DE2456688A1

DE2456688A1 - Stabile plattformkonstruktion fuer laseroptiken

Info

Publication number: DE2456688A1
Application number: DE19742456688
Authority: DE
Inventors: Antonio Bernard Caruolo; Jack William Davis
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1973-12-26
Filing date: 1974-11-30
Publication date: 1975-07-10
Also published as: CA1022660A; SE7413514L; IT1027707B; FR2299745B1; CH572675A5; SE398026B; JPS5724673B2; JPS50102287A; US3860889A; FR2299745A1; GB1451840A

Description

UNITED AIRCRAFT CORPORArION Patentanwalt

400 Main Street Dlpl.-lng. Rolf Menges

4UU Maxn Street 8O11 Pörl ng b. München

East Hartford ,Connecticut 06108 . Hub.rtu-.tr. ao, ■T.r.oeioe/a^e

USA Anwaltsakte U 230

- ²⁶' Nov.1974

STABILE PLATTFORMKONSTRUKTION FÜR LASEROPTIKEN. .

Die vorliegende Erfindung betrifft Laser und insbesondere einen Laseraufbau^ in dem die Optik, starr gehalten ist und gleichzeitig gegen Störungen aus dar Umgebung isoliert ist. \

Der ordentliche Betrieb von vielen Laservorrichtungen erfordert,. die einfach klingenden, aber wesentlichen ■'Orderungen der Bereitstellung einer starren -optischen Plattform zum genauen Ausrichten der Optischen Oberflächen und Isolieren der Komponenten, welche den optischen Aufbau des Lasers bilden, von den verschiedenen Störungen aus der Umgebung zu erfüllen. Alle Gaslasersysterne erfordern eine optische Plattform, welche die verschiedenen optischen Teile einschliesslich des optischen Hohlraumes koordiniert. Mehrere verschiedene Lösungen haben sich als optische Plattformen geeignet herausgestellt und jede Lösung hat sowohl wünschenswerte als auch nicht wünschenswerte ihr innewohnende Eigenschaften. Bei einem Entwurf befindet sich der gesamte Apparat innerhalb der Hülle des • Arbeitsmediums des Lasers, jedoch erfordert solch ein System ein disproportionales grosses Volumen an Arbeitsmedium. Ein anderer Nachteil besteht in der Schwierigkeit die optische Plattform elektrisch zu isolieren, was oft gefragt ist. In einem anderen Entwurf befindet sich die gesamte Plattform ausserhalb der Hülle des untex niedrigem Druck stehenden Arbeitsmediums des Lasers; diese Lösung fordert, dass alle optischen Komponenten sich ausserhalb der Hülle befinden, welche das Arbeitsmedium enthält und deshalb müssen geeignete Fenstervorrichtungen vorgesehen sein, welche die Zusammenvcirkung der optischen Oberflächen mit dem Arbeitsmedium ermöglichen, während gleichzeitig eine geeignete Isolation zwischen dem aktiven

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- ² -Medium und der Umgebung erfordert ist. Diese Idee ist eigentlich einfach, aber etwas unpraktisch in vielen Anwendungen, weil solche geeignete Fenstervorrichtungen nicht vorhanden, sind. Ein dritter Entwurf einer optischen Plattform beruht auf der Anwendung eines starren Aufbaus um die Plattform, welche die optischen Oberflächen trägt, zu verbinden, wobei der starre Aufbau sich ausserhalb der das unter niedrigem Druck stehende Medium enthaltenden Hülle befindet und die optischen Oberflächen in dieser unter niedrigem Druck stehenden Hülle angeordnet sind. Dieser Entwurf hat als Nachteil, dass verzerrende Druckkräfte auf die optische Plattform durch den zwischen der Umgebung und der das Arbeitsmedium enthaltenden Hülle bestehenden Druckunterschied hervorgerufen werden, wodurch das optische System einer durch Verzerrung hervorgerufenen Fehleinstellung ausgesetzt ist. Diese Lösung muss auch die Forderungen hinsichtlich der elektrischen Isolation der optischen Oberflächen von den umgebenden Aufbauelementen und der Isolation der Optik von mechanischen Störungen genügen, wobei letzte entweder durch auf die Optik übertragene Schwingungen oder durch thermisch induzierte Schwingungen hervorgerufen werden. .

