DE2347678C2

DE2347678C2 - Aerodynamische Fenstervorrichtung für ein Gaslasersystem

Info

Publication number: DE2347678C2
Application number: DE2347678A
Authority: DE
Inventors: Jacob North Andover Mass. Zar
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1972-09-22
Filing date: 1973-09-21
Publication date: 1982-09-09
Also published as: IL43257A0; DE2347678A1; JPS4988497A; CA995802A; IT994485B; CH567815A5; IL43257A; SE383449B; FR2200648B1; GB1390579A; US3768035A; FR2200648A1; JPS5132560B2

Description

Die Erfindung betrifft eine aerodynamische Fenstervorrichtung für ein Gaslasersystem, welche in einem gasdicht mit einer Laserkammer verbundenen Außengehäuse eine Reihe untereinander beabstandeter Scheiben mit auf den auszukoppelnden Laserstrahl ausgerichteten zentralen öffnungen und mit von einer Pumpe evakuierten Zwischenräumen aufweist und welche den Durchgang eines Ausgangslaserstrahls an die Außenseite der auf subatmosphärischem Druck gehaltenen Laserkammer gestattet.

Kürzlich entwickelte Hochenergie-Gaslaser weisen aerodynamische Fenster auf, die es gestatten, den Aüsgangsiaserstrahi aus der auf sub-atmosphärischem Niveau gehaltenen Laserkammer herauszuführen, ohne daß er durch ein transparentes Fenster gehen müßte, wobei das Fenster infolge der hohen Energie des Strahls brennen würde. Ein Gaslaser mit einem derartigen aerodynamischen Fenster ist beispielsweise aus der US-PS 36 17 928 bekannt. Gemäß einer Ausführungsform können mehrere derartige Fenster unter Bildung von Zwischenräumen in Richtung des austretenden Laserstrahls hintereinander angeordnet sein, wobei an den Bereich zwischen den Fenstern jeweils eine Vakuumpumpe angeschlossen ist, und das Einströmen der Umgebungsluft in den Hohlraum bzw. in die Laserkammer zu verhindern oder minimal zu halten.

Gemäß einem älteren Vorschlag nach der DE-OS 23 03 368 ist eine aerodynamische Fenstervorrichtung für ein Gaslasersystem gemäß der eingangs definierten Art aufgebaut. Diese aerodynamische Fenstervorrichtung besteht ebenfalls aus eir.zr Reine von Scheiben mit ausgerichteten öffnungen, durch die der Laserstrahl hindurchgeht Die Zwischenräume zwischen den Scheiben werden durch eine Pumpe leergepumpt, so daß der Gasfluß von der Atmosphäre und von Inneren der Laserkammer zur Vakuumpumpe erfolgt So gelangt der Hochenergie-Laserstrahl durch die öffnungen hindurch zur Außenseite der Laserkammer, während die Laserkammer selbst auf sub-atmosphärischem Druck gehalten wird.

Diese Fensterkonstruktion stellt einen deutlichen Fortschritt bei Hochenergie-Gaslasern dar. Kürzliche Entwicklungen haben jedoch die Konstruktion dieses Fjnstertyps kompliziert. Eines der Probleme besteht darin, daß die Scheiben einer extrem starken Hitze ausgesetzt sind, und so das Vorsehen einer Kühlvorrichtung notwendig machen. Gemäß dem genannten älteren Vorschlag hat man versucht den äußeren Bereich der Fenstervorrichtung mit einer Kühlschlange zu umgeben, durch die dann ein Kühlmitte! gepumpt wird. Eine derartige Anordnung ist jedoch insbesondere von außen schlecht zugänglich und in der Herstellung relativ kompliziert und aufwendig.

Es ist ferner auch bereits vorgeschlagen worden, daß die Laser reflektierenden Spiegel automatisch im Hinblick auf die Hitzeverteilung am Fen' die durch Thermoelemente angezeigt wird, ausgeriunet werden. Durch derartige Maßnahmen wird jedoch das gesamte System nqch weiter kompliziert.

Aerodynamische Fenster müssen hSwfig durch Lueite (Warenzeichen) oder Salzblöcke überprüft oder ersetzt werden, um dwrch Aufzeichnung der Brennspuren die Lichtverteilung des Leserausgangsstrahles zu bestimmen. Dies erfordert ein ziemlich langwieriges und kompliziertes Zerlegen des aerodynamischen Fensters, Weiterhin ist die Lage des Konvergenzpunktes des Laserstrahles innerhalb der Scheiben äußerst wichtig, und jede Zerlegung des Fensters könnte zu einer Fehl justierung führen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, eine aerodynamische Fenstervorrichtung für ein Gaslasersystem der eingangs definierten Art zu schaffen, das einen hohen Grad von Zugänglichkeit aufweist, ohne die genaue Ausrichtung des Fensters dabei nachteilig zu beeinflussen.

