CH629342A5 - Querstrom-gaslaser. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE Die Erfindung bezieht sich auf einen Querstrom-Gaslaser

1. Querstrom-Gaslaser mit einem geschlossenen Kanalsy- mit einem geschlossenen Kanalsystem, mit einem Abschnitt stem, mit einem Abschnitt mit rechteckigem Querschnitt, der mit rechteckigem Querschnitt, der als Laserkammer ausgebil-als Laserkammer ausgebildet ist, mit einer Vorrichtung, um das det ist, mit einer Vorrichtung, um das Gas im Kanalsystem * Gas im Kanalsystem umzuwälzen, mit einer Anodenelektrode, s- umzuwälzen, mit einer Anodenelektrode, die an einer Seite des die an einer Seite des Abschnittes angeordnet ist und sich quer Abschnittes angeordnet ist und sich quer zum Abschnitt und zum Abschnitt und parallel zur optischen Achse erstreckt und parallel zur optischen Achse erstreckt, und mit einer Kathoden-mit einer Kathodenelektrode, die der Anode parallel gegen- elektrode, die der Anode parallel gegenüberliegend angeord-überliegend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die net ist.

Elektroden (25,26) so augebildet und bezüglich der entspre- -"> Ein Hauptproblem beim Betrieb von Hochleistungs-Gasla-chenden Wände (23,1 ) des Abschnittes des Kanalsystems mon- sern mit quer zum Laserstrahl verlaufendem Gasstrom bildet tiert sind, dass die Elektroden unter Einbeziehung der Wände die Aufrechterhaltung einer stabilen elektrischen Entladung im (23,1 ) des Abschnittes aerodynamisch zusammenwirken, um Gas. Verschiedene Formen von Elektrodensystemen wurden eine zwischen diesen bestehende elektrische Entladung zu sta- bis dato entwickelt. Beispielsweise weist ein Gaslaser eine bilisieren (Fig. 2). 15 zylindrische Kathodenelektrode, die sich quer über einen recht-

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eckigen Kanal dicht an einer Wand des Kanals erstreckt und die Kathodenelektrode (25) einen länglichen Querschnitt hat eine parallele Anodenelektrode auf, die aus einer Mehrzahl und dass dieser Querschnitt unter einem Winkel zur Strö- individueller, ebener elektrisch leitender Organe besteht, die in mungsrichtung des Gases und in einem Abstand von der Wand der gegenüberliegenden Wand des Kanals eingelassen und des Abschnittes des Kanalsystems angeordnet ist, derart, dass 20 bezüglich der Gasströmung etwas von der Kathodenelektrode die Nähe der Wand (23) den Gasstrom über die Kathrode (25) angeordnet sind. Die Anordnung ist so ausgelegt, dass die Strö-in einer Weise verändert, um die Stabilisierung des Kathoden- mung durch den Abschnitt, in welchem die Elektroden leuchtens, das während des Betriebes auftritt, zu unterstützen. angeordnet sind, laminar ist, in der aber ein Bereich in der Nähe

3. Gaslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenelektrode besteht, in der Turbulenz auftritt, der Querschnitt der Kathodenelektrode (25) ein Längen/Brei- 25 Ziel der Erfindung ist es, einen Querstrom-Gaslaser zu tenverhältnis von 2:1 hat und mit der längeren Seite unter schaffen, bei dem die angegebenen Nachteile nicht auftreten, einem Winkel zwischen 45 und 120° zur Richtung des Gasstro- Dieses Ziel wird mit dem eingangs genannten Querstrommes angeordnet ist. Gaslaser erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Elektro-

4. Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass den so ausgebildet und bezüglich der entsprechenden Wände die Kathodenelektrode (25) ein Rohr mit dreieckigem Quer- 30 des Abschnittes des Kanalsystems montiert sind, dass die Elek-schnitt ist. troden unter Einbeziehung der Wände des Abschnittes aerody-

5. Gaslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass namisch zusammenwirken, um eine zwischen diesen beste-die Kathodenelektrode (25) in einem Abstand zwischen 7 und hende elektrische Entladung zu stabilisieren.

