以部分剖视示意图示出了扩散冷却式气体激光器结构1。气 体激光器结构1包括外部电极2，用于冷却剂的冷却管3设置在所述 外部电极2中。外部电极2由金属制成并且接地。排放间隙4位于电 极2正下方。第二电极由附图标记5标识。

包括多个材料层的电介质位于该第二电极5之上。水层6首先设 置在电极5上。该水层之上定位的是包括PTFE的材料层7。继而在该 材料层7之上定位的是包括水的材料层8，跟随该材料层8的是由陶 瓷制成的材料层9。所述实施例的电极5的排放间隙侧上的电介质因 此包括四种不同的材料，所述材料各自具有其自身的介电常数ε_r。介 电厚度d/ε_res的变化由电介质的厚度所引起，电介质的厚度在此并未示 出，而是仅在图2的放大示意图中示出，在该实施例中电介质的厚度 在电极的区域上或长度上是不同的。

图1a还清楚示出了，功率输入部相对于电极5的长度而言居中地 位于位置10处。

在如图1a中所示的共轴激光器的情况下，根据图1b的功率分布 由中央功率输入部所引起。这意味着功率在输入部处为最大并且朝着 共轴激光器的两端再次回落。这也导致了如图1b中所示的温度曲线T。 然而，期望的是图1c中所示的温度曲线T，即在激光器的长度上恒定 的温度。这通过对在气体激光器长度上的、或在电极5区域上的介电 厚度进行设定而实现。

能从图2中的图示看出，电极2的表面11还有电介质13的表面 12、尤其是材料层9的表面12是弧形的。在所示实施例中，电极2 的表面以及材料9的表面且因此电介质13的表面在截面上显示为双曲 线形的弧。因此，沿着虚线14、即在电极5相对于其长度的中央处的 介电厚度不同于沿着虚线15、即在激光器的端部处的介电厚度。利用 该措施以及选择合适的材料6-9，能在气体激光器结构的长度上设定功 率分布以及温度分布，以使得在激光器的长度上得到恒定的温度。

在图2中也示出了谐振镜16以及在谐振镜16之间以凹形方式扩 展的激光束17。边缘层18邻接在激光束17与电极2的侧部或者朝向 激光束17的材料层9之间。

如果功率未在如图1a中所示的位置10处供应而是在一端供应， 那么介电厚度将必须以不同的方式设定以维持恒定的温度分布。

图3示出了穿过电极20的剖视示意图，电介质21位于该电极20 上。电介质21包括第一材料层22和第二材料层23。第二材料层23 嵌装进第一材料层22中并且呈阶梯地发展。这意味着介电厚度沿着线 24、25、26是不同的，因为第一材料22和第二材料23的相关介电常 数ε_r对结果介电常数ε_res作出了不同贡献。

在图4的图示中示出了电极30，包括第一材料32和第二材料33 的电介质31位于该电极30上。不难看出第一材料32的厚度还有第二 材料33的厚度在电极30的长度上、并且因此也沿着电极30的至少一 个维度连续地改变。随着材料32、33利用其相应的不同介电常数ε_r对结果介电厚度的贡献作出变化，导致了沿着线34、35的不同的介电 厚度。

将电介质41支撑在排放间隙侧上的电极40在图5中被示出。所 述电介质41包括两种材料42、43，其中，材料层42具有恒定厚度而 材料层43具有双曲线形状。电介质层43的厚度因此在电极40的长度 或区域上发生变化。因此沿着虚线44、45产生不同的介电厚度。

包括电介质51的电极50在图6中被示出。电介质51包括第一材 料52和第二材料53，其中，第二材料53被完全地包封在第一材料52 内并且尤其以球形形状被包封。第二材料53例如可包括球形气穴。因 此，沿着线54、55的介电厚度是不同的。

图7示出了例如可与盘形激光器一起使用的电极70。在此示出了 关于电极70的宽度处于中央的输入部71，然而所述输入部71相对于 电极70的长度位于一端部处。

图8中示出用于电极80的替代性输入部，其中，相对于电极区域 的中央输入部在位置81处实现。