Mechanische Störungen können Schwingungen umfassen, welche aus Quellen, wie etwa wie beim Betrieb des Lasers notwendige Nebenaggregate_/entstehen. Eine Hauptquelle Schwingungen dieser Art ist der Zirkulator, welcher die Strömung des Arbeitsmediums durch den optischen Hohlraum in einem Strömungslaser aufrechterhält. Andere Quellen' von Storschwingungen sind die Bewegung des Arbeitsmediums und die natürlichen Schwingungen in der Erde und in den Gebäuden, in denen der Laser aufgebaut ist. Die Frequenz und Stärke der Schwingungen dieser Quellen ändern sich beträchtlich je na .h der Strömungsgeschwindigkeit und der geographischen Lage und der besonderen Type der benutzten Konstruktion.

Einige Laser werden unter wenig Berücksichtigung der Wirkungen der Störungen aus der Umgebung betrieben. Laservorrichtungen, in dene;* keine Strömung des Arbeitsmediums auftritt, ähnlich jenen, welche oft in Laboratorien anzutreffen sind, gehören zu dieser Kategorie. Andere Systeme, welche einfach keine störende Grosse der Änderung der optischer Ausrichtungen unterliegen, wie etwa Laser,welche ein Ausgangssignal erzeugen, dessen Frequenz beträchtlich wandern kann, fallen in diese Kategorie. Jedoch erfordern viele praktische Anwen-

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düngen, dass die Frequenz der Ausgangsstrahlung eines Lasers innerhalb Grenzen gehalten wird, welche Mittel zur Isolation der strahlungserzeugenden Optik des Systems von den in der direkten Umgebung auftretenden Störungen erfordern. Auch wenn die Laser komplizierter werden, werden die optischen Hohlräume entsprechend komplizierter und bei Lasern mit gefaltetem Lichtweg, z.B., bei denen die wirksame Hohlraumlänge, ein Vielfaches der tatsächlichen Länge der Vorrichtung ist, werfen spezielle zusätzliche Probleme auf. Wenn der Abstand zwischen den den Hohlraum bildenden Spiegeln sich ändert, oder wenn die relative Ausrichtung zwischen den Spiegeln sich ändert, kann der Ausgangsstrahl verzerrt oder der Laser auch nicht schwingen. .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es bei Lasern eine prä- · zise, relative Ausrichtung zwischen allen optischen Elementen an jedem Ende eines linearen Lasers'aufrechtzuerhalten, sodass die stimulierte Emission in einer stabilen Betriebsweise auftritt; dabei soll eine geeignete optische Ausr_chtung zwischen den verschiedenen zu reflektierenden Oberflächen, welche gegebenenfalls einen gefalteten optischen Weg im Laser bilden, durch Minimisieren der mechanischen Verzerrungen und Schwingurgen in der die refleKtieren- ' den Flächen tragenden Konstruktionen beibehalten werden, ebenso wie die Phasenfront und die Intensität«verteilung des AusgangsStrahles stabil gehalten werden soll während einer im wesentlichen beliebig langen Betriebsperiode und auch soll eine im wesentlichen konstante Winkelausrichtung zwischen den verschiedenen, den gefalteten optischen Weg im Laser bildenden reflektierenden Oberflächen beibehalten werden. . ~ ''

• Nach der vorliegenden Erfindung sind ein Paar optischer Plattformen, welche die reflektierende Oberflächen, welche einen Laser mit gefaltetem Lichtweg in einer Gashülle bilden, mechanisch miteinander verbunden, durch eine Temperatur unempflindliche Konstruktion, welche ausserhalb der Gashülle angeordnet und von derselben über den Boden getragen wird und mit den optischen Plattformen elektrisch und schwingungsmässig gegenüber der Gashülle und dem Boden isoliert ist. ■ .

