DE2916408C2

DE2916408C2 - Gastransportlaser

Info

Publication number: DE2916408C2
Application number: DE2916408A
Authority: DE
Inventors: John Alan Santa Rosa Calif. Macken
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-05-12
Filing date: 1979-04-23
Publication date: 1984-05-17
Also published as: DE2916408A1; GB2020890B; JPS54149598A; US4242646A; JPS5538837B2; GB2020890A

Description

Die Erfindung betrifft einen Gastransportlaser entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Laser ist aus der DE-OS 20 50 309 bekannt. Dieser Laser hat entlang der Entladungsröhre angeordnete ringförmige Abschnitte, die abwechselnd als Speiseabschnitte für die Zuführung und Auslaßabschnitte für die Abführung des Lasergases ausgebildet sind. Jeder Abschnitt hat eine ringförmige Kammer, von der aus am Umfang angeordnete Löcher oder Schlitze in einen Entladungsraum führen. Die Speiseabschnitte und die Auslaßabschnitte sind mit einer Gasquelle bzw. einem Wärmetauscher verbunden, die Einspeisung des Lasergases und dessen Ableitung erfolgt somit radial. Der Nachteil eines solchen Lasers liegt darin, daß keine optimale Ausnutzung des Lasergases erreicht werden kann, da die Kühlung des Lasergases nur außerhalb des Lasers erfolgen kann. Ungünstig ist außerdem, daß das Lasergas bei seinem radialen Ein- und Austritt erhebliche Strömungswiderstände überwinden muß. Außerdem kann ein Teil des Lasergases ohne Kühlung in axialer Richtung von einem zum nächsten Speiseabschnitt strömen. Der Durchmesser des Lasers kann wegen der erforderlichen ringförmigen Kammern der Speise- und Auslaßabschnitte und der erforderlichen Leitungs- und Wärmetauscheranordnungen ein bestimmtes Mindestmaß nicht unterschreiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Laser der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine möglichst hohe Leistung bei optimaler Kühlung des Lasergeasstromes erreicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die vorgeschlagene Ausbildung wird erreicht, daß das Lasergas sich auf einer spiralförmigen Bahn im

ίο wesentlichen ungehindert und geführt durch die Rippen in dem Lasergehäuse bewegt und dabei die Entladungsstrecke in Abhängigkeit von der Anordnung der Rippen mehrmals durchläuft Durch den ständigen Kontakt mit den Rippen kann eine optimale Kühlung erreicht werdea

Die Erfindung wird nachstehend anhand der F i g. 1 bis 3 beispielsweise erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung des Lasers, und

Fig.2 und Fig.3 zwei Ausführungsformen eines Rippcnscgmcnts der Rippenanordnung des Lasers der Fig.l.

Wie F i g. 1 zeigt, hat der Gastransportlaser ein rohrförmiges Gehäuse 10 aus Glas oder einem anderen elektrisch nichtleitenden Material, das eine Lasergas-Einlaßöffnung 11 und eine Lasergas-AuslaBöffnung 12 aufweist Nahe den Gehäuseenden befinden sich ringförmige Elektroden 13, 14, deren Anschlüsse durch das Gehäuse nach außen geführt sind. An den gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 10 sind Spiegel 15,16 angeordnet, von denen der Spiegel 15 halbdurchlässig ist. Ein Kühlrohr 17 aus elektrisch nichtleitendem Material wie Glas oder Aluminiumoxid erstreckt sich axial zum Gehäuse 10. Durch das Rohr 17 kann Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit geleitet werden, um eine spiralförmige, später näher beschriebene Rippenanordnung 18 zu kühlen. Die Kühlflüssigkeit tritt an dem Ende in das Rohr 17, an dem sich der Spiegel 15 befindet, und tritt am gegenüberliegenden EnUe, an dem sich der Spiegel 16 befindet, wieder aus.

Die spiralförmige Rippenanordnung 18 besteht aus Metall und bildet einzelne Segmente (Fig.2; in Fig. 1 sind die Rippenanordnungen durchgehend gezeigt). Die einzelnen Segmente sind gegen einander elektrisch isoliert (nicht gezeigt). Die Segmente sind so geformt, daß ein an der Einlaßöffnung 11 in das Gehäuse eintretendes Lasergas auf seinem Weg zur Auslaßöffnung 12 das zentral verlaufende Kühlrohr 17 auf einer spiralförmigen Bahn umströmt. Die Rippen 30 der spiralförmigen

so Rippenanordnung 18 haben Öffnungen 20Λ und 205, die einen ungehinderten Strahlenverlauf zwischen den Spiegeln 15 und 16 ermöglichen. Der erzeugte Laserstrahl und die elektrische Entladung verlaufen durch diese öffnungen hindurch. Eine magnetische Anordnung 21 befindet sich neben der spiralförmigen Rippenanordnung 18 und dient zur Stabilisierung der elektrischen Entladung im Gehäuse 10.

