<Desc/Clms Page number 1>
"Uitkoppelinrichting voor gaslasers".
De huidige uitvinding heeft betrekking op een uitkoppelinrichting voor gaslasers. De huidige uitvinding is in het bijzonder gericht op gaslasers, zoals C02-lasers, met een hoog vermogen,'d. w. z. een vermogen van meerdere kilowatts.
. De uitkoppelinrichting regelt de hoeveelheid van het in de laserbuis gegenereerde laserlicht die uit de laserbuis treedt onder de vorm van een laserstraal of-bundel, en bepaalt dus eveneens de hoeveelheid laserlicht die in de laserbuis blijft. De uitkoppelinrichting is erg'belangrijk voor de goede werking van de gaslaser, enerzijds omdat de hoeveelheid laserlicht die de laserbuis verlaat afgestemd moet zijn op de aangroei van het laserlicht binnen de laserbuis, of m. a. w. op de versterkingsfactor van de laserbuis. De uitkoppelinrichting is anderzijds erg belangrijk omdat ze in grote mate de eigenschappen bepaalt van de uitgekoppelde laserbundel.
Het belangrijkste onderdeel van een uitkoppelinrichting is het uitkoppelvenster. Het uitkoppelvenster is vervaardigd uit een doorzichtig materiaal dat als eigenschap heeft een gekend percentage van het in de laserbuis opgewekt laserlicht te transmitteren en het resterend percentage te reflecteren. Het uitkoppelvenster mag de bundeleigenschappen van de uitgekoppelde laserbundel niet degraderen bv. door te vervormen onder invloed zelf van de laserstraling.
Het is echter niet te vermijden dat het uitkoppelvenster een deel van het getransmitteerde laserlicht absorbeert. Het geabsorbeerde laserlicht warmt het uitkoppelvenster op en veroorzaakt uitzetting en thermische spanningen. Daardoor ontstaan er faze-aberraties in de uitgekoppelde laserbundel ; faze-aberraties die de bundeleigenschappen zoals divergentie, modekwaliteit en focuseerbaarheid sterk degraderen. Dit is dan weer erg
<Desc/Clms Page number 2>
nadelig voor de toepasbaarheid van de uitgekoppelde laserbundel. Zo worden bijvoorbeeld de materiaalbewerkingseigenschappen van de uitgekoppelde laserbundel sterk gedegradeerd door de opwarming van het uitkoppelvenster.
De huidige uitvinding voorziet in een werkwijze, en een uitkoppelinrichting voor het toepassen van deze werkwijze, voor het afkoelen van het uitkoppelvenster van een gaslaser.
Een gekend principe voor het afkoelen van het uitkoppelvenster is de zogenaamde randkoeling die erin bestaat de behuizing van de uitkoppelinrichting te voorzien van een rond het uitkoppelvenster lopend kanaal waardoorheen een koel- vloeistof gevoerd wordt. Dit systeem werkt bevredigend bij gaslasers met een laag vermogen, d. w. z. met een uitgekoppeld vermogen van maximaal 1 ä 1, 5 Kilowatt, maar schiet tekort bij lasers met een hoog vermogen aangezien de laserintensiteit maximaal is in het midden van een laserbundel en beduidend kleiner is aan de rand van de laserbundel. Het midden van het uitkoppelvenster wordt dus sterker opgewarmd dan de randen van het uitkoppelvenster. De plaatsen waar de meeste warmte gegenereerd wordt bevinden zieh dus het verst van de koel vloeistof.
Bij hoge vermogens kan die warmte zieh niet snel genoeg door conductie doorheen het materiaal van het uitkoppelvenster en dat van de behuizing verwijderen, met het gevolg dat het uitkoppelvenster te veel opwarmt. Dit probleem wordt vanzelfspreken acuter naarmate de diameter van het uitkoppelvenster groter is.
De huidige uitvinding heeft tot doel een oplossing te bieden die in een efficiente afkoeling van het uitkoppelvenster resulteert.
De werkwijze volgens de uitvinding voor het koelen van het uitkoppelvenster in de uitkoppelinrichting van een gaslaser wordt gekenmerkt door het spuiten van een gas over een oppervlak van het uitkoppelvenster.
Het soort gas dat bij de werkwijze volgens de
<Desc/Clms Page number 3>
uitvinding gebruikt wordt is afhankelijk van het type van gaslaser waarop de werkwijze volgens de uitvinding wordt toegepast. Het gas moet in ieder geval een voldoende grote specifieke warmte. hebben en moet tevens transparant zijn voor de in de betrokken laser opgewekte lasergolflengte. Zo gebruikt men stikstofgas of helium bij een C02'laser.
De doeltreffendheid van de werkwijze volgens de uitvinding is sterk afhankelijk van de mate waarin het koelgas gelijkmatig over de volledige oppervlakte van het uitkoppelvenster strijkt. Daarom wordt volgens de werkwijze volgens de uitvinding het koelgas bij voorkeur via een spleet ingespoten tussen het uitkoppelvenster en een naast het uitkoppelvenster opgesteld venster.