Ein Vorteil der Erfindung besteht in der hohen optischen Qualität des Strahles der Ausgangsstrahlung des Systems; der Strahl hat eine stabile Phasenfront und eine gleichförmige Phasenfront, welche im

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wesentlichen zeitkonstant ist. Ein anderer Vorteil ist der hohe Stabilitätsgrad, welcher der Ausgangsstrahl bezüglich der starren optischen Konstruktion-des Lasers hat.

Eine Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ist die starre Konstruktion, welche die Spiegel und die optischen Plattformen zu einer einzigen, stabilen Einheit integriert. Die optische Struktur behält ihre Stabilität bei, während sie einem Druckunterschied, welcher zwischen dem optischen Hohlraum und der Umgebung besteht, der Temperaturänderung, welche ohne Ausnahme an verschiedenen Orten der Konstruktion auftritt und Schwingungen, welche in den Nebenaggregaten und der Umgebung vorliegen, ausgesetzt ist. Desweitern sind die inneren optischen Elemente deG Lasers von einer konstruktiven Anordnung getrennt, wodurch eine vernünftig genaue Ausrichtung zwischen den optischen Elementen und der umgehenden Konstruktion beibehalten werden kann. Die Fachwerkkonstruktion, welche die optischen Plattformen miteinander verbindet, befindet sich ausserhalb des Berei ches des Arbeitsmediums während die optischen Elemente im Arbeitsmedium angeordnet sind. Ausserdem ist das optische Tr agsystem aus einem Material kleiner thermischer Ausdehnung hergestellt um so die thermisch induzierten Verzerrungen der Konstruktion zu minimisieren. Auch sind die Hauptbestandteile der Gashülle ebenso wie der Verbindungsstäbe in der optischen Plattform aus einem dielektrischen Material hergestellt, wodurch eine elektrische Isolierung der Aussenkonstruktion von den reflektierenden Oberflächen und auch dem Arbeitsmedium bereitgestellt wird. Eine andere Eigenschaft dieser Erfindung sind die optischen Tragmittel, Vielehe symmetrisch vorgesehen sind um eine Belastung der optischen Bank durch den niedrigen Druck des Arbeitsmediums zu verhindern: desweitern fällt das Massenzentrum jeder optischen Plattform ungefähr mit dem geometrischen Mittelpunkt der Plattformanordnung zusammen. Desweitern wird die gesamte starre optische Anordnung über Schwingungsdämpfer von dem optischen Gehäuse getragen, wodurch die Tragkonstruktion einer körperlichen Verzerrung durch Verdrehung und thermische Expansion unterworfen werden kann, ohne dass der optische Aufbau gestört wird.

Die Erfindung wird nun an Hand der beiliegenden Zeichnungen, welche eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen, beispielsweise beschrieben. In den Zeichnungen sind:

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Figur 1 eine vereinfachte Seitenansicht der Erfindung mit verschiedenen Einzelteilen und der relativen Lage verschiedener-Komponenten;

Figμr 2 eine vereinfachte Endansicht dar Vorrichtung nach der Figur 1;

Figur 3 eine Teilschnittansicht durch ein Endkasten, welche weitere Einzelheiten der Dichtung der Stäbe darstellt; und

Figur 4 eine vereinfachte schematische Seitenansicht der vorliegenden Erfindung, welche das Wesen des isolierten optischen Plattformaufbaus und die Mittel, welche ihn mit dem umgebenden Aufbau verbinden, darstellt.

Die Erfindung v/ird nun unter Bezugnahme auf einen axialen Strömangslaser beschrieben, welcher.ein Gas, wie etwa Kohlenstoffdioxyd, als Arbeitsmedium enthält. ' .

