DE2303368C2 - Gaslaser - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

5. der Laserstrahl einen Brennpunktsbereich (33 oder 78) mit einer endlichen Feldtiefe innerhalb des Gehäuses (41,72, ICl oder 122) hat, und

6. mindestens eine der ers jn und zweiten Laserstrahlöffnung (42,75 oder 108; 43, 76,111 oder 125) im Brennpunktsbereich liegt.

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Laserstrahlöffnung (42, 108) im Brennpunktsbereich liegt.

3. Gaslaser nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Laserstrahlöffnung (76,125) im Brennpunktsbereich liegt.

4. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Laserstrahlöffnungen im Brennpunktsbereich liegen.

5. Gaslaser nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die Gasöffnung des aerodynamischen Fensters eine Saugpumpe (81) angeschlossen ist, daß zwischen den Laserstrahlöffnungen (75, 76; 125) eine Vielzahl von Ablenkteilen (83, 132 bis 134) mit zentral angeordneten, auf den Laserstrahl ausgerichteten Öffnungen (135 bis 137) angeordnet sind, und daß die Ablenkteile in Richtung auf die zweite Laserstrahlöffnung (76, 125) graduell gekrümmt sind.

6. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die erste Laserstrahlöffnung (108) begrenzende Fläche (116) zumindest teilweise im wesentlichen konisch geformt ist und hinsichtlich des Durchmessers in Richtung des Laserstrahls (104) abnimmt.

7. Gaslaser nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Gehäuses (41, 72, 101 oder 122) zwischen der ersten Laserstrahlöffnung (42,75 oder 108) und der zweiten Laserstrahlöffnung (43, 76, 111 oder 125) zylindrisch ist, und daß die Gasöffnung (117) des aerodynamischen Fensters mit einer Druckgasquellc verbunden und so angeordnet ist, daß das Gas tangential in das Gehäuse eingeführt wird, um einen Gaswirbel zu erzeugen.

8. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive, gasförmige Medium mit einem Druck von ¹Ao bar und einer Geschwindigkeit von 02 Mach dunJi den Hohlraum strömt.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gaslaser der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Ein derartiger Gaslaser ist aus der US-PS 36 17 928 bekannt. Bei diesem bekannten Laser durchströmt das Austrittsfenstergehäuse ein Überschalluftstrom zwischen den beiden Laserstrahlöffnungen, so daß bei relativ hohem Energieaufwand durch die Pumpe trotz groß bemessener Laserstrahlöffnungen die von außen in das Gehäuse eindringende Luft mitgerissen wird und somit nicht in den Arbeitsbereich des Gaslasers eindringen kann. Allerdings wird dabei auch in erheblichem Maße laseraktives Gas aus dem Arbeitsbereich abgezogen und mit der Luft vermischt Somit ist der Versorgungsaufwand für laseraktives Gas erheblich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen

Gaslaser mit einem aerodynamischen Fenster der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei Vermeidung des Eintretens von Luft in den als Arbeitsbereich wirkenden Laserhohlraum gewährleistet, daß möglichst kein laseraktives gasförmiges Medium ungewollt durch den Laserstrahl austritt und den Hohlraum verlassen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale zusammen mit der Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, daß der durch das Fenster austretende

■»ο Laserstrahl fokussiert wird, können die Laserstrahlöffnungen optimal klein so bemessen werden, daß der Laserstrahl an der betreffenden Stelle in gewünschtem Maße gerade durch die Öffnung gelangen kann. Durch diese Bemessung der Laserstrahlöffnungen kann somit auf einfache Weise weitgehend vermieden werden, daß einerseits von außen Luft in den Hohlraum des Gaslasers gelangt und darüber hinaus laseraktives Gas den Hohlraum verlassen kann, sofern dies absolut verhindert werden soll. Trotzdem kann der Laserstrahl auf optimale Weise aus dem Arbeitsbereich austreten.

Vorteilhafterweise liegt die erste Laserstrahlöffnung im Brennpunktsbereich, was sich insbesondere dann vorteilhaft auswirk!, wenn zur Auffrischung des laseraktiven Gases im Hohlraum in das Austrittsfenstergehäuse Laserfrischgas in begrenztem Umfang eingeführt wird.

Alternativ liegt vorzugsweise die zweite Laserstrahlöffnung im Brennpunktsbereich, was dann bevorzugt ist. wenn nur ein geringes oder gar kein Erfordernis für Frischgas besteht. Diese Ausführungsform sorgt insbesondere für die Isolierung des Hohlraumes von der Umgebung und erlaubt wenig oder gar keinen Strom laseraktiven Gases durch die am engsten bemessene Laserstrahlöffnung aus dem Hohlraum.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegen beide Laserstrahlöffnungen im Brennpunktsbereich, so daß nicht nur. wie bei den zuvor genannten beiden Möglichkeiten, nur eine Laserstrahl-

öffnung optimal klein gestaltet werden kann, sondern beide.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5 ergeben sich Vorteile dahingehend, daß durch das effektive Entfernen der in das Austrittsfenstergehäuse eindringenden Luft dieses Gehäuse optimal kurz ausgebildet werden kann. Die Ablenkelemente bewirken nämlich eine Zerstreuung de* eindringenden Luftstrahls über eine relativ kurze Entfernung. Da diese Luft mit einer relativ hohen Geschwindigkeit in das Gehäuse eintritt, kann aufgrund der Ablenkelemente dieser Luftstrahl sich sehr schnell zu einem expandierenden Luftstrahl ausbilden, welcher das Abführen der Luft fördert.