Ausgehend von der aerodynamischen Fenstervorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

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das Außengehäuse rohrförmig ist und durch eine öffnung der Laserkamnier in diese hineinragt, so daß sich ein erstes Ende des Außer.gehäuses innerhalb und ein zweites Ende außerhalb der Laserkammer befindet, daß eine um die Öffnung an der Laserkammer lösbar montierte Ausricht-Vorrichtung zur justierbaren Längsausrichtung des Außengehäuses in bezug auf die öffnung vorgesehen ist,
daß ein Innengehäuse mit einem ersten und zweiten Ende, die den ersten und zweiten Enden des Außengehäuses entsprechend zugeordnet sind, teleskopartig in das Außengehäuse hineinragt, wobei zwischen Innengehäuse und Außengehäuse ein ringförmiger Raum gebildet wird, daß eine Montagevorrichtung zum lösbaren Befestigen des zweiten Endes des Innengehäuses am zweiten Ende des Außengehäuses vorgesehen ist, und daß am ersten Ende des Innengehäuses eine Einrichtung befestigt ist, welche die auf den Laserstrahl ausgerichteten Scheiben enthält und zusammen mit dem Innengehäuse als ein Bauteil austauschbar ist

Diese Konstruktion gibt jederzeit die Möglichkeit, nicht nur die gesamte Fenstervorrichtung durch wenige Handgriffe auszubauen sondern diese auch durch wenige Handgriffe zu zerlegen und gegebenenfalls richtig zu justieren.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter- so bildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5.

Durch die Ausgestaltung der Erfindung gemäß dem Anspruch 5 ergibt sich eine einfache Herstellbarkeit und ein einfacher Zusammenbau zwischen Laserkammer und dem Außengehäuse.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert Es ;teigt

F i g. I einen Längsschnitt der das Ausführungsbeispiel bildenden aerodynamischen Fenstervorrichtung mit Abschnitten eines Hochenergie-Lasers,

F i g. 2 einen Querschnitt der Öffnungssysteme längs der Linie H-II von F ig. !,und

Fig.3 einen Querschnitt längs der Linie III-III von i

In Fig. 1 wird ein« aerodynamische Fenstervorrichtung tO in Verbindung mit einer Laserkammer 12 benützt, in der ein Hochenergie-Laserausgangsstrahl erzeugt wird. Eine ausführliche Beschreibung der Erzeugung dieses Strahles ist für das Verständnis dar Fenstervorrichtung unnötig, Es genügt, festzustellen, daß das Innere der Laserkammer 12 auf einem sub-atmosphärischen Druck gehalten wird und daß ein Lasergas mit bestimmtem Druck und Geschwindigkeit durch die Laserkammer gepumpt wird. Das Lasergas wird durch eine innerhalb des Gases aufrechterhaltene elektrische Entladung in einen Las'erzustand angeregt, und ein Laserstrahl wird in einem durch gegenüberliegende reflektierende Spiegel gebildeten, rückkoppelnden Hohlraum erzeugt Einer der Spiegel steht mit den anderen Spiegeln in einer bestimmten Winkelstellung, so daß er einen Abschnitt des Strahles im Idealfall längs der Achse A der aerodynamischen Fenstervorrichtung zur geeigneten Fokussierung mittels eines reflektierenden optischen Systems zur Außenseite der Laserkammer 12 lenkt Die aerodynamische Fenstervorrichtung weist weiter unten beschriebene Öffnungen auf, die dem Laserstrahl eine Verbindung mit ö~~ Außenseite der Lascrkarnrner J2 gestatten, die aber so angeordnet sind, daß das Innere der Laserkammer 12 mit Sicherheit auf sub-atmosphärischem Druck gehalten wird.

