DE2916408A1

DE2916408A1 - Laser mit spiralfoermigem konvektionsfluss

Info

Publication number: DE2916408A1
Application number: DE19792916408
Authority: DE
Inventors: John Alan Macken
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-05-12
Filing date: 1979-04-23
Publication date: 1979-11-15
Also published as: GB2020890A; US4242646A; DE2916408C2; JPS5538837B2; JPS54149598A; GB2020890B

Description

Laser mit spiralförmigem Konvektionsfluß

Die Erfindung "bezieht sich allgemein auf Gaslaser und insbesondere auf eir.e verbesserte Kühlapparatur für Gaslaser.

Zum Stand der Technik sei folgendes gesagtί Gaslaser, etwa Kohlendioxidlaser sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Bei allen derartigen Laseranordnungen erfolgt eine elektrische Entladung über ein ruhendes Gas in einem Gasentladungsrohr. Die einfachste Ausführung mit der niedrigsten Leistung verwendet ein wassergekühltes Gasentladungsrohr. Das heißt, das Gasentladungsrohr wird zur Temperaturregelung mit einer Ummantelung für fließendes Wasser in Verbindung gebracht. Diese Ausführung ist die bei den zur Zeit handelsüblichen COp-Lasern am häufigsten \^rerwendete. Ihre Ausgangsleistung ist jedoch beschränkt, weil die Gastemperatur in einem GOp-Laser ohne nachteilige Auswirkungen ungefähr 300 ⁰C nicht übersteigen darf. Da die elektrische Entladung das Gas dauernd aufheizt, existiert eine maximale Eingangsleistung pro Längeneinheit, die von der Wärmeleitfähigkeit des Gases abhängt. Diese maximale Eingangsleistung liegt bei etwa 350 Watt pro Feter Entladungsstrecke und erzeugt eine Ausgangsleistung des Laserstrahls von 70 Watt pro Meter Entladungsstrecke.

Eine andere Bauweise von COp-Lasern bezeichnet man allgemein als Konvektionsstromlaser. Bei diesen Lasern wird das Gas durch ein Gebiet elektrischer Entladung hindurchgeleitet, wo die elektrische Entladung die Foleküle anregt und dadurch die Lasertätigkeit bewirkt. Das Gas strömt dann durch einen Kühlbereich, wo es die unerwünschte Wärme abgibt. Für Konvektionsstromlaser

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gibt es keine spezifischen Beschränkungen bezüglich der Ausgangsleistung pro Längeneinheit, insoweit sie von Variablen wie der Strömungsgeschwindigkeit des Gases, dem Gasdruck und dergleichen abhängt.

Andere Arten von Lasern, etwa dynamische Gaslaser und ähnliche, werden nicht weiter erörtert, da sie für die vorliegende Erfindung keine Anwendung haben.

Der Laser als Gasentladungsrohr besitzt den Vorzug, daß die räumlichen Abmessungen des schmalen, langgestreckten Entladungsbereichs eine gute Laserstrahl-Qualität ermöglichen (TEM₀₀ Modes), wobei das Gas mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit durch den Entladungsbereich des Lasers fließen kann. Der entscheidende Nachteil des Entladungsrohrs liegt jedoch in seiner begrenzten Leistung.

Die Konvektionsstromlaser besitzen keine spezifische Leistungsbeschränkung, haben jedoch die folgenden Fachteile, nämlich daß die elektrische Entladung instabil werden kann, wodurch der Laser in einer Weise unzuverlässig arbeitet, die für viele industrielle Anwendungen nicht tragbar ist; daß weiterhin die räumlichen Abmessungen des Entladungsbereiches, die durch die herkömmliche Bauweise von Strömungslasern festgelegt sind, nicht zu einer guten Laserstrahl-Qualität beitragen, und daß große Mengen an Gas mit teuren Hochleistungspumpen hindurchgepumpt werden müssen.

Eine Untersuchung zum Stand der Technik wurde nicht durchgeführt. Die zutreffendsten Ausführungsformen wurden jedoch im vorstehenden behandelt.

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Figur 1 ist eine schaubildliche Ansicht eines Lasers mit spiralförmigem Konvektionsfluß gemäß der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 ist ein Rippensegment eines Lasers mit spiralförmigem Konvektionsfluß, ausgelegt für Innenkühlung.

Figur 3 ist ein Rippensegment eines Lasers mit spiralförmigem Konvektionsfluß, ausgelegt für Außenkühlung.