Die Merkmale des Anspruchs 6 bedingen eine Reflektion der Randstrahlen. Die Bereitstellung der konischen Oberflächen, möglicherweise auf beiden Seiten des Wandelementes, ist für das Einfangen und/oder Verhindern der Übertragung zumindest von etwas Strahlung durch das Wandelement wirksam, weiche den Betrieb des Lasers und/oder der außen befindlichen Laserquelle nachteilig beeinflussen könnte.

Die Bereitstellung eines Wirbelstromes gemäß Anspruch 7 innerhalb der Hülse ist von Vorteil, da sie zwischen den beiden Laserstrahlöffnungen einen Druckabfall erzeugt. Mit dem Wirbelstrom kann der Druck an der Auslaßseite der ersten Laserstrahlöffnung so bemessen werden, daß er sich dem Druck an der gegenüberliegenden oder Einlaßseite der Laserstrahlöffnung 108 annähen. Dies ist im Zusammenhang damit von Vorteil, daß die erste Laserstrahlöffnung derart bemessen sein sollte, daß der geeignete Massenstrom in den Laser zur Erfüllung der gesamten Frischgas- bzw. Nachfüllerfordernisse erfüllt ist. Eine derartige geeignete Größe ist möglich, sofern der Laserstrahl auf einen Brennpunkt vorzugsweise innerhalb der ersten Laserstrahlöffnung gebracht wird. Vom Standpunkt der Leichtigkeit der Ausrichtung her ist es erwünscht, daß diese Laserstrahlöffnung so groß als möglich bemessen ist. Da für einen vorgegebenen Massenschluß die Größe dieser Laserstrahlöffnung von der hieran anliegenden Druckdifferenz abhängig ist. kann der Durchmesser vergrößert werden, sofern diese Druckdifferenz vermindert wird. Dies wird durch den genannten Wirbelstrom unterstützt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen Gaslaser mit einem aerodynamischen Ausgangsfenster,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Gaslasers, der ein aerodynamisches Eingangs- und Ausgangsfenster aufweist,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Gaslasers mit modifizierten Fensteranordnungen.

Fig.4 eine Seilenansicht mit Einzelheiten der Fensteranordnungen, die in F i g. I und 2 dargestellt sind.

Fig.5 eine perspektivische Ansicht mit weggebro= chenen Teilen, die Einzelheiten der in F i g. 3 dargestellten Fensteranordnungen zeigt,

F i g. 6 eine schematische Darstellung eines instabilen Hohlraums eines Gaslasers und

F i g. 7 eine Ausführungsform eines röhrenförmigen Gaslasers.

In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. I ist schematisch ein elektrisch angeregter Gaslaser mit Lasergas-Durchfluß, der nilgemein durch die Bezugsziffer 11 bezeichnet ist, zur Verstärkung eines niedrigentrgetischen Eingangslaserstrahls gezeigt, wobei der Laser 11 unterteilte elektrisch nichtleitende, schmale, gegenüberliegende Wände 12 und 13 und unterteilte, breite > gegenüberliegende Wände 14 und 15 (lediglich Wand 14 ist gezeigt) aufweist, die den Arbeitsbereich des Lasers 11 in Form eines Hohlraumes definieren. Eine mit dem Einlaß 17 und dem Auslaß 18 des Arbeitsbereiches gekoppelte Pumpe 16 bewirkt, daß das aktive Lasergas hi 19 durch den Arbeitsbereich mit dem gewünschten Druck und der Geschwindigkeit von, beispielsweise Vio bar und 0,2 Mach Geschwindigkeit strömt. Geeignete aktive Lasergase sind beispielsweise Argon, Xenon, Krypton oder Gemische von CO?, N₂ und He.
π Auf der inneren Oberfläche 21 der Wand 12 sind voll reflektierende Spiegel 22 und 23 und auf der inneren Oberfläche 24 der Wand 13 sind voll reflektierende Spiegel 25 und 26 angeordnet Der Laserstrah! gelangt durch ein festes Fenster 27 in den '.rbeitsbereich und breitet sich dort entlang den Wegen 23 his 32 zwischen den Spiegeln und durch das aktive Lasergas 19 unter Verstärkung aus, wobei das Lasergas durch eine elektrische Entladung angeregt wird. Durch diese Ausführungsform wird ein einziger Austrittslaserstrahl 32 erzeugt. Der Austrittsspiegel 23 fokussiert den Austrittslaserstrahl 32 auf einen Brennpunkt 33, der sich gerade außerhalb der Wand 13 befindet. Das aktive Lasergas kann außer durch eine elekti ische Entladung, die in üblicher Weise durch das Gas in dem «ι Arbeitsbereich durch geeignet angeordnete Elektroden aufrechterhalten wird, auch durch einen Weitbereichselektronenstrahl, der durch ein Elektronenfenster 34 eintritt, angeregt werden. Wenn die Energie des durch Fenster 27 eintretenden Laserstrahls derart ist, daß es nicht zur Zerstörung oder Beschädigung üblicher Materialien führt, die die verwendete Laserwellenlänge durchlassen, wird ein durchlässiges Fenster vorgesehen, so daß der Laserstrahl auf übliche Weise in den Arbeitsbereich eintritt, ohne ein Luftleck in dem Arbeitsbereich an diesem Punkt befürchten zu müssen.

