Fluidmechanisch und elektrophysikalisch optimierte Entladungsstrecken für CO2-Hochleistungslaser: Laser in der Materialbearbeitung

Liste der verwendeten Symbole.- 1 Einleitung.- 1.1 Motivation und Ziel.- 1.2 Gliederung der Arbeit.- 2 Fluidmechanische Grundlagen der Kohlendioxidlaser.- 2.1 Kühlungstechnologien für Gaslaser.- 2.2 Wirkung der Gasgemischkomponenten.- 3 Zustandsgieichungen der quasieindimensionalen Strömung.- 3.1 Modellvorstellung der Entladungsstrecke.- 3.2 Grundgleichungen.- 3.3 Ergänzende Betrachtungen.- 3.4 Anwendung der Modellierung.- 3.5 Kurzfassung der wichtigsten Ergebnisse.- 4 Die Interferometrie als optisches Meßverfahren.- 4.1 Optische Weglängendifferenzen durch Gasdichtevariationen.- 4.2 Interferometrische Messung von Gasdichteverteilungen.- 4.3 Kurzfassung der wichtigsten Ergebnisse.- 5 Strömungsvorgänge in schnellgeströmten Rohren ohne Gasentladung.- 5.1 Die Strömungsumlenkungen im Rohrein- und im Rohraustrittsbereich.- 5.2 Verknüpfung von Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung.- 5.3 Das hydrodynamische Einlaufverhalten der Rohrströmung.- 5.4 Vergleich von Theorie und Experiment.- 5.5Kurzfassung der wichtigsten Ergebnisse.- 6 Turbulenz und Drall bei Rohrströmungen.- 6.1 Bestimmung der Temperaturleitfahigkeit einer turbulenten Rohrströmung.- 6.2 Bestimmung der Drallzahl einer Rohrströmung.- 6.3 Kurzfassung der wichtigsten Ergebnisse.- 7 Wärmedurchgang bei Gasentladungsrohren.- 7.1 Kalorimetrische Messung der Verlustwärme.- 7.2 Pyrometrische Messung der Rohraußentemperatur.- 7.3 Wärmedurchgangsrechnung.- 7.4 Bestimmung der Aufwärmzeit eines Quarzrohres.- 7.5 Aufwärmzeit eines schnell längsgeströmten Gaslasers.- 7.6 Kurzfassung der wichtigsten Ergebnisse.- 8 Phasendeformation in einer Gasentladungsstrecke.- 8.1 Beispielhafte Modellierung einer Gasentladungsstrecke.- 8.2 Konzentrische, gewendelte Elektrodenformen.- 8.3 Nichtkonzentrische, gewendelte Elektrodenformen.- 8.4 Kurzfassung der wichtigsten Ergebnisse.- 9 Betriebsbereiche von Gasentladungen.- 9.1 Bemerkungen zur Gasentladungsphysik.- 9.2 Analyse der Betriebsbereiche von Gasentladungen.- 9.3 Kurzfassung der wichtigsten Ergebnisse.- 10 Bemerkungen zur Kleinsignalverstärkung.- 11 Auslegung von Lasersystemen und Entladungsstrecken.- 11.1 Systemauslegung als Folge gewünschter Strahlparameter.- 11.2 Gestaltung der Gasströmung.- 11.3 Gestaltung der Elektroden.- 11.4 Aktiv fokussierend sowie defokussierend wirkende Elektrodenformen.- 11.5 Demonstration der erreichten konkreten Ergebnisse.- 12 Zusammenfassung.- A Anhang.- A.1 Stoffwerte und Zustandsbeschreibungen für ternäre Gasgemische.- A.2 Anmerkungen zur Messung von Gasmassenflüssen.- A.3 Verknüpfung von Gasdichte und Brechungsindex.- A.3.1. Betrachtung des Sonderfalls abseits der Resonanzstellen.- A.3.2. Betrachtung des Sonderfalls in einer Resonanzstelle.

In der materialbearbeitenden Industrie ist der Kohlendioxid-(CO2)-Gaslaser der am häufigsten eingesetzte Lasertyp. Trotz dieses erreichten Industriestandards verbleibt ein Forschungs- und Entwicklungsbedarf insbesondere hinsichtlich Systemwirkungsgrad, Fokussierbarkeit der Strahlung sowie Systemkompaktheit. - Die Arbeit setzt an dieser Stelle ein. Durch eine geeignete Gestaltung der Gasströmung in Kombination mit einem darauf abgestimmten Elektrodendesign kann eine hohe optische Qualität des laseraktiven Mediums realisiert werden. Diese Grundvoraussetzung für eine gute Fokussierbarkeit der Strahlung erlaubt zugleich einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Leistungsdichte zu realisieren, also auch Kompaktheit. Für eine optimale Gestaltung der Gasentladungsstrecken ist eine genaue Kenntnis der relevanten fluidmechanischen und elektrophysikalischen Vorgänge unerläßlich. Es werden deshalb interferometrische Verfahren zur Bestimmung von Temperaturleitfähigkeit, Drall sowie der Gasdichteverteilung in schnell längsgeströmten hochfrequenzangeregten Gasentladungsstrecken vorgestellt. - Für eine gezielte Kompensation bzw. Beeinflussung dieser Vorgänge werden konkrete Gestaltungen von Strömungsführung und Elektrodenform vorgeschlagen. Damit können Gasentladungsstrecken realisiert werden, die bei höchstmöglichen Strömungsgeschwindigkeiten und hohen Leistungsdichten stabile Gasentladungen bei hoher optischer Qualität produzieren. Aus dem Inhalt: Liste der verwendeten Symbole / Einleitung / Fluidmechanische Grundlagen der Kohlendioxidlaser / Zustandsgleichungen der quasi-eindimensionalen Strömung / Die Interferometrie als optisches Meßverfahren / Strömungsvorgänge in schnellgeströmten Rohren ohne Gasentladung / turbulenz und Drall bei Rohrströmungen / Wärmedurchgang bei Gasentladungsrohren / Phasendeformation in einer Gasentladungsstrecke / Betriebsbereiche von Gasentladungen / Bemer