DE2132115A1

DE2132115A1 - Laserkopfkuehlvorrichtung

Info

Publication number: DE2132115A1
Application number: DE19712132115
Authority: DE
Inventors: Tompkins Gary David; Smart Donald Victor
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1970-07-06
Filing date: 1971-06-28
Publication date: 1972-01-20
Also published as: US3619808A; FR2104774A1; IL37081A0; IL37081A; GB1314122A

Description

DIPL-ING. FRANZ WERDERMANN

U. 71064 Fl.

Union Carbide Corporation 270 Park Avenue
New York, New York 10017 ( V. St. A. )

Laserkopfkühlvorrichtung.

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Ser. No. 52 407 vom 6. Juli 1970 in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Laser und insbesondere auf eine verbesserte Kühlvorrichtung für den Laserkopf.

Laserköpfe werden üblicherweise dadurch gekühlt, daß Wasser durch den Kopf umgewälzt wird.- Normalerweise sind im Umwälzstrom Filter erforderlich, durch welche im Wasser gelöste Verunreinigungen ausgefiltert werden. Trotz der Filter weist das Wasser eine besonders hohe Leitfähigkeit auf, so daß es außerdem erforderlich ist, die Lichtpumpelektroden abzuschirmen.

Zur Lösung der genannten Probleme sind bereits verschiedene Kühlmedien vorgeschlagen worden. Wenngleich einige bekannte flüssige Kühlmittel im wesentlichen chemisch inert sind und sich daher in idealer Weise für einen Laserkopf eignen sollten, verschlechtern sich diese Medien sehr schnell unter dem Einfluß der im Laserkopf während des Bepumpens mit Licht vorhandenen ultravioletten Strahlung. Daher ist die einfache Wasserumwälzung noch weit verbreitet.

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Durch die Erfindung soll eine Laserkopfkühlvorrichtung geschaffen werden, bei der die mit Wasser verbundenen Nachteile voll und ganz vermieden werden. Die Vorrichtung soll eine kompaktere Formgebung des Laserkopfhohlraums gestatten als mit den bekannten Kühlvorrichtungen möglich ist, eine stark verbesserte optische Durchlässigkeit und Kopplung zwischen der Lichtpumplampe und dem Lasermaterial aufweisen und auch bei extremen Temperaturschwankungen voll einsatzfähig sein.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Laserkopfkühlvorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Lichtpumpquelle mit einem gegenüber kurzwelliger Ultraviolettstrahlung im wesentlichen undurchlässigen Kolben und ein flüssiges Kühlmittel mit höheren optischen Kopplungs- und Durchlässigkeitseigenschaften als Wasser über den Betriebswellenlängenbereich des Lasermaterials, wobei das Kühlmittel während des Bepumpens des Lasermaterials mit Licht keiner kurzwelligen ultravioletten Strahlung ausgesetzt und daher im wesentlichen chemisch inert und stabil ist.

Entsprechend der Erfindung wird ein besonderes Kühlmittel in der Form fluorierten Äthers verwendet. Dieses Kühlmittel hat optische Kopplungs- und Durchlässigkeitseigenschaften, die für die Betriebswellenlängen des verwendeten Lasermaterials wesentlich besser sind als die von Wasser. Außerdem hat dieses Kühlmittel einen wesentlich höheren Siedepunkt und einen niedrigeren Gefrier- oder Stockpunkt als Wasser und ist ausreichend chemisch inert, so daß

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keine zusätzliche Filtrierung erforderlich ist.

Um- eine Zersetzung des verbesserten Kühlmittels durch die von der Lichtpumplampe abgegebene kurzwellige ultraviolette Strahlung zu verhindern, weist die Lampe einen besonderen Kolben auf, der aus mit Titan dotiertem Quarz besteht, das gegenüber kurzwelliger ultravioletter Strahlung im wesentlichen undurchlässig, d.h. opak ist. Damit ist das Kühlmittel geschützt und kann über längere Zeiträume hinweg einwandfrei arheiten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schaubildliche Ansicht eines teilweise aufgeschnittenen Laserkopfes mit der erfindungsgemäß verbesserten Kühlvorrichtung.

Fig. 2 ist eine grafische Darstellung des Durchlässigkeitsverlaufs des für die Vorrichtung der Fig.l verwendeten Kühlmittels im Vergleich zu dem von Wasser.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung der Durchlässigkeitskurve des Quarzkolbens der in Fig. 1 dargestellten Lichtpumplampe im Vergleich zu der von herkömmlichen Quarzkolben.