Der Eintrittslaserstrahl relativ niedriger Intensität

eines getrennten üblichen Lasers 20 wird durch die Spiegel 25, 22, 26 und 23 reflektiert und verläßt den

Arbeitsbereich durch eine öffnung 35 in der Wand 13 auf einem hohen Intensitätsniveau. Um die Öffnung 35, diese bedeckend, ist ein Laserfenstergehäuse 41 angebracht, das eine erste Laserstrahlöffnung 42 und eine zweite Laserstrahlöffnung 43 aufweist, die möglichst knapp die Achse des Austrittslaserstrahls 32

5fl umgeben und konzentrisch sind. Der Spiegel 23 fokussiert den Austrittslcserstrahl auf einen Brennpunkt 33 in ν aher Nachbarschaft zu Δ-zr ersten oder innersten Laserstrahlöffnung 42. Da der Ausgangslaserstrahl fokussiert wird, ha< die zweite Laserstrahiöffnung 43 einen größeren Durchmesser als die erste Laserstrahlöffnung 42. Dabei haben beide Laserstrahlöffnungen im wesentlichen gleiche oder nur geringfügige größere Durchmesser als der wirksame Durchmesser des Laserstrahls an diesen Stellen, und dies in Abhängigkeit von der Menge der Randstrahlung, die erwünschierweise durchtreten soll. Die Durchmesser der Laserstrahlöffnungen sind im wesentlichen durch den ursprünglichen Durchmesser des Laserstrahls, die optischen Entfernungen und das Ausmaß bestimmt, in welchem der

fcj Ausgangslaserstrahl fokussiert wird oder werden kann. Wie nachstehend gezeigt wird, erlaubt die Fokussierung des Austrittslaserstrahls auf einen Punkt oder schmälsten Bereich, der in der Laserslrahlöffnung 42

vernünftigerweise möglich ist, die Verwendung einer öffnung mit dem engstmöglichen Durchmesser an dieser Steile, welches wiederum zu einem niedrigslmöglichen Gasflußvolumen durch diese öffnung führt, während der hochenergetische Austrittslaserstrahl, den Arbeitsbereich ohne Auftreffen auf jegliche physikalische Hindernisse verlassen kann.

Mit dem Inneren des Gehäuses 41, zwischen den Laserstrahlöffnungen 42 und 43 ist eine Quelle 44, eines aktiven Lasergases unter Druck, zur Einführung von aktivem Lasergas in das Gehäuse 41 über die druckregelnde Vorrichtung 45, das Rohr 46 und den Gaseinlaß 47 verbunden.

Mit dem Inneren des Lasers ist eine Auslaßpumpe 48 für das kontinuierliche Ablassen einer vorbestimmten im Laser strömenden Gasmenge an die Atmosphäre gekoppelt. Wenn der Laser ein offenes System verwendet, bei dem das Gas an die Atmosphäre abgelassen wird, ist die Auslaßpumpe 48 nicht erforderlich und das im Arbeitsbereich strömende Gesamtgas umfaßt jenes, das dem Einlaß 17 des Arbeitsbereiches zugeführt und jenes das durch die Laserstrahlöffnung 42, wie vorstehend im Detail beschrieben, eingeführt wird. Für den Fall jedoch, daß der Laser von dem üblicheren Typ des geschlossenen Systems ist, wie es in F i g. 1 veranschaulicht ist, kann ein Zersetzen des Lasergases und/oder eine Verunreinigung erfolgen, wenn das I.asergas auf elektrische Weise angeregt wird. Dementsprechend wurde es als vorteilhaft empfunden, in diesen Fällen einen Teil des strömenden aktiven Lasergases kontinuierlich abzulassen und das abgelassene Gasvolumen durch Frischgas zu ersetzen, um das Auftreten unerwünschter Komponenten in dem Lasergas infolge der Verunreinigung und/oder Zersetzung des Gases während des Betriebs zu vermeiden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird Frischgas durch das Gehäuse 41 eingeführt, um gleichzeitig für die erforderliche Isolierung gegenüber der Umgebung des Lasers und für die erforderliche Frischgasmenge zu sorgen. Somit kann die Quelle 44 Frischgas enthalten, welches in das Gehäuse 41 mit einer Geschwindigkeit und einem Druck für die Betriebsbedingungen in dem Arbeitsbereich derart eingeführt wird, daß es aus der Laseröffnung 43 herausfließt, wodurch der Eintritt von Luft in das Gehäuse über die Laserstrahlöffnung 43 verhindert wird, und daß es ebenfalls aus der Laserstrahlöffnung 42 herausfließt und in den Arbeitsbereich mit der gewünschten Geschwindigkeit eintritt, um das, beispielsweise über Pumpe 48 ausgelassene, Gas zu ersetzen.

Da der Durchmesser der Laserstrahlöffnung 42 infoige der Fokussierung des Laserstrahls an dieser Stelle bis zu einem sehr geringen Wert ausgewählt werden kann, kann die Geschwindigkeit des über den Gaseinlaß 47 in das Gehäuse 41 eingeführten Gases derart gewählt werden, daß der Zutritt von Luft in das Gehäuse 41 über die Laserstrahlöffnung 43 verhindert wird, während gleichzeitig in den Arbeitsbereich aktives Lasergas mit der gleichen Geschwindigkeit, wie es ausgelassen wird, eingeführt wird, oder alternativ aktives Lasergas in den Arbeitsbereich mit einer geeigneten Geschwindigkeit eingelassen wird. Die Geschwindigkeit mit der das Gas durch Pumpe 48 ausgelassen wird, wird so eingestellt, daß sie der Geschwindigkeit entspricht, mit der Gas über die Laserstrahlöffnung 42 eingeführt wird.

