DE10208585A1

DE10208585A1 - Pumplichtquelle für laseraktive Medien

Info

Publication number: DE10208585A1
Application number: DE2002108585
Authority: DE
Inventors: Reinhard Ifflaender
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2022-02-23
Also published as: US20060209919A1; GB2388956B; US20030161377A1; US7050473B2; DE10262017B4; DE10208585B4; US20040223530A1; GB2388956A; GB0304039D0

Abstract

Um eine Pumplichtquelle für laseraktive Medien, umfassend einen ein Gasentladungsmedium einschließenden Außenkörper, eine als Kathode wirkende erste Elektrode mit einem innerhalb des Außenkörpers liegenden ersten Elektrodenende, eine als Anode wirkende zweite Elektrode mit einem innerhalb des Außenkörpers liegenden zweiten Elektrodenende und einem innerhalb des Außenkörpers zwischen den einander zugewandten Elektrodenenden liegenden Gasentladungsraum derart zu verbessern, daß die Lebensdauer derselben höher wird, wird vorgeschlagen, daß das erste Elektronenende im wesentlichen strahlungsgekühlt ist und daß sich von einem am ersten Elektrodenende liegenden, flächenhaft ausgedehnten Oberflächenbereich ausgehend, eine überwiegend diffuse Gasentladung ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumplichtquelle für laseraktive Medien, umfassend einen ein Gasentladungsmedium einschließenden Außenkörper, eine als Kathode wirkende erste Elektrode mit einem innerhalb des Außenkörpers liegenden ersten Elektrodenende, eine als Anode wirkende zweite Elektrode mit einem innerhalb des Außenkörpers liegenden zweiten Elektrodenende und einem innerhalb des Außenkörpers zwischen den einander zugewandten Elektrodenenden liegenden Gasentladungsraum.
Derartige Pumplichtquellen für laseraktive Medien sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei stets das Problem besteht, daß die Lebensdauer derartiger Pumplichtquellen begrenzt ist, und zwar insbesondere durch mehrere miteinander verbundene Effekte. Diese Effekte sind Abdampfen oder Absputtern von Elektrodenmaterial, das sich insbesondere am Außenkörper absetzt und zu thermischen Belastungen desselben führt, und außerdem Belastungen des Außenkörpers durch ungünstige Gasentladungsvorgänge.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Pumplichtquelle der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß die Lebensdauer derselben höher wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Pumplichtquelle der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste Elektrodenende im wesentlichen strahlungsgekühlt ist und daß sich von einem am ersten Elektrodenende liegenden, flächenhaft ausgedehnten Oberflächenbereich ausgehend eine überwiegend diffuse Gasentladung ausbildet.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß durch die Strahlungskühlung die Ausbildung einer diffusen Gasentladung begünstigt ist, die ihrerseits wiederum das Absputtern und Abdampfen von Elektrodenmaterial reduziert und außerdem auch die thermische Belastung des Außenkörpers aufgrund günstigerer Strömungsverhältnisse bei der diffusen Gasentladung begünstigt.

Somit lassen sich durch die erfindungsgemäße Lösung die Lebensdauern der Pumplichtquellen erheblich erhöhen.

Ein flächenhaft ausgedehnter Oberflächenbereich zum Ausbilden der Gasentladung in einem überwiegend diffusen Mode ist dabei so zu verstehen, daß der Oberflächenbereich der Kathode eine erkennbar größere Ausdehnung aufweist, als bei einem sogenannten Spot-Mode der Gasentladung, bei welchem die Gasentladung von einem im wesentlichen punktförmigen Oberflächenbereich ausgeht.

Besonders vorteilhaft ist es für die Ausbildung einer überwiegend diffusen Gasentladung, also einer Gasentladung im diffusen Mode, wenn der Oberflächenbereich eine im wesentlichen gleichmäßig hohe Temperatur aufweist. Dies ist insbesondere durch die Strahlungskühlung des ersten Elektrodenendes in einfacher Weise erreichbar.

Besonders günstig ist es, wenn der Oberflächenbereich einen Volumenbereich am ersten Elektrodenende übergreift, welcher eine im wesentlichen gleichmäßig hohe Temperatur aufweist. Durch eine im wesentlichen gleichmäßig hohe Temperatur des gesamten Volumenbereichs am Elektrodenende läßt sich insbesondere eine ungünstige Beeinflussung der Materialzusammensetzung in dem Oberflächenbereich während des Betriebs der Pumplichtquelle vermeiden.

Um die Ausbildung einer diffusen Gasentladung bei möglichst allen Betriebszuständen sicherzustellen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Oberflächenbereich im wesentlichen stufenfrei ausgebildet ist. Eine derartige stufenfreie Ausbildung des Oberflächenbereichs unterdrückt die Tendenz der Gasentladung in den Spot-Mode überzugehen und stabilisiert somit den diffusen Mode der Gasentladung möglichst weitgehend.

