DE2411192A1

DE2411192A1 - Gasstroemungs-lasereinrichtung

Info

Publication number: DE2411192A1
Application number: DE2411192A
Authority: DE
Inventors: Ethan Dexter Hoag
Original assignee: Avco Everett Research Laboratory Inc
Current assignee: Avco Everett Research Laboratory Inc
Priority date: 1973-03-09
Filing date: 1974-03-08
Publication date: 1974-09-12
Also published as: JPS49127592A; FR2220897A1; FR2220897B1; IT1008408B; JPS5755235B2; CH578268A5; IL44342A0; SE386320B; CA1017841A; IL44342A; GB1426161A

Description

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A vco Everett Research Laboratory, Inc. , Everett, Mass. /USA

Gasströmungs-Lasereinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasströmungs-Lasereinrichtung mit einem einen Arbeitsbereich definierenden optischen Hohlraumaufbau, einem in dem Arbeitsbereich angebrachten Aufbau zum Anlegen eines elektrischen Feldes, einer mit dem optischen Hohlraumaufbau verbundenen Gasströmungsanordnung mit geschlossenem Kreislauf zum Führen einer Strömung eines gasförmigen Arbeitsmediums mit hoher Geschwindigkeit durch den Arbeitsbereich, und einem mit dem Aufbau zum Anlegen des elektrischen Feldes in Verbindung stehenden Ionisierer zum Ionisieren des gasförmigen Arbeitsmediums in dem Arbeitsbereich und hierdurch Erzeugen einer Laserwirkung.

Gasströmungs-Laser sind bekannt. Beispiele derartiger Laser sind in der US-PS 3 543 172 und in der US-PS 3 702 973 beschrieben. Die letztere Patentschrift enthält eine gute Darstellung der Grundlage

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der Lasertechnologie.

Bekannte Techniken machen es erforderlich, daß die verschiedenen Arbeitsteile einer Gasströmungs-Lasereinrichtung so aufgebaut sind, daß sie einer hohen Druckdifferenz standhalten können. Jedes Teil oder jede Komponente mußte den ümgebungsbedxngungen standhalten, während ein verringerter oder vergrößerter Druck im Strömungsbereich aufrechterhalten wurde, und mußte weiter seine Funktion in der Einrichtung erfüllen. Bei einem solchen Gasströmungs-Laser strömt das gasförmige Arbeitsmedium kontinuierlich und umlaufend entlang einem Strömungsweg. Dementsprechend wirkten die Arbeitsteile als Führung und hielten der Druckdifferenz zwischen dem Strömungs bereich und derAußenatmosphare stand. Die entsprechenden Teile oder Komponenten waren derart fest abgedichtet, daß keine äußeren Gaslecks auftreten und die Einrichtung vergiften konnten. Das heißt, wenn Sauerstoff von der Atmosphäre in den Strömungsbereich eintreten würde, wäre die Einrichtung verunreinigt.

Dementsprechend ist es das Ziel der Erfindung, eine Gasströmungs-Lasereinrichtung zu schaffen, bei welcher die meisten der Arbeitsteile des Lasers in einem einzigen unter Druck haltbaren Gehäuse angeordnet sind, so daß diese Teile keine starken Druckbelastungen aushalten müssen.

Dieses Ziel wird mit einer Gasströmungs-Lasereinrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Gasströmungsanordnung mit geschlossenem Kreislauf und der optische Hohlraumaufbau einschließlich des in dem Arbeitsbereich des Hohlraumaufbaus gehaltenen Aufbaus zum Anlegen des elektrischen Feldes in einem einzigen Gehäuse angebracht sind, welches gegenüber dem Atmosphärendruck abgedichtet ist und unter Druck gesetzt oder evakuiert werden kann, um im wesentlichen passende Druckbedingungen für den Hohlraumaufbau und den Aufbau zum Anlegen des elektrischen Feldes innerhalb und außerhalb der Aufbauten zu schaffen

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und hierdurch diese Aufbauten im wesentlichen frei von einer Beaufschlagung durch Druckdifferenzen zu machen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der Zeichnung im folgenden näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Gasströmungs-Lasereinrichtung, wobei eine Seitenwand des Gehäuses entfernt ist, und

Fig. 2 eine Teilseitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, welche insbesondere einen Ionisierer außerhalb des Gehäuses zeigt.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer verbesserten Gasströmungs-Lasereinrichtung 10 gemäß der Erfindung dargestellt. Die Lasereinrichtung 10 umfaßt ein unter Druck setzbares Gehäuse 12 mit vorderen und hinteren Türen 14 und 16, welche die Stirnseiten des Gehäuses 12 abschließen, um eine geschlossene Kammer oder einen Behälter zu bilden. Geeignete Dichtungen 18 und 20 sind zwischen den Türen 14 und 16 und dem Gehäuse 12 angebracht. Zum Entfernen der Türen von dem Gehäuse 12 sind geeignete Mittel vorgesehen. Beispielsweise können die Türen von einem nicht gezeigten geeigneten Gerüstaufbau gehalten und getragen sein.

