Diffusionsgekühlte, koaxiale CO 2 -Laser mit hoher Strahlqualität

Schulz, Joachim; Poprawe, Reinhart

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-3552

Diffusionsgekühlte, koaxiale CO 2 -Laser mit hoher Strahlqualität

Schulz, Joachim (Author)

2002

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Joachim Schulz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2002

UmfangV, 116 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2001

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2001-12-03

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-3552
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/56960/files/Schulz_Joachim.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Kohlendioxidlaser (frei) ; Hochfrequenzentladung (frei) ; Kühlung (frei) ; Diffusion (frei) ; Strahlqualität (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit werden diffusionsgekühlte CO2-Laser mit koaxialem Aufbau untersucht. Die Untersuchung umfasst alle für einen industriell einsetzbaren Laser wesentlichen Aspekte: Die plasmaphysikalischen Bedingungen in der Gasentladung, den Resonator und die dazugehörige Strahlformung. Es wurden umfangreiche Untersuchungen an HF-angeregten CO2-Laserplasmen mit großen Spaltabständen d=6 mm und geringer HF-Leistungsdichte pHF=5W/cm3 durchgeführt. Gleichzeitig dienten zwei unterschiedliche spektroskopische Methoden dazu, die im Laserplasma stattfindende Dissoziation der CO2-Moleküle zeitaufgelöst und gleichzeitig mit der Veränderung der Laserleistung zu beobachten. Hiermit sind zum ersten Mal systematisch die Wirkungen von Gas-zusätzen wie Xe, H2, H2O und CO sowie von Katalysatoren auf die Dissoziations- und Rekombinationsraten gemessen worden. Neben der Untersuchung der Gaszusammensetzung konnten mit spektroskopischen Methoden auch die Spalttemperaturen vermessen und damit indirekt die an den Randschichten der Gasentladung auftretenden Ohmschen Verluste quantifiziert werden. Bei der verwendeten HF-Frequenz von 27 MHz ergeben sich Randschichtverluste von 25 bis 40%, die mit geeigneten Elektrodenbeschichtungen verringert werden können. Des weiteren werden in dieser Arbeit radial stabile, azimutal instabile Resonatoren theoretisch beschrieben und experimentell untersucht. Insbesondere die mangelnde Moden- und Leistungsstabilität sowie die Justageempfindlichkeit des von Ehrlichmann vorgeschlagenen Helix-Torus-Resonators werden durch die Weiterentwicklung zu einem Helix-Axicon-Resonator behoben. Dieser Helix-Axicon-Resonator wird mit seinen Eigenschaften ausführlich beschrieben. Das Axicon bewirkt dabei eine Verdopplung der Resonatorlänge und damit eine Verringerung der Leistungsfluktuationen. Der Retroeffekt des Axicons bewirkt gleichzeitig eine Reduzierung des Justageaufwands. Der aus dem Resonator ausgekoppelte Strahl konnte mit numerischen Resonatormodellierungen in guter Übereinstimmung mit dem Experimen berechnet werden. Während in radialer Richtung bereits eine gute Modenform und Strahl-qualität erreich wird, muss die azimutale Richtung noch durch eine Raumfilterung in die gewünschte gaußähnliche Form gebrach werden. Die Auslegung eines passenden Teleskops aus vier Zylinderspiegeln, das den generell astigmatisch austretenden Strahl in einen fast runden, stigmatischen Strahl mit Strahlqualitäten von M2=1,2 in allen Richtungen überführt, wird beschrieben. Die im Wesentlichen azimutale Polarisationsrichtung des aus dem Helix-Axicon-Resonator austretenden Strahls bleibt bei der Formung im Teleskop erhalten und führt zu einer räumlich über die Strahlausdehnung variierenden Polarisationsrichtung. Möglichkeiten zur Überführung in eine rein lineare Polarisation durch eine topologische Transformation eines um 90-Grad-umlenkenden Axicons wurden diskutiert.

In this work,diffusion cooled CO2-lasers with coaxial structure are researched. The research includes all essential aspects that are relevant for a laser that can be utilized industrially: plasma physical conditions in the gas discharge, the resonator, and the suitable beam forming. Extensive research was conducted on rf-excited CO2-laser plasmas. Plasmas, barely researched until now, with large gap sizes d=6mm and low rf-power-density p_HF=5W/cm3 were researched. At the same time,two different spectroscopic methods were used to observe the dissociation of the CO2-molecules occurring in the laser plasma time-resolved and simultaneously with the changes of the laser power. With this, for the first time,the effects of gas additions such as Xe, H2, H2O and CO as well as catalysts on the dissociation and recombination rates were systematically measured. Aside from the research of the gas composition,the spectroscopic methods allowed measurement of the gap temperatures and thus, indirectly the quantification of the Ohmic losses occurring at the sheath of the gas discharge. With the utilized rf-frequency of 27MHz, sheath losses of 25 to 40% result,but suitable electrode coatings can reduce those sheath losses. Furthermore, this work theoretically describes and experimentally researches radial stable, azimuthal instable resonators. Specifically, the lacking mode and power stability as well as adjustment sensitivity of the helix-torus resonator, suggested by Ehrlichmann, are eliminated through the further development to a helix-axicon resonator. This helix-axicon resonator is described in detail regarding its characteristics. The axicon effects a doubling of the resonator length and thus a reduction of the power fluctuations. The retro effect of the axicon simultaneously produces a reduction of the adjustment expenditure. It was possible to calculate the outcoupled beam from the resonator with numeric resonator modeling in good conformity with the experiment. While in radial direction a good mode form and beam quality is already achieved, the azimuthal direction must still be brought into the desired Gauss-like form through a spatial filtering. The layout of a suitable telescope of four cylinder mirrors is described which transforms the generally astigmatic emitting beam into an almost round, stigmatic beam with beam qualities of M2=1,2 in all directions. The essentially azimuthal polarization distribution of the beam emitting from the helix-axicon resonator remains during the forming in the telescope and results in a space-wise varying polarization direction over the beam expansion. Possibilities for the transformation into a purely linear polarization via a topological transformation of a 90-degree-deflecting axicon are discussed.

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