Dabei ist es nicht zwingend, daß der Oberflächenbereich eine ebene Fläche darstellt, der Oberflächenbereich kann auch eine gekrümmte Fläche sein.

Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß der Oberflächenbereich durch einen stetig verlaufenden Ausschnitt aus einer mathematischen Fläche definiert ist, das heißt, daß die mathematische Fläche in dem Ausschnitt keine Spitze oder Stufe oder sonstige Unstetigkeit aufweist, sondern stetig verläuft, um der von diesem Ausschnitt ausgehenden Gasentladung keinerlei Möglichkeit oder Tendenz zum Übergang in einen Spot-Mode zu geben.

Der Oberflächenbereich, von dem die diffuse Gasentladung ausgeht, hat dabei in Relation zur Querschnittsfläche des Elektrodenendes eine nennenswert große Ausdehnung. Vorzugsweise hat der Oberflächenbereich eine Flächenausdehnung, welche mindestens der Hälfte der Querschnittsfläche des Volumenbereichs am ersten Elektrodenendes entspricht. Noch besser ist es, wenn der Oberflächenbereich eine Flächenausdehnung aufweist, welche größer ist als zwei Drittel einer mittleren Querschnittsfläche des Volumenbereichs am ersten Elektrodenende.

Da durch jede Elektrode zwangsläufig Strom hindurchfließen muß, ist jede Elektrode durch den Außenkörper zu einem elektrischen Anschluß herausgeführt, wobei dadurch zwangsläufig eine Wärmeleitung vom Elektrodenende zum Außenkörper hin entsteht. Eine besonders günstige, das erfindungsgemäße Konzept unterstützende Lösung sieht vor, daß das erste Elektrodenende durch Wärmeleitung nur über die zu einem Elektrodendurchbruch im Außenkörper verlaufende Elektrode an den Außenkörper angekoppelt ist und daher in dem über das Elektrodenende ausgedehnten Oberflächenbereich eine im wesentlichen gleichmäßig hohe Temperatur erreicht, so daß von diesem Oberflächenbereich ausgehend sich die überwiegend diffuse Gasentladung ausbildet. Das heißt, daß bei dieser Lösung die körperliche Wärmeleitung von dem Elektrodenende zum Außenkörper, der seinerseits gekühlt ist, relativ zur Strahlungskühlung vernachlässigt werden kann. Insbesondere ist damit auch jede Lösung ausgeschlossen, bei welcher die Elektrode nahe des Elektrodenendes durch körperlichen Kontakt mit dem Außenkörper eine Kühlung durch Wärmeleitung erfährt.

Besonders gut läßt sich die Wärmeleitung in der Elektrode zum Außenkörper dadurch unterdrücken, wenn die Erstreckung der ersten Elektrode zwischen einem Elektrodendurchbruch des Außenkörpers und dem ersten Elektrodenende relativ zum mittleren Querschnitt der ersten Elektrode derart ist, daß die Erstreckung größer als das Zehnfache des mittleren Querschnitts der Elektrode ist, so daß dadurch allein schon die Wärmeleitung auf ein Maß reduziert werden kann, das gegenüber der Strahlungskühlung vernachlässigbar ist.

Besonders günstig ist es insbesondere, wenn in der ersten Elektrode der Wärmewiderstand zwischen dem ersten Elektrodenende und dem Elektrodendurchbruch mindestens 10°C pro Watt beträgt.

Hinsichtlich des am ersten Elektrodenende einzusetzenden Materials wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der erfindungsgemäßen Lösung keine näheren Angaben gemacht. So wäre es beispielsweise denkbar, als Material Keramik zu verwenden, die allerdings zur Stromführung eine ausreichend hohe Leitfähigkeit aufweisen muß, um die Aufheizung der Elektrode durch den zugeführten Strom möglichst gering zu halten. Eine besonders günstige Lösung sieht jedoch vor, daß das erste Elektrodenende aus einem hochschmelzenden Metall ist.

Hinsichtlich der Auswahl des Materials für das erste Elektrodenende hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn das, daß erste Elektrodenende bildende Material mit einer Dotierung versehen ist, die beim Betrieb zu einer niedrigeren Elektrodenarbeitstemperatur als beim undotierten Material führt. Wenn das Material dabei ein Metall ist, ist dabei die Dotierung so zu wählen, daß die Elektrodenarbeitstemperatur, das heißt die Temperatur der Elektrode bei brennender Gasentladung niedriger als beim undotierten Material ist, um ein Abdampfen oder Absputtern des Materials möglichst weitgehend zu unterdrücken.

Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die Elektrodenarbeitstemperatur des Elektrodenendes niedriger als die Schmelztemperatur des Materials des Elektrodenendes ist, um ebenfalls weitgehend Abdampfen oder Absputtern des Materials zu verhindern.