In Fig. 1 ist ein Laserkopf 10 mit einem hohlen Innenraum 11 dargestellt. Wie anhand des Ausschnitts ersichtlich, ist ein Lasermaterial wie z.B. ein Laserstab 12 in Ausrichtung mit einer Austrittsöffnung 13 für die Laserstrahlung angeordnet. Außerdem befindet sich in dem hohlen Innenraum

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eine Licht pump quelle oder -lampe IM· mit den üblichen elektrostatischen Ansteuerwicklungen 15.

Bei der hier dargestellten Ausfuhrungsform ist der hohle Innenraum 11 des Laserkopfes im Querschnitt elliptisch ausgebildet9 wobei sich der Laserstab 12 in dem einen Brennpunkts und die Blitzlampe Ik in dem anderen Brennpunkt der Ellipse befindet. Vermittels dieser Anordnung wird eine maximale Lichtkopplung zwischen der Lampe und dem Stab erreicht.

Innerhalb des hohlen Innenraums 11 ist ein flüssiges Kühlmittel 16 angedeutet₉ das durch den Laserkopf umgewälzt wirdj indem es diesem durch einen Einlaßstutzen 17 zugeführt wird und aus diesem durch geeignet angeordnete Auslaßstutzen 18 und 19 wieder austritt. Das von den Auslaßstutzen abgegebene Kühlmittel kann vermittels einer (nicht dargestellten) Pumpe erneut zum Einlaßstutsen 17 umgewälzt werden.

Entsprechend der Erfindung besteht das flüssige Kühlmittel aus einem fluorierten Äther, wie er beispielsweise unter der Bezeichnung E-4- von der Firma DuPont Laboratories in den V.St.v.A. erhältlich ist. Außerdem sind gleichwertige flüssige Kühlmittel unter den Bezeichnungen E-3 und E-5 erhältlich.

Das flüssige Kühlmittel 16 weist mehrere erwünschte Eigenschaften auf, insbesondere ausgezeichnete optische Kopplungs- und Durchlässigkeitseigenschaften im Vergleich zu Wasser. In Fig. 2 ist der Durchlassigkeitsverlauf von

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Wasser in einer gestrichelten Linie über den Wellenlängenbereich von 0,1 bis angenähert 1,2 μπι dargestellt. Wie sich aus dieser grafischen Darstellung ersehen läßt, nimmt die Durchlässigkeit von Wasser für Wellenlängen größer als 0,8 pm rasch ab. Für einen Laser, der bei einer Wellenlänge von beispielsweise 1,06 μπι betrieben wird, ist somit durch das Vorhandensein des Kühlwassers eine Verschlechterung der optischen Kopplung zwischen der Lampe und dem Laserstab gegeben.

Für das spezielle flüssige Kühlmittel in der Form fluorierten Äthers ist der Durchlässigkeitsgang in Fig. 2 anhand der ausgezogenen Kurve dargestellt. Die Durchlässigkeit beträgt über den gleichen Wellenlängenbereich im wesentlichen 100 % , wobei oberhalb 0,8 um Wellenlänge, d.h. jenseits der in Fig. 2 eingezeichneten senkrechten strichpunktierten Linie kein Abfall auftritt. Diese Linie ist mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet.

Zusätzlich zu der vorgenannten wünschenswerten Eigenschaft ist das aus fluoriertem Äther bestehende flüssige Kühlmittel vollständig chemisch inert und weist eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante auf, d.h. ist im wesentlichen elektrisch nichtleitend. Der Siedepunkt liegt bei angenähert 195 ⁰C, und der Gefrier- oder Stockpunkt bei - 90°.

Zur Vermeidung einer Zersetzung oder Verschlechterung des speziellen flüssigen Kühlmittels ist der Quarzkolben der Lichtpumplampe IM- speziell so ausgelegt, daß er gegenüber kurzwelliger Ultraviolettstrahlung undurchlässig ist.