12 mm von der benachbarten Wand (23) angeordnet ist. Es ist von Vorteil, wenn die Kathodenelektrode einen läng-

6. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass « liehen Querschnitt hat und dieser Querschnitt unter einem Win-die Anodenelektrode (26) eine Zone aus dicht nebeneinander kel zur Strömungsrichtung des Gases und in einem Abstand angeordneten glatten Metallknöpfen (27), die voneinander von der Wand des Abschnittes des Kanalsystems angeordnet elektrisch isoliert und jeweils an eine elektrische Last ange- ist, derart, dass die Nähe der Wand den Gasstrom über die schlössen sind, ist die an der Wand (1) des Abschnittes montiert Kathode in einer Weise verändert, um die Stabilisierung des sind, wobei die Wand des Kanals mit einem Abschnitt (28) 40 Kathodenleuchten, das während des Betriebes auftritt, zu unmittelbar an der Ansaugseite der Anode (26) versehen ist, um unterstützten, und wenn der Querschnitt der Kathode ein Län-eine turbulente Gasströmung über der Anodenelektrode (27) gen/Breitenverhältnis von 2:1 hat und mit der längeren Seite zu erzeugen. unter einem Winkel zwischen 45 und 120° zur Richtung des

7. Gaslaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Gasstromes angeordnet ist.

der Abschnitt (3) des Kanalsystems eine Stufe (28) enthält, die « Der Durchmesser des Rohres, aus welchem die Kathode weiter als die Metallknöpfe (27) in den Gasstrom hineinragen, hergestellt ist, ist vom Betriebsdruck des Gases abhängig. Hat derart, dass die Vorderkante der Stufe eine Turbulenz in der das Rohr einen Aussendurchmesser von Vs", so soll der Druck Gasströmung über die Anodenelektrode (27) erzeugt. 50 Torr betragen.

8. Gaslaser nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich- Der Abstand der Kathode von der benachbarten Wand ist net, dass die Anodenelektrode (27) in Baueinheiten unterteilt so eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit und des Druckes ist, wobei jede Baueinheit ohne Beeinflussung der benachbar- des Gases. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 50 m/s und ten Baueinheit in das Kanalsystem einführbar oder herauszieh- einem Druck von 50 Torr liegt der Abstand mit Vorteil zwi-barist. sehen 7 und 12 mm.

9. Gaslaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, Ferner ist es von Vorteil, wenn die Anodenelektrode eine dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (3) des Kanalsy- 55 Zone aus dicht nebeneinander angeordneter glatter Metall-stems durch einen zentralen Aufbau (21) in zwei Abschnitte knöpfe, die voneinander elektrisch isoliert und jeweils an eine unterteilt ist, dass eine Anodenelektrode (26) in jeder Wand (1) elektrische Last angeschlossen sind, ist, die an der Wand des des Kanals angeordnet ist, dass eine Kathodenelektrode (25) Abschnittes montiert sind, wobei die Wand des Kanals mit neben dem zentralen Aufbau (21 ) und gegenüber einer entspre- einem Abschnitt unmittelbar an der Ansaugseite der Anode chenden Anodenelektrode (26) angeordnet ist, und dass der 60 versehen ist, um eine turbulente Gasströmung über der Anodenzentrale Aufbau (21 ) stromlinienförmig ausgebildet ist. elektrode zu erzeugen, und wenn der Abschnitt des Kanalsy-

10. Gaslaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, stems eine Stufe enthält, die weiter als die Metallknöpfe in den dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung vorgesehen ist, Gasstrom hineinragen, derart, dass die Vorderkante der Stufe um eine zeitlich konstante Turbulenz innerhalb den Gases beim eine Turbulenz in der Gasströmung über die Anodenelektrode Eintritt in den Abschnitt (3,4) des Kanalsystems zu erzeugen. 6? erzeugt.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläu- tert. Es zeigen:

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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines schematisch dargestellten Querstrom-Gaslasers hoher Leistung und

Fig. 2 eine schematisch dargestellte Ansicht eines Teiles des Gaslasers.

Ein Hochleistungs-Gaslaser mit quer zum Laserstrahl verlaufenden Gasstrom weist ein geschlossenes Kanalsystem 1, das schematisch dargestellt ist, auf, durch welches ein Gas bestehend aus einer Mischung aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium mittels eines Gebläses 2 in der in der Lasertechnik bekannten Art und Weise umgewälzt werden kann. Ein mit der Bezugsziffer 3 bezeichneter Teil des Kanalsystems 1 weist einen rechteckigen Querschnitt auf und wirkt als optische Kammer 4, und der die stimulierte Emission erzeugt wird.