Die aerodynamische Fenstervorrichtung 10 weist ein rohrförmiges Außengehäuse 14 auf, das durch eine Öffnung 16 in die Laserkammer 12 hineingeschoben ist Das Außengehäuse 14 wird durch eine von der öffnung 16 aufgenommene Muffe 18 in der öffnung 16 geführt Die Muffe 18 weist einen aus einem St¹JCk bestehenden Flansch 20 auf, der durch Schrauben 22 mit der Laserkammer befestigt ist Ein geeigneter Federring wird gegen eine abgeschrägte Räche 26 an der Laserkammer 12 angepreßt um an dieser Stelle eine wirksame Gasabdichtung zu erhalten. Die Muffe 18 hat einen Innendurchmesser 30, der längenmäßige Verschiebungen des Außengehäuses erlaubt Ein Federring 32 wird über das Außengehäuse 14 gezogen, und zwischen einer an der Muffe 18 gelegenen abgeschrägten Oberfläche 34 und einer an einem Ring 38 abgeschrägten Oberfläche 36, die durch Schrauben 40 lös¹ ar an dem Flansch 20 befestigt sind, zusammengepreßt.

Wenn der Ring 38 gelöst ist, gestattet der Federring 32, daß das Außengehäuse 14 in Längsrichtung verschoben wird. Wenn jedoch der Ring 38 gegen den Flansch 20 durch Schrauben 40 angezogen ist, so ist der Federring 32 durch abgeschrägte Oberflächen 34 und 36 gegen das Außengehäuse 14 gepreßt Das hält das Außengehäuse 14 in bezug auf die öffnung 16 und die Laserkammer 12 in einer bestimmten longitudinalen Stellung.

Am Ende 42 des Außengehäuses 14, innerhalb der LaserV.PJTimer 12 angeordnet ist eine Gitterröhrenanordnung 44 mit einem Gitter (nicht gezeigt) montiert, das durch einen Magneten 46 betätig,: wird, um wahlweise Tore 48 zu öffnen oder zu schließen. Die Tore 48 sehen eine Öffnung zwischen dem Inneren der Laserkammer 12 und dem Ende 42 des Außengehäuses 14 vor.

Am Ende 50 des Außengehäuses 14, das außerhalb der Laserkammer 12 angeordnet ist enthält einen, an ein Innengehäuse 54 geschweißten Flansch 52. Der Flansch 52 ist durch eine Reihe von Schrauben 56 beweglich an das Ende 50 des Gehäuses 14 befestigt. Ein geeigneter federnder O-Ring 58 isz ifi einer ringförmigen Nut 60 des Flansches 52 enthalten, um eine wirksame Abdichtung zwischen Innen- und Außengehäuse zu

erreichen.

Das Innengehäuse 54 wird innerhalb des Außengehäuses 14 eingeschoben und an seinem einen Ende befestigt, welches an das Ende 30 des Außengehäuses 14 angrenzt, und enthalt eine optische Übertragungseinrichtung 62. Diese Einrichtung 62 besteht aus einer ersten Scheibe 64, die an einer Seite der Atmosphäre ausgesetzt und an der anderen Seite dem Inneren der Einrichtung 62 ausgesetzt ist. Die Scheibe 64 weist einen Randlabschnitt 68 auf, der mit dem Innengehäuse 54 Beispielsweise durch Schweißen verbunden ist. Eine Zwischenmuffe 70 weist eine darübergeschobene und am Randabschnitt 68 befestigte Lippe 66 auf. Eine zweite Scheibe 72 ist zwischen Zwischenmuffe 70 und einer anderen Zwischenmuffe 74 befestigt, die eine über Zwischenmuffe 70 darübergeschobene Lippe 76 aufweist. Eine dritte Scheibe 78 ist zwischen Zwischenmuffe 74 und einem Außenrand 80 eines Speichenelementes 82 durch geeignetes Aufweiten befestigt. Speichen 84 erstrecken sich vom Außenrand 80 bis zu einer zentralen Scheibe 86 des Speichenelementes 82.

Die Scheiben 86, 78, 72 und 64 weisen je zentrale öffnungen 88, 90,92 und 94 auf, die entsprechend mit der Achse A durch das Zentrum der aerodynamischen Fenstervorrichtung 10 ausgerichtet sind. Das erlaubt den Durchgang des Laserausgangsstrahles in die Atmosphäre.