Das Gehäuse 12 mit den Türen 14 und 16 ist aus einem Material ausreichender Festigkeit hergestellt,um der Druckdifferenz der Lasereinrichtung standzuhalten. Ein Beispiel solchen geeigneten Materials ist eine Stahlplatte, da das Gehäuse während des Betriebs z.B. auf 0,1 at evakuiert werden kann.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein Elektronengenerator oder Ionisierer 22 in der durch das Gehäuse 12 und die Türen 14 und 16 definierten Kammer angebracht. Der Ionisierer 22 kann

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ein Generator von der Art sein, wie er in den eingangs genannten US-Patentschriften beschrieben ist, so daß seine Wirkungsweise hier nicht im einzelnen beschrieben werden braucht. Leitungen 24 und 26 verbinden den Ionisierer 22 mit einer Ionisiererversorgung. Geeignete Dichtungen oder Dichteinsätze sind zwischen den Leitungen und dem Gehäuse vorgesehen , um eine gasdichte Abdichtung sicherzustellen.

Ein optischer Hohlraumaufbau 28, von welchem ein Spiegel 30 und eine Spiegelbefestigung 32 gezeigt ist, wird mit Hilfe eines geeigneten Tragaufbaus oder einer optischen Bank 34 in dem Gehäuse 12 gehalten. Der Ionisierer 22 ist mit Hilfe eines nicht gezeigten geeigneten Tragaufbaus so befestigt, daß er sich dicht bei dem optischen Hohlraumaufbau 28 befindet.

Ein Aufbau 36 zum Anlegen eines elektrischen Feldes ist in dem optischen Hohlraumaufbau 28 gehalten und steht in Verbindung mit dem Ionisierer 22. Elektroden 38 und 40 des Aufbaus 36 zum Anlegen des elektrischen Feldes sind über Leitungen 42 und 44 mit einer Hochspannungsversorgung verbunden. Geeignete Dichtungen zwischen den Leitungen 42 und 44 und dem Gehäuse 12 stellen eine gasdichte Abdichtung sicher. Die Arbeitsweise eines Ionisierers 22, eines Aufbaus 36 zum Anlegen eines elektrischen Feldes und eines optischen Hohlraumaufbaus 28 zum Erzeugen eines Laserausgangs ist beispielsweise in den oben genannten US-Patentschriften wie auch in der US-PS 3 721 915 ausführlich beschrieben. Hier möge die Bemerkung ausreichen, daß ein Lasergas wie Argon, Xenon , Crypton oder eine Mischung aus C0„,N„und He mit einem gewünschten Druck und geeigneter Geschwindigkeit durch den optischen Hohlraumaufbau gepumpt wird. Das Gas wird in dem Arbeitsbereich definiert durch den optischen Hohlraumaufbau 28 durch die elektrische Entladung, welche durch Zusammenarbeit zwischen dem Ionisierer 22 und dem Aufbau 36 zum Anlegen des elektrischen Feldes erzielt wird, in einen Laserzustand erregt. Das so optisch erregte Gas erzeugt einen Laserbetrieb in dem optischen Resonator, welcher durch einander gegenübersaß?? / 0 8 9 ?

stehende Spiegel des optischen Hohlraumaufbaus 28 definiert ist.

Die Spiegel sind so angeordnet, daß sie den Laserausgang einem aerodynamischen Fenster 46 bekannten Aufbaus zuführen, welches auf geeignete Weise in dem Gehäuse 12 angebracht ist. Das aerodynamische Fenster 46 ist ausreichend abgedichtet, um den Druck in dem Gehäuse 12 halten zu können.

