DE1589011A1 - Festkoerper-Dauerstrahllaser - Google Patents

Description

DiPi-ING 23. Diiember 1966

6 Frankfurt am Main 70
r. 27-T.I.417079

Union Carbide Corporation! Hew York / USA Peetkörper-Dauerstrahllaser

Sie Erfindung betrifft Festkörperlaser, die la Dauerbetrieb arbeiten, und bezieht sich auf ein Verfahren zur Aussendung eines kontinuierlichen Lichtetrome aus einem derartigen Laser.

In der Industrie benutzt man neuerdings sehr häufig Laser, beispielsweise zum Schweißen, Sohneiden oder andere Metallbearbeitungen= Sie sind deshalb so gut brauchbar, well sie kohärentes Licht von tausendmal gröBerer Intensität als ander« bekannt· Lichtquellen erzeugen.

Es gibt grundsätzlich zwei Arten von Laser» und swar Impulslaser und Bauerstrahllaser. !■ Rahmen dieser Anmeldung sei unter einen Dauerstrahlleser ein solcher verstanden, der während einer bestimmten Betriebszeit ständig Energie ausstrahlt. Bei beiden Typen gibt es Gaslaser oder Festkörperlaser, die mit einem Kristall arbeiten.

Bei Festkörperlasern braucht man ein· Energiequell· zur Lieferung der Pumpenergie für den Laserkriatall» 80 hat man Wolfraafadenlampen benutzt, die sich jedoch als nicht recht befriedigend gezeigt haben.

Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines Peetkörper-Dauerstrahllaflers, der mit relativ hoher Energie arbeitet und bei de« •in stabilisierter, linearer Lichtbogen als Pumpenergiequelle fur

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den Laserkristall dient«.

ErfindungBgemäü arbeitet der stabilisierte Hochdruckbogen innerhalb eines durchsiohtigen Gehäuses und wird als Strahlungsquelle zu* Pumpen des Laserkristalls verwendet. Biese Llchtbogenstrahlungequelle und der Kristall sind in einer elliptischen Höhlung mit hochpolierten Wänden angeordnet. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsfora wird eine Verschmutzung des durchsichtigen Gehäuses, das den Bogen umgibt, durch Ausgleich des auf die Gehäusewandung wirkenden Druckes verhindert, während bei einer anderen Ausführungsforsa ein dünner Film eines flüssigen Kühlungsnittels Über die ganze innere Oberfläche der Wandung geführt wird.

Nach einem Merkmal der Erfindung wird diese Strahlungsenergie dem Kristall In einer Konzentration von me]
Kristalloberflache bezogen, zugeführt.

Kristall In einer Konzentration von mehr als 2 kW/cm ,auf die

Der erfindungsgemäOe Laser umfaflt ferner ein Gehäuse, in dem ein längsgestreckter Kristall gehaltert ist, der bei Anregung von einem Ende kohärentes Licht ausstrahlt, in dem ferner eine Pumpquelle für den Laserkristall und Strahlungsreflektoren zur Bündelung der ron der Pumpquelle auf den Kristall gerichteten Strahlen vorgesehen sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß als Pumpenergiequelle für den Laserkristall ein stabilisierter, gerader Hoohdrucklichtbogen verwendet wird und daß die innere Oberfläche der Reflektoren als hohle zylindrische Ellipse ausgebildet ist, die die umgebende Kammer darstellt.

Sie Erfindung umfaßt ferner ein Verfahren sub Aussenden eines kontinuierlichen Lichtstrahles aus einem Pestkörperlaser unter Benutzung des erwähnten erfindungsgemäfien Aufbaus, wobei bei diesem

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Verfahren die Strahlung einer Lichtquelle auf das Laeermaterial gerichtet ist, do daß ein Strahl kohärenten Lichtes auetritt und das Bioh dadurch lennaβlehnet, daß die Lichtquelle durch einen geraden, zwischen zwei Elektroden verlaufenden Lichtbogen gebildet wird und daß der lichtbogen zwischen diesen Elektroden konzentriert wird, um die Intensität und Strahlungaausgangsleietung zu erhöhen und einen stabilisierten geraden Hochdrucklichtbogen zu bilden.

V/eitere Einzelheiten ergeben eich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung von Darstellungen eines Aueführungsbeisplels.

Es zeigt:

Fig. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch den erfindungagemäßesr. Lasur, und

Fig. 2 einen senkrechten Querschnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Laser.

Die Laeerkristalleinheit 10 und die Lichtbogenstrahlungsquelle sind in einer elliptischen Kammer·oder Höhlung 14 enthalten« Die Achsen der Strahlungsquelle und der Kristalleinheit befinden sich in oder in der Nähe der Brennpunkte der Ellipse, damit die von dem Hochdruckbogen 16 ausgehende Strahlung optimal genutet wird. Die Wände der Kammer 14 sind hochglanzpoliert und richten die Strahlung der Pumpfrequenz auf einen länglichen Laserkristall 18.

