DE2357927C2

DE2357927C2 - Aufbau für einen optischen Hohlraum für einen Laser mit Spiegeln

Info

Publication number: DE2357927C2
Application number: DE2357927A
Authority: DE
Inventors: Richard Armas Andover Mass. Hella; Edward Valentine Rockport Mass. Locke; Jacob North Andover Mass. Zar
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1972-11-21
Filing date: 1973-11-20
Publication date: 1984-03-08
Also published as: FR2207371A1; JPS4984191A; GB1444404A; CH580343A5; FR2207371B1; CA993698A; IL43591A; JPS5922384B2; US3808553A; SE395796B; IL43591A0; DE2357927A1; IT997600B

Description

Die Erfindung betrifft einen Aufbau für einen optischen Hohlraum für einen Laser mit Spiegeln, die in räumlichem Abstand zueinander stehend die optische Achse des Lasers festlegen und an sich gegenüberliegenden Enden des optischen Hohlraums jeweils durch Endplaiten gehalten sind, die vier Abstandsstäbe aus einem Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten fest miteinander verbunden sind, wobei die Längsachsen der Abstandsstäbe im wesentlichen parallel zur optischen Achse verlaufen.

ίο Ein derartiger Aufbau für einen optischen Hohlraum für einen Laser mit Spiegeln ist aus der Zeitschrift »Proceedings of the IRE« 49 (1961), Nr. 12, Seiten 1954 und 1955, bekannt Bei diesem bekannten Aufbau für ^inen optischen Hohlraum für einen Laser mit Spiegeln

is sind die Spiegel mit Hilfe von Abstandsstäben aus Invar gehaltert Bei diesem bekannten Aufbau sind aber keinerlei Maßnahmen getroffen, um einer thermisch bedingten Ausdehnung der genannten Abstandsstäbe Rechnung zu tragen.

Aus der Zeitschrift »IEEE Journal of Quantum Electronics«, QE-3 (1967), Nr. 2, Seiten 66 bis 72, ist eine Konstruktion eines Argon-Lasers mit langer Lebensdauer bekannt, der für eine Energie in der Größenordnung von 50 mW ausgelegt ist, wobei aber die dabei entstehende bzw. abgestrahlte Hitze so gering ist, daß sie direkt in den umgebenden Raum des Aufbaus abgestrahlt werden kann und sich eine nachteilige Wirkung der abgestrahlten Hitze nicht nennenswert auswirken kann. Bei einer größeren Ausgangsleistung

jo beispielsweise in der Größenordnung von 5 W wird gemäß einer Ausführungsform die abgestrahlte Hitze mit Hilfe von wassergekühlten Platten abgeführt

Aus der DE-AS 16 14 585 ist ein optischer Sender oder Verstärker (laser) mit thermisch stabilem Aufbau

J5 bekannt, bei dem Resonatorspiegel sowie das stimulierbare Medium von einer Halterung aus gut wärmeleitendem Material justiert innerhalb eines ebenfalls gut wärmeleitenden Gehäuses gRtraget sind. Das wesentliche dieser bekannten Konstruktion besteht darin, daß

•to Teilstücke der Halterung, soweit sie symmetrisch zur optischen Achse verlaufen, wenigstens teilweise mit einem wärmedämmenden Material umhüllt sind und asymmetrisch zur optischen Achse erzeugte Wärme über einen Wärmeschild wenigstens angenähert rota-

•»5 tionssymmetrisch isotrop zur optischen Achse zum Gehäuse abgeleitet wird. Die bei diesem bekannten Aufbau ebenfalls verwendeten Halterungsstäbe bestehen aus einem gut wärmeleitendem Material wie beispielsweise aus Aluminium, während das wärmedäm-

>o mende Material, welches auch die Halterungsstäbe umschließt, aus Polystyrol- oder Urethanschaum bestehen kann. Durch diese Umhüllungen wird erreicht, daß ein geringer Temperaturgradient zwischen den Halterungsstäben auftritt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, den Aufbau für einen optischen Hohlraum der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß trotz stark unterschiedlicher Temperaturbedingungen innerhalb und um den Laser herum zuverlässig eine

so genaue Justierung der Spiegel an den Enden eines optischen Hohlraumes in einem Laser aufrechterhalten werden kann.

Ausgehend von dem Aufbau für einen optischen Hohlraum der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Endplatten auf einem Stützaufbau abgestützt sind, der auf einem mechanischen Boden ruht und der eine Bewegung von nur einer der Endplatten gegenüber dem

mechanischen Boden in Richtung der optischen Achse in Abhängigkeit von irgendeiner einheitlichen Längsausdehnung oder Längskontraktion der Abstandsstäbe ermöglicht, und daß die Abstandsstäbe jeweils von einem Mantel umschlossen sind, der aus einem Material mit hoher Temperaturleitfähigkeit besteht und der thermisch mit einer Wärmeabführeinrichtung in Verbindung steht, daß jeder Mantel fest mit der einen Endplatte entsprechend dem einen Ende des Hohlraums verbunden ist und verschiebbar mit der Endplatte am anderen Ende des Hohlraums verbunden ist

Durch die erfindungsgemäße Konstruktion werden sowohl thermisch bedingte mechanische Spannungen in dem Aufbau des optischen Hohlraums als auch Veränderungen der Abmessungen des Hohlraums nahezu vollständig ausgeschaltet