In einer Gasströmungs-Lasereinrichtung sind im allgemeinen sehr hohe Energieniveaus erforderlich, und so muß das Gas schnell strömen, um die Verlustwärme von dem optischen Hohlraumaufbau abführen zu können. Diese Wärme wird dann mit Hilfe eines Wärmetauschers von dem Gas abgeführt, und das Gas wird erneut durch den Arbeitsbereich des optischen Hohlraumaufbaus umgewälzt. Dies wird erreicht durch die Gasströmungsanordnung mit geschlossenem Zyklus, welche einen einen Kanal definierenden Strömungsweg aufweist, der allgemein als Windkanal 48 beschrieben werden kann und sich in dem Gehäuse 12 befindet. Das Gehäuse 12 ist mit einem geeigneten Rohr oder einer Leitung 50 mit einer nicht gezeigten Vakuumpumpe verbunden, welche das Gehäuse nach ihrem Einschalten evakuiert oder unter Druck setzt. Die Leitung 50 ist mit ihrem einen Ende über einen geeigneten Anschluß oder eine Vakuumdichtung 52 mit dem Gehäuse 12 verbunden. Das Lasergas wird dem Windkanal 48 von einer nicht gezeigten Lasergasversorgung über ein geeignetes Rohr oder eine Leitung 54 zugeführt, welche mit einem Ende in dem Windkanal 48 endet. Ein geeigneter Anschluß oder eine Gasdichtung 56 ergibt die erforderliche Abdichtung in dem Gehäuse. Zusätzlich sind geeignete Anschlüsse für Kühlmittel sowie elektrische Anschlüsse in dem Gehäuse 12 vorgesehen.

Das erwärmte Gas tritt von dem optischen Hohlraumaufbau 28 mit hoher Geschwindigkeit nach unten in einen Wärmetauscher 58 aus, welcher die Temperatur des durch ihn strömenden Gases auf eine gewünschte Betriebstemperatur verringert. Gekühltes Gas von dem Wärmetauscher 58 strömt weiter in einen Gebläseabschnitt 60 des

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durch den Kanal definierten Strömungsweges. Alle handelsüblichen Gebläse mit den erforderlichen Betriebseigenschaften können verwendet werden. Es kann zweckmäßig sein, mehrere getrennte Strömungswege für einen optimalen Wirkungsgrad vorzusehen, um die erforderliche Geschwindigkeit des durch sie strömenden Gases zu erhalten.

Der Auslaß des Gebläseabschnitts 60 ist über eine geeignete Leitung mit einer Düse 62 verbunden, welche die Einströmverbindung für das Medium in den optischen Hohlraumaufbau 28 darstellt und dazu dient, die von dem Gebläse erzielte Geschwindigkeit des Gases zu vergrößern, während das Gas in den durch den optischen Hohlraumaufbau 28 definierten Arbeitsbereich strömt.

Geeignete Dichtungen sind zwischen den einzelnen Abschnitten des Windkanals 48 vorgesehen. Geeignete Mittel wie Klemmen, Schrauben und Muttern oder dergleichen werden verwendet, um die einzelnen Abschnitte miteinander zu verbinden. Die Rohre des Windkanals können aus jedem geeigneten Material, z.B. Metallblech oder dergleichen hergestellt sein. Da der gesamte Innenraum des Gehäuses 12 sowohl innerhalb als auch außerhalb des Windkanals 48 ausgenommen von kleinen dynamischen Druckdifferenzen infolge der Strömung auf gleichmäßigem Druck gehalten wird, brauchen die Rohre keinen großen Differenzdruck auszuhalten, wodurch die Komponenten weitgehend von strukturellen Beanspruchungen entlastet werden.

Während des Betriebs wird ein Teil des Gases in dem Windkanal durch dieWirkung der in dem Aufbau 36 zum Anlegen des elektrischen Feldes auftretenden elektrischen Entladung vergiftet. Dieser Teil des Gases kann durch Öffnungen rings um den Aufbau 36 für das elektrische Feld in das Gehäuse 12 und durch die Leitung 50 zu der Vakuumpumpe austreten. Gleichzeitig wird ein gleicher Teil frischen Gases kontinuierlich durch die Leitung 54 in den Windkanal 48 eingeführt. So wird die Zusammensetzung des durch den Windkanal 48 strömenden Gases während des Betriebs weitgehend die gleiche sein. Gasdichte Dichtungen zwischen den jeweiligen Komponenten des Wind-

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kanals sind nicht erforderlich, da das von dem Windkanal 48 in das Gehäuse 12 austretende Gas einfach durch die Vakuumpumpe abgezogen wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Lasereinrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. Hier ist nur eine Teilansicht gezeigt, welche eine andere Form von unter Druck setzbarem Gehäuse und eine andere Anordnung des Ionisierers zeigt. Der Hauptunterschied zwischen den in Fig. 1 und 2 gezeigten Gehäusen besteht in der Anordnung des Ionisierers. In der Ausführungsform nach Fig. 2 ist ein Ionisierer 22A auf geeignete Weise an der Außenseite einer Tür 14A befestigt. In der Tür 14A ist eine öffnung 64 ausgebildet, um eine Verbindung zwischen dem Ionisierer 22A und einem optischen Hohlraumaufbau 28A vorzusehen. Der Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist der gleiche wie oben in bezug auf die Ausführungsform nach Fig. 1 beschriebene.