Die Lichtbogenstrahlungsquelle 12 enthält eine Kathode 20 und eine Anode 22, die axial zueinander ausgerichtet in einem länglichen durchsichtigen Gehäuse 24 angeordnet sind, das eine Licht-

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bogenkaiiimer 26 bildet. Ale Material für das Gehäuse eignet sich Quarz. Die Kathode 20 besteht vorzugsweise aus Wolfras, das Thorium enthalten kann.

Die Anode 22 hat eine Düse mit einen mittleren Gaeauetrittskanal 28 und besteht aus Gründen guter Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise aus Kupfer. Zur besseren Lokalisierung des Lichtbogens kann sie einen Wolfraaeinsatz enthalten. Sie Anode 22 kann auch aus einer Kupfer-Silber-Legierung bestehen, die sehr widerstandsfähig gegen Elektrodenerosion iat. Beide Elektroden 20 und 22 sind wassergekühlt.

Im Betrieb werden beide Elektroden mit einer geeigneten Energiequelle verbunden und der Lichtbogen wird beispielsweise duroh «ine Hochfrequenzentladung gezündet. Durch mehrere Sinlaeuffnungen 30 wird der Lichtbogenkammer 26 ein Druckgas zugeführt. Die Einlaßöffnungen 30 sind so angeordnet, daß das ßae innerhalb der Lichtbogenkammer einen Rotationswirbel ausbildet. Hierdurch läßt «ich ein stabilisierter,gradliniger, sehr gut konzentrierter Lichtbogen erreichen.

Der rotierende Gaswirbel läuft an der inneren Fläche der Umhüllung 24 auf das gegenüberliegende Ende der Kammer zu, wo sioh die Strömungsrichtung umkehrt und der Wirbel aus der Düse in der Sähe der Längsachse der Kammer immer noch wirbelnd austritt. Dieser öaewlrbel erzeugt einen "Tornado", der ganz besondere wirkungsvoll den Lichtbogen zusammenhält und stabilisiert, und zwar hauptsächlich wegen der Kiederdruckzone in der Achse der Kammer·

Bei einer anderen Lichtbogenetrahlungsquelle let die stabförmige Kathode durch eine zweite Düsenelektrode ersetzt. Das Lichtbogengas wird ebenfalls zur Bildung eines Rotationswirbels eingeführt«

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Das Gas kann von einer oder auch von beiden Enden her eingeblasen werden.„Vorzugsweise wird es jedoch nur von einem Ende eingeblasen, ao daß/unreinigungen» und zwar insbesondere Elektrodenerosionabestandteile, durch das gegenüberliegende Ende abgeführt werden. Diese Auebildung ergibt ebenfalls einen sehr gut konzentrierten und höchst abilisiert en, geraden Lichtbogen.

Geeignete Mchtbogengase sind Inertgase, wie Argon, Xenon und Krypton. Biese Inortgaoe haben eine hohe Atomzahl, die eine große Wahrscheinlichkeit von Elektronenübertritten bietet, die für eine gute Strahlung notwendig ist.

Bei einem Betrieb einer solchen Strahlungsquelle werfen Verunreinigungen äer durchsichtigen Umhüllung große Probleme auf. Insbesondere hält ein Material, wie Quarz, nur geringe Spannungen aus, so daß es infolge des gemeinsamen Auftretens der starken Llohtbogenhitze und des relativ hohen Druckes in der Kammer leicht au Ausfällen kommt. Die Erfindung trägt diesem Problem duroh einen Druckausgleich Rechnung. Dieser Druckausgleich wird dadurch erreicht, daß innerhalb der Höhlung 14 ein geeigneter Gasdruck aufrechterhalten wird. Zu diesem Zweck wird ein geeignetes Gas durch einen Bin-IaS 32 in die Höhlung eingeleitet, von wo es duroh einen Auslaß 34 wieder abfließt. Das Gas kann natürlich dann aufs neue verwendet werden* Bin geeignetes Gas ist beispielsweise Argon oder auch Luft, Benutzt man aur Kühlung dee Laserkristalls 18 flüssigen Stickstoff, so läßt eich auch Heliumgas verwenden. Zusätzlich ©der auch wahlweise kann eine Verunreinigung der Umhüllung 24 dadurch verringert werden, daß man sie ait einer zweiten durchsichtigen Hülle umgibt, so daß ein ringförmiger Zwischenraum gebildet wird, durch äen eine Kühlflüssigkeit geleitet werden kann. lan k&na hierzu Wasae^ oder auch eine andere Flüssigkeit nehmen, tile «verwünschte Strahlungsfrequenzen absorbiert.