In der Figur i ist ein Gaslaser 10 mit elektrischer Entladung dargestellt. Ein Paar Tragstützten 12 stehen auf dem Boden 14 und sind fest mit einem optischen Kasten 16 verbunden. Eine Gaszuführleitung 18 ist fest an beide Enden des optischen Kastens angeschlossen; ein Ausgangsspeicherraum 20 ist fest in der Mitte des optischen Kastens angeschlossen und steht mit einer Gasabfuhrleitung 22 in Verbindung, welche sich ir. derselben horizontalen Ebene befindet wie die Gaszufuhrleitung 18. Ein Fachwerk 24 für die.Optik ist über Schwingungsdämpfer 26 vom optischen Kasten getragen und ein Paar Plattformen 28 für die Optik ist fest mit dem Fachwerk 24 verbunden. Eine Ausrichtvorrichtung 30 ist fest mit dem Fachwerk 24 verbünden und eine äussere optische Anordnung 32 ist fest mit einem Träger verbunden, welcher von dem Fachwerk 24 ausgeht. !

Die Gaszuführleitung umfasst ein Paar von Eingangsrohrverzweigungen 36, von denen eine in der vereinfachten Endseitenansicht des Gerätes in der Figur 2 dargestellt ist. Eine Vielzahl von elektrischen Entladungsrohren 38 erstreckt sj nh zwischen der Eingangsrohrverzweigung und dem optischen Kasten, welcher an jedem Ende ein Gehäuse 40 für die Optik^ in der Nähe von jeder Plattform 28 umfasst. Elektroden, welche elektrisch an eine elektrische Leistungsquelle angeschlossen sind, sind im Entladungsrohr angeordnet und stellen Mittel für die Erregung des Gaslasers dar; die Leistungsquelle ist nicht in der Zeichnung dargestellt. Eine Vielzahl von

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Verbindungsstäben 42, welche einen wesentlichen Teil der Plattform für die Optik bilden, treten in die Gehäuse 40 über flexible Dichtungen 44 ein, welche eine gasdichte Schranke an der Stelle bilden, wo jeder Stab in das Gehäuse eintritt.

In der Figur 3 ist die Art und Weise wie ein Verbindungsstab in das Gehäuse der Optik eintritt im einzelnen dargestellt. Das Gehäuse ist aus einem dielektrischen Material hergestellt um elektrische Kurzschlüsse zwischen dem Gasmedium und dem umgebenden Aufbau zu verhindern. Eine untere Gehäuseplatte 46 des Gehäuses ist von einem Loch durchbohrt, welches gross genug ist, um. einen Verbindungsstab aufzunehmen und einen ringförmigen Raum zwischen dem Stab und der Platte bereitzustellen. Ein ringförmiger Kranz 50 ist mittels Stellschrauben 52 mit einem gleitenden keilförmigen Ring 54, weicher auf einem feststehenden keilförmigen Ring 56',--*uf liegt, lösbar verbunden. Der innere Umfang einer ringförmigen elastomeren Dichtung 58 ist zwischen dem feststehenden keilförmigen Ring und dem Verb induncjs stab angeordnet; der äussere Umfang der ringförmigen Dichtung ist zwischen der unteren Gehäuseplatte und einem Ring 60 angeordnet, welcher am Gehäuse mittels Schrauben 62 festgemacht ist.