F i g. 2 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Lasers, gemäß Fig. I, jedoch mit einem zusätzlichen aerodynamischen Fenster für die Einführung eines Hochenergielaserstrahles von einer üblichen Hochenergielaserquelle 20a. Wenn es somit erwünscht ist, als ursprüngliche Laserquelle einen Laser zu verwenden, der einen Austrittslaserstrahl von ausreichend hoher Austrittsintensität besitzt, der das teste Laserfenster beschädigen würde, erlaubt die in F i g. 2

ίο gezeigte Anordnung die Verwendung eines derartigen Lasers. Für eine derartige Ausführungsform kann das aerodynamische Austrittsfenster 41, wie es in Verbindung mit F i g. I gezeigt und beschrieben ist, wirksam als Eintrittsfenster 41a verwendet werden. Es wird darauf hingewiesen, daß der Eingangslaserstrahl 51 der F i g. 2 im wesentlichen in der Form nicht nur mit dem Aüsiritts'ascrsirah! der F i g. 2. sondern auch dem Austrittslaserstrahl 32 der Ausführungsform der Fig. 1 identisch ist. Die Lieferung eines fokussierten Eintrittslaserstrahl wird durch eine geeignete, bekannte und fokussierende Reflektionsoptik 53 erreicht, um den Hochenergieausgangsstrahl des äußeren Lasers 20a auf einen Punkt 54 bei der Laserstrahlöffnung 42a des Eintrittsfensters 41a zu fokussieren.

Das Eintrittsfenster 41a und das Austrittsfenster 416 sind in A ;fbau und Betrieb mit dem in Fig. 1 gezeigten und beschriebenen Austrittsfenster 41 identisch. Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform wird den Laserfenstern aktives Latergas über die Rohre 46a und 46b

ίο genauso und für die in Verbindung mit dem Austrittsfenster der F i g. 1 beschriebenen Zwecke zugeführt. Die Geschwindigkeit, mit der das Gas aus dem Lasersystem durch Pumpe 48a ausgelassen wird, wird derart gewählt, daß sie die Geschwindigkeit, mit der das Frischgas über

J5 die Eintritts- und Austrittsfenster eingeführt wird, ausgleicht. Wenn hohe Hitzeströme vorliegen, können die Optik 53 und/oder die Spiegel in dem Arbeitsbereich durch ein geeignetes Kühlmittel oder dergleichen gekühlt werden, was in gleicher Weise auch auf die Gehäuse und die Vorrichtungen, die die verschiedenen Laserstrahlöffnungen definieren, anwendbar ist. Bekannte Kühlschlangen (nicht gezeigt) können auf geeignete Oberflächen gelötet, und hierdurch ein Kühlmittel geleitet werden.

•15 Wie in F i g. 3 gezeigt ist, ist auch eine Anwendung bei Lasern des Oszillatortypus möglich. Eine veranschaulichende Ausführungsform, wie sie in F i g. 3 gezeigt ist, umfaßt die Wände 61, 62, 63 und 64 (Wand 64 ist nicht gezeigt), die einen Arbeitsbereich gemäß F i g. 1 U/id 2

so definieren. Ebenfalls sind ein vollreflektierender Spiegel 65, der von einer Wand 62 getragen ist, und ein entgegengesetzt angeordneter vollreflektierender Spiegel 66 eingeschlossen, der einen ersten kreisförmigen Teil 67 zur Festlegung eines optischen Hohlraums mit Spiegel 65 und einen zweiten Teil 68 umfaßt, der geeignet ist, einen Teil der in dem Arbeitsbereich erzeugten angeregten Strahlung zwischen den Spiegeln 65 und 66 durch die Öffnung 71 in der Wand 62 und in das Gehäuse 72 zu leiten und fokussieren. Die Spiegel 65 und 66 können, wie dies gezeigt ist, quer zu einer geeigneten Anregungsvorrichtung einschließlich einer Breitstrahlelektronenquelle 73 zur Anregung des aktiven Lasergases, das infolge der Wirkung der Pumpe 74 durch den Arbeitsbereich fließt, angeordnet sein.

ω Das Gehäuse 72 ist hierum angeordnet und bedeckt die Öffnung 71 und ist mit ersten und zweiten Laserstrahlöffnungen 75 und 76 versehen, die konzentrisch um die Achse des Ausgangslaserstrahls 77

angeordnet sind. Unterschiedlich gegenüber den in F i g. I und 2 veranschaulichten Ausführungsformen stellt der Teil 68 des Spiegels 66 einen Austrittsspiegel dar, der den Austrittslaserstrahl durch die erste Laserstrahlöffnung 75 leiten und ihn auf einen Brenr,funkt oder einen Brennpunktsbereich fokussieren kann, der einen Brennpunkt 78 an oder in naher Nachbarschaft der zweiten Laserstrahlöffnung 76 darstellt. Bei der vorstehend beschriebe.ien Ausführungsform ist der Durchmesser der ersten oder innersten Laserstrahlöffnung 75 größer als der Durchmesser der zweiten oder äußersten Laserstrahlöffnung 76.

Kehrt man zu den F i g. I und 2 zurück, so wird ersichtlich, daß die Anordnung der Laserstrahlöffnungen iii F i g. 3 umgekehrt worden ist. Darüber hinaus ist des Innere des Gehäuses 72 zwischen den Lsscrstrsh!- öffnungen 75 und 76 über die Leitung 79 mit einer Auslaßpumpe 81 verbunden.

Aktive Lasergasfrischzufuhr wird in den Laser über die Leitung82, entfernt von dem Gehäuse 72, eingeführt.