Im einzelnen zeigt Figur 1, wie alle wesentlichen Merkmale des Lasers von dem Außenrohr 10 umschlossen sind, das aus Glas oder einem anderen elektrisch nichtleitenden Material "bestehen kann. Dieses Rohr ist mit einer Gaseinlaßöffnung 11 und einer Gasauslaßöffnung 12 versehen. Außerdem sind zwei oder mehr Elektroden 13 und 14- vorhanden. Jede Elektrode ist als Metallring dargestellt^ der mit einem durch das Glasrohr 10 hindurchreichenden Metallstab verbunden ist. Es können jedoch auch andere "bekannte Slektrodenformen verwendet werden. Laserspiegel 15 und 16 befinden sich an den gegenüberliegenden Enden der Laserapparatur» Spiegel 15 ist ein halbdurchlässiger Reflektor, während Spiegel 16 - wie für Laser typisch - ein totaler Reflektor ist. Rohr 17 besteht aus elektrisch nichtleitendem Material, etwa Glas oder Aluminiumoxid, und verläuft in Richtung der Längsachse des äußeren Glasrohres 10. Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit wird durch das Rohr 17 geleitet, um die spiralförmigen Rippen zu kühlen^ die dieses Rohr im zentralen Bereich des Lasers umgeben. Zur Yeranschaulichung sei angenommen, daß die Kühlflüssigkeit an demjenigen Ende des Rohrs 17 eintritt, an dem sich Spiegel 15 befindet, und an dem anderen Ende des Rohrs 17j in der Nähe des Spiegels 16 austritt» Die Flüssigkeit wird über ein geeignetes, hier nicht gezeigtes Versorgungssystem zugeführt»

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Zahlreiche spiralförmige Metallsegmente 18 bilden ein Rippensystem. Die einzelnen Metallrippen-Segmente 18 sind gegeneinander elektrisch isoliert. Die Segmente sind so geformt, daß ein an der Einlaßöffnung 11 in den laser eintretendes Gas auf seinem Weg zur Auslaßöffnung 12 das zentrale Kühlrohr 17 in einer durch die Rippensegmente 18 vorgegebenen spiral- oder schraubenförmigen Bahn umströmt. Die schraubenförmigen Segmente 18 enthalten Löcher 20, die so in die schraubenförmigen Rippen eingeschnitten sind, daß ein ungehinderter optischer Strahlengang zwischen den Spiegeln 15 und 16 freibleibt. Der Laserstrahl und die elektrische Entladung verlaufen durch diese Reihe von Löchern 20 hindurch. Ein Permanentmagnet 21 befindet sich neben der durch die Segmente 18 verlaufenden Lochreihe 20 und dient zur Stabilisierung der elektrischen Entladung in Rohr 10.

Figur 2 zeigt eines der Rippensegmente, aus denen sich das vollständige Rippensystem 18 Aus Figur 1 aufbaut. Jedes Rippensegment besteht aus einer Anzahl spiralförmiger Rippen 30 (sechs sind in Figur 2 gezeigt), welche die zentrale Bohrung 19 umgeben. Eine Reihe von Löchern 2OA, 2OB etc. sind in die Rippenabschnitte 30 eingeschnitten und bilden nach dem Zusammenbau der einzelnen Rippensegmente 30 zum fertigen Bippensystem eine geradlinige Bahn für den Laserstrahl und für die elektrische Entladung. Kurze Segmente 18 dienen zur elektrischen Isolation, wie noch näher erläutert wird. Ein bevorzugtes Material für diese Rippensegmente ist eloxiertes Aluminium, jedoch kann jedes Material mit guter Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, solange es keine durch die zusammengebauten Rippen verlaufende elektrisch leitende Bahn mit niedrigem Widerstand bildet.

Ein nach diesem Muster gebauter Laser hatte eine Länge von 7 Fuß (231,3 cm) zwischen den Elektroden 13 und 14· Das Rohr 10 hatte 3 Zoll (7,62 cm) Innendurchmesser, und die Rippensegmente

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waren 1,5 Zoll (3,81 cm) lang mit einem Außendurchmesser von 2,9 Zoll (7,36 cm). Das Material war eloxiertes Aluminium. Die Bohrung 19 im Rippensegment 18 betrug 1 Zoll (2,54 cm) im Durchmesser, und Rohr 17 hatte 0,98 Zoll (2,49 cm) Durchmesser. Die zylindrische Fläche um Bohrung 19 hatte 1,25 Zoll (3,18 cm) Durchmesser. Es waren 6 schraubenförmige Rippen 30 vorgesehen (wie in Figur 2) mit einer solchen Gewindesteigung, daß jede Rippe auf jeweils 6 Zoll (15,24 cm) Länge einen vollen Umlauf ausführt. Die Löcher 20 hatten 0,75 Zoll (1,9 cm) Durchmesser. Für den Betrieb wurde ein Schlauch mit Rohr 11 verbunden. Eine regulierte Gasmischung aus COp, Np und He (nicht dargestellt) wurde durch den Schlauch am Rohrende 11 in den Laser eingeleitet. Gleichzeitig saugte eine Vakuumpumpe (nicht dargestellt) dieses Gas durch ein mit dem Auslaß 12 verbundenes Rohr ab- Während hier das Lasergas nach einmaliger Verwendung wieder ausgepumpt wurde, können auch bekannte Verfahren zur Rückführung des Lasergases verwendet werden.