Eine besonders bevorzugte Lösung für das Material des ersten Elektrodenendes sieht vor, daß dieses aus Wolfram ist, wobei vorzugsweise das Wolfram mit einem Material dotiert ist, dessen Austrittsarbeit für Elektronen kleiner als die von reinem Wolfram ist.

Als Dotierungsmaterialien können die unterschiedlichsten Materialien in Frage kommen. Diese Materialien können zum Beispiel Oxide der seltenen Erden sein.

Als besonders geeignet hat es sich erwiesen, wenn das erste Elektrodenende aus mit mindestens 0,1 Gew.% Lanthan dotiertem Wolfram ist.

Hinsichtlich der maximalen Dotierung ist es besonders günstig, wenn das erste Elektrodenende aus maximal mit 5 Gewichtsprozent Lanthan dotiertem Wolfram ist.

Hinsichtlich der Konzeption der ersten Elektrode selbst sind die unterschiedlichsten Lösungen denkbar. Eine besonders bevorzugte Lösung sieht vor, daß die erste Elektrode einen den Elektrodendurchbruch durchsetzenden Halteabschnitt aus durch das Material des Außenkörpers benetzbarem Material aufweist und daß sich an diesen Halteabschnitt ein das Elektrodenende tragender Endabschnitt anschließt. Der Vorteil dieser Lösung ist darin zu sehen, daß damit die Möglichkeit besteht, das Material des Halteabschnitts so zu wählen, daß im Bereich des Elektrodendurchbruchs eine möglichst feste und dichte Verbindung mit dem Außenkörper herstellbar ist, und andererseits das Material des Endabschnitts so zu wählen, daß die Gasentladung in geeigneter Weise brennt und Abdampfen und Absputtern vermieden wird.

Um den Halteabschnitt und den Endabschnitt zu verbinden sind die unterschiedlichsten Möglichkeiten denkbar.

Eine Möglichkeit sieht vor, daß der den Elektrodendurchbruch durchsetzende Halteabschnitt und der Endabschnitt formschlüssig verbunden sind. Eine derartige formschlüssige Verbindung ist beispielsweise so ausgebildet, daß ein Abschnitt in eine Ausnehmung des anderen Abschnitts eingreift. Eine möglichst einfache formschlüssige Verbindung wird dadurch erreicht, daß die Verbindung des Halteabschnitts und des Endabschnitts über einen hülsenähnlichen Formschlußkörper erfolgt.

Alternativ oder ergänzend zum formschlüssigen Verbinden von Halteabschnitt und Endabschnitt ist vorzugsweise vorgesehen, daß der den Elektrodendurchbruch durchsetzende Halteabschnitt der ersten Elektrode und der Endabschnitt miteinander durch Fügen verbunden sind. Eine derartige Fügeverbindung könnte beispielsweise eine Hartlotverbindung oder auch eine Schweißverbindung sein.

So kann vorzugsweise ein Laserschweißen zur Herstellung der Fügeverbindung vorgesehen werden.

Hinsichtlich der Form der ersten Elektrode wurde im Zusammenhang mit den bisherigen Ausführungsbeispielen keine näheren Angaben gemacht. So sind prinzipiell beliebige Formen denkbar. Eine besonders aufgrund ihrer Einfachheit günstige Form der ersten Elektrode sieht vor, daß die erste Elektrode sich im wesentlichen als stiftförmiger Körper zwischen dem Elektrodendurchbruch und dem ersten Elektrodenende erstreckt.

Dabei kann der Endabschnitt prinzipiell unterschiedlich ausgebildet sein. Im einfachsten Fall ist auch vorgesehen, daß der Endabschnitt als stiftförmiger Körper ausgebildet ist.

Ferner ist im einfachsten Fall vorgesehen, daß das erste Elektrodenende ungefähr denselben Querschnitt wie der stiftförmige Körper aufweist.

Alternativ dazu ist es aber auch denkbar, daß das erste Elektrodenende einen gegenüber dem stiftförmigen Körper vergrößerten Querschnitt aufweist. Ein derartiger vergrößerter Querschnitt läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß der Endabschnitt als verdickter Körper ausgebildet ist.

Hinsichtlich des Starts der Gasentladung wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, daß an dem ersten Elektrodenende eine Flächenunstetigkeit zur Ausbildung einer an dieser punktförmig startenden Gasentladung vorgesehen ist. Damit wird der Start der Gasentladung und somit das Zünden der Pumplichtquelle erleichtert und insbesondere ist damit ein Start der Gasentladung an einem definierten Punkt des Elektrodenendes erreichbar, so daß sich die Startbedingungen optimieren lassen.