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Diese Strahlung ist während des Laserbetriebs innerhalb des Laserkopfes vorhanden und wirkt sich sehr schädlich auf die meisten verwendbaren Kühlmittel aus. Fig. 3 zeigt den Durchlässigkeitsverlauf des speziellen Quarzkolbens 14 in dem Laserkopf der Fig. 1. Der Durchlassigkeitsverlauf eines herkömmlichen Lampenkolbens aus klarem Quarz ist durch die gestrichelte Linie dargestellt, aus welcher ersichtlich ist, daß der Kolben eine verhältnismäßig hohe Durchlässigkeit für kurzwellige Ultraviolettstrahlung im Bereich von angenähert 0,23 μπι bis 0,25 um aufweist. Dieses Band befindet sich auf der linken Seite der senkrechten strichpunktierten Linie 21.

Der Durchlässigkeitsverlauf des speziell ausgelegten Kolbens IU ist durch die ausgezogene Linie dargestellt. Dieser Kolben besteht aus mit Titan dotiertem Quarz und hat im wesentlichen die Durchlässigkeit null für die kurzwellige Ultraviolettstrahlung auf der linken Seite der Linie 21.

Durch die Verwendung der Kombination eines besonderen flüssigen Kühlmittels und eines speziell ausgebildeten Lampenkolbens läßt sich eine wesentlich verbesserte Laserkopfkühlvorrichtung erzielen.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Laserkopfkühlvorrichtung ist kurz wie folgt. Im Betrieb wird das flüssige Kühlmittel durch den Innenraum des Laserkopfes umgewälzt , indem es diesem durch den Einlaßstutzen 17 zugeführt wird und aus diesem in der bereits oben beschriebenen

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Weise durch die Auslaßstutzen 18 und 19 wiederum austritt. Da das Kühlmittel chemisch inert ist, sind keine besonderen Filter erforderlich.

Weil das Kühlmittel selbst elektrisch nichtleitend ist, kann die ganze Lichtpumplampe einschließlich ihrer Elektroden unmittelbar in die Flüssigkeit eingetaucht sein. Es ist nicht erforderlich, die Elektroden abzuschirmen, wodurch sich der Laserkopf sehr kompakt ausbilden läßt. Der Kompakte Aufbau ist wiederum insofern vorteilhaft als er einen kleineren Abstand zwischen Lampe und Stab ermöglicht, wodurch die Lichtkopplung verbessert wird. Diese verbesserte Lichtkopplung ergibt sich zusätzlich zu der bereits erzielten Verbesserung aufgrund der ausgezeichneten optischen Kopplungs- und Durchlässigkeitseigenschaften des Kühlmittels selbst.

Wie somit ersichtlich wird, ist durch die Erfindung eine wesentlich verbesserte Laserkopfkühlvorrichtung geschaffen worden, bei welcher die seither in Verbindung mit Wasser oder äquivalenten Kühlmedien auftretenden Nachteile vollständig beseitigt worden sind.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche :

l.J Laserkopfkühlvorrichtung für einen Laserkopf mit einem inneren Hohlraum, in dem sich ein Lasermaterial befindet_s und mit Einlaß- und Auslaßstutzen, gekennzeichnet durch eine Lichtpumpquelle (14) mit einem gegenüber kurzwelliger Ultraviolettstrahlung im wesentlichen undurchlässigen Kolben und ein flüssiges Kühlmittel (16) mit höheren opti- * sehen Kopplungs- und Durchlässigkeitseigenschaften als Wasser über den Betriebswellenlängenbereich des Lasermaterials, wobei das Kühlmittel während des Bepumpens des Lasermaterials mit Licht keiner kurzwelligen ultravioletten Strahlung ausgesetzt und daher im wesentlichen chemisch inert und stabil ist.
2. Laserkopfkühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben der Lichtpumpquelle (14) aus mit Titan dotiertem Quarz besteht und gegenüber kurzwelliger ultravioletter Strahlung im wesentlichen undurchlässig ist, so daß der hohle Innenraum (11) beim Bepumpen des ■Lasermaterials (12) mit Licht im wesentlichen von derartiger Strahlung frei ist, und daß das Kühlmittel (16) aus fluoriertem Äther besteht, der wesentlich höhere optische Kopplungs- und Durchlässigkeitseigenschaften als Wasser für Wellenlängen über 0,80 μπι aufweist, und von dem Einlaßstutzen (17) zu den Auslaßstutzen (18, 19) durch den Innenraum umwälzbar ist.

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3. Laserkopfkühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtpumpquelle (14) vollständig in das Kühlmittel (16) eingetaucht ist, und das Kühlmittel einen Siedepunkt von angenähert 195 ⁰C aufweist und im wesentlichen elektrisch nichtleitend ist.

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