Das Lasergas war eine Mischung aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium mit einem Gesamtdruck von etwa 20 Torr. Die Vakuumpumpe saugte das Gas mit einer Geschwindigkeit von 3000 Liter/min ab. Bei der Durchführung von Versuchen unter den obigen Bedingungen zeigte sich, daß etwa 90$ der Gasmenge in Gegenuhrzeigerrichtung durch die spiralförmige Rippenanordnung strömte. Etwa 10$ des Gases floß durch die Löcher 20, was einen relativ geringen Verlust für den ansonsten perfekt schraubenförmigen Strömungsverlauf bedeutet. Leitungswasser (aus einem nicht gezeigten Versorgungssystem) wurde am einen Ende des Rohrs 17 eingeleitet und an seinem anderen Ende ausgelassen. Die Durchflußrate des Wassers betrug etwa 5 Gallonen (19 Liter) pro Minute. Die Wärme der Rippensegmente wurde an das Kühlwasser abgegeben, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Lasergases den Zwischenraum zwischen Bohrung 19 und Rohr 17 überbrückte. Eine elektrische Entladung wurde zwischen

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den Elektroden 13 und 14 durch Anlegen eines hohen Spannungspotentials an diese beiden Elektroden von einer (nicht gezeigten) äußeren Gleichspannungsquelle aufgebaut.

Unter den obigen Bedingungen waren etwa 33000 Volt zum Zünden der elektrischen Entladung erforderlich, und etwa 22000 Volt benötigte man für den Dauerbetrieb der Entladung. Bei diesem Spannungsabfall ist eine elektrische Isolation der einzelnen Metallrippen-Segmente offensichtlich notwendig. Dia Größe der einzelnen Rippensegmente wurde so gewählt, daß die gemeinsame Wirkung des normalen Spannungsabfalls an der Kathode und der Durchschlagspannung der Isolationsschicht weder durch die Rippen einen elektrischen Strom fließen läßt, noch den Zwischenraum zwischen benachbarten Rippensegmenten elektrisch überbrücken kann. Dieses Isolationsprinzip wurde bereits in elektrischen Entladungsapparaturen angewendet und ist Fachleuten bekannt. Bei der Verwendung von in Segmente unterteilten Rippen wird die Entladung zwangsweise auf die Bahn mit niedrigstem Widerstand gelenkt, und das ist der Weg durch die Lochreihe 20, der den Stromkreis zwischen den Elektroden schließt. Die Stromstärke kann bei dieser Entladung variiert werden, jedoch wurde eine maximale Ausgangsleistung bei einem Strom von 280 mA erreicht.

Der Reflektor 16 mit einem Krümmungsradius von 10 m und einem Durchmesser von 1 Zoll (2,54 cm) war ein Kupferspiegel mit etwa 99fo Reflexionsvermögen. Der Reflektor 15 war ein flacher, halbdurchlässiger Spiegel mit etwa 70% Reflexionsvermögen bei 10,6/u. Wenn diese Reflektoren zueinander ausgerichtet und so angebracht waren, daß ein ungehinderter optischer Strahlengang durch die in den Rippen vorgesehenen Löcher 20 ermöglicht wurde, arbeitete dieser Aufbau als Laser. Der Laserstrahl trat durch den halbdurchlässigen Reflektor 15 aus.