Hinsichtlich der Erläuterung der bisherigen Ausführungsbeispiele wurde lediglich definiert, daß die erste Elektrode als Kathode wirken soll. Diese Definition der ersten Elektrode bezieht sich lediglich auf die elektrische Beschaltung der Pumplichtquelle. Wird die Pumplichtquelle mit Gleichstrom betrieben, so bleibt ein und dieselbe Elektrode stets die Kathode. Wird dagegen die Pumplichtquelle mit Wechselstrom betrieben, so wechselt die Kathode, so daß jede der beiden Elektroden einmal Kathode und einmal Anode ist. Damit beziehen sich die vorstehenden Merkmale betreffend die erste Elektrode auf beide Elektroden der Pumplichtquelle.

Vorzugsweise läßt sich dabei die Pumplichtquelle in einem Leistungsbereich von ungefähr 0,1 kW bis ungefähr 10 kW betreiben und in diesem Leistungsbereich sind mit den erfindungsgemäßen Merkmalen die erfindungsgemäßen Vorteile erreichbar.

Hinsichtlich des Betriebs einer Pumplichtquelle, entsprechend einer der voranstehenden Ausführungsformen, wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Lösung keine näheren Angaben gemacht. Insbesondere nicht hinsichtlich des Startvorgangs.

So wäre es beispielsweise denkbar, die Pumplichtquelle von vornherein mit einer diffusen Gasentladung starten zu lassen.

Besonders günstig ist es jedoch, wenn die Gasentladung als im wesentlichen punktförmige Gasentladung gestartet wird und anschließend in eine überwiegend diffuse Gasentladung übergeht. Mit einem derartigen Verfahren läßt sich in besonders einfacher Weise und insbesondere definierter Weise die Gasentladung starten, dann jedoch aber die erwünschte diffuse Gasentladung erreichen.

Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Laserverstärkungssystems mit einer erfindungsgemäßen Pumplichtquelle;
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumplichtquelle;
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines ersten Elektrodenendes des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Pumplichtquelle;
Fig. 4 eine Darstellung des Elektrodenendes eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumplichtquelle;
Fig. 5 eine ausschnittsweise vergrößerte Schnittdarstellung einer ersten Elektrode eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumplichtquelle;
Fig. 6 eine Darstellung der ersten Elektrode ähnlich Fig. 5 eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumplichtquelle;
Fig. 7 eine Darstellung der ersten Elektrode ähnlich Fig. 5 eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumplichtquelle;
Fig. 8 eine Darstellung der ersten Elektrode ähnlich Fig. 5 eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumplichtquelle;
Fig. 9 eine Darstellung der ersten Elektrode eines siebten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumplichtquelle.
Ein in Fig. 1 schematisch dargestelltes Laserverstärkungssystem umfaßt ein laseraktives Medium 10, beispielsweise einen Festkörperstab, in welchem durch optisches Pumpen mit Pumplicht 12 eine Besetzungsinversion erzeugbar ist, die zur Verstärkung von sich beispielsweise quer zum Pumplicht 12 ausbreitender Laserstrahlung 14 in dem laseraktiven Medium führt.
Das Pumplicht 12 ist erzeugbar durch eine als Ganzes mit 14 bezeichnete Pumplichtquelle und wird noch zusätzlich durch eine Fokussierungsoptik 16 auf das laseraktive Medium 10 fokussiert.
Die Pumplichtquelle 14 umfaßt eine Gasentladungseinheit 18, die von einer Kühleinheit 20 umschlossen ist, wobei die Kühleinheit 20 durch einen optisch für das Pumplicht 12 transparenten Außenmantel 22, vorzugsweise aus einem geeigneten Glas, gebildet ist, der einerseits mit einem Einlaß 24 und andererseits mit einem Auslaß 26 für ein im Innern des Außenmantels 22 geführtes Kühlmedium 28 versehen ist.
Dabei ist die Gasentladungseinheit 18 so in der Kühleinheit 20 angeordnet, daß diese vorzugsweise vollumfänglich von dem Kühlmedium 28 umströmt ist, wobei das Kühlmedium 28 vorzugsweise in Längsrichtung 30 der Gasentladungseinheit 18 an einer Außenseite derselben entlangströmt.
Vorzugsweise ist dabei zum dichten Abschluß zwischen dem Außenmantel 22 und der Gasentladungseinheit 18 jeweils endseitig des Bereichs des Außenmantels 22, durch welches das Kühlmedium 28 in der Längsrichtung 30 strömt, jeweils eine Dichtung 32 bzw. 34 zwischen dem Außenmantel 22 und einem Außenkörper 36 der Gasentladungseinheit 18 vorgesehen.
Der Außenkörper 36 ist dabei ebenfalls aus optisch für das Pumplicht 12 transparentem Material, vorzugsweise einem geeigneten Glas, gebildet und erstreckt sich innerhalb des Außenmantels 22 der Kühleinheit 20 in der Längsrichtung 30 von einem ersten Endbereich 38 zu einem zweiten Endbereich 40.
Am ersten Endbereich 38 ist ein erster Elektrodendurchbruch 42 vorgesehen, durch welchen eine erste Elektrode 44 durch den Außenkörper 36 dichtend hindurch in einen vom Außenkörper 36 umschlossenen Innenraum 45 geführt ist.
Die erste Elektrode 44 weist dabei einen außerhalb des Außenkörpers 36 liegenden elektrischen Anschlußabschnitt 46 auf, von welchem ausgehend sich ein Halteabschnitt 48 der ersten Elektrode 44 durch den Elektrodendurchbruch 42 erstreckt und durch diesen relativ zum Außenkörper 36 gehalten ist, wobei zum Erreichen eines gasdichten Abschlusses eine Verbindung zwischen dem Material des Außenkörpers 36 und dem Material des Halteabschnitts 48 bevorzugt wird, bei welcher das Material des Außenkörpers 36 das Material des Halteabschnitts 48 benetzt.
Der Halteabschnitt 48 ist an seinem dem Anschlußabschnitt 46 gegenüberliegenden Ende mittels einer Verbindung 50 mit einem vorderen Endabschnitt 52 der ersten Elektrode 44 verbunden, der sich dann bis zum vorderen Elektrodenende 54 erstreckt.
Bereits der sich über den Elektrodendurchbruch 42 hinauserstreckende Teil des Halteabschnitts 48 sowie die Verbindung 50 und der vordere Endabschnitt 52 der ersten Elektrode 44 verlaufen dabei berührungsfrei zum Außenkörper 36 in dem Innenraum 45 und vorzugsweise in einem nach allen Richtungen ungefähr gleich großen Abstand von diesem, wobei der Außenkörper 36 in seinem die erste Elektrode 44 umgreifenden Elektrodenabschnitt 56 einen Querschnitt aufweist, der ungefähr gleich einem Querschnitt des Außenkörpers 36 in einem Gasentladungsabschnitt 58 desselben ist.
Im zweiten Endbereich 40 ist ebenfalls ein Elektrodendurchbruch 62 für eine als Ganzes mit 64 bezeichnete zweite Elektrode vorgesehen, die ebenfalls einen elektrischen Anschlußabschnitt 66 aufweist, von welchem ausgehend sich ein Halteabschnitt 68 durch den Elektrodendurchbruch 62 erstreckt und über diesen hinaus in das Innere des Außenkörpers 36 hineinragt und einen als Ganzes mit 72 bezeichneten vorderen Endabschnitt trägt.