Außerdem ist der Aufbau mit den Merkmalen nach der Erfindung auch selbstjustierend, so daß die Richtung der optischen Achse des LaserhohJraums sogar trotz longitudinaler Ausdehnung und Querausdehnung der Endplatten der Abstandsstäbe und auch des Stützaufbaus konstant bleibt Der Stützaufbau liegt ferner auf dem mechanischen Boden derart auf, daß es keine seitliche Veränderung des Stützaufbaus gibt, weiche eine seitliche Änderung der Lage der optischen Achse des Hohlraums im Hinblick auf den mechanischen Boden ergeben würde.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht des optischen Hohlraumes eines Strömungsgas-Lasers, welche den Stützaufbau und den Mantel zeigt,

F i g. 2 eine Endansicht des gleichen Strömungsgas-Lasers, betrachtet in einer Richtung parallel zur Achse des optischen Hohlraumes, mit dem Stützaufbau, dem Gasleitsystem und dem Energiesystem zur Anregung des Lasers.

Fig.3 eine Seitenansicht des optischen Hohlraumaufbaues, der hier als optischer Panzerschrank bezeichnet wird, i" nd einen Abschnitt des Svltzaufbaus. auf dem der optische Panzerschrank ruht,

Fig.4 eine schematische mechanische Darstellung des optischen Panzerschrankes, der in übertriebener Darstellung die Verzeihung θ zeigt, wenn sich die Abstandsstäbe zu verschiedenen Längen ausdehnen,

F i g. 5 eine Draufsicht des optischen Panzerschrankes, der die Konsolen zeigt, die durch den Stützaufbau gestützt werden, auf welchem die Endplatten des Panzerschrankes aufliegen,

F i g. 6 und 7 Seitenansichten des optischen Panzerschrankes, welche Details der Konsolenstruktur zeigen, die mit den Stützaufbauten in Verbindung stehen, auf weichen der optische Panzerschrank aufliegt,

F i g. 8 eine teilweise Seitenansicht des Strömungsgaslasers aus der gleichen Blickrichtung wie in Pig. I, die einige Details des Dreipunkt-Stützaufbaues zeigt, der den optischen Panzerschrank vom mechanischen Boden her stützt,

Fig.9 eine Seitenansicht des anderen Endes des Strömungsgaslasers aus der in F i g. 1 gezeigten Blickrichtung, welche ύπ andere Ende des Stützaufbaues zeigt,

Fig. 10, 11 und 12 Details der drei Stützpunkte des Stützaufbaues vom mecf mischen Boden weg.

Fig. 13 eine schematische Draufsicht des Dreipunkt-Stützaufbaues, der die erlaubten Relativbewegungen der Stützpunkte in bezug auf den mechanischen Boden zeigt und

Fig. 14 ein Diagramm des Dejustierwinkels Θ, in Mikroradian, gegen die Temperaturdifferenz zwischen der Leitungswand für das Sinkgas, wo das strömende Gas den optischen Hohlraum verläßt und der Leitungswand für das Steiggas, bei einer Vielzahl von Aufbaubedingungen.

In den F i g. 1 und 2 ist ein Hochenergie-Strömungsgas-Lasergerät dargestellt um als Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung den optischen Hohlraum, der hier mit optischer Panzerschrank bezeichnet wird, ι einschließlich dessen Stützaufbauten des Gasströmungssystems, um einen kontinuierlichen Strom der Gasmischung zum Laserhohlraum vorzusehen, und des Kollisystems für die Temperaturschutz-Abstandsstäbe im optischen Panzerraum zu zeiger.,
ι Das in den Figuren dargestellte Aurführungsbeispiel sieht ein abgedichtetes Gehäuse für den optischen Panzerschrank, den Stützaufbau und das Gasströrnungssystem vor. Der anregende Elektronenstrahl wird durch eine öffnung dieses Gehäuses in den optischen Hohlraum geführt und der erzeugte Laserstrahl wird durch ein Fenster des Gehäuses aus dem optischen Hohlraum herausgelenkt Einige Vorteile, den Aufbau in dieser Weise zu umhüllen, werden hier diskutiert.

In F i g. 1 ist eine Seitenansicht des Gehäuses 1 gezeigt das den optischen Panzerschrank auf dem Stützaufbau 3 enthält, der am Boden des Gehäuses aufliegt hier als mechanischer Boden 4 bezeichnet. Das Gaströmungssystem 5 ist ebenso wie das Flüssigkeitskühlsystem 6 zum Kühlen der Abstandsstäbe innerhalb des optischen Panzerschranks im Gehäuse enthalten.

Gemäß Fig.2 ist das Gehäuse 1 an beiden Enden offen. Diese Enden sind durch Vorder- und Rückwände 7 bzw. 8 dicht verschlossen. Das Elektronenstrahlsystem 9 ht an der Vorderwand befestigt und enhält ein außenliegendes Teil 11 auf der Außenseite der Wand und ein innenliegendes Teil 12 an der Innenseite der Wand. Das innenliegende Teil 12 des Elektronenstrahlsystems führt einen Elektronenstrahl g^gen Gitteraufbauten 14 bzw. 15. die an jeder Seite der optischen Achse 20 des optischen Hohlraumes angeordnet sind, welcher durch den optischen Panzerschrank 2 gehalten ist. Die Rückwand 8 sieht einen Zugang zum rückwärtigen Teil des Gehäuses vor, das hauptsächlich durch die Leitung 16 des Gasströmungssystems 5 eingenommen wird. Diese Leitung enthält die Einlcßgasleitung 17 und die Auslaßgasleitung 18, die die Ljsergdsmischung in den optischen Laserhohlraum und daraus heraus führen. Der Gasstrom wird innerhalb des optischen Hohlraumes durch eine Wand i\> außerhalb des Gitteraufbaus 15 und durch eine Folienwand 21 gehalten, die vom Strahl durchdrungen wird und außerhalb des G'tteraufbaus 14 angeordnet ist. Ein Gasgebläse 22 ist in der Leitung angeordnet, um einen stetigen gleichmäßigen Strom des Läsefgäses durch den optischen Hohlraum während des Seirieoes des Lasersystems zu gewährleisten.