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Das quer zur elektrischen Entladung spiralförmig fließende Lasergas hat das Bestreben, die elektrische Entladung in den oberen Bereich der Löcher 20 zu verschieben (bei Rotation im G-egenuhrzeigersinn). Dieser Effekt ist den Fachleuten bekannt. Die Ionen der elektrischen Entladung werden einfach stromabwärts geblasen, und die Entladung verbiegt sich, bis das gebogene elektrische Feld der Entladung dem durch die G-asströmung hervorgerufenen Zug auf die Moleküle entgegenwirken kann. Um die Bahn der elektrischen Entladung zur zentralen Achse durch die Löcher zurückzuführen, wurde ein äußeres Magnetfeld mittels einer Reihe von Permanentmagneten angelegt, wie in Figur 1 bei 21 gezeigt ist. Für Fachleute ist ersichtlich, daß ein senkrecht zur Richtung des Stromflusses verlaufendes Magnetfeld eine Kraft auf einen elektrischen Strom ausübt. Durch geeignete Auswahl der Stärke und Ausrichtung dieses quer verlaufenden Magnetfeldes kann den Kräften entgegengewirkt werden, welche die elektrische Entladung aus dem Zentrum der Löcher nach außen ablenken. Mit einem geeigneten Magnetfeld lieferte die obige Laseranordnung 710 Watt. Hiermit konnte also gegenüber einem vergleichbaren Entladungsrohrlaser mehr als das Fünffache an Leistung erzeugt werden. Außerdem war der Gasdurchsatz etwa 14 mal geringer als bei einem vergleichbaren Strömungslaser.

Diese Faktoren lassen sich erklären, wenn man berücksichtigt, daß die Beschränkung für eine hohe Ausgangsleistung bei einem Kohlendioxid-Laser von der Wärmeableitung des Gases abhängt. In diesem Ausführungsbeispiel fließt das Gas auf seinem Weg entlang der schraubenförmigen Bahn im Rippensystem 18 durch den Bereich der elektrischen Entladung^ wo es kurzzeitig angeregt wird und Laserstrahlung aussendet. Nach dem Durchgang durch den Sntladungsbereich folgt das Gas weiterhin der schraubenförmigen Bahn«, wo es für eine beträchtliche Zelt durch Wärmeabgabe an die

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Fläche der Metallrippen abkühlen kann. Die von den Rippen 30 ihrerseits absorbierte Wärme wird an die durch Rohr 17 hindurchfließende Kühlflüssigkeit abgegeben. Unter optimalen Betriebsbedingungen ist das Gas, nachdem es einen vollen Umlauf ausgeführt hat, abgekühlt, ehe es erneut in den Entladungsbereich eintritt. In dem beschriebenen Beispiel durchläuft das Gas auf der vorgegebenen Länge von 7 Fuß (231,3 cm) 14 volle Umläufe. Da dieses Gas den Entladungsbereich 14 mal durchlaufen hat, kann man die Wirkungsweise des Strömungslasers (Konvektionslasers) mit nur 1/14 der Gasströmung erzielen, die für einen normalen Strömungslaser erforderlich wäre.

Im vorstehenden wurde das Grundkonzept des Lasers mit spiralförmigem Konvektionsfluß beschrieben; jedoch sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abweichungen in der tatsächlichen Bauweise des Lasers möglich. Figur 3 zeigt beispielsweise eine andere Bauweise der Rippensegmente 26A. Dieses Ausführungsbeispiel enthält einen zentralen Kern 22, mehrere schraubenförmige Rippen und eine äußere Zylinderfläche 24. Auch hier enthalten die schraubenförmigen Rippen Löcher 25. Die Löcher 25 entsprechen den Löchern 20 aus Figur 2. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Kühlung der Rippensegmente 26A von der Außenseite des Zylinders 24 her und nicht von der Mitte der schraubenförmigen Rippen aus, wie zuvor beschrieben. Für den Betrieb werden eine Reihe von Rippensegmenten, wie das in Figur 3 gezeigte, zu einem System ähnlich dem aus Figur 1 zusammengebaut, bei dem jedoch kein zentrales Kühlrohr 17 vorhanden ist. Stattdessen wird die Außenseite von Rohr 10 aus Figur 1 dadurch gekühlt, daß Wasser oder ein anderes wärmeableitendes Mittel über die Außenseite von Rohr 10 strömt. Beim Betrieb verläuft die elektrische Entladung durch die in einer Reihe liegenden Löcher 25, und die Abwärme wird durch die in Figur 3 gezeigte Rippenstruktur abgeleitet. Die Wärmeleitung verläuft zum äußeren Ring 24 und von dort durch

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Wärmeaustausch zu den Wänden des Außenrohrs (entsprechend Bohr 10 aus Figur 1), und wird dort an die wärmeableitende Substanz abgegeben, die mit diesem Außenrohr in Verbindung steht. Auch in diesem Fall können die in Figur 3 gezeigten Rippensegmente 26A "beispielsweise aus eloxiertem Aluminium hergestellt werden, um einen direkten Kontakt von Metall auf Metall zwischen den einzelnen Rippensegmenten zu verhindern.