Der vordere Endabschnitt 72 könnte beispielsweise in gleicher Weise ausgebildet sein wie bei der ersten Elektrode 44, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch der vordere Endabschnitt 42 verdickt ausgeführt und erstreckt sich bis zu einem zweiten Elektrodenende 74.
Zur Kühlung des vorderen Endabschnitts 72 der zweiten Elektrode 64 ist ein die zweite Elektrode 64 umschließender Elektrodenabschnitt 76 des Außenkörpers 36 mit einem eingezogenen Bereich 78 versehen, welcher eine derartige Querschnittsverengung aufweist, daß der eingezogene Bereich 78 am vorderen Endabschnitt 72 anliegt und zur Kühlung desselben über Wärmeleitung beiträgt.
Beim Betrieb der Gasentladungseinheit 18 bildet sich zwischen dem ersten Elektrodenende 54 und dem zweiten Elektrodenende 74 eine als Ganzes mit 80 bezeichnete Gasentladung aus, wobei bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel das erste Elektrodenende 54 die Kathode darstellt, während das zweite Elektrodenende 74 die Anode bildet.
Aufgrund der Tatsache, daß das erste Elektrodenende 54 nur über die Erstreckung der ersten Elektrode 44 von dem Elektrodendurchbruch 42 bis zum ersten Elektrodenende 54 mit dem Außenkörper 36 der Gasentladungseinheit 18 in körperlichem Kontakt steht, läßt sich die über diesen körperlichen Kontakt erfolgende Kühlung des ersten Elektrodenendes 54 durch entsprechende Dimensionierung der wärmeleitenden Querschnitte im Halteabschnitt 48 sowie im vorderen Endabschnitt 52 reduzieren, so daß das Elektrodenende 54 im wesentlichen nur durch Strahlungskühlung gekühlt ist und sich im Bereich des ersten Elektrodenendes 54 ein Volumenbereich 82 ausbildet, der eine im wesentlichen gleichmäßig hohe Temperatur aufweist, die einerseits bedingt ist durch den Wärmeeintrag aufgrund der sich ausbildenden Gasentladung 80 und andererseits durch die bereits genannte Strahlungskühlung und die bereits genannte in geringem Umfang erfolgende Kühlung über Wärmeleitung zum Elektrodendurchbruch 42.
Der Volumenbereich 82 weist somit seinerseits einen Oberflächenbereich 84 auf, welcher ebenfalls eine im wesentlichen gleichmäßig hohe Temperatur aufweist und von welchem die Gasentladung 80 in Form einer Gasentladung 80 im diffusen Mode ausgeht, wobei der diffuse Mode bedeutet, daß die Gasentladung im Gegensatz zum Spot-Mode nicht mehr oder weniger punktförmig an dem Elektrodenende 54 ansetzt, sondern in Form eines flächenhaftes Ansatzes, festgelegt durch den Oberflächenbereich 84, wobei der Oberflächenbereich 84 eine Ausdehnung aufweist, die mindestens der Hälfte einer Querschnittsfläche der Elektrode 44 im Bereich des Elektrodenendes 54 entspricht, noch besser mindestens zwei Drittel der Querschnittsfläche, die beispielsweise bei einem runden Querschnitt des Elektrodenendes 54 durch den Durchmesser D des vorderen Endabschnitts 52 bestimmt ist.
Vorzugsweise ist dabei der Oberflächenbereich 84 stufenfrei ausgebildet, das heißt, daß er keine Spitzen oder scharfe Kanten aufweist.
Es ist aber auch denkbar, wie in Fig. 4 bei einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt, als Oberflächenbereich 84' einen stetig verlaufenden Ausschnitt aus einer beliebigen mathematischen Fläche 88, beispielsweise einer Kugelkappe, vorzusehen, wobei durch den stetigen Verlauf sichergestellt ist, daß ebenfalls im Oberflächenbereich 84' keine Ecken, Kanten oder Spitzen auftreten, die der Gasentladung 80 die Möglichkeit geben würden, von dem diffusen Moden in den Spot-Mode überzugehen.
Um die Kühlung des Volumenbereichs 82 durch Wärmeleitung möglichst gering zu halten, ist vorzugsweise vorgesehen, daß in der ersten Elektrode 44 der Wärmewiderstand zwischen dem ersten heißen Elektrodenende 54 und dem gekühlten Elektrodendurchbruch 42 mindestens 10°C/W beträgt, noch besser größer ist.
Besonders günstig läßt sich dies dadurch realisieren, daß der mittlere Querschnitt der ersten Elektrode 44 zwischen dem ersten Elektrodenende 54 und dem Elektrodendurchbruch 42 kleiner ist als ein Zehntel des Abstandes zwischen dem ersten Elektrodenende 54 und dem Elektrodendurchbruch 42.
Hinsichtlich des Materials im Bereich des ersten Elektrodenendes wird vorzugsweise als hochschmelzendes Metall Wolfram verwendet.
Das Wolfram wird dabei dotiert mit einem Material, welches im Betrieb zu einer möglichst niederen Arbeitstemperatur im Oberflächenbereich 84 führt, vorzugsweise zu einer Arbeitstemperatur die niedriger ist als die des undotierten Wolfram. Derartige Temperaturen liegen üblicherweise unterhalb 3000°C, vorzugsweise in der Größenordnung von ungefähr 2500°C.
Als Dotierungsmaterial für das Wolfram hat sich Lanthan als zweckmäßig erwiesen, wobei die Dotierung im Bereich von 0,1 Gew.% bis 5 Gew.% liegen kann.
Da die Dotierung lediglich im Bereich des vorderen Endabschnitts 52 für den Betrieb der Gasentladung und die Ausbildung des diffusen Mode maßgeblich ist, ist die Elektrode 44, wie bereits in Fig. 1 und 2 dargestellt, unterteilt in den vorderen Endabschnitt 52 und den Halteabschnitt 48.