■ Die Elemente, welche die optische Plattform bilden, welche mechanisch von der Tragkonstruktion isoliert ist, sind vereinfacht in der Figur 4 dargestellt. Die verbindenden Konstruktionselemente in der Plattform 28 sind die Verbindungsstäbe 42. Jede Plattform umfasst.vier Verbindungsstäbe; eine obere Plattformplatte 64 und eine untere Plattformplatte 66 sind mit diesen Stäben verschraubt, wobei/Platten ausserhalb des Gehäuses 40 angeordnet sind, und fest mit dem Fachwerk 24 verbunden sind. Die obere und untere Plattformplatten 64, 66 sind mittels vier Schwingungsdampfern 26 mit den Gehäusen 40 der Optik verbunden. Im Innern des Gehäuses 40 befindet sich eine innere optische Bank 68, welche aus einer oberen Bankplatte 70 und einer unteren Bankplatte 72 und einer weiteren Platte 76 besteht, ist fest mit den vier Verbindungsstäben,welche in das Gehäuse eintreten und die Hauptkonstruktionselemente der optischen Plattform bilden, verbunden; reflektierende Mittel 74 sind.fest mit der Platte 76 verbunden. Die obere und untere Bankplatten 70, 72 und die Platte 76 sind fest miteinander verbunden¹ und bilden die innere Bank auf der alle inneren Bestandteile der Optik

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angeordnet sind. ,

Die Dichtung 44, welche im einzelnen in der Figur 3 dargestellt ist, bildet eine flexible Verbindung zwischen den Stäben 42 und dem Gehäuse 40 an jedem der acht Punkte, wo ein Stab durch das Gehäuse tritt. Die Dichtungen sind undurchlässig für Gas und können bei einem Druckunterschied, welcher typisch bis zu ungefähr einer Atmosphäre beträgt, betrieben werden. Die Dichtungen dienen dazu, die Atmosphäre im Innern des Gehäuses rein zu halten und isolieren die Plattform auch gegen mechanische Verzerrungen oder andere im Gehäuse vorhandene Störungen. .

Die starre Struktur, welche Störungsschwingungen, welche im Boden und in der Umgebung des in der Figur 4 dargestellten Gerätes vorhanden sind, ausgesetzt ist, umfasst die Tragstützen 12, das Gehäuse 40, das Entladungsrohr 30, der AusgangsSpeicherraum 20 und das Abflussrohr 22. Die Elemente des Systems, welche gegenüber den verschiedenen Einflüssen der Umgebung isoliert sind und eine starre und relativ schwingungsfreie Konstruktion bilden, welche im wesentlichen gegenüber dem Traggerüst schwimmt, umfasst die Plattformen 28, das Fachwerk 24, welches die Plattformen miteinander verbindet und den Träger 34.

Druckkräfte werden' auf die Verbihdungsstäbe durch die ringförmigen Räume 48 zwischen den Stäben 42 und den Gehäusen 40 und den Druckunterschied an der Dichtung übertragen. Diese Kräfte, welche manchmal als Vakuumkräfte bezeichnet werden, können sehr klein gehalten werden, indem man die Grosse des ringförmigen Raumes 48 möglichst klein macht, jedoch bestehen praktische Überlegungen, welche vorschlagen den ringförmigen Raum nicht zu viel zu verkleinern. Bei der vorliegenden Erfindung steht die Hauptachse jedes Stabes 42 im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse des Systems und nach einer ersten Annäherung bewirken irgendwelche mechanischen Verformungen, welche durch die Vakuumkräfte hervorgerufen werden, keine fehlerhaften Winkelausrichtungen der von den Stäben getragenen Spiegel. Die Stäbe haben eine grosse Druckfestigkeit und die axiale Drucklast,welche sie aufnehmen können, wird in den Stäben ohne sichtbare körperliche Verzerrung absorbiert. Weil also keine Restkraft auf die Verbindungsstäbe wirkt, bleibt die Plattform der Optik absolut fest bezüglich des Fachwerkes innerhalb eines breiten Druckbereiches. Aus der Zeichnung ist erkennbar, dass die Ver-.bi.n-

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dungsstäbe einen gleichförmigen Querschnitt über ihre ganze Länge haben und dass sie sowohl die Oberseite als auch die Unterseite der Gehäuse 40 durchdringen. Die öffnungen in den Gehäusen, durch welche die Verbindungsstäbe 42 sich erstrecken, haben oben und unten den gleichen Durchmesser um sicherzustellen, dass die durch den Druckunterschied zwischen der Umgebung und dem optischen Hohlraum auf die Stäbe ausgeübte Belastung symmetrisch ist. Die Verbindungsstäbe bestehen aus einem elektrisch isolierendem Material mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, wie etwa Aluminiumoxyd oder Quartz, wodurch die Plattform der Optik bezüglich der oberen und unteren Plattformplatten 64,66, welche fest mit dem Fachwerk verbunden sind, ein beliebiges elektrisches Potential annehmen können.

