1.1 Motivation und Ziele der Computersimulation in der C02- Laserentwicklung Wachsende Ansprüche an Auskoppelleistung und Strahlqualität von Hochleistungsgasla­ sern für den Einsatz in der Materialbearbeitung [I] bei gleichzeitig niedrigen Investitions­ und Betriebskosten erfordern schnelle und zuverlässige 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 ermöglicht. Über eine Variation der technischen Vor­ gaben für Gasaufbereitung und Eingangsleistungsbereitstellung lassen sich in der Compu­ tersimulation neue Entwicklungstendenzen kostengünstig verfolgen und wenig erfolgver­ sprechende Konzepte von vorneherein ausschließen. Aus diesen Gründen wurde die theoretische Simulation frühzeitig mit der Entwicklung des Lasers und seinem verstärkten Einsatz in den verschiedenen Disziplinen begonnen. Aus den artverwandten Untersuchungen in den Teilbereichen Entladungsphysik [2], Molekülki­ netik und Gasdynamik [3], [4] haben sich die laserspezifischen Rechenmodelle [5] bis [8] entwickelt. Grundlegende Untersuchungen zum Anregungsverhalten und zu den Stabi­ litätsproblemen der Niederdruckentladung wurden von Nighan et al. durchgeführt [9] bis [14]. Von Smith und Thomson ist ein komplettes Modell für 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 Berücksichtigung der Gasströmung angesiedelt.

Inhaltsangabe1 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.