Der Halteabschnitt 48 ist hinsichtlich seines Materials ohne Einfluß auf die Gasentladung, andererseits jedoch maßgebend für eine möglichst dauerhafte und stabile Verbindung mit dem Elektrodendurchbruch 42.
Vorzugsweise ist dabei der Halteabschnitt 48 aus Wolfram hergestellt, das keine Lanthandotierung aufweisen muß.
Um eine dauerhafte Verbindung zwischen dem vorderen Endabschnitt 52 und dem Halteabschnitt 48 zu gewährleisten, ist bei einem dritten, in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel, die Verbindung 50 vorzugsweise durch eine Hülse 90 gebildet, die mit zwei Bohrungen, nämlich einer Bohrung 92 für ein Ende 96 des Halteabschnitts 48 und eine Bohrung 94 für ein Ende 98 des vorderen Endabschnitts 52 versehen ist, in die diese eingreifen und somit bereits formschlüssig verbunden sind. Vorzugsweise wird zusätzlich noch eine Fügeverbindung durch Löten oder Schweißen hergestellt.
Alternativ dazu ist es aber auch denkbar, wie bei einem vierten Ausführungsbeispiel in Fig. 6 dargestellt, die Verbindung 50' zwischen dem Halteabschnitt 48 und dem vorderen Endabschnitt 52 in Form einer Schweißung der aneinanderstoßenden Enden 96 und 98 vorzusehen.
Bei einem fünften Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 7, erstreckt sich der Halteabschnitt 48' der ersten Elektrode 44' nicht nur durch den Elektrodendurchbruch 42 des Außenkörpers 36 hindurch, sondern im wesentlichen bis nahe an das Elektrodenende 54', das in diesem Fall durch einen vorderen Endabschnitt 52' der Elektrode 44' gebildet ist, welcher einen vergrößerten Querschnitt aufweist.
Damit läßt sich über den geringen Querschnitt des Halteabschnitts 48' die Wärmeleitung von dem Elektrodenende 54' zum Elektrodendurchbruch 42 verringern, jedoch durch den großen Querschnitt des vorderen Endabschnitts 52' am ersten Elektrodenende 54' eine möglichst große Fläche schaffen, so daß auch der Oberflächenbereich 84, von dem die diffuse Gasentladung 80 ausgeht, eine sehr große Ausdehnung aufweisen kann, um die Ausbildung des diffusen Mode der Gasentladung 80 sicherzustellen.
Dabei kann der vordere Endabschnitt 52 wie in Fig. 7 dargestellt, die Form eines Zylinderstücks aufweisen, welches koaxial zum Halteabschnitt 48' angeordnet ist, beispielsweise dadurch, daß der Halteabschnitt 48' mit seinem Ende 96 in eine Bohrung 102 im vorderen Endabschnitt 52' eingreift.
Der vordere Endabschnitt 52' weist somit eine der Gasentladung 80 zugewandte Stirnfläche 104 auf, die quer, insbesondere senkrecht zur Längsrichtung 30 und somit auch zum Halteabschnitt 48' verläuft.
Um ein Starten der Gasentladung zu erleichtern, ist vorzugsweise an der der Gasentladung 80 zugewandten vorderen Stirnfläche 104 eine Flächenunstetigkeit 106, beispielsweise eine vorstehende Spitze vorgesehen, die allerdings außerhalb des Oberflächenbereichs 84 liegt und dazu dient, daß beim Starten der Gasentladung zunächst diese im Spot-Mode an der Flächenunstetigkeit 106 ansetzen beginnt und nachfolgend in die diffuse Gasentladung ausgehend vom Oberflächenbereich 84 übergeht.
Damit läßt sich ein Starten der Gasentladung erheblich erleichtern und insbesondere definiert an einer Stelle vorzusehen, an welcher ein erleichterter Übergang in eine diffuse Gasentladung möglich ist.
Beispielsweise wäre es auch denkbar, die Flächenunstetigkeit 106 ringförmig um den Oberflächenbereich 84 herumzuführen.
Alternativ zum Vorsehen einer Spitze kann eine derartige Flächenunstetigkeit aber auch als Vertiefung unter Ausbildung einer Kante oder als Absatz unter Ausbildung einer Kante vorgesehen sein.
Bei einem sechsten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 8, ist der vordere Endabschnitt 52" als Kugel mit einem Durchmesser ausgebildet, der wesentlich größer ist, als der Durchmesser des Halteabschnitts 48", so daß am Elektrodenende 54" eine stetig verlaufende mathematische Kugelkappenfläche zur Ausbildung des großflächigen Oberflächenbereichs 84 zur Verfügung steht, von welchem die diffuse Gasentladung 80 ausgeht.
Bei einem siebten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 9 ist der vordere Endabschnitt 52''' als zum stiftförmig ausgebildeten Halteabschnitt 48''' rotationssymmetrischer, im Längsquerschnitt elliptisch geformter Körper ausgebildet, so daß sich ebenfalls am Elektrodenende 54''' ein großflächiger Oberflächenbereich 84 ausbilden kann, von welchem die diffuse Gasentladung 80 ausgeht, wobei der Oberflächenbereich 84 einen Ausschnitt aus der stetigen mathematischen Fläche im Bereich eines Ellipsenendes darstellt.
Bei allen nach dem ersten Ausführungsbeispiel folgenden Ausführungsbeispielen 2 bis 7 wird insoweit, als diese mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch sind und die gleichen Teile zum Einsatz kommen wie beim ersten Ausführungsbeispiel, vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen.