De uitkoppelinrichting volgens de uitvinding, bestaande uit een uitkoppelvenster omvat door de behuizing van de uitkoppelinrichting wordt gekenmerkt doordat de behuizing voorzien is van kanalen voor het toevoeren en afvoeren van een gas, kanalen die via één of meerdere openingen uitmonden op een oppervlak van het uitkoppelvenster.
Bij een voorkeurdragende uitvoeringsvorm van de uitkoppelinrichting volgens de uitvinding bestaan de openingen van de op het uitkoppelvenster uitmondende kanalen uit hoofdzakelijk evenwijdig met een oppervlak van het uitkoppelvenster gelegen spleten en staat er naast het uitkoppelvenster een tweede venster opgesteld zodanig dat er tussen beide vensters een ruimte gelegen is waarop de spletenuitmonden.
Zowel het tweede venster als de spleetvorm van de openingen zijn essentiële kenmerken van de uitvinding. Het tweede venster zorgt ervoor dat het koelgas-langs het uitkoppelvenster geleid wordt en laat toe om het gas in een gesloten circuit'rond te pompen. De spleetvorm van de openingen zorgt ervoor dat het koelgas uniform verdeeld over het volledige te koelen oppervlak van het uitkoppelvenster strijkt. Het toevoeren van het gas via openingen met kleine
<Desc/Clms Page number 4>
diameter, zoals die van bijvoorbeeld straalpijpen, resulteert in een slechte verdeling van het gas en dus in een niet uniforme koeling van het uitkoppelvenster.
Volgens de uitvinding laat men het gas na het passeren van de openingen, expanderen. Bij een voorkeurdragende uitvoeringsvorm van de uitkoppelinrichting volgens de uitvinding versmallen de openingen, via de welke het gas de kanalen verlaat, in de stroomzin van het gas en is de afstand tussen beide vensters groter dan. de kleinste spleetdoormeter. Door deze opstelling expandeert het gas in de ruimte tussen beide vensters, hetgeen een temperatuursverlaging van het gas en dus een extra koeling van het uitkoppelvenster teweegbrengt.
Het koelsysteem volgens de uitvinding blijft even efficiënt bij een uitkoppelvensterdiameter van 20 mm als bij een diameter van 50 mm. Dit is niet het geval bij randkoeling omdat de rand, bij een stijgende diameter, zich steeds verder van het centrum van het uitkoppelvenster bevindt. En het is precies in dat centrum dat de opwarming het grootst is.
Voor een beter begrip van de uitvinding wordt in de hiernavolgende beschrijving, bij wijze van voorbeeld zonder enig beperkend karakter, een mogelijke uitvoeringsvorm van de uitkoppelinrichting volgens de uitvinding beschreven aan de hand van de hierbijgevoegde figuren, waarin :
Figuur 1 een langsdoorsnede is van een laserbuisuit- einde voorzien van een uitkoppelinrichting volgens de uitvin- ding met de behuizing doorgesneden volgens BB op figuur 1..
Figuur 2 een gedeeltelijke doorsnede en een gedeeltelijk vooraanzicht, volgens AA op figuur 1, is op het voorgedeelte, van de behuizing van de uitkoppelinrichting volgens de uitvinding, waarin het tweede venster gevat wordt.
Figuur 3 een detail is van figuur 1 waarop de spleet die de opening vormt tussen het toevoerkanaal en de ruimte tussen beide vensters, in doorsnede is weergegeven.
Het uiteinde van de laserbuis (1), figuur 1, is
<Desc/Clms Page number 5>
afgesloten door een ringvormige element (2) waarin het uitkoppelvenster (3) gevat zit. Tegen het ringvormig element (2) zit'er een behuizing (6), figuren 1 en 2. Aan die zijde van de behuizing (6) die tegen het ringvormig element (2) , aanligt, is er een cylindrische holte (7) voorzien. Rondom de cylindrische holte (7) is er een ringvormige geul (8) voorzien waarin'een dichtingsring (9) plaats vindt. De bodem (10) van de cylindrische holte (7) is voorzien van een ronde opening (11) naar de voorzijde (12) van de behuizing (6).
De behuizing (6) is verder voorzien van twee evenwijdige kanalen (13 & 14) waarvan de aslijn loodrecht op die van dè cylindrische holte (7) staat, die aan weerszijden van die cylindrische holte (7) gelegen zijn en die gedeeltelijk door de cylindrische holte (7) lopen zodat ze in die cylindrische holte (7) uitmonden. De kanalen vormen het toevoer- (13), respectievelijk afvoerkanaal (14) voor een gas.
In de cylindrische holte (7) zit er een blok (15), figuur 1 & 2 gemonteerd. Het blok (15) is langwerpig van vorm met twee afgeronde uiteinden (20) die aansluiten tegen de wand van de cylindrische holte (7). De hoogte van het blok (15) is gelijk aan de diepte van de cylindrische holte (7) zodat het bovenvlak (21) van het blok (15) tegen het vooroppervlak (4) van het ringvormig element (2) aansluit en zodat het blok (15) de cylindrische holte (7) in twee kamers (16 & 17) verdeelt. De lengteas van het blok (15) komt evenwijdig met de aslijnen van de kanalen (13,14) te liggen zodat de kamer (16) enkel met het kanaal (13) en kamer (17) enkel met kanaal (14) in verbinding staat.