Bei einem Strömungsgaslaser, der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Art w'rd das strömende Gas im optischen Hohlraum durch einen Elektronenstrahl durchstrahlt, um eine Volumenverteilung von Sekundärelektronen im gasförmigen Medium des optischen Hohlraumes zu erzeugen, so daß die elektrische Entladung zwischen den Elektroden, die so angeordnet sind, daß die

Entladung im optischen Hohlraum stattfindet, gesteuert wird. So tritt die elektrische Entladung durch ein elektrisches Stützfeld längs der Hohlraumachse auf, und diese Entladung wird durch die Volumenverteilung von Sekundärelektronen im Gas gesteuert, die umgekehrt durch den durchstrahlenden Elektronenstrahl gesteuert wird. So wird die Entladung, welche die Umkehr der Energie-Häufigkeitsverteilung in den Gasmolekülen und Atomen bewirkt, gesteuert und ist über die ganze Länge des optischen Hohlraumes sowohl in der Dichte als auch in der Temperatur sehr gleichförmig. Dieses Gerät und dieses Verfahren, eine gesteuerte Entladung im gasförmigen Medium zu erzeugen, ist beim hier beschriebenen und in F i g. 1 und 2 gezeigten Laseroszillator und ebenso bei einem Laserverstärker, der manchmal Hauptoszillator-Energieverstärker genannt ■ wird, sehr nützüch. wci! beide einen optischen HOhIi^-?"") von der Art enthalten, wie er durch die in diesen Figuren gezeigten optischen Panzerschrank 2 vorgesehen ist.

Der optische Panzerschrank oder Laserhohlraum-Aufbau 2 ist in größerem Maßstab in F i g. 3 dargestellt. Die Abmessungen des optischen Hohlraumes für den Hochenergie-Strömungsgaslaser sind relativ groß. Beispielsweise hat ein CO2—N2—He-Gasmischungslaser dieser Art, der 10 kW oder mehr an kontinuierlicher Ausgangsstrahlung bei 10,6 μπι Wellenlänge erzeugt, einen optischen Hohlraum von ca. l'/jm Länge. Der Betrag der Hitze, der beim Betrieb eines derartigen Hochenergie-Lasers auftritt, verursacht viele Probleme und darunter die Einflüsse dieser Hitze auf die Teile, die den optischen Hohlraum bilden und die den optischen Hohlraum stützen. Die Wärmeausdehnungen und -zusammenziehungen der Teile, die die optischen Hohlraumspiegel halten, verändern den Justierwinkel der Spiegel, die den Hohlraum bilden, und verursachen einen Verzerrungswinke! θ und verändern die Richtung und die Stellung der Achse des Hohlraumes in bezug auf den mechanischen Bezugspunkt oder Boden.

Der hier beschriebene optische Hohlraum oder Panzerschrank enthält zwei Endplatten 25 und 26, die durch vier Abstandsstäbe starr miteinander verbunden sind, und zwar die zwei oberen Abstandsstäbe 27 und 28 und die zwei unteren Abstandsstäbe 29 und 30. Die Abständsstäbe 28 und 30 werden in Fi g. 3 durch Stäbe 27 bzw. 29 überdeckt. Sie sind in F i g. 2 und 9 gezeigt. Jede der Endplatten 25 und 26 enthält eine axiale öffnung 25a bzw. 26a längs der optischen Achse 20 des Lasers, und jede trägt einen Spiegel oder mehrere Spiegel längs dh-ser Achse. Beispielsweise kann die Platte 25 einen einzelnen Spiegel 32 tragen, der an eine Spiegelplatte 33 fixiert ist, welche an drei Punkten der Platte von der Endplatte 25 aus unterstützt wird. Die Spiegelplatte 33 ist an einer Drehachse 35 drehbar gelagert und an zwei anderen Punkten durch Stellmotoren 36 und 37 für die Spiegelplatte gelagert. Diese Motoren werden auf der Endplatte getragen und justieren die Neigung der Spiegelplatte 33, wobei die Neigung des Spiegels 32 im Hinblick auf die Achse 20 des Hohlraumes justiert wird.

Die andere, durch Abstandsstäbe 27 bis 30 starr mit der Endplatte 25 verbunden, kann zwei Spiegel tragen, einen innenliegenden Spiegel 38, der zusammen mit dem Spiegel 32 den optischen Hohlraum bildet, und einen außenliegenden Spiegel 39, der die Laserstrahlung aus dem optischen Hohlraum durch eine in der Endplatte 25 angeordnete Öffnung einem aerodynamischen Fenstersystem 40 vor bekannter Bauart zuführt, das an der Wand des Gehäuses ί gerade jenseits der Endplatte 25 befestigt ist.