Claims

1. Pumplichtquelle für laseraktive Medien umfassend
einen ein Gasentladungsmedium einschließenden Außenkörper (36), eine als Kathode wirkende erste Elektrode (44) mit einem innerhalb des Außenkörpers (36) liegenden ersten Elektrodenende (54), eine als Anode wirkende zweite Elektrode (64) mit einem innerhalb des Außenkörpers (36) liegenden zweiten Elektrodenende (74) und einem innerhalb des Außenkörpers (36) zwischen den einander zugewandten Elektrodenenden (54, 74) liegenden Gasentladungsraum,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste Elektrodenende (54) im wesentlichen strahlungsgekühlt ist und daß sich von einem am ersten Elektrodenende (54) liegenden, flächenhaft ausgedehnten Oberflächenbereich (84) ausgehend eine überwiegend diffuse Gasentladung (80) ausbildet.

2. Pumplichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich (84) eine im wesentlichen gleichmäßig hohe Temperatur aufweist.

3. Pumplichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich einen Volumenbereich (82) am ersten Elektrodenende (54) übergreift, welcher eine im wesentlichen gleichmäßig hohe Temperatur aufweist.

4. Pumplichtquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich (84) im wesentlichen stufenfrei ist.

5. Pumplichtquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich (84) durch einen stetig verlaufenden Ausschnitt aus einer mathematischen Fläche definiert ist.

6. Pumplichtquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich (84) eine Ausdehnung aufweist, welche größer ist als zwei Drittel einer mittleren Querschnittsfläche des Volumenbereichs (82) am ersten Elektrodenende (54).

7. Pumplichtquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Elektrodenende (54) durch Wärmeleitung nur über die zu einem Elektrodendurchbruch (42) im Außenkörper (36) verlaufenden Elektrode an den Außenkörper (36) angekoppelt ist.

8. Pumplichtquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckung der ersten Elektrode (44) zwischen einen Elektrodendurchbruch (42) des Außenkörpers (36) und dem ersten Elektrodenende (54) relativ zum mittleren Querschnitt der ersten Elektrode (44) derart ist, daß die Erstreckung größer als das Zehnfache des mittleren Querschnitts, der ersten Elektrode (44) ist.

9. Pumplichtquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Elektrode (44) der Wärmewiderstand zwischen dem ersten Elektrodenende (54) und dem Elektrodendurchbruch (42) maximal 10°C/W beträgt.

10. Pumplichtquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Elektrodenende (54) aus einem hochschmelzenden Metall ist.

11. Pumplichtquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Elektrodenende (54) bildende Material mit einer Dotierung versehen ist, die beim Betrieb zu einer niedrigeren Elektrodenarbeitstemperatur als beim undotierten Material führt.

12. Pumplichtquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenarbeitstemperatur des Elektrodenendes niedriger als die Schmelztemperatur des Materials des Elektrodenendes ist.

13. Pumplichtquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Elektrodenende (54) aus Wolfram ist, dotiert mit einem Material dessen Austrittsarbeit für Elektronen kleiner als die von reinem Wolfram ist.

14. Pumplichtquelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Elektrodenende (54) aus mit mindestens 0,1 Gew.% Lanthan dotiertem Wolfram ist.

15. Pumplichtquelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Elektrodenende (54) aus maximal mit 5 Gew.% Lanthan dotiertem Wolfram ist.

16. Pumplichtquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (44) einen den Elektrodendurchbruch (42) durchsetzenden Halteabschnitt (48) aus durch das Material des Außenkörpers (36) benetzbaren Material aufweist und daß sich an diesen Halteabschnitt (48) ein das erste Elektrodenende (54) tragender Endabschnitt (52) anschließt.

17. Pumplichtquelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der den Elektrodendurchbruch (42) durchsetzende Halteabschnitt (48) und der Endabschnitt (52) formschlüssig verbunden sind.

18. Pumplichtquelle nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Halteabschnitts (48) und des Endabschnitts (52) über einen hülsenähnlichen Formschlußkörper (90) erfolgt.

19. Pumplichtquelle nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der den Elektrodendurchbruch (42) durchsetzende Halteabschnitt (48) der ersten Elektrode (44) und der Endabschnitt (52) miteinander durch Fügen verbunden sind.

20. Pumplichtquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (44) sich im wesentlichen als stiftförmiger Körper zwischen dem Elektrodendurchbruch (42) und dem ersten Elektrodenende (52) erstreckt.

21. Pumplichtquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Endabschnitt (52) der ersten Elektrode (44) als stiftförmiger Körper ausgebildet ist.

22. Pumplichtquelle nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Elektrodenende (54) ungefähr denselben Querschnitt wie der stiftförmige Körper aufweist.

23. Pumplichtquelle nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Elektrodenende (54) einen gegenüber dem stiftförmigen Körper vergrößerten Querschnitt aufweist.

24. Pumplichtquelle nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Endabschnitt (52) zur Bildung des ersten Elektrodenendes (54) verdickt ist.

25. Pumplichtquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem ersten Elektrodenende (54) eine Flächenunstetigkeit (106) zur Ausbildung einer an dieser punktförmig startenden Gasentladung vorgesehen ist.

26. Pumplichtquelle nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenunstetigkeit (106) außerhalb des Oberflächenbereichs 84) liegt.

27. Pumplichtquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese im elektrischen Leistungsbereich von ungefähr 0,1 kW bis ungefähr 10 kW arbeitet.

28. Verfahren zum Betreiben einer Pumplichtquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung als im wesentlichen punktförmige Gasentladung gestartet wird und anschließend in eine überwiegend diffuse Gasentladung übergeht.