Het blok (15) is voorzien van een centrale boring (18) waarvan de diameter overeenstemt met die van het uitkoppelvenster (3) en die tegen het bovenoppervlak (21) van het blok (15) een gedeelte (22) heeft met een kleinere diameter, figuur 2. De centrale boring (18) komt tegenover de ronde opening (11) van de behuizing (6) te liggen. De langsranden (19) van het blok (15) die tegen het vooroppervlak (4) van het ringvormig element (2) komen aan te liggen zijn
<Desc/Clms Page number 6>
afgeschuind, figuren 1, 2 & 3, zodat de kamers (16 en 17) vanaf een bepaald punt naar het ringvormig element toe langzaam breder worden. De bovenzijde (21) van het blok (15) is verder voorzien van een platte, rechthoekige gleuf (23) die over de centrale boring (18), en dwars over het blok (15) loopt en op beide afgeschuinde langsranden (19) eindigt.
De breedte van de platte gleuf (23) is daarbij kleiner dan de diameter van de centrale boring (18) zodat er aan weerzijden van de platte gleuf (23) twee lippen (24), van het versmalde gedeelte (22), van de centrale boring (18) overblijven.
In de centrale boring (18) wordt een tweede venster (25) tegen de lippen (24) geplaatst. Dat tweede venster (25) wordt op zijn plaats gehouden door een holle, cylindrische bus (26) die in de centrale boring (18) past, waarvan het ene uiteinde (27) tegen het tweede venster (25) drukt en waarvan het andere uiteinde (28), dat voorzien is van uitwendige schroefdraad, in de ronde opening (11), die daartoe voorzien is van inwendige schroefdraad, vastgezet wordt.
Door deze inrichting ontstaat er tussen het uitkoppelvenster (3) en het tweede venster (25) een ruimte (29), waarvan de hoogte overeenstemt met de dikte van de lippen (24). Door de platte gleuf (23), die doorheen de ruimte (29) loopt, staat de ruimte (29) in verbinding met beide kamers (16 en 17) via een spleet (resp. 30 en 31, figuur 1 en 3) waarvan de hoogte en de breedte overeenstemmen met de afmetingen van de gleuf (23). De spleten (30,31) geven uit op de afgeschuinde langsranden (19) van de blok (15).
Door middel van deze inrichting, kan er een koelgas via het toevoerkanaal (13), via de toevoerkamer (16) en door de spleet (30) naar de ruimte (29) en dus langs het buitenoppervlak (5) van het uitkoppelvenster (3) gevoerd worden, waar het gas via de spleet (31), de afvoerkamer (17) en het afvoerkanaal (14) afgevoerd wordt (pijlen figuur 1). Bij het doorstromen van de ruimte (29) koelt het gas het volledige buitenoppervlak (5) van het uitkoppelvenster (3) af. De door
<Desc/Clms Page number 7>
het gas opgenomen warmte wordt vervolgens afgegeven in een warmtewisselaar van een gesloten circuit, dat op beide kanalen (13,14) aangesloten is en dat daartoe tevens voorzien is van een compressor.
Bij een voorkeurdragende uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding is de dikte van de lippen (24) groter dan de hoogte van de toevoerspleet (30) (figuur 3). Daardoor expandeert het gas in de ruimte (29) na gecomprimeerd te zijn geweest bij het doorstromen van de smallere toevoerspleet (30). Die expansie brengt een temperatuursverlaging van het gas en dus'een extra koeling van het uitkoppelvenster (3) teweeg. Het ringvormig element (2), waarin het uitkoppelvenster (3) gevat zit, kan nog steeds voorzien zijn van middelen voor het randkoelen van het uitkoppelvenster (3). Die middelen bestaan bijvoorbeeld uit een ringvormig kanaal (32) binnenin het ringvormig element (2).
Dat ringvormig kanaal is via een toevoer- en afvoeraansluiting (33,34) opgenomen in een circuit waardoorheen er een koelvloeistof stroomt. Voor grote vermogens kan het noodzakelijk zijn ook het tweede venster (25), dat vanzelfsprekend ook door het gas afgekoeld wordt, door randkoeling bijkomend te koelen. Het blok (15) kan daartoe van de nodige kanalen voorzien worden
Een gedeelte van het in de laserbuis (1) opgewekte laserlicht verlaat via het uitkoppelvenster de laserbuis (1) onder de vorm van een laserbundel of-straal en kan doorheen het tweede venster (25), de buis (26) en de ronde opening (11) uittreden.
Het spreekt voor zichzelf dat de huidige uitvinding niet tot de hierboven beschreven mogelijke realisatievorm beperkt is. Zo zijn er gemakkelijk analoge inrichtingen te bedenken die het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding mogelijk maken en die derhalve ook bij de huidige uitvinding behoren.