Weitere mögliche Abwandlungen der erfindungsgemäßen Ausführungsform können beispielsweise dadurch eine verbesserte Wärmeableitung bieten, daß die einzelnen Rippensegmente vakuumdicht zusammengeschlossen und trotzdem elektrisch gegeneinander isoliert sind. Wenn zum Beispiel die in Figur 2 gezeigten Rippensegmente 18 vakuumdicht miteinander verklebt sind oder wenn O-Ringe zwischen den Rippensegmenten verwendet werden, kann die Kühlflüssigkeit durch die Bohrung 19 fließen und direkten Kontakt mit dem Material der Rippen bilden, ohne daß die Wand von Rohr 17 eine zusätzliche Wärmeschranke darstellen würde. Entsprechend können die gemäß Figur 3 gebauten Rippensegmente mit einem Kleber oder mit O-Ringen vekuumdicht verbunden werden, so daß kein zusätzliches Außenrohr an der Außenseite des Rippensystems erforderlich ist.

In vieler Einsicht vereint die vorliegende Erfindung die guten Eigenschaften einer als Entladungsrohr ausgelegten Laseranordnung mit denen eines Konvektionsstromlasers, ohne das Ausmaß an Nachteilen aufzuweisen, das bei jeder der beiden Ausführungsformen entsprechend dem derzeitigen Stand der Technik auftritt. Die vorliegende Erfindung erreicht eine mehr als fünfmal höhere Ausgangsleistung als ein Entladungsrohr-Laser vergleichbarer Länge. Andererseits kann der für eine bestimmte Ausgangsleistung erforderliche Gasdruck über 15 mal geringer sein als bei einem dem Stand der Technik entsprechend konstruierten, vergleichbaren

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Konvektionsflußlaser für hohe Ausgangsleistung. Außerdem verwendet die Erfindung lange, schmale optische Hohlräume, wodurch eine gute Laserstrahl-Qualität leicht erreicht werden kann. Aufgrund dieser Vorzüge hat die Erfindung einen weiten Anwendungsbereich für kommerzielle Laser, da sie gewisse Komponenten und Konstruktlötverfahren verwenden kann, die für die Herstellung konventioneller Entladungsrohrlaser entwickelt wurden.

Die Erfindung läßt sich folgendermaßen zusammenfassen: Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Gerät zur Herstellung von Hochleistungs-Lasern. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und Gerät, welche eine Anordnung mit spiralförmigen Kühlrippen verwenden, um dadurch einen konvektiven Gastransport in einem Laser, beispielsweise einem OOp-Laser, zu bewirken.

Obwohl im vorstehenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt und beschrieben wurde, ist für Fachleute ersichtlich, daß weitere Abwandlungen vorgenommen werden können, soweit sie in den Bereich der Erfindung fallen.

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ORIGINAL INSPECTED

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Lase-r ir-i * spiralform! gel··. Konvektionsfluß, gekennzeichnet durch Vorrichtungen (11, 12) zur Versorgung mit einem Lasergas₉ Vorrichtungen (13, 14) zum Erzeugen einer elektrischen Entladung in diesem Gas und spiralförmige Rippenanordnungen (18, 26A), die das Gas auf einer spiralförmigen Bahn leiten und die in jeder Rippe eine Öffnung (20, 25) enthalten, durch welche die elektrische Entladung hindurchläuft.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmige Rippenanordnung (18, 26A) ein zentrales Stützteil (19, 22) enthält, mit dem mindestens eine Rippenkonstruktion (30, 23) verbunden ist, die durch das Stützteil gehalten wird, so daß eine spiralförmige Bahn um dieses zentrale Stützteil herun gebildet wird.

3· Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Stützteil hohl ist (19), so daß eine Kühlflüssigkeit hindurchgeleitet werden kann.

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Dsutsche Banl: München, Kto.-Nr. 82/08050 (BLZ 70070010)

Postscheck München" Nr. 163397-802

4· Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Stützten ein fester Körper (22) ist, und daß ein Außengehäuse (24) im wesentlichen konzentrisch mit einem gewissen Abstand zum zentralen Stützteil verläuft und mit den äußeren Enden der Eippenkonstruktion (23) verbunden ist.

5. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmige Rippenanordnung aus mehreren einzelnen Segmenten (18, 26a) besteht, die gegeneinander elektrisch isoliert sind.

6. Laser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch magnetische Vorrichtungen (21), die neben der spiralförmigen Rippenanordnung vorgesehen sind, um die Bahn der elektrischen Entladung zu steuern.

7. Laser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein äußeres Gehäuse (10), das die spiralförmige Rippenanordnung umgibt das Gas einschließt.

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