DE2128079A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ab dichten eines Laserstabes - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Abdichten eines Laserstabes.

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S.-Anmeldung Serial No. 55 891 vom 17. Juli 197o in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Laser und insbesondere auf ein neues Verfahren und eine neuartige Vorrichtung zum Abdichten eines Laserstabes in einem Laserkopf zur Verhinderung eines Leckflusses des durch den Laserkopf umgewälzten Kühlmittels.

Einer der kritischsten Teile in jedem Festkörperlaser ist die Abdichtung zwischen dem Laserstab und der Stabhalterung innerhalb eines Laserkopfes. Der Abdichtbereich ist normalerweise der innerhalb des Kopfes auftretenden Pumpstrahlung hoher Intensität ausgesetzt, so daß die Verwendung herkömmlicher elastomerer 0-Ringe nicht möglich ist. Die elastomeren 0-Ringe verlieren sehr rasch ihre Eigenschaften unter dem Einfluß von Strahlung hoher Intensität,

109884/163«

insbesondere wenn die Strahlung im ultravioletten Bereich liegt._ Eine einwandfreie Dichtung ist jedoch erforderlich, um einen Leckfluß des durch den Laserkopf zur Kühlung des Laserstabes umgewälzten Kühlmittels wie z.B. Wasser zu verhindern, -ι-"-"--'

Bisher und auch noch jetzt werden viele unterschiedliche Typen von Ganzmetalldichtungen zur Abdichtung verwendet. Diese Dichtungen können aus einer Halterung bestehen, die durch Schrumpfsitz aufgebracht wird, einer sich konisch verjüngenden sog. Kraftsitzdichtung, und für die Dichtung können besondere Metalle wie z.B. Zinn oder Indium usw. verwendet werden. Allen Ganzmetalldichtungen ist ein Nachteil gemeinsam, nämlich daß sie nach einer kurzen Zeitspanne zu lecken beginnen. Die bei diesen Dichtungen auftretenden Probleme sind in den meisten Fällen darauf zurückzuführen, daß es nicht möglich ist, die unelastischen Dichtglieder unter einer konstant bleibenden Kompression zu halten. Jede an der Abdichtfläche auftretende Veränderung, die beispielsweise durch Kaltfluß des Werkstoffes verursacht sein kann, läßt sich nicht ausreichend ausgleichen. Die Folge davon ist, daß sich eine Leckstelle für das Wasser entwickelt.

Eine zur Lösung dieses Problems vorgeschlagene Lösung besteht darin, die Stabhalterung in solcher Weise auszulegen, daß sich die Dichtfläche außerhalb des Laserkopfes oder des Pumphohlraums befindet. In diesem Falle ist die Dichtung

109884/1634

nicht der Pumpstrahlung ausgesetzt, so daß zur Abdichtung ein herkömmlicher elastomerer O-Ring verwendet werden kann.

Unglücklicherweise ist diese Lösung jedoch mit mehreren schwerwiegenden Nachteilen behaftet. Zunächst einmal muß ein längerer Stab verwendet werden, der nicht nur teurer ist, sondern aus dem Grunde, daß ein Teil des Stabes nicht gepumpt wird, insbesondere für Rubinstäbe zu einem System

führt, das mit hohem Verlust arbeitet. i

Aus diesem Grunde sollen durch die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abdichten eines Laserstabes geschaffen werden, vermittels welcher die Verwendung eines herkömmlichen elastomeren O-Rings innerhalb des Pumphohlraums ermöglicht wird, ohne daß die Gefahr einer Zersetzung des O-Ringes besteht. Auf diese Weise sollen die vorgenannten Nachteile der bekannten Anordnungen beseitigt werden.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorgeschlagen, die Endabschnitte des Laserstabes an ihrem Umfang mit einem für die Strahlung innerhalb des Kopfes im wesentlichen undurchlässigen Werkstoff in der Form von Endbändern zu umgeben und die Endabschnitte in bezug auf den Kopf durch elastomere O-Ringe abzudichten, welche um die Bänder herumgelegt und durch diese gegenüber der Strahlung geschützt werden.

Die durch das erfxndungsgemäße Verfahren erzielten Vorteile sind davon abhängig, daß es möglich ist, ein Metall-

109884/1634

band auf einen Stab aus Glas oder Kristall aufzubringen.