Jeder der beiden Spiegel 38 und 39 ist im Hinblick auf die Achse 20 auf gleiche Weise wie der Spiegel 32 abgewinkelt; d. h., jeder wird durch eine Platte, die an der Drehachse vorgesehen ist, und zwei variable Punkte gehalten, wobei die variablen Punkte durch Motoren verändert werden, die an der Endplatte 26 befestigt sind und wobei der Drehpunkt durch eine Drehverbindung bewirkt wird, die ebenfalls an der Endplatte 26 befestigt ist. Zu diesem Zweck ist der Spiegel 38 an einer Spiegelplatte 42 befestigt, die an einem Drehpunkt 43 und an Stellmotoren gelagert ist, welche an der Endplatte 26 getragen werden. In ähnlicher Weise wird der Spiegel 39 an einer Spiegelplatte 46 befestigt, die an einem Drehpunkt 47 und an Stellmotoren gelagert ist. welche an der Endplatte 26 getragen werden. So ist der Justierwinkel jedes der drei Spiegel im Hinblick auf die Hohlraumachse 20 einstellbar. Diese Spiegel sind so geformt, daß bei richtiger Justierung die gesamte Laserstrahlung vom Spiegel 32 zum Spiegel 39 reflektiert wird, der diese Laserstrahlung am zentralen Punkt im aerodynamischen Fenstersystem 40 zur Verwendung außerhalb des Gehäuses 1 fokussiert. Die Motorsteuerungen auf der Spiegelplatte 46, die den Spiegel 39 trägt, zentrieren den Ausgangslaserstrahl im aerodyramischen Fenstersystem 40, und diese Motoren können ferngesteuert werden, wobei sie auf Detektoren im aerodynamischen Fenster ansprechen, um das Zentrieren zu bewirken.

Das oben beschriebene und in F i g. 3 gezeigte optische System für einen Laser-Hohlraum oder -Panzerschrank ist aber nur ein Beispiel einer Anordnung von Spiegeln und Mechanismen zur Einstellung der Spiegel, die alle an den Endplatten 25 und 26 getragen werden. Selbstverständlich können andere Anordnungen von Spiegein und Mechanismen zur Einstellung der Spiegel, die alle an den Endplatten getragen werden, verwendet werden — abhängig von der beabsichtigten Verwendung der Laserstrahlung, des gasförmigen Mediums und der Art und Weise der Laseranregung. Das hier beschriebene optische System ist lediglich in Form eines Beispieles beschrieben, und andere optische Systeme und Steuerungen könnten durch Fachleute in gleicher Weise eingesetzt werden.

Die Hauptmerkmale der vorliegenden Beschreibung beziehen sich nicht auf das optische System selbst, sondern auf den Panzerschrank, der die Endplatten 25 und 26 sowie Abstandsstäbe 27 bis 30 enthält, welche diese Endplatten starr verbinden, und au' den Stützaufbau 3, der all dies am mechanischen Bezugspunkt oder Boden 4 trägt, der der Untergrund des Gehäuses 1 ist

Im Idealfall sollen die Abstandsstäbe 27 bis 30 aus einem Material gemacht werden, das einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und ein guter Wärmeleiter ist Mit diesen beiden Eigenschaften würde sich jeder Abstandsstab sehr rasch bei einer konstanten gleichförmigen Temperatur stabilisieren, und die Ausdehnung oder Zusammenziehung jedes Stabes infolge von Temperaturschwankungen würde ein Minimum sein. Selbstverständlich können diese beiden Eigenschaften niedrigere Temperatur. Ausdehnung und hohe Leitfähigkeit nicht in einem einzigen Material gefunden werden. Beispielsweise gibt es in der Kategorie der Materialien mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten den Ivarstahl, der einen relativ niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, aber auch eine ziemlich niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist

Falls daher sowohl die Endplatten als auch die Abstandsstäbe aus Invarstahl gemacht sind, werden beim optischen Panzerschrank Ausdehnungen entsprechend kleiner Temperaturunterschiede verbleiben. Wenn jedoch ein aus Invarstahl gemachter Teil des Parvjrschrankes durch die Strahlung von einem benachbarten heißen Element erhitzt würde oder durch das fließende Gas wesentlich stärker erhitzt würde als andere Teile des Panzerschrankes, so wurden sich aus der niedrigen Temperaturleitfähigkeit von Invarslahl eventuell große Temperaturdifferenzen ergeben. Wenn jedoch andererseits ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer benützt würde, so würde der Temperaturunterschied von einem Punkt zum anderen Punkt des optischen Panzerschrankes sehr klein sein, aber die hohe Wärmeausdehnung von Kupfer schon bei kleinen Temperaturunterschieden würde eine beträchtliche Verzerrung des Panzerschrankes bewirken. Infolgedessen ist der hier beschriebene optische Panzerschrank so konstruiert, daß er die erwünschten Eigenschaften eines Materials wie Invarstahl, das eine niedrige Wärmeausdehnung aufweist, und eines Materials wie Kupfer, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, kombiniert.