Eine in Fig.2 dargestellte Pumpe 96 ist mit einer Leitung 98 verbunden, die in einer öffnung 100 in Verbindung mit einem zwischen Innen- und Außengehäusc gebildeten ringförmigen Raum 102 befestigt ist. Eine Reihe von Löchern 104 an der Zwischenmuffe 70 verbinden den Raum zwischen den Scheiben 72 und 64 mit dem ringförmigen Raum 102. So geht ein erster Luftfluß von der Atmosphäre über die öffnung 94 und vom Inneren der Laserkammer über die öffnung 92 und die Locher 104 zum ringförmigen Raum 102 und von da zur Vakuumpumpe 96. Zusätzliches Gas fließt zur dritten Scheibe 78 durch die öffnung 90 und zusätzliche Löcher 106, um einen vorgewählten Druckunterschied entlang der Scheiben zu bilden, die den Druck innerhalb der Laserkammer 12 auf sub-atmosphärischem Niveau halten, aber trotzdem den Durchgang des Hochenergie-Laserstrahles durch das Öffnungssystem gestatten.

Da der Laserstrahl ein hohes Energieniveau aufweist, ist es notwendig, die Scheiben zu kühlen. Das wird durch umlaufende Nuten 108 am Umfang des Außenraumes 80, 110 der Zwischenmuffe 74 und 112 des Randabschnittes 68 bewerkstelligt. Um eine wirtschaftliche und einfache Herstellung zu erlauben, ist jede dieser Scheiben des Öffnungssystems mit einem radialen Schlitz versehen, der die umlaufenden Nuten 108, HO und 112 unterbricht Diese Schlitze sind mit Trennplatten 114 und 116 ausgefüllt, welche den ständigen Fluß des Kühlmittels in den Nuten verhindern. Eine Reihe von Einlassen 118 und Auslassen 120 sind an gegenüberliegenden Seiten der Trennplatten 114 und 116 in Verbindung mit den Nuten durch die Scheiben gebohrt Daraus ergibt sich ein Netzwerk von parallelen Kühldurchgängen, die sich fast um den Umfang der Scheiben erstrecken, in welchen sie gebildet werden. Die Nuten 108, 110 und 112 sind aufeinanderfolgend kleiner, um den kleineren Betrag der an diesem Punkt herrschenden Hitze wegzutransportieren. Diese Kühldurchginge erhalten Kühlflüssigkeit, wie Wasser, von den Einlassen 118 und entleeren die Kühlflüssigkeit in einen Auslaß 120. Mit dem Ende der Einlasse bzw. Auslässe 118 und 120 entsprechend verbundene Leitungen 124 sehen einen Fluß von geeigneter

ίο Kühlflüssigkeit zu der optischen Übertragungseinrichtung 62 und davon weg vor, und zwar in Form von mit den Enden der Leiiungen 124 verbundenen beweglichen Leitungen (nicht gezeigt).
Das Speichenelement 82 kann auch mit Thermoelementen 126 (von denen nur eines gezeigt ist) versehen werden, die Thermoelementdrähte 128 aufweisen, welche durch den ringförmigen Raum 102 und durch den Flansch 52 bei geeigneter Abdichtung 130 geführt sind, um die Thermoelemente 126 mit einer außen hegenden Anzeige- oder Steuervorrichtung zu verbinden.

Wenn der Hochenergie-Laser zu Beginn in Betrieb gesetzt wird, ist es notwendig, den Punkt der Konvergenz des Ausgangslasers auf einen bestimmten Punkt zu fokussieren, der entlang der Achse A der aerodynamischen Fenstervorrichtung 10 angeordnet ist Um dies zu bewerkstelligen, wird der Ring 38 gelöst, damit das Außengehäuse 14 in die öffnung 16 hinein oder ami ihr heraus geschoben werden kann, so daß der

jo Konvergenzpunkt genau ausgerichtet ist. Wenn das Außengehäuse ausgerichtet ist, wird der Ring 38 durch Anziehen der Schrauben 40 gegen den Flansch 20 gepreßt so daß der Federring 32 jegliche Bewegung des Außengehäuses verhindert und eine dichte Verbindung an dieser Stelle bewirkt Bei einjustiertem Konvergenzpunkt kann das Innengehäuse 54, mit der optischen Übertragungseinrichtung 62 der Scheiben und den Kühlleitungen und Thermoelementdrähten einfach durch Entfernung der Schrauben 56 und Zurückziehen des Innengehäuses 54 vom Inneren des Außengehäuses 14 entfernt werden, um eine Überprüfung und/oder eine Reparatur der Teile zu ermöglichen. Es ist dann möglich, einen Lucite-Block (Warenzeichen) oder ein Salzfenster innerhalb des Gehäuses 14 anzubringen, um Brennspuren des Laserstrahles zu bestimmen.