Die in F i g. 3 gezeigte Ausführungsform ist insbesondere für solche Situationen geeignet, bei denen es erwünscht oder bequem ist, Lasergas über das Gehäuse 72 auszulassen und, sofern erforderlich, frisches Gas anderswo einzuführen.

Jedoch funktioniert die Laserfenstervorrichtung, die in F i g. 3 gezeigt ist, wie nachstehend noch ausführlicher erläut -t wird, nicht nur gleicherweise genauso gut als Eintritts- oder Austrittsfenster, sondern erlaubt im wesentlichen einen hinderungsfreien Durchtritt eines Eintritts- oder Austrittslaserstrahls, sorgt für die Isolierung des Arbeitsbereiches von der Umgebung und erlaubt wenig oder gar keinen Strom aktiven Gases durch die Laserstrahlöffnung 75 aus dem Arbeitsbereich. Der Betrieb in dieser zuletzt angeführten Weise ist insbesondere dort bevorzugt, wo nur ein geringes oder gar kein Erfordernis für Frischgas besteht, oder alternativ, wo es erwünscht oder bequem ist, an anderer Stelle aus dem Laser Gas zu entfernen. Diese Betriebsweise steht im Kontrast zu jener, die in Verbindung mit der Ausführungsform der Fig.2 beschrieben ist und die kommerziell bedeutsame Volumen an Frischgas unabhängig davon erfordert, ob die Zufuhr von Frischgas für den zufriedenstellenden Betrieb des Lasers erforderlich ist oder nicht.

Da die zweite oder äußerste Laserstrahlöffnung 76 der Fig.3 mit dem kleinsten Durchmesser, der für den Betrieb des Lasers geeignet ist, versehen werden kann, und die innerste oder erste Laserstrahlöffnung 75 den größten Durchmesser aufweist, können diese Durchmesser in Verbindung mit der Kapazität der Pumpe 81 derart gewählt werden, daß Lasergas mit der gewünschten Geschwindigkeit (schließt im wesentlichen kein Lasergas aus dem Arbeitsbereich ein) ausgelassen und gleichzeitig der Zutritt von Luft in den Arbeitsbereich verhindert wird.

Da der Durchmesser der Laserstrahlöffnung 76 infolge der Fokussierung des Ausgangsstrahls an oder nahe dieser Laserstrahlöffnung ein Minimaldurchmesser sein kann, kann die Menge der in das Gehäuse 72 durch die Laserstrahlöffnung 76 fließenden Luft selektiv auf eine Minimalmenge reduziert werden. Der Durch? messer der Laserstrahlöffnung 75 kann auch durch Wahl ihres Ortes bezüglich der Laserstrahlöffnung 76 und/oder der Fokussierung des Austrittslaserstrahls geregelt werden. Somit kann für eine geeignete Pumpgeschwindigkeit der Auslaßpumpe 81, wenn es erwünscht ist, das Gas aus dem Laser zu entziehen, das gewünschte Volumen des Lasergases aus dem Arbeitsbereich durch die Laserstrahlöffnung 75 abgezogen und zusammen mit der gesamten Luft, die in das Gehäuse 72 durch Laserstrahlöffnung 76 eintritt, ausgelassen werden.

Die Luft neigt dazu, in das Gehäuse 72 über die Laserstrahlöffnung 76 in Form eines Strahles einzutreten. Dementsprechend sind aerodynamisch geformte

ίο Ablenkteile in Form von gekrümmten Platten oder Rippen 83 zwischen den Laserstrahlöffnungen 75 und 76 vorgesehen, um die Zerstreuung dieses Luftstrahls über eine relativ kurze Entfernung zu bewirken, wodurch eine wesentliche Verringerung der Länge des Gehäuses 72 gegenüber der erreicht wird, die in Abwesenheit derartiger Platten bzw. Rippen erforderlich wäre.

• π άζ~ Praxis vfürdc gefunden, daß die rümpgcschwindigkeit der Auslaßpumpe 81 leicht, einfach und billig geregelt werden kann, um in dem Gehäuse 72 zwischen den Laserstrahlöffnungen 75 und 76 eine Druckdifferenz zu erzeugen, der über den Bereich von Atmosphärendruck an der Laserstrahlöffnung 76 bis zu einem größeren, geringeren, oder gleichen Druck, wie der Druck an der Arbeitsbereichsseite der Laserstrahl öffnung 75, welcher den Druck in dem Arbeitsbereich des Lasers darstellt, linear geregelt werden kann.

