Modellierung Der Energietransferprozesse in Längsgeströmten Co2-Lasern

ISBN-13: 9783519062134 / Niemiecki / Miękka / 1994 / 159 str.

Karin M. Grunewald; Karin M. Grunewald

Opis

1.1 Motivation und Ziele der Computersimulation in der C02- Laserentwicklung Wachsende Anspruche an Auskoppelleistung und Strahlqualitat von Hochleistungsgasla sern fur den Einsatz in der Materialbearbeitung I] bei gleichzeitig niedrigen Investitions und Betriebskosten erfordern schnelle und zuverlassige Methoden der Vorprojektierung. Hier wird der Laserentwicklung durch die diversen Simulationsmodelle ein wertvolles In strumentarium angeboten, das ein Einfliessen optimaler Betriebsparameter bereits in der Auslegungsphase neuer Lasersysteme ermoglicht. Uber eine Variation der technischen Vor gaben fur Gasaufbereitung und Eingangsleistungsbereitstellung lassen sich in der Compu tersimulation neue Entwicklungstendenzen kostengunstig verfolgen und wenig erfolgver sprechende Konzepte von vorneherein ausschliessen. Aus diesen Grunden wurde die theoretische Simulation fruhzeitig mit der Entwicklung des Lasers und seinem verstarkten Einsatz in den verschiedenen Disziplinen begonnen. Aus den artverwandten Untersuchungen in den Teilbereichen Entladungsphysik 2], Molekulki netik und Gasdynamik 3], 4] haben sich die laserspezifischen Rechenmodelle 5] bis 8] entwickelt. Grundlegende Untersuchungen zum Anregungsverhalten und zu den Stabi litatsproblemen der Niederdruckentladung wurden von Nighan et al. durchgefuhrt 9] bis 14]. Von Smith und Thomson ist ein komplettes Modell fur gleichstromangeregte CO r Laser in ruhendem Gas hergeleitet worden 15], 16]. Darauf aufbauend sind die theoreti schen Studien von Jakoby 17] und Holetzke 7] unter Berucksichtigung der Gasstromung angesiedel

Spis treści

1 Einführung.- 1.1 Motivation und Ziele der Computersimulation in der CO2-Laserentwicklung.- 1.2 Arbeitsprinzip und funktionaler Aufbau des CO2-Strömungslasers.- 2 Physik des laseraktiven Mediums.- 2.1 CO2-Laserprinzip und Laserleistungsdaten.- 2.1.1 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Teilchen.- 2.1.2 Inversion und Inversionserzeugung.- 2.1.3 Eigenschaften des laseraktiven Mediums.- 2.1.4 Wechselwirkung zwischen Strahlungsfeld und laseraktivem Medium.- 2.2 Kinetik der elektrischen Anregung.- 2.2.1 Selbständige Entladung.- 2.2.2 Struktur der Glimmentladung.- 2.2.3 Stöße und Stoßarten.- 2.2.4 Freie Elektronen.- 2.3 Kinetik der schweren Teilchen.- 2.3.1 Schwingungsformen der Moleküle.- 2.3.2 Rotationsfreiheitsgrade.- 2.3.3 Energieübertragung durch Stöße zwischen schweren Teilchen.- 2.3.4 Einfluß der Heliumatome.- 2.4 Makroskopische Vorgänge im laseraktiven Medium.- 2.4.1 Thermodynamischer Zustand.- 2.4.2 Translationsenergie.- 3 Modellierung der laseraktiven Vorgänge.- 3.1 Beschreibung der Entladungsvorgänge in der positiven Säule.- 3.1.1 Elektronenenergieverteilung und Anregungskoeffizienten.- 3.1.2 Elektronendichte und Plasmaeigenschaften.- 3.1.3 Selbstkonsistente Feldstärkenbestimmung.- 3.2 Darstellung der Vibrationskinetik und der Laserleistungsdaten.- 3.2.1 Fünftemperaturmodell.- 3.2.2 Verstärkungsverhalten des laseraktiven Mediums.- 3.2.3 Strahlungsfeld und Oszillatorbetrieb.- 3.2.4 Schluß von einer Strecke auf den Gesamtresonator.- 3.3 Numerische Behandlung der Rohrströmung mit Wärmeeinkopplung.- 4 Problemorientierte Simulationsmodelle.- 4.1 Beurteilung der Entladungsbedingungen und der Anregungseffizienz.- 4.1.1 Frequenzabhängigkeit der selbständigen Entladung.- 4.1.2 Anregungs- und Transportkoeffizienten.- 4.1.3 Relaxationsverhalten der Elektronen in Reaktion auf zeitlich veränderliche Feldstärken.- 4.1.4 Einfluß superelastischer Stöße auf die Entladungseigenschaften und die Kleinsignalverstärkungskoeffizienten.- 4.2 Qualifikation des laseraktiven Mediums.- 4.3 Einfluß des Strahlungsfeldes.- 4.4 Notwendigkeit der ortsabhängigen Berechnungsweise.- 4.5 Simulationsmodelle aus der Literatur.- 5 Zuverlässigkeit des Simulationsverfahrens.- 5.1 Streuung der Vorgabedaten.- 5.2 Vergleich mit dem Experiment.- 5.2.1 Experimenteller Nachweis der Ortsabhängigkeit von Stromstärke und Elektronendichte.- 5.2.2 Verstärkungseigenschaften im quergeströmten Laser.- 5.2.3 Verstärkungseigenschaften im längsgeströmten CO2-Laser.- 6 Charakteristika des laseraktiven Mediums.- 6.1 Abhängigkeit der Lasertätigkeit vom gasdynamischen Anströmzustand.- 6.1.1 Auswirkungen auf das gasdynamische Verhalten.- 6.1.2 Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften.- 6.1.3 Verhalten der Laserkinetik.- 6.1.4 Anwendung der Skalierungen auf den längsgeströmten CO2-Laser.- 6.2 Einfluß der Feldformung.- 6.3 Vergleich von Gleichstrom- und Hochfrequenzanregung.- 7 Leistungsbestimmung im Strömungslaser.- 7.1 Maximal mögliche Laserleistung im strömenden Medium.- 7.2 Ausgekoppelte Laserleistung und Länge des laseraktiven Bereichs.- 7.3 Zuordnung der unterschiedlichen Leistungsdaten.- 8 Zusammenfassung.