Der Aufbau des optischen Panzerschrankes ist im Prinzip in F i g. 3 gezeigt Hier sind die Abstandsstäbe 27 bis 30 aus einem Material wie Invarstahl gemacht, der sehr niedrige Wärmeausdehnung aufweist. Die Stäbe 27 bis 30 sind in einem Kupfermantel 51 bis 54 eingeschlossen, und jeder Schutz ist fest einer einzigen der Endplatten 25 oder 26 angefügt. Es ist zweckmäßig, alle Mäntel durch Befestigen von Flanschen 55 bis 58 an den Enden jedes der Mäntel 51 bis 54 durch Befestigungsschrauben 59 direkt an der Endplatte 25 zu befestigen. Das andere Ende jedes Mantels wird mit einem Flansch ausgestattet, der an der Endplatte 26 gleitend gelagert ist, so daß Längenausdehnungen der Mantel in keiner Weise irgendwelche mechanische Kräfte oder Zusammenziehungen zwischen den Endplatten 25 und 26 verursachen, so daß das Ausrichten der Endplatten im Hinblick zueinander durch die Abstandsstäbe völlig bestimmt ist. Die Flansche 61 bis 64 an den Enden der Mantel 51 bis 54 sind so ausgebildet, daß sie an Befestigungsbolzen 65 gleiten, welche an der Endplatte 26 befestigt sind, und so sind die Mantel gelagert und können sich frei ausdehnen oder zusammenziehen, ohne den Panzerschrank zu verzerren.

Zusätzliche Schilde können für die Endplatten 25 und 26 vorgesehen werden, um diese Platten vor der Hochtemperatur-Fläche des Lasers zu schützen, die sich gewöhnlich längs der optischen Achse 20 des Lasers erstreckt Zu diesem Zwecke sind Kupferschilde 66 und 67 vorgesehen, um im wesentlichen die Oberflächen der Endplatten abzudecken, die dem optischen Hohlraum ausgesetzt sind. Die Endplattenschilde 66 und 67 können an den Flanschen an den Enden der Mantel 51 bis 54 getragen werden, welche die Abstandsstäbe umschließen, und jedes Endplattenschild hat eine genügend große öffnung längs der Achse 20, um nicht die Strahlung zwischen den Spiegeln zu blockieren, die an den Endplatten getragen werden. So sind die Hochtemperaturflächen des Lasers ebenso wie Teile des Panzerschrankes, die der Hitze aus den Leitungen, durch welche das gasförmige Lasermedium fließt, ausgesetzt sind, sämtlich durch Kupfer abgeschirmt, um den Temperaturgradienten zu einem Minimum zu bringen.

Die Mantel 51 bis 54, welche die Abstandsstäbe umschließen, sind zusätzlich durch ein flüssiges Kühlmittel gekühlt, das in Kühlröhren herangeführt wird, die jedem Mantel beigefügt sind. Zwei dieser Kühlrohre sind in Fig.3 gezeigt. Ein Kühlrohr 71 ist dem Mantel 51 und ein anderes Kühlrohr 73 ist dem Mantel 53 beigefügt. Die Enden dieser Rohre 71a und 71 b sowie 73a und 736 sind mit dem Kühl-Eingang und -Ausgang durch Vielfachanschlüsse 75 bzw. 76 verbunden, die

ίο innerhalb des Lasergehäuses 1 angeordnet sind. Die Röhren 77 und 78 erstrecken sich von diesen Vielfachanschlüssen durch die Gehäusewand zur Verbindung mit einer Kühlpumpe und einer Quelle der Kühlflüssigkeit. Der Eingangsfluß des Kühlmittels durch jede der Rohrschlangen 71 bis 74 in Verbindung mit den Mänteln 51 bis 54 ist vorzugsweise an den gleichen Enden der Mantel, so daß der Abschwächuneseffekt des Kühlmittels längs des Mantels bei allen Mänteln in der gleichen Richtung in gleicher Weise wirkt. Natürlich neigt die Kühlflüssigkeit dazu, die Temperatur der Abstandsstab-Mäntel 51 bis 54 und ebenfalls die Temperaturen der Schilde 66 und 67, die in direktem Wärmekontakt mit den Mänteln sind, zu stabilisieren, und so ist in der Wirkung die ganze Kupferabschirmung an der Innenseite des optischen Panzerschrankes flüssigkeitsgekühlt.

Im Betrieb wird die Temperatur der ganzen Kupferabschirmung völlig gleich und so auch die Temperatur der Endplatten 25 und 26 und der Abstandsstäbe 27 bis 30, und zwar trotz des beträchtlichen Temperaturunterschieds zwischen dem eintretenden und dem verlassenden Lasergas-Medium. Falls die Abstandsstäbe und die Endplatten alle aus Invarstahl oder irgendwelchem anderen Material mit niedriger

J5 Wärmeausdehnung gemacht werden, wird eine minir~a-Ie Ausdehnung dieser Teile eintreten und daher eine minimale Dejustierung des Winkels θ der Spiegel, die an den Endplatten getragen werden.