Wenn das Innengehäuse 54 wieder ersetzt ist ist der Konvergenzpunkt genau an dem vorgewählten Punkt, an dem er vor der Entfernung des Innengehäuses war. Dies ist ein augenscheinlicher Vorteil, da er die

so mühsame Arbeit des Ausrichtens des Divergenzpunktes bei jeder Zerlegung der aerodynamischen Vorrichtung ausschaltet Es ist zu bemerken, daß das Außengettäuse auch durch Entfernen der Schrauben 22 entfernt werden kann, so daß die gesamte Vorrichtung von der Laserkammer 12 entfernt werden kann. Da die Längsausrichtung des Außengehäuses schon bewerkstelligt und fixiert ist kann die Vorrichtung leicht wieder installiert werden, ohne diese genaue Ausrichtung zu stören.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

U Aerodynamische Fenstervorrichtung." fpr ^ein Gaslasersystem, welche in einem gasdicht mit einer Laserkammer verbundenen Außengehäuse eine Reihe untereinander beabstandeter Scheiben mit auf den auszukoppelnden Laserstrahl ausgerichteten zentralen öffnungen und mit von einer Pumpe evakuierten Zwischenräumen aufweist und welche den Durchgang eines Ausgangslaserstrahls an der to Außenseite der auf sub-atmosphärischem Druck gehaltenen Laserkammer gestattet, dadurch gekennzeichnet, daßdas Außengehäuse (14) rohrförmig ist und durch eine öffnung (16) der Laserkammer (12) in diese hineinragt, so daß sich ein erstes Ende (42) des Außengehäuses (14) innerhalb und ein zweites Ende (50) außerhalb der Laserkammer (12) befindet, daß eine um die öffnung (16) an der Laserkammer (12) lösbar montierte Ausrichtvorrichtung (18, 20, 22, 32, 34, 36, 38, 40) zur justierbartnLängsrichtungdes Außengehäuses(14) in bezug auf die öffnung vorgesehen ist, daß ein Innengehäuse (54) mit einem ersten und zweiten Ende, die den ersten und zweiten Enden des Außengehäuses (14) entsprechend zugeordnet sind, teleskopartig in das Außengehäuse (14) hineinragt, wobei zwischen Innengehäuia (54) und Außengehäuse (14) ein ringförmiger Raum (102) gebildet wird, daß eine Montagevorrichtung (50, 52, 56, 58, 60) zum lösbaren Befestigen des zweiten Endes des Innengehäuses (54) am zweiten Ende (50) des AußengehäL. 25 (14) vorgesehen ist, und daß am ersten Ende des Innenßehäuse« (54) eine Einrichtung (62, 70, 76) befestigt ist, weiche die auf den Laserstrahl ausgerichtete!: Schaben (84, 78, 72,64) enthält und zusammen mit dem Innengehäuse als ein Bauteil austauschbar ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die justierbare Ausrichtvorrichtung (18,20,22,32,34,36,38,40) für das Außengehäuse <° (14) einen Federring (32) enthält, der auf einer Seite durch eine erste im Hinblick auf die Laserkammer (12) um die öffnung (16) durch die das Außengehäu se (14) sich erstreckt, abgeschrägte Oberfläche (34) und auf der anderen Seite durch eine zweite abgeschrägte, an einem lösbaren Ring (38) mit der Kammer verbundene Oberfläche (36) eingezwängt wird, so daß sich der Federring (38) ausdehnt, wenn er gegen die Laserkammer gespannt wird, um das Außengehäuse (14) in bezug auf die Laserkammer ^M (12) festzuhalten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (14) mit einer Einrichtung (98,100) zur Bildung eines Auslasses im Außengehäuse (14) zur Entleerung des ringförmigen Raumes (102) zwischen Innengehäuse (54) und Außengehäuse vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß das Innengehäuse (54) mindestens eine die eine Seite der ersten Scheibe (94) mit dem ^M ringförmigen Raum (102) verbindende öffnung (104) aufweist, wobei deren andere Seite zur Atmosphäre weist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserkammer (12) eine damit lösbar verbundene Muffe (18) mit einem der öffnung (16) der Kammer (12) entsprechenden Außendurchmesser und einem Innendurchmesser zur Aufnahme des AußengehlHses (14) aufweist, wobei die erste abgeschrägte Oberfläche (34) an dem außerhalb der Kammer, gelegenen Ende der Muffe gebildet wird und wobei der Ring (38) lösbar nn der Muffe montiert ist.