Entsprechend der Erfindung werden daher die Endbänder in der Weise hergestellt, daß zunächst ein Untergrundmetall aufgebracht und auf eine Reifungstemperatur eingebrannt wird, um an den Endabschnitten jeweils eine dünne metallische Untergrundbeschichtung auszubilden, und dann auf die Beschichtungen durch Galvanisieren oder auf andere Weise ein metallischer Überzug ausreichender Dicke aufgebracht wird, um die Bänder undurchlässig gegenüber der Strahlung zu machen.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung ist gekennzeichnet durch um den Umfang von Endabschnitten des Laserstabes herum angeordnete Endbänder aus einem undurchlässigen Werkstoff und in Eingriff mit den Endbändern stehende und die Enden des Laserstabes gegenüber dem Laserkopf abdichtende elastomere O-Ringe 25, die durch die Endbänder gegenüber der Strahlung in dem Kopf geschützt sind. Somit wirkt jedes Band mit einer Stabhalterung zusammen. Weiterhin können die Stabhalterungen die Form zylindrischer Bundringe mit einem Endabschnitt kleineren Durchmessers aufweisen, der die eine Seite des zugeordneten O-Rings umfaßt, wobei eine in Eingriff mit der entgegengesetzten Seite des O-Rings stehende Innenmanschette vorgesehen und jede Halterung in abgedichteter Weise in dem Laserkopf gehalten ist. Bei dieser Anordnung sind die O-Ringe jederzeit gegenüber der Strahlung in dem Hohlraum oder in dem Laserstab selbst geschützt.

109884/1634 .

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung werden im nachfolgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.

Fig. 1 ist eine zerlegte schaubildliche Darstellung in schematischer Form eines Laserkopfes, der in Verbindung mit der Erfindung zur Abdichtung eines Laserstabes innerhalb des Kopfes verwendbar ist.

Fig. 2 zeigt einen Teil eines Querschnittes, gesehen in Richtung des Pfeils 2 der Fig. 1, in einem stark vergrößerten Maßstab und im zusammengebauten Zustand der in Fig. 1 dargestellten Teile. Fig. 3 ist ein zur Erläuterung der ersten Verfahrensschritte dienender Querschnitt durch das eine Ende des Laserstabes.

In Fig. 1 sind in zerlegter Darstellung die Basis oder der Unterteil Io und der Deckel oder Oberteil 11 eines Laserkopfes dargestellt. Im zusammengebauten Zustand bilden diese Teile einen Innenhohlraum 12 von elliptischem Querschnitt. Bei einer derartigen Anordnung läßt sich ein Laserstab in die Abschnitte 13 und 14- in der Weise einsetzen, daß ,die Stabachse im einen Brennpunkt der Ellipse liegt und eine (nicht dargestellte) Lichtpumplampe in die sich gegenüberliegenden Endabschnitte 15 und 16 eingesetzt ist und sich dabei im anderen Brennpunkt der Ellipse befindet.

10988A/163A

Die Innenfläche des Hohlraums wird aus einem hochreflektierenden Material hergestellt, so daß die von der Lampe abgegebene Strahlung auf den Laserstab gerichtet ist.

Der Laserstab selbst ist im teilweise zerlegten Zustand oberhalb der Basis Io bei 17 dargestellt. Entsprechend der Erfindung sind die Endabschnitte des Stabes 17 mit zylindrischen Metallbändern 18 und 19 versehen, welche jeweils mit einer Halterung 2o bzw. 21 zusammenwirken, um den Stab in den Abschnitten 13 und It des Laserkopfes zu halten. Wie die Darstellung zeigt, ist der Stab 17 von einem Durchflußrohr 22 umgeben. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Kühlmittel wie z.B. Wasser durch den Kanal 23 in der Basis Io des Laserkopfes in das Durchflußrohr 22 eingeführt und verläßt den Laserkopf wiederum durch den Kanal 24, wie jeweils durch die beiden Pfeile angedeutet ist. Stattdessen kann das Durchflußrohr auch weggelassen werden und der Laserstab selbst ganz innerhalb des Kühlmittels eingetaucht sein, das durch den Innenhohlraum 12 umgewälzt wird.