Der Verzerrungsparameter θ wird in F i g. 4 gezeigi, die eine vereinfachte Darstellung des optischen Panzerschrankes ohne Mäntel darstellt, von der Seite betrachtet. Das Lasergas-Medium fließt in der Leitung, die durch Wände 19 und 21 (Fig. 2) im optischen Panzerschrank gebildet sind, in Richtung des Pfeiles 80,

und so sind die Wände dieser Leitung, die unmittelbar an den oberen zwei Stäben 27 und 28 anliegen, auf wesentlich höhere Temperatur als die Wände dieser Leitung, die unmittelbar an den unteren zwei Abstandsstäben 29 und 30 anliegen. Infolgedessen gibt es eine ungleiche Ausdehnung der Abstandsstäbe, die Länge L der oberen Stäbe 27 und 28 wächst um einen Betrag Δ L an und als Ergebnis der größeren Ausdehnung dieser oberen zwei Abstandsstäbe tritt eine Dejustierung des Winkels θ der Spiegel auf. welche den optischen Hohlraum bilden. Die Größe dieser Dejustierung ist

AL D

aber

AL = LaA T₂

deshalb

wobei a der Ausdehnungskoeffizient der Invar-Stäbe ist

und Δ 7*2 = 7~2 — To ist, wobei 7ο die Temperatur der Endplatten 25 und 26 und Γ2 die Temperatur der oberen zwei Stäbe 27 und 28 sind.

Die Größe von T2 kann durch Gleichsetzen der Energie, die de.i Stäben von den heißen Wänden der Gasleitung zugestrahlt werden, mit der Energie, die aus den Stäben an die Endplatten gemäß Δ Ti zwischen den Stäben und den Endplatten zugeführt werden, abgeschätzt werden.

Die vom Leitungsnetz auf die Stäbe ausgestrahlte Energie ist

P_1n =

-T})dL

(3)

wobei T₁ die Temperatur der Gasleitung ist, die unmit telbar an den oberen zwei Stäben 27, und 28 anliegt wobei e, und f} die Emissionen der Wand bzw. des Sta oCS Siriu, utiu WGuC! ö uiC οΐΰρπαΓίΌϋιιΖΓΠίίΠΠ

stante ist.
Die von den Stäben verlorene Energie ist

(4)

wobei k die Wärmeleitfähigkeit der Stäbe ist.

Eine Gleichgewichtsbedingung ist erreicht, wenn der Stab genügend heiß ist, um soviel Hitze abzuführen, wie er selber bekommt. Deshalb

e_le₁o(T?-Tf)dL

IkU¹AT-,

(5)

Die Lösung dieser Gleichung unter der Annahme, daß sowohl A Tals auch A T₂ klein sind im Vergleich mit Tu, ergibt

AT, =

2 a Tq (IL f| <^

AT,.

(6)

Das Einsetzen von Gleichung (6) in Gleichung (2) und das Auflösen nach C\ bie e_> = 1, und geeigneten Laserbedingungen. beispielsweise (L = 150 cm, d = 5 cm) und mit den Konstanten für Invar (k = 0.5 w/ cm"C und a = 10 VC) gibt die in der graphischen Darstellung von Fig. 14 gezeigte Gerade, weiche mit »Invarabstandsstäben (kein Temperaturschild)« bezeichnet ist. Man ersieht daraus für eine Wandtemperatur der Gasleitung von ungefähr 50^cC. daß der Dejustierwinkel θ erheblich die erlaubte Dejustiergrenze überschreitet, die empirisch für den Laser gefunden wurde und durch die mit »kritischer Justiergrenze« bezeichnete Gerade dargestellt ist. Es ist tatsächlich beobachtet worden, daß die Ausgangsenergie aus diesem Laser ohne Mantel oder Schilder an den Stäben abzunehmen beginnt, nachdem die Wände heiß wurden.

Falls die Stäbe anstelle von Invar aus Kupfer gemacht würden, so würde die Dejustierung viel schlimmer sein, wie aus F i g. 14 zu ersehen ist Falls jedoch Kupfermäntel um die Invarstäbe angeordnet sind, zeigt eine ähnliche Analyse, daß die Invartemperatur lediglich um

AT₂

ATj

erhöht wird, wobei d die Wandstärke der Kupfermäntel ist.

Die sich ergebende verringerte Verzerrung kann aus Fig. 14 durch die Gerade »Invarabstandsstäbe mit wassergekühltem Kupferschild« ersehen werden. Ein nach der vorliegenden Beschreibung konstruierter und gelagerter Aufbau wird bei Gleichgewichtsbedingungen arbeiten, die sich bei Wandtemperaturen der Gasleitung über 100⁰C ergeben können, und der Betrieb über einige Stunden hinweg bei diesen Bedingungen hat keine Abnahme der Laserausgangsenergie zur Folge.

In den Fig.5 bis 13 sind verschiedene Details des Stützaufbaus 3 gezeigt, der den optischen Panzerschrank 2 vom mechanischen Boden 4 am Untergrund - 15 des Gehäuses 1 stützt. Die Endplatten 25 und 26 des optischen Panzerschrankes liegen auf Stützkonsolcn 91 bis 93 auf, und so ist der Panzerschrank an drei Punkten uncersiüizi. Der Siützaufbau 3 berührt auch den mechanischen Boden 4 und ist am mechanischen Boden

jo 4 an drei Punkten 94 bis % unterstützt, welche im Detail im Hinblick auf die F i g. 9 bis 13 beschrieben sind.