Die Spiegel 5 sind in einem gasdichten Gehäuse 6, welches über eine wassergekühlte Strahlenformöffnung 7 mit dem Kanalsystem in Verbindung steht, angeordnet. Die Spiegel 5 sind jedoch an einer optischen Bank montiert, die an flexiblen Haltern gehalten sind, derart, dass sie in einem dynamischen Gleichgewichtszustand sind und Vibrationen bzw. Massänderungen im Kanalsystem 1 nicht auf die Spiegel 5 übertragen werden. Die optische Bank ist nicht dargestellt. Die Spiegel 5 bestehen aus einer Kupferlegierung. Die Spiegelflächen sind mit Gold plattiert. Die Spiegel 5 sind mit Kühlkanälen versehen, durch welche Wasser zirkulieren kann. Die Kühlkanäle werden von Bohrungen in den Körpern der Spiegel 5 gebildet und sind mit Abschlussplatten versehen, um an den Seiten der Spiegel 5 Sammelleitungen zu bilden. Die Spiegel werden dann einer Wärmebehandlung unterzogen, um die Spiegelflächen der Spiegel 5 zu härten. Der Strahl, der durch den Laser erzeugt wird, tritt durch ein wassergekühlten Fenster aus Zink-selenid aus. Der Strahl 8 wird dann mittels eines optischen Systems 11 auf ein Werkstück 10 gerichtet. Es ist ein schwenkbarer Spiegel 12 vorgesehen, durch welchen der Strahl 8 in einen Kalorimeter 13 geleitet wird, um die Leistung zu bestimmen.

Das Gas wird mittels einer Gleichstromentladung angeregt, welche zwischen zwei Sätzen von Elektroden 14 erzeugt wird. Die Elektroden 14 sind im Abschnitt 3 des Kanalsystems 1 angeordnet und in Fig. 1 nur schematisch dargestellt. Sie werden im Zusammenhang mit Fig. 2 im Detail beschrieben.

Das Kanalsystem 1 enthält zwei Wärmeaustauscher 15 und eine Durchflusssteuereinrichtung (nicht dargestellt), welcher sicherstellt, dass das Gas eine konstante Geschwindigkeit und eine gleichbleibend gering bemessene Turbulenz beim Durch-fluss durch den Abschnitt 3 des Kanalsystems hat. Die Steuereinrichtung ist ein Drahtgitter mit geeigneter Maschenweite.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Anschnitt 3 des Kanalsystems 1 in dem die stimulierte Emission erzeugt wird. Der Abschnitt 3 ist in Längsrichtung in zwei identische Abschnitte unterteilt, und zwar mittels eines zentralen Aufbaues 21, der aus einem halbrunden Abschlussteil 22, zwei parallelen Teilen 23 und zwei geneigten Teilen 24 besteht. Die Pfeile geben die Strömungsrichtung des Gas an. Der Aufbau 21 ist angenähert stromlinienförmig, so dass keine Störung im Strömungsbild des Gases auftritt. Er ist aus keramischem Material, z. B. aus Pyrokeramik, hergestellt. Beidseitig des Aufbaues 21 ist eine als Kathode wirkende Elektrode 25 montiert. Die Elektroden sind hohl, so dass Kühlungswasser durch diese zirkulieren kann und haben einen länglichen Querschnitt mit im wesentlichen ebenen Seiten und runden Ecken. Der Querschnitt der Kathoden 25 ist ein stumpfes Dreieck mit gerundeten Ecken. Diese Form erhöht die mechanische Festigkeit der Kathoden 25. Falls Laserstrahlen mittels eines horizontalen anstelle des vertikalen Gasstromes erzeugt werden, ist diese besondere Festigkeit nicht erforderlich und die Kathoden 25 können eine einfachere Form mit parallelen Seiten haben. Das Längen/Breitenverhältnis an jeder Kathode 25 beträgt etwa 2:1. Die Abmessung der Kathoden 25 ist vom Arbeitsdruck des

Lasers abhängig. Für einen Laser bei dem ein Gas durch den Abschnitt 3 des Kanalsystems 1 bei einem Druck von etwa 50 Torr strömt, können die Elektroden durch Verformung eines Kupferrohres mit3/s" Aussendurchmeser hergestellt werden.

5 Die Kathoden 25 sind parallel zur optischen Achse der optischen Kammer 4 und mit ihrer grösster Seite rechtwinklig zur Richtung des Gasstromes angeordnet. Sie können jedoch mit ihrer längsten Seite innerhalb eines Bereiches von 45 bis 120° zur Richtung des Gasstromes angeordnet werden. Die Spitzen io der Dreiecke bilden die Querschnitte der Kathoden 25 an der Ansaugseite des Gasstromes.

Die Profile und Ausrichtung der Kathodenelektroden 25 innerhalb der angegebenen Grenzen ergeben einen grösseren Bereich und eine verringerte Gesamtstromdichte beim Katho-15 denleuchten, welches während des Betriebes auftritt, im Vergleich mit einer zylindrischen Kathode, und eine grösser Stabilität des Kathodenleuchtens.