Wesentlich ist, dass alle metallischen Komponenten der Optik, einschliesslich der Plattformen und des Fachwerkes, aus einem Material wie etwa Invar, welches relativ unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen ist, gefertigt sind. Dies macht die Relativbewegung zwischen den verschiedenen Teilen des optischen Systems, welche beständig verschiedenen thermischen Bedingungen während des normalen Betriebes ausgesetzt sind, möglichst klein. Die reflektierenden Oberflächen oder Spiegel sind aus einem Material hergestellt, welches primär im Hinblick auf seine Wärmeübertragung und optischen Eigenschaften ausgewählt ist. Weitere Einzelheiten bezüglich eines kühlenden Spiegels, welcher in der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, sind aus dem US-Patent 3.637.296 zu entnehmen. ;

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Claims

^ s PATENTANSPRÜCHE

Lj/ . Gaslasersystem, gekennzeichnet durch ein erstes, und ein zweites Gehäuse (40) für eine Optik, welche in Wirkverbindung an gegenüberliegenden Enden des Lasersystems angeordnet und fest miteinander verbunden sind, eine erste und eine zweite Tragstütze (12), wovon jede fest mit einem zugehörigen Gehäuse (40) verbunden ist und sich vom zugehörigen Gehäuse, bis zum Boden erstreckt, eine erste und eine zweite Plattform (32) für die Optik, wovon jede in ein entsprechendes Gehäuse (40) eindringt und jedes eine obere (64) und eine untere (66) Plattformplatte, eine Vielzahl von.Verbindungsstäben (42), mit je einem ersten und einem zweiten Ende und welche vollständig durch das Gehäuse (40) durchlaufen und die an ihrem ersten Ende mit der oberen Plattformp.latte (64) und an ihrem zweiten Ende mit der unteren Plattformplatte (66) fest verbunden sind, eine optische Bank (68) im Innern des Gehäuses (40), welche fest mit den Stäben (42) verbunden ist und reflektierende Oberflächen (74) , welche fest mit der optischen Bank" verbunden sind, umfa£.\st, ein Fachwerk (24), welches fest mit der ersten und der zweiten Plattform (28) verbunden ist um eine starre Konstruktion für die Optik zu bilden, und eine Vielzahl von Schwingungsdämpfern (2fc) , welche zwischen der starren Konstruktion der Optik-und den Gehäusen

• (40) angeordnet ist, um die Konstruktion für die Optik zu tragen, während dieselbe gleichzeitig von Störungen in den Gehäusen isoliert ist. . ■ :
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl flexibler Dichtungen (44), wovon je eine an jedem Punkt angeordnet ist, wo ein Verbindungsstab (42) durch das Gehäuse (40) eintritt und jede aus einem elastomeren Diaphragma gebildet ist, welcher eine gasdichte Schranke zwischen dem Verbindungsstab und dem Gehäuse herstellt. ;
; 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine äussere optische Anordnung welche fest mit dem Fachwerk (24) verbundenist und ausserhalb des Gehäuses (40) angeordnet ist. :
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass'die stare Konstruktion der Optik aus Invarmaterial hergestellt ist. ' !
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuse (40) aus einem dielektrischen Material hergestellt

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5,.dadurch gekennzeichnet,

dass die Verbindungsstäbe (42) aus einem dielektrischen Material hergestellt sind.

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