Wie aus den Fig.5 bis 7 zu ersehen, sind die Stützkonsolen 91 bis 93 abgerundete pilzförmige Stahlkonsolen, von denen jede eine entsprechende

_>=> speziell geformte Nut oder einen Kanal am Boden jeder Endplatte berührt. Die zwei Konsolen 91 und 92 sind mit einem Zwischenraum auf der Platte 101 angeordnet, die mit dem oberen Teil des Auflagers 102 des Stützaufbaues 3 fest verbunden ist. Die Höhe der Konsolen ist durch

κι die Schraubverbindung der Konsolenachsen 103, 104 mit den Schraubenmuttern 105 und 106, die an die Platte 101 starr befestigt sind, einstellbar. In gleicher Weise ist die Konsole 93 der Platte 107 am oberen Teil des Auflagers 108 des Stüizaufbaues 3 fest verbunden, und

Γ) die Höhe dieser Konsole ist durch die Schraubenverbindung der Konsolenachse 109 mit einer m>! der Platte 107 fest verbundenen Schraubenmutter 110 einstellbar.

Die abgerundeten Oberflachen der Konsolen 91 und 92 stehen mit den abgewinkelten Nuten 111 und 112 am

ι» Boden der Endplatte 25 im Eingriff. Das · bgerundete Ende der Konsole 93 berührt eine ähnliche Nut 113 am Boden der Endplatte 26. |ede der Nuten wie Nut 113 enthält zwei abgeschrägte Oberflächen 114 und 115, die von dem abgerundeten Ende der Konsole berührt

4> werden und so berührt jede Konsole ihre beigeordnete Nut an zwei Punkten der Nut.

Die abgeschrägten Nuten 111 und 112 sind längs der Linien 116 und 117 ausgerichtet, welche die senkrechte Ebene durch die Achse 20 des Lasers am gleichen Punkt und einem Kreuzungspunkt, der vorzugsweise zwischen zwei Endplatten 25 und 26 liegt, schneiden. Der Winkel jeder dieser Linien mit jener Ebene wird mit λ bezeichnet Die Richtung der Nut 113 am Boden der Platte 26 liegt in der gleichen Ebene und ist mit der optischen Achse 20 des Laserhohlraumes parallel.

Wenn wir uns für einen Augenblick vorstellen, daß die drei Konsolen 91 bis 93 im Hinblick auf den mechanischen Boden 4 fest sind, dann funktionieren die Nuten und die Konsolen zum Stützen des Panzerschrankes wie folgt. Irgendeine Ausdehnung der Abstandsstäbe 27 bis 30 verursacht, daß die Endplatte 26 längs der Achse 20 auf der Konsole 23 gleitet und so bleibt die optische Achse 20 des Hohlraumes längs des gleichen Strahls im Hinblick auf die Konsolen und den

b5 mechanischen Boden. Eine Querausdehnung der Endplatte 26 beeinflußt in keiner Weise diese Bedingung. Eine Querausdehnung der Endplatte 25 verursacht ein Anwachsen des Abstandes zwischen den Nuten 111 und

112. Dies? Änderung des Abstandes zwischen den Nuten versetzt aber nicht die Justierung der Platte 25 zur optischen Achse 20, weil die Nuten, wie gezeigt, in gleicher Weise abgewinkelt sind. Die abgewinkelten Nuten verursachen, daß sich die Endplatte 25 längs der Achse 20 bewegt, wobei sie auf eine Querausdehnung derselben anspricht, und diese Bewegung längs der Achse 20 wird nicht von irgendeiner Drehung der Endplatte 25 begleitet. So wird eine Dreipunktunterstützung des optischen Panzerschrankes 2 am Stützaufbau 3 gewährleistet von der Art, daß weder gleichförmige Längs- noch Querausdehnungen der Teile des optischen Panzerschrankes in einer Änderung der Richtung oder der seitlichen Versetzung der optischen Achse 20 im Hinblick auf die Konsolen resultieren. Insbesondere ändern diese Ausdehnungen und Zusammenziehungen nicht die Richtung oder die Lage der optischen Achse 20 in bezug auf die Stützkonsole 91 bis 93. Ungleiche LängsausdeSnungen der Abstandsstäbe hiben jedoch einen Dejustierwinkel θ zur Folge, wie bereits oben beschrieben und erklärt, im Hinblick auf die F i g. 3 und 4. Diese Dejusticrung wird jedoch auf ein Minimum reduziert.

Der Stützaufbau 3, der die drei Konsolen auf Auflagen 102 und 108 trägt, wie bereits beschrieben, enthält ein massives, longitudinal Stützglied 121, wie in den F i g. 1, 2, 9 und 13 gezeigt, das die zwei Auflager starr verbindet. Die dem Boden des Auflagers 102 beigefügte Grundplatte 122 ist mit Stützpunkten 94 und 95 verbunden, die den Aufbau 3 vom mechanischen Boden 4 her unterstützen. Eine andere Grundplatte 123, die dem Boden des Auflagers 108 beigefügt ist, ist mit dem anderen Stützpunkt 96 verbunden. Diese Stützpunkte sind auch in dem Diagramm von Fig. 13 dargestellt.