Jede Kathodenelektrode 25 ist etwa 10 mm vom benachbarten Teil 23 des Aufbaues 21 entfernt montiert. Der genaue 20 Abstand der Kathodenelektroden 25 von den entsprechenden Teilen 23 des Aufbaues 21 ist von der tatsächlichen Ausrichtung der Kathodenelektroden 25, der Strömungsgeschwindigkeit des Gases und dessen Druck abhängig. Bei einem Laserbetrieb mit einem Druck von 50 Torr und bei einer Strömungsge-25 schwindigkeit von 50 m/s des Gases können die Abstände 7-12 mm betragen.

Mit den beschriebenen Parametern ändern die Flächen der Teile 23 des Aufbaues den Gasstrom über die Kathodenelektroden 25, so dass das Kathodenleuchten stabilisiert wird. Sind die 3o Kathodenelektroden 25 weiter ab von den benachbarten Teilen 23 montiert, wird der Bereich den Kathodenleuchtens stark turbulend und ist weniger vorteilhaft für die Aufrechterhaltung des hohen Wertes der elektrischen Gasentladung.

Die beschriebene Kathodenform bildet das wichtigste 35 Betriebsmerkmal, dass, bei geringen Stromwerten bei der Gasentladung, so dass das Kathodenleuchten nicht die ganze Oberfläche der Kathodenelektroden 25 umfasst, die Kathoden gestreut und insbesondere kreisförmig glüht.

Somit ist es möglich, eine gleichbleibende Entladung im 4o Gas mit einer geringen Eingangsleistung aufrechtzuerhalten, bei dem das Kathodenleuchten sich über weniger als die ganze Kathodenfläche erstreckt. Wird die Eingangsleistung dann bei gleichbleibendem Gasdruck gesteigert, breitet sich das Kathodenleuchten vom Grund der Kathode 25 aus bis es die ganze 45 Arbeitsfläche der Kathoden umfasst.

Somit kann bei konstantem Druck ein zufriedenstellender Betrieb über einen grossen Eingangsleistungsbereich erzielt werden.

Jede Anodenelektrode 26 besteht aus einer eng belegten so Zone aus glatten, axial-symmetrischen Knöpfen 27 aus Metall, wie Nickel oder Kupfer. Eine genaue Formgebung der Knöpfe 27 ist nicht erforderlich. Die maximale Eingangsleistung steigt etwa umgekehrt zum Abstand zwischen den Knöpfen 27. Geeignete Abmessungen sind: Durchmesser 12 mm, Höhe 6 mm 55 und Kantenradius 3 mm. Jeder Knopf 27 ist an einen Widerstand möglicherweise einen Induktor angeschlossen. Die gedrängte Anordnung ergibt maximale Oberflächenbereiche und somit minimale Stromdichte, während das glatte Profil keine scharfen Kanten aufweist, welches ein lokales, intensives 60 Leuchten ermöglichen kann.

Auf der Ansaugseite der Elektrode 26 ist vor den Knöpfen 27 eine Keramikplatte 28 angeordnet, die die Gasentladung in den Bereichen der Anodenelektroden 26 aero-dynamisch stabilisiert. Die Platten 28 sind so angeordnet, dass ihre Vorderkan-65 ten etwa 0,5 mm über die Oberflächen der Knöpfe 27 hinausragen. Eine derartige Anordnung führt zu einem vorteilhaften Zusammenwirken zwischen dem sich ergebenden Gasstrom über und zwischen den Knöpfen 27 und der Gasentladung,

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wodurch wesentlich höhere Eingangsleistungswerte angewendet werden können, wenn der Gasstrom die Anodenelektroden 26 nicht turbulent ist.

Die Knöpfe 27 sind auf Keramikplatten 29 befestigt, deren Anzahl jeweils die Anodenelektrode 26 bilden. Die Platten 29 sind an Trägern (nicht dargestellt) befestigt und sind mit O-Rin-gen versehen, die, wenn die Anodenelektroden 26 durch die

Öffnungen 30 in der Wand des Kanalsystems 1 eingeführt werden, das Kanalsystem gasdicht abdichten.

Die Baukastenausführung der Anodenelektroden 26 ermöglicht es, die effektiven Zonen der Elektroden des Lasers, falls s erwünscht, zu verändern und erleichtert auch die Aufrechter-. haltung des Lasers. Damit ist es bei einer Störung auch nur erforderlich einen Baustein anstelle der ganzen in Frage kommenden Anodenelektroden zu wechseln.

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1 Blatt Zeichnungen