Wenn die Fenster des in F i g. 3 veranschaulichten Typs ein Eintrittsfenster wie beim Laser der Fig. 2 umfassen, wird die Pumpgeschwindigkeit der Auslaß pumpe bequem derart gewählt, daß nur eine geringe Geschwindigkeit der Lasergasströmung in das Fenster erzeugt wird, um die Isolierung des Arbeitsbereiches sicherzustellen. Dort wo Fenster des in Fig.3 veranschaulichten Typs, beispielsweise sowohl Eintritts- und Austrittsfenster des gleichen Lasers umfassen, kann die Geschwindigkeit des Lasergasstroms in eines oder beide dieser Fenster sehr klein oder auf eine vorbestimmte Geschwindigkeit eingestellt werden, um die Nachfüll- bzw. Krischgaserfordernisse zu erfüllen.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Laservorrichtung im wesentlichen jeglichen Typs oder jegliche Art von Gaslaser einschließlich jenem mit einem relativ langen röhrenförmigen Arbeitsbereich darstellen kann, in dem ein aktives Lasergas veranlaßt wird, sich mit entweder hoher oder niedriger Geschwindigkeit und/oder in einer normalen oder parallelen Richtung zu der Longitudinalachse des röhrenförmigen Teils durch den Arbeitsbereich zu bewegen. Das in Fig.4 gezeigte Laserfenster umfaßt eine Kugelventilanordnung 101. die an die Laserwand 102 abgedichtet angefügt ist, die eine öffnung 103 zur Aufnahme des Austrittslaserstrahls 104 einen zylindrischen, hohlen Zentralteil 105 und eine in dem Zentralteil 105 gleitbar getragene Hülse 106 aufweist. Innerhalb der Hülse 106 ist ein Wandelement 107 mit einer Laserstrahlöffnung 108 angeordnet Das äußerste Ende der Hülse 105 ist durch eine Wand 109 mit einer Laserstrahlöffnung 111 größeren Durchmessers als der der Laserstrahlöffnung 108 geschlossen, innerhalb der Kugelventilanordnung 101 ist ein Kugelventil 112 angeordnet, das einen Durchtritt 113 für den Durchtritt des Laserstrahls 104 aufweist Das Kugelventil 112 ist dichtend in der Kugelventilanordnung 101 gehalten, wodurch, wenn das Kugelventil durch den Drehgriff 114 geschlossen wird, verhindert wird, daß Luft in den Laser über die öffnung 103 eintritt Die öffnung 103, der Durchtritt 113, die Laserstrahlöffnung 108 und die Laserstrahlöffnung 111 sind jeweils konzentrisch um

eine gemeinsame Achse angeordnet und umgeben diese, wobei sie um die Achse des Laserstrahls 104 konzentrisch sind. Der Hauptteil des Laserstrahls 104 ist durch ausgezogene Linien und die Randstrahlung ist durch unterbrochene Linien bezeichnet.

Flache Oberflächen, sogar wenn sie nicht poliert sind, rufen häufig S-iTeustrahlungen hervor. Dementsprechend ist das Wandelement 107 zur Vermeidung der Erzeugung von derartigen Streustrahlungen mit konischen Oberflächen, z. B. den konischen Oberflächen 115 und 116 versehen, die Konuswinkel zum Reflektieren von Randstrahlen durch die Laserstrahlöffnung 108 und in die Hülse 106, wo derartige Randstrahlen auf unbedenkliche Weise zerstreut werden, aufweisen. Das in Fig.4 gezeigte Wandelement 107 ist als ein Austrittsfenster orientiert, in dem der in dem Laser erzeugte Laserstrahl durch die Öffnung 103 auf einen Brennpunkt an der Laserstrahlöffnung 108 fokussiert wird, und das Laserfenster über die Laserstrahlöffnung 111 verläßt. Wenn das Laserfenster als ein Eintrittsfenster wirken soll, kann der Teil des Wandelementes 107 vorteilhaft umgekehrt oder dessen Teil gegenüber der Endwand 109 mit konischen Oberflächen, wie es in unterbrochenen Linien gezeigt ist, versehen werden. Die Bereitstellung konischer Oberflächen auf beiden Seiten des Wandeleme.ntes 107 ist für das Einfangen und/oder Verhindern der Übertragung zumindest von etwas Strahlung durch das Wandelement 107 wirksam, welche den Betrieb des Lasers und/oder der außen befindlichen Laserquelle nachteilig beeinflussen kann.

Zwischen den Laserstrahlöffnungen 108 und 111 ist eine Gaseinlaßöffnung 117 angeordnet, die mit einer unter Druck stehenden Quelle eines aktiven Lasergases (nicht gezeigt) verbunden und derart angeordnet ist, daß das in die Hülse 106 über die Gaseinlaßöffnung 117 eintretende Gas, tangential eintritt und einen Wirbeistrom bzw. -fluß innerhalb der Hülse 106 erzeugt.

Wie vorstehend ausgeführt wurde, kann die Laserstrahlöffnung 108 derart bemessen sein, daß der geeignete Massenstrom in den Laser zur Erfüllung der gesamten Frischgas bzw. Nachfüllerfordernisse erfüllt ist. Eine derartige geeignete Größe ist möglich, sofern der Laserstrahl auf einen Brennpunkt, vorzugsweise innerhalb der Laserstrahlöffnung 108. gebracht wird. Vom Standpunkt der Leichtigkeit der Ausrichtung her. ist es erwünscht, daß die Laserstrahlöffnung 108 so groß als möglich bemessen ist und, da für einen vorgegebenen Massenfluß die Größe dieser Laserstrahlöffnung von der hieran anliegenden Druckdifferenz abhängig ist. kann der Durchmesser vergrößert werden, sofern diese Druckdifferenz vermindert wird. Die Bereitstellung eines Wirbelstroms innerhalb der Hülse 106 ist in dieser Beziehung am vorteilhaftesten, da sie einen Druckabfall zwischen den beiden Laserstrahlöffnungen erzeugt. Mit einem Wirbelstrom kann der Druck an der Auslaßseite der Laserstrahlöffnung 108, die der Wand 109 zugekehrt ist. so bemessen werden, daß er sich dem Druck an der gegenüberliegenden oder Einlaßseite der Laserstrahlöffnung 108 annähen. Infolge thermischer Ausdehnung. Verbiegung der Komponenten oder dem Ersatz von Spiegeln oder Laserbestandteilen, kann der Teil des Brennpunktes oder des Brennpunktbereiches an dem Wandelement 107 sich verändern. Aus diesem Grund ist die Hülse 106 vorteilhaft gieiibar und/oder einstellbar in dem Zentralteil 105 gelagert, um die EinsttÜung des Ortes der Laserstrahlöffnung 108 sowohl radial als auch axial und¹ somit die Aufrechterhaltung der optimalen Beziehung zwischen der Laserstrahlöffnung und dem Brennpunkt, der vorzugsweise axial innerhalb der Öffnung 108 befindlich ist, zu erlauben. Der Ort des Laserfensters und somit der öffnung 108, kann ebenfalls bezüglich des Ausgangsspiegels einstellbar sein, um die