Die an beiden Enden des Hohlraums befindlichen Halterungen sind einander identisch; aus diesem Grunde wird nur eine Halterung beschrieben. Wie aus Fig. ^ ersichtlich, ist das Durchflußrohr 22 in einen Teil des Abschnittes 13, der einen größeren Durchmesser aufweist, in solcher Weise eingesetzt, daß Kühlmittel aus dem Kanal 23 in

109884/1634

das Rohr eintreten kann, wie wiederum durch Pfeile angedeutet ist. Die Halterung 2o hat die Form eines zylindrischen Bundringes , der in abgedichteter Weise innerhalb des Laserkopfes befestigt ist und an seinem inneren Ende einen Abschnitt 2o^! kleineren Durchmessers aufweist, der eine Ringschulter bildet, von welcher der Laserstab 17 vorsteht. Ein herkömmlicher elastomerer O-Ring 25, der beispielsweise aus Gummi, einer Silikonverbindung, Neopren oder einem anderen gleichwertigen Werkstoff .bestehen kann, umgreift das.Metallband 18 und liegt an einer Seite gegen die innere Ringschulter an, welche durch den Abschnitt 2ο¹ kleineren Durchmessers des Bundringes gebildet ist. Ein Abstandstück in der Form einer Innenmanschette 26 ist in den Bundring 2o eingesetzt und erstreckt sich bis zu einer kurz vor der Schulter liegenden Stelle, so daß die Manschette in Eingriff mit der anderen Seite des O-Rings 25 steht, und sich somit der Ring zwischen der Schulter und dem Ende der Manschette befindet. Die Halterung wird durch einen Klemm- oder Sperring 27 vervollständigt, der bei 28 in den äußeren Endabschnitt des Bundringes 2o eingeschraubt ist.

Wie nunmehr ersichtlich, schützen das Metallband 18 und die mit diesem zusammenwirkende Halterung 2o den elastomeren O-Ring 25 völlig gegenüber Strahlung in dem Hohlraum oder dem Laserstab selbst ab. Dabei soll angemerkt werden, daß ein ähnliches Metallband auch an dem Durchflußrohr 22 vorgesehen sein kann, um den hier dargestellten O-Ring

109884/1634

zu schützen. Wenn das Durchflußrohr nicht verwendet und . das Kühlmittel dureh den ganzen Hohlraum umgewälzt wird, weist natürlich nur der Laserstab ein Metallband auf.

Zur praktischen Ausführung der vorstehend beschriebenen Anordnung ist unbedingt erforderlich, daß das Metallband einwandfrei auf den Glas- oder Kristallstab aufgebracht ist. Entsprechend den erfindungsgemäß vorgeschlagenen

_ Verfahrensschritten wird eine Beschichtung aus Platin, das in einem organischen Träger dispergiert ist, auf die Stäbe aufgebracht. Die Beschichtung wird dann an der Luft getrocknet und in einem Brennofen bei etwa 800 C eingebrannt. Auf diese Weise wird eine Metallbeschichtung erhalten, die sehr gut an der Unterlage haftet und hohen Temperaturen gegenüber widerstandsfähig ist. Eine derartige Beschichtung ist jedoch zu dünn, um eine angemessene Strahlungs- oder Lichtabschirmung zu bewirken. Daher wird auf die Platinbeschichtung ein Nickelüberzug aufge-

™ bracht. Die Dicke des Nickelüberzuges beträgt typischerweise 0,025 mm.

Fig. 3 zeigt im Querschnitt und in einem größeren Maßstab das eine Ende des Laserstabes 17., auf dem das Metallband 18 ausgebildet ist. Die metallische Platinbeschichtung ist mit dem Bezugszeichen 29, und der Nickelüberzug mit 3o bezeichnet. Die erste Beschichtung zur Ausbildung des Bandes auf dem Laserkristall kann in der Form eines Pulvers,

109884/16 34

einer Paste, einer Flüssigkeit oder vermittels eines sog. Metallisierungs-Transfer-Bandes aufgebracht werden. Außerdem können viele unterschiedliche Metalle verwendet werden. Die entsprechenden Erzeugnisse, welche beispielsweise von den Firmen Engelhard Industries und Vitta Corporation her- gestellt werden, haben das gemeinsame Merkmal, daß die Beschichtungen beim Einbrennen auf Reifungstemperatur dünne Schichten ("Filme") bilden. Nach dem Aufbringen einer me- ä

tallischen Beschichtung lassen sich herkömmliche galvanische oder Plattierverfahren j auch ohne Stromdurchgang, oder elektrische Auftragung anwenden, um eine größere Dicke des Metallbandes zu erreichen.