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Die in der Strahlungsquelle 12 erzeugte Strahlung wird durch die reflektierenden) inneren Oberflächen der elliptischen Kammer 14 auf den LaserkriiJtall gerichtet und konzentriert. Der Laserkriatall 18 iet von einer durchnichtigen Umhüllung 36, beispielweise aus Quarz, umgebenα Wer Kristall selbst kann aus einen Rubineinkriatall oder beiöpieXawuiöa aus einem mit Beodymiura dotierten Tttriumalumlniungxanat bestehen. Solche KrietallmaterLallen haben bekanntermaßen gute Laaereißenoahaften,

Der Kristall 18 wird Miroh eine Flüssigkeit, beiepleleweiee Wasser, gekühlt, die durch den ringförmigen Raum 38 zwischen Kristall und Umhüllung 36 fließt und den K fiatall umspült. Wegen der Verwendung eines flüssigen Kiihlimgsraittels xuB die Kriatalleinheit dicht ausgeführt sein.

Der Ton der Endfläche 4.2 des Kristalle 18 auetretende kohärente Lichtstrahl 40 läuft durch eine geeignete Linse 44, die ihn auf das beispielsweise au verachv/aiSende Objekt X fokussiert.

Die Kühlfi&ß der j.imer^s Plftchö dar Ucshüllung der Liohtbogenetrahlungsauelle kamt v"i.Vi--h ff non 3il)yi'-??i FlUasigkeitsfile erfolgen, der durch &&n roti^^en'sa ?i fstroni eo ausgebreitet wird, daß er in wesentlichen die ganze Oberfläche der Umhüllung bedeckt. Die Flüssigkeit kann Wasser sein oder eine unerwünschte Strahlenanteile absorbierende Flüssigkeit.

Hit der dargestellten erfindungsgemäflen Vorrichtung kann ein inten •ires, kohärentes Licht alt einer Leistung von 22 Watt aus einen Tttriumaluminiuin Granßtkrlatall, der »it 1 Atomprozent leodymiu« dotiert ist, abgestrahlt werden, wobei die Lichtbogenetrahlungequelle mit 135 Ampere bsi 390 YcIt arbeitet. Hiereu wird Argonga· mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 42,5 »⁵/Std. auf die 8trahlungsquelle geleitet» Ber Yttriumalueiniuekristall wird alt Wassergekühlt.

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Claims (6)

Patentansprüche

1. Festkörper Daueretrahllaser alt einer Kenner, in der ein lMngllcher Kristall, der bei Erregung aus einen Ende kohärentes Licht ausstrahlt, eine Pumpquelle für den Laserkrlstall und Strahlungsreflektoren zur Konzentration der aus der Pumpquelle austretenden Strahlen auf den Laser gehaltert sind* gekennzeichnet durch einen stabilisierten, geradlinigen Hochdrucklicht "bogen (16) eis Laserkristallpumpquelle und durch eine Ausbildung der Kammer (26) mit einer als Strahlungsreflektor ausgebildeten inneren Oberfläche in Form einer hohlen, zylindrischen Ellipsec

2. Festkörperlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennseichnet, daß der längliche Kristall (18) und der geradlinige Lichtbogen (16) parallel und im Abstand zueinander angeordnet sind und daß die Brennpunkte der Reflektorellipse nit den Längsachsen der Lichtbogenquelle und des Kristalls zusammenfallen.

3« Festkörperlaser nach Anspruch 1 oder 2 nlt einer Kühleinrichtung für den Kristall, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung eine durchsichtige, zylindrische Umhüllung (36), die den Kristall (18) umgibt, und Umwälzmittel sun Umströmen des Kriatalles mit der Kühlflüssigkeit umfaßt.

4· Festkörperlaser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geradlinige Lichtbogenstrahlungsquelle eine durchsichtige Zylinderumhüllung (24), an den Enden der Umhüllung angeordnete Elektroden (20, 22) und Gasführungsmittel (30) zur Erzeugung eines Rotationswirbels eines geeigneten Oases innerhalb der Umhüllung zur Xonzentrierung des zwischen den Elektroden verlaufenden Hochdrucklichtbogens unfafit.

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5. Verfahren zur Aueeendung eines kontinuierlichen Lichtstroaes von einem Festkörperlaser unter Terwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1-4» wobei eine Lichtquelle ausgebildet wird, deren Strahlungsausgang auf das Laseroaterial zur Auesendung eine8 kohärenten Lichtstrahles gerlohtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle durch einen zwischen ewei Elektroden (20, 22) gebildeten geradlinigen Liohtbogen (16) gebildet wird, daß dieser Liohtbogen but Erhöhung der Intensität und seiner Abstrahlungsleletung als stabilisierter, geradliniger Hochdruckbogen konzentriert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsenergie mit einer spezifischen Leistung ron eindeetens 2 kW/cm² auf die Eriatalloberfläohe gerichtet wird.

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