geeignete Anordnung der Öffnung 108 zu erleichtern. Die Kühlmittelleitung 118, die mit einer geeigneten Quelle des Kühlmittels (nicht gezeigt), wie Wasser, verbunden ist, ist in enger Berührung mit der Hülse 106, dein Wandelement 107 und der Wand 109 angeordnet.

ίο Die Kühlmittelleitung 118 tritt in die Hülse 106 ein, erstreckt sich entlang deren innerer Oberfläche zu dem Wandelement 107, führt weiter um die äußere Peripherie des Wandelementes 107. kehrt zurück und tritt durch die Wand 109 hindurch, setzt sich um die äußere Peripherie der Wand 109 herum fort und kehrt sodann zu der Kühlmittelquelle oder zu einem Abfluß zurück, sofern Wasser einfach durch die Leitung 118 geführt wird.

Es wurde herausgefunden, daß Laserstrahlen, insbesondere Laserstrahlen hoher Intensität, nicht auf einen tatsächlichen Punkt fokussiert werden können, und daß das, was im Allgemeinen praktisch erreichbar ist, einen »Brennpunktsbereich« darstellt, der durch die physikalische Optik festgelegt ist und eine bestimmte »Feldtiefe« oder Axiallänge aufweist. Innerhalb des Brennpunktbereichs liegt der durch die geometrische Optik bestimmte Brennpunkt. Dementsprechend schließt der hier verwendete Ausdruck »Brennpunkt« Brennpunktbereiche mit ein. Da man in der tatsächlichen Praxis mit

jo »Brennpunktbereichen« die endliche und häufig beträchtliche Feldtiefen aufweisen, umgehen muß, werden die Laserstrahlöffnungen so nahe als unter den Umständen möglich ist und innerhalb der Tiefe des Feldes, sofern möglich, angeordnet. Aus Vorstehendem geht hervor, daß. wenn dies erfolgt, nicht nur einer, sondern beide Lascrstrahlöfinursge" eine kleirisirnögll· ehe Größe mit minimaler Strahlabschneidung aufweisen können.

Ein Laser, wenn sich der Druck in dem Arbeitsbereich

•»o in der I bis I Ofachen Größenordnung des Atn.osphärendruckes oder höher befindet, kann mit den hier gezeigten und beschriebenen Laserfenstern versehen werden, wie beispielsweise in F i g. 2 gezeigt ist, wobei die Rohre 46a und 466 jedoch mit einer Pumpe oder

■»5 Pumpen, wie in F i g. 3 gezeigt ist, verbunden sind.

In der F i g. 5 sind Einzelheiten eines Laserfensters des in F i g. 3 veranschaulichten Typs gezeigt, bei dem das Laserfenster mit einer Auslaßpumpe gekoppelt ist. Wie in F i g. 5 veranschaulicht ist, kann ein Laserfenster, das entweder als ein Eintritts- oder Austrittslaserfenster wirken kann, eine Kugelventilanordnung 121 umfassen, die mit der Laserwand entsprechend F i g. 4 verbunden werden kann. Außerhalb des Kugelventils 121 erstreckt sich ein Hauptkörperteil 122, der eine röhrenförmige äußere Wand 123 umfaßt, die an ihrem äußersten Ende durch eine konisch geformte Endwand 124 geschlossen ist, die eine Laserstrahlöffnung 125 aufweist, die durch einen röhrenförmigen Teil 126 im wesentlichen dort festgelegt ist, wo der Laserstrahl 131, wie vorstehend beschrieben, für diese Zwecke fokussiert wird. Innerhalb des Hauptkörperteils 122 befinden sich eine Vielzahl von Ablenkteilen in Form von Platten- bzw. Rippenelementen 132, 133 und 134 (drei sind durch das Beispiel gezeigt), die axial angeordnete Laserstrahlöffnungen 135, 136 und 137, jeweils mit einem Durchmesser aufweisen, der gerade geringfügig größer als der wirksame Durchmesser des hindurchtretenden Laserstrahls ist Die Plattenelemente 132, 133 und 134 sind

vorzugsweise nahe aneinander und in naher Nachbarschaft zu der Endwand 124 angeordnet, um die Zerstreuung des Luftstrahls, der durch die Laserstrahlöffnung 125 in das Laserfenster eintritt, zu erleichtern und um die Verwendung von Laseröffnungen der geringstmöglichen Größe zu gestatten. Die Plattenelemente können leicht aus hochleitfähigem und duktilem Material, wie Kupfer, erzeugt werden, wobei jedes eine Vielzahl radial angeordneter Durchtritte 138 und Zentralteile aufweist, die sich allmählich in Richtung der Laserstrahlöffnung 125 runden, und an ihren entsprechenden Laserstrahlöffnungen 135, 136, 137, wie es in F i g. 5 gezeigt i ;t, enden. Die sich allmählich rundenden Zentralteile der Plattenelemente, die leicht zu einer Düse geformt werden können, dienen zum Abfangen des expandierenden Luftstrahls, der in die Laserstrahlöffnung 125 eintritt und zerstreuen diesen über eine kurze Entfernung. Eine Kühlmittelleitung 139 umgibt, wie gezeigt rf, die äußere Wand 123. Die V.'and 123 ist auch mit einer Gasöffnung 141, benachbart der Endwand 124, zur Verbindung über die Leitung 142 mit einer Auslaßpumpe, versehen.