Die Stützpunkte 94 bis 96 für den Aufbau 3 sind in vergrößertem Maßstab in den Fig. 10 bis 12 gezeigt. Die Berührung mit dem mechanischen Boden wird an jedem dieser Stützpunkte durch eine Stahlkugel hergestellt. An einem Punkt 94 ist sowohl die longitudinale als auch die Querbewegung des Aufbaues 3 im Hinblick auf den mechanischen Boden 4 verändert, weil die Kugel in keiner dieser drei Richtungen rollen kann. Andererseits kann die Kugel am Punkt 95 in seitlicher Richtung laufen, und die Kugel am Punkt % kann in Längsrichtung laufen. Diese Bedingungen sind in Fig. 13 dargestellt. Wie in Fig.'.0 gezeigt, ist die Kugel 125 zwischen Vertiefungen in den der Aufliger-Grundplatte 122 und dem mechanischen Boden 4 angefügten Konsolen 128 und 129 gefangen. Wie in Fig. 12 gezeigt, ist die Kugel 131 am Stützpunkt % in Längsnuten 132 und 133 der Konsolen 134 und 135 enthalten, welche an der Auflager-Grundplatte 123 und am mechanischen Boden 4 befestigt sind. In ähnlicher Weise rollt am Punkt 95 die Kugel 136 in Quernuten 137 und 138 der Konsolen 139 und 140, welche der Grundplatte 122 und dem mechanischen Boden 4 angefügt sind.

Die Arbeitsweise und die Vorteile des Stützaufbaus 3

und der Stützpunkte vom mechanischen Boden können aus Fig. 13 ersehen werden. Irgendwelche Ausdehnung oder Zusammenziehung des massiven Aufbaugliedes 121, welches die Auflager verbindet, bewegt nur das Auflager 108 in Längsrichtung in bezug auf den mechanischen Boden und dies verursacht, daß die Stützkonsole 93 sich innerhalb der Nut am Boden der Endplatte 26 bewegt, ohne die Endplatte zu bewegen oder den optischen Panzerschrank zu stören. Diese Längsausdehnung des Gliedes 121 verursacht weder eine Drehung noch eine Verzerrung des Stützaufbaues 3, weil die Ausdehnung nicht festgestellt wird. Eine Querausdehnung des Auflagers 102 und der Platte 101 am oberen Teil dieses Auflagers, welche eine Bewegung der Konsolen 91 und 92 voneinander weg bewirken, verursacht, daß der ganze optische Panzerschrank sich leicht längs der Achse 20 gemäß der winkelmäßigen Ausrichtung der Nuten am Boden der Endplatte 25 bewegt, in weichern diese Konsolen reiten. Eine Querausdehnung der Auflager-Grundplatte 122 am Boden des Auflagers 102 wird am Stützpunkt 95 erlaubt, und so werden jene Ausdehnungen abgestellt, ohne die Lage des Auflagers 102 in Querrichtung hinsichtlich dem mechanischen Boden zu verändern.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Aufbau für einen optischen Hohlraum für einen Laser mit Spiegeln, die in räumlichem Abstand zueinander stehend die optische Achse des Lasers festlegen und an sich gegenüberliegenden Enden des optischen Hohlraums jeweils durch Endplatten gehaltert sind, die über vier Abstandsstäbe aus einem Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten fest miteinander verbunden sind, wobei die Längsachsen der Abstandsstäbe im wesentlichen parallel zur optischen Achse verlaufen, dadurch gekennzeichnet,daß die Endplatten (25,26) auf einem Stützaufbau (3) abgestützt sind, der auf einem mechanischen Boden (4) ruht und der eine Bewegung von nur einer der Endplatten (26) gegenüber dem mechanischen Boden (4) in Richtung der optischen Achse (20) in Abhängigkeit von irgendeiner sänheitHchen Längsausdehnung oder Längskontraktion der Abstandsstäbe (27—30) ermöglicht, und daß die Abstandsstäbe (27—30) jeweils von einem Mantel (51 —54) umschlossen sind, der aus einem Material mit hoher Temperaturleitfähigkeit besteht und der thermisch mit einer Wärmeabführeinrichtung (71, 73) in Verbindung steht, daß jeder Mantel fest mit der einen Endplatte

(25) entsprechend dem einen Ende des Hohlraums verbunden ist und verschiebbar mit der Endplatte

(26) am anderen Ende des Hohraums verbunden ist

2. Aufbau für einen optischen Hohlraum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützaufbau (3) aus drei Stütrkonsolen (91—93) besteht, von denen eine (93) in eine Nut (113) eingreift, die an der Bodenfläche der einen Endplatte (26) susgebildet ist und entlang einer Linie verläuft, die in einer vertikalen Ebene liegt, welche durch die optische Achse (20) verläuft, und weiter die anderen zwei Stützkonsolen (91, 92) jeweils in Nuten (111, 112) in der Bodenfläche der anderen Endplatte (25) eingreifen, wobei diese Nuten entlang Linien (116, 117) verlaufen, die sich an einer Stelle kreuzen, welche in der vertikalen Ebene liegt und mit dieser Ebene gleiche Winkel (<x) einschließen.

3. Aufbau für einen optischen Hohlraum nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (111 — 113) als Führungsbahnen ausgebildet sind, die zu den Bodenflächen der Endplatten (25, 26) hin offen sind, und daß die drei Stützkonsolen (91—93) aus nach oben ragenden abgerundeten pilzförmigen Köpfen bestehen, die in die Nuten eingepaßt sind.

4. Aufbau für einen optischen Hohlraum nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützaufbau (3) selbst an drei Punkten (94—96) auf dem mechanischen Boden (4) abgestützt ist, daß der Stützaufbau gegenüber dem mechanischen Boden an einem ersten (94) der drei Punkte unbeweglich befestigt ist, an einem zweiten (96) der Punkte gegenüber dem mechanischen Boden nur in einer Richtung parallel zur optischen Achse (20) bewegbar ist und am dritten Punkt (95) gegenüber dem mechanischen Boden nur in einer Richtung quer zur optischen Achse bewegbar ist.