Wenngleich viele unterschiedliche Verfahren und Techniken zur Verfügung stehen, lassen sich die besten Ergebnisse bei Verwendung von Platin als Untergrundmaterial und Nickel als Überzug erzielen. Die äußerst dünne Platinbeschichtung wird von Lösungsmitteln und Säuren nicht angegriffen, welche \ bei galvanischen Verfahren auf die Beschichtung einwirken. Bei Galvanisierung mit Nickel wird ein äußerst harter Überzug erhalten, durch den das Band vor Kratzern oder andeen mechanischen Beschädigungen geschützt ist.

Um den Laser in Betrieb zu setzen, wird der Laserkopf aus den in Fig. 1 dargestellten Teilen zusammengebaut, so daß sich der in Fig. 2 dargestellte Aufbau ergibt. Der O-Ring 25 ist fest zwischen der ringförmigen Endschulter des Ab-

109884/1634

- Io -

Schnittes 2o' kleineren Durchmessers des Bundringes2o und dem Ende der Manschette 26 eingeklemmt. Durch den Kanal 23 und das Durchflußrohr 22 wird ein Kühlmittel umgewälzt, der Laserstab bepumpt und der Laser betrieben, wobei keine Gefahr dafür besteht, daß die Strahlung den O-Ring 2 5 beschädigen könnte. Der O-Ring bildet infolge seiner elastischen Eigenschaften eine hervorragende Dichtung, so daß der Laser über längere Zeiträume hinweg betrieben werden kann, ohne daß sich Leckstellen entwickeln. Beide Endhalterungen sind so ausgelegt, daß sie den ungehinderten Austritt der Laserstrahlung von den Enden des Lasers ermöglichen. Somit sind durch die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abdichten eines Laserstabes geschaffen worden, die gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen wesentlich verbessert und bei denen die bei bekannten An-

Ordnungen auftretenden Schwierigkeiten beseitigt sind.

- Patentansprüche -109884/1634

Claims (7)

1. mm Λ ^ «·

   Patentansprüche

   /' 1/ Verfahren zum Abdichten eines Laserstabs in einem Laserkopf zur Verhinderung eines Kühlmittelleckflusses, dadurch gekennzeichnet, daß die Endabschnitte des Laserstabes (17) an ihrem Umfang mit einem für die Strahlung innerhalb des Kopfes (lo, Ii) im wesentlichen undurchlässigen Werkstoff in der Form von Endbändern (18, 19) umgeben und. die Endabschnitte in bezug auf den Kopf durch elastomere O-Ringe (25) abgedichtet werden, welche um die Bänder herumgelegt und durch diese gegenüber der Strahlung geschützt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endbänder in der Weise hergestellt werden, daß zunächst ein Untergrundmetall aufgebracht und auf eine Reifungstemperatur eingebrannt wird, um an den Endabschnitten jeweils, eine dünne metallische Untergrundbeschichtung (2 9) auszubilden, und dann auf die Beschichtungen durch Galvanisieren ein metallischer Überzug (3o) ausreichender Dicke aufgebracht wird, um die Bänder undurchlässig gegenüber der Strahlung zu machen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Untergrundbeschichtung (29) aus Platin und der Überzug (3o) aus Nickel in einer Schichtdicke von angenähert 0,025 mm besteht.

   109884/1634
4. 4. Vorrichtung zum Abdichten eines Laserstabes in einem Laserkopf nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch um den Umfang von Endabschnitten des Laserstabes (17) herum angeordnete Endbänder (18, 19) aus einem undurchlässigen Werkstoff und in Eingriff mit den Endbändern stehende und die Enden des Laserstabes gegenüber dem Laserkopf (lo, 11) abdichtende elastomere O-Ringe (25), die durch die Endbänder"gegenüber'der Strahlung in dem Kopf geschützt sind. -
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch M-, gekennzeichnet durch die O-Ringe (25) umgebende Stabhalterungen (2o, 21) in der Form zylindrischer Bundringe mit einem Endabschnitt kleineren Durchmessers (2o')_s der die eine Seite des zugeordneten O-Rings (25) umfaßt, und einer Innenmanschette (26), die in Eingriff mit der entgegengesetzten Seite des O-Rings steht, wobei jede Halterung in abgedichteter Weise in dem Laserkopf gehalten ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch jeweils einen an entgegengesetzten Enden der Bühdringe angeordneten Klemmring (27), der dazu dient, die Manschette (26) innerhalb des Bundrings zu halten.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Endband (18, 19) aus einer Untergrundbeschichtung (29) aus Platin und einem Nickelüberzug (3o) besteht.

   109884/ 1634