Der Laserstrahl hat einen Brennpunktbereich, der die Laserstrahlöffnung 125 und die Auslaßpumpe umfaßt, die betrieben wird, um die Massenflußgeschwindigkeit bzw. -Menge durch die Plattenelernentdurchtritte und Laserstrahlöffnungen und Gasöffnung 141 zu beeinflussen. Die Pumpe wird betrieben, um an der Kugelventilanordnung beispielsweise einen gerade geringfügig größeren Druck, als jener der in dem Arbeitsbereich des Lasers vorliegt, zu erzeugen. Die Erzeugung eines derartigen Druckes stellt einen kleinen, jedoch kontinuierlichen Strom aktiven Lasergases aus dem Laserarbeitsbereich und in das Laserfenster sicher. Ein derartiger geringer Lasergasstrom stellt die Isolierung des inneren des Lasers mit einem Minimalauiwand an Lasergas sicher. Während des Betriebs tritt Luft über die Laserstrahlöffnung 125 in das Laserfenster mit einer relativ hohen Geschwindigkeit ein und neigt dazu, einen expandierenden Strahl zu bilden, der sich in das Laserfenster durch die Laserstrahlöffnungen der Plattenelemente erstreckt. Die Plattenelemenie dienen jedoch dazu, wirksam diesen Luftstrahl zu zerstreuen, bevor dieser, beispielsweise die Kugelventilanordnung, oder alternativ die Laserstrahlöffnung in der Laserwand erreicht. Wenn der die öffnung 125 verlassende Laserstrahl ein Problem darstellt, kann die Verwendung eines röhrenförmigen Teils 126 vorteiü.afi sein.

Alternativ kann das Teil 126 weggelassen werden oder kann in der Art einer Platte bzw. Blende ausgebildet sein, um die Ausbreitung des Strahls innerhalb des Fensters, wenn dieser die öffnung 125 verläßt, zu bewirken.

Die Fig. b veranschaulicht eine alternative Anordnung zum Fokussieren des Austrittslaserstrahls. Wie in F i g. 6 gezeigt ist, kann der optische Hohlraum von dem instabilen Typ sein, der einen Konkavspiegel 143 und einen Ausgangsspiegel 144 umfaßt, welcher einen ringförmigen Ausgangsteil 145 und einen konvexen ZentraUeil 146 enthält. Der Austrittsteil 145 liefert einen ringförmig geformten, fo.kussierten Austrittslaserstrahl 147 unier Bildung eines Brennbereichs 148. wie es vorstehend für die gleichen Zwecke beschrieben wurde.

Die Fig. 7 veranschaulicht einen Gaslaser des röhrenförmigen Typs, bei dem der Arbeitsbereich durch eine verlängerte röhrenförmige Sektion 151 festgelegt ist, die Gasauslaßöffnungen 152, 153 und 154 und Gaseinlaßöffnungen 155, 156 und 157 aufweist, die mit einer Quelle aktiven Lasergases (nicht gezeigt) verbunden sind, um einen Fluß durch den Arbeitsbereich zu bewirken. Für kleine Strömungsgeschwindigkeiten können lediglich, die Öffnungen 152 und 157 erforderlich sein. Die Anregung wird in herkömmlicher Weise durch die Elektroden 158 und 159 bewirkt und der optische Hohlraum ist durch einen vollreflektierenden Spiegel 160 und teilweise reflektierenden Spiegel 161 definiert. Der Spiegel 161 ist dazu geeignet, dem Spiegel 162 einen Teil des Laserstrahls zu übermitteln. Der auf Spiegel 162 auftreffende Strahl wird zu dem Austrittsspiegei t63 reflektiert, der den Austrittsiasersirahi 164 auf einen Brennpunktbereich innerhalb eines Fensters 165 des hier beschriebenen Typs fokussiert. Bei Lasern des röhrenförmigen Typs können, was unter anderem von dessen Leistung abhängig ist, alle bis vielleicht auf eine der Einlaß- oder Auslaßöffnungen weggelassen und der erwünschte Gasstrom durch das Austritt.i^nster bewirkt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gaslaser mit

1. einem Hohlraum, der ein laseraktives gasförmiges Medium enthält,

2. einer Vorrichtung zum Anregen des gasförmigen Mediums,

3. einer Spiegelanordnung, die die Laserstrahlung im Hohlraum führt und aus dem Hohlraum ablenkt,

4. einem aerodynamischen Fenster in der Wandung des Hohlraums zum Durchgang der Laserstrahlung mit

4.1 einer ersten Laserstrahlöffnung,
42 einem sich nach außen von der ersten Laserstrahlöffnung weg erstreckenden, diesis erste Laserstrahlöffnung dicht umgebenden Gehäuse, das eine Gasöffnung und eine zweite Laserstrahlöffnung aufweist, die in Richtung des Laserstrahls hinter der ersten Laserstrahlöffnung angeordnet ist, wobei die Gasöff.nung derart angeordnet ist, daß ein Gasfluß durch das Gehäuse zwischen der ersten und zweiten Laserstrahlöffnung ermöglicht wird,