Die beschriebene unter Druck gesetzte Lasereinrichtung ist geeignet für die Verwendung in einerfeindlichen Umgebung, z.B. für den Betrieb in einer rauhen Industrieanlage. Die Einrichtung wird von Staub, Wärme oder Schwingungen nicht beeinflußt. Es versteht sich, daß das Material des Gehäuses abhängig von den Betriebsparametern des gewünschten Laserstrahls variiert werden kann.

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Claims

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Patentansprüche

Gasströmungs-Lasereinrichtung mit einem einen Arbeitsbereich definierenden optischen Hohlraumaufbau, einem in dem Arbeitsbereich angebrachten Aufbau zum Anlegen eines elektrischen Feldes, einer mit dem optischen Hohlraumaufbau verbundenen Gasströmungsanordnung mit geschlossenem Kreislauf zum Führen einer Strömung eines gasförmigen Arbeitsmediums mit hoher Geschwindigkeit durch den Arbeitsbereich, und einem mit dem Aufbau zum Anlegen des elektrischen Feldes in Verbindung stehenden Ionisierer zum Ionisieren des gasförmigen Arbeitsmediums in dem Arbeitsbereich und hierdurch Erzeugen einer Laserwirkung, dadurch g e kennz ei chnet, daß die Gasströmungsanordnung (48) mit geschlossenem Kreislauf und der optische Hohlraumaufbau (28) einschließlich des in dem Arbeitsbereich des Hohlraumaufbaus gehaltenen Aufbaus (38, 40) zum Anlegen des elektrischen Feldes in einem einzigen Gehäuse (12) angebracht sind, welches gegenüber dem Atmosphärendruck abgedichtet ist und unter Druck gesetzt oder eva- ' kuiert werden kann, um im wesentlichen passende Druckbedingungen für den Hohlraumaufbau und den Aufbau zum Anlegen des elektrischen Feldes innerhalb und außerhalb der Aufbauten zu schaffen und hierdurch diese Aufbauten im wesentlichen frei von einer Beaufschlagung durch Druckdifferenzen zu machen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichn e t, daß das Gehäuse (12) eine entfernbare Tür (14A) mit einer Öffnung (64) hierin aufweist, über welche der Ionisierer (22A) außen zum Übertragen von ionisierender Strahlung in den Arbeitsbereich in dem Gehäuse angebracht ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisierer (22) zum Übertragen von ionisierender Strahlung in den Arbeitsbereich innerhalb desGehäuses (12) angebracht ist.

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4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisierer (22A oder 22) ein Elektronengenerator ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennz ei chnet, daß die Gasströmungsanordnung (48) mit geschlossenem Kreislauf einen einen Kanal definierenden Strömungsweg aufweist, längs welchem das aus dem optischen Hohlraumaufbau (28) ausströmende Medium zu einer und durch eine Gaskühlvorrichtung (58) und in gekühltem Zustand zu dem Hohlraumaufbau zurückgeführt wird.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Medium umwälzendes Gebläse (60) in dem den Kanal definierenden Strömungsweg zwischen dem Auslaß der Gaskühlvorrichtung (58) für das Medium und einer Einströmverbindung (62) für das Medium zu dem optischen Hohlraumaufbau (28) angeordnet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η -

ζ eichnet, daß die Einströmverbindung (62) für das Medium aus einer Düse besteht, welche die von dem Gebläse bewirkte Geschwindigkeit des Mediums beim Strömen des Mediums in den Arbeitsbereich zu vergrößern vermag.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmungsanordnung (48) mit geschlossenem Kreislauf eine Gasversorgungsleitung (54) aufweist, welche mit dem durch den Kanal definierten Strömungsweg verbunden ist und dichtend durch eine Außenwand des Gehäuses (12) zur Verbindung mit einer Quelle für das Medium ragt, während eine Gasevakuierungsleitung (50) am einen Ende mit dem Innenraum des Gehäuses und am anderen Ende mit einer Vakuumquelle in Verbindung steht.

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