Investigation on rf interactions and flow phenomena in the plasmas of fast-flow CO2 high power lasers

Abstract

This PhD thesis deals with the simulation and optimization of a high power coaxial CO2 laser with an output power in the 6 kW range. The theoretical description of the laser performance deals with both the gain medium and the gas flow. Measurements of the matching network of the RF power supply and the gas flow were used to verification. The fast gas flow is treated with respect to a coaxial flow cross section with heat transfer into the fluid. Besides, calculations of molecular kinetics of RF excitation give information about gain and saturation parameters. The theoretical model provides new findings about the distributions of electric power density, RF current density, small signal gain, saturation intensity, temperature and pressure inside the discharge and their dependence on important physical parameter, like e.g. gas mixture, length of the discharge, gas flow speed, and so on. Furthermore the influence of the strong gas flow on the evolution of gain and saturation parameters in gas flow direction were investigated. In order to proof the results pressure and temperature measurements inside the plasma of a 6 kW coaxial CO2 laser were carried out.

Diese Dissertation behandelt die Simulation und Optimierung eines koaxialen Hochleistungs-CO2-Lasers mit einer Ausgangsleistung im Bereich von 6 kW. Da auf Grund des allgemein relativ niedrigen Wirkungsgrades von CO2-Lasern das Fuenffache an Ausgangsleistung als Verlustwaerme entsteht, und diese von einer schnellen Gasstroemung aus dem Entladungsbereich abtransportiert wird, beschaeftigt sich die Theorie neben den Eigenschaften des Gainmediums auch mit den Auswirkungen der Gasstroemung auf die Lasereigenschaften. Messungen an der Gasstroemung und den Anpassungsnetzwerken der Hochfrequenzgeneratoren dienen zur Ueberpruefung der Simulationsergebnisse. Ausgehend von bereits bekannten Modellen fuer die Anregung von CO2-Laserplasmen werden Ratenkoeffizienten berechnet, Bedingungen fuer die Stabilitaet der Gasentladung werden ermittelt und infolgedessen die Plasmaimpedanz bestimmt. Die Arbeit enthaelt eine Naeherung fuer die Berechnung der Laserausgangsleistung im Falle eines longitudinal nicht homogenen Lasermediums. Mit Hilfe eines numerisch-iterativen Verfahrens wird die Schwierigkeit in der Berechnung der wechselseitigen Abhaengigkeit zwischen den verschiedenen Prozessen geloest. Das Modell liefert Erkenntnisse ueber die Verteilung von elektrischer Leistungsdichte, Hochfrequenzstromdichte, Kleinsignalverstaerkung, Druck und Temperatur innerhalb der Entladung und die Abhaengigkeit derselben Parameter von Gasgemisch, Entladungslaenge, Gasstroemungsgeschwindigkeit usw. Des weiteren wird der Einfluss des schnellgestroemten Gases auf die axiale Verteilung des Kleinsignalverstaerkungskoeffizienten und der Saettigungsintensitaet untersucht. Zur Ueberpruefung der erhaltenen Ergebnisse wurden Druck- und Temperaturmessungen durchgefuehrt.