Eines der Rippensegmente, die die Rippenanordnung 18 bilden, zeigt F i g. 2. Jedes Segment hat 6 Rippen 30, die ein zentrales Stützteil 19 mit einer zentralen Bohrung umgeben. Die Segmente bestehen vorzugsweise aus eloxiertem Aluminium, jedoch kann jedes Material mit guter Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, so lange es keine durch die zusammengesetzten Segmente verlaufende elektrisch leitende Bahn mit niedrigem Widerstand bildet.

Ein in der beschriebenen Weise aufgebauter typischer Laser hat oine Länge von etwa 230 cm zwischen den

Elektroden 13 und 14. Das Gehäuse 10 hat einen Innendurchmesser von etwa 7,6 cm und ein Rippensegment hat eine Länge von etwa 3,8 cm bei einem Außendurchmesser von etwa 7,4 cm. Das zentrale Stützteil 19 hat eine Bohrung von etwa 2£ cm Durchmesser, und das Kühlrohr 17 hat einen Durchmesser von etwa 2,5 cm. Der Außendurchmesser des Stützteils 19 beträgt etwa 3,2 cm. Die 6 Rippen 30 haben eine solche Steigung, daß jeder Rippe auf etwa 153 cm Länge einen vollen Umlauf beschreibt. Die Öffnungen 2OA B haben einen Durchmesser von etwa 2,0 cm. Für den Betrieb wird ein Schlauch mit der Einlaßöffnung 11 verbunden und ein Gasgemisch aus CO₂, N₂ und He wird in den Laser eingeleitet Gleichzeitig saugt eine nicht gezeigte Vakuumpumpe das Gasgemisch aus der Auslaßöffnung 12 ab. Der Gasgemischdruck kann ca. 30 · 10~³ bar betragen. Die Vakuumpumpe saugt das Gas mit einer Geschwindigkeit von 3000 Litern/min ab. Bei solch einem Laser zeigt sich, daß etwa 90% des Gasgemisches der Spiralbahn folgen. Etwa 10% strömt durch die Öffnungen 20. Zur Kühlung wird dem Rohr 17 Leitungswasser in einer Menge von 19 Litem/niin zugeführt

Bei solch einem Laser benötigt man etwt. 33 KV zum Zünden der elektrischen Entladung und etwa 22 KV für den Dauerbetrieb. Bei einer derartigen Spannung ist eine elektrische Isolation der einzelnen aus Metall bestehenden Segm«:nte der Rippenanordnung erforderlich. Die Länge der einzelnen Segmente wird so gewählt, daß die gemeinsame Wirkung des Kathodenspannungsabfalls und der Durchschlagsspannung der Isolierschicht den Durchgang eines elektrischen Stroms durch die Rippen und den Zwischenraum zwischen den Segmenten nicht ermöglicht Bei Verwendung von unterteilten Rippen wird die Entladung zwangsweise auf die Bahn mit dem niedrigsten Widerstand gelenkt, die durch die aufeinander ausgerichteten öffnungen 20 verläuft Die sich bei der Entladung ergebende Stromstärke kann variiert werden, jedoch wurde eine maximale Ausgangsleistung bei einem Strom von 280 mA erreicht.

Der Spiegel 16 kann einen Krümmungsradius von 10 m bei einem Durchmesser von etwa 2,5 cm haben, aus Kupfer bestehen und ein Reflexionsvermögen von etwa 99% haben. Der halbdurchlässige Spiegel 15 kann flach sein und ein Reflexionsvermögen von etwa 70% haben.

Das quer zur elektrischen Entladung spiralförmig strömende Lasergas hat das Bestreben, bei einer Drehung im Gegenuhrzeigersinn die elektrische Entladung in den oberen Bereich der öffnungen 20 zu verschieben. Die Ionen der elektrischen Entladung werden stromabwärts bewegt, und die Entladung verformt sich, bis das gebogene elektrische Feld der Entladung dem durch die Gasströmung hervorgerufenen Zug auf die von der Gasströmung hervorgerufenen Moleküle entgegen wirken kann. Um die Bahn der elektrischen Entladung zur zentralen Achse durch die öffnungen 20 zurückzuführen, wird durch die magnetische Vorrichtung 21 in Fig. 1, die aus Permanentmagneten besteht, ein äußeres Magnetfeld erzeugt. Dieses senkrecht zur Richtung des Stromflusses verlaufende Magnetfeld übt eine Kraft auf den elektrischen Strom aus, das den Kräften entgegenwirken kann, die die elektrische Entladung aus der Mitte der öffnungen 20 nach außen abzulenken versucht. Mit einem geeigneten Magnetfeld kann der beschriebene Laser eine Leistung von 710 Watt erbringen. Dadurch läßt sich gegenüber vergleichbaren Lasern eine 5fach höhere Leistung erzeugen. Außerdem ergibt sich ein etwa 14mal geringerer Jasdurchsatz.

F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Rippensegments. Dieses hat ein zentrales Stüt2teil 22 in Form eines festen Körpers mit spiralförmigen Rippen 23, die von einem Zylindermantel 24 konzentrisch umgeben und mit diesem verbunden sind. Die Rippen 23 haben Öffnungen 25 entsprechend den Öffnungen 20Λ, 20ß in F i g. 2. Die Kühlung solcher Segmente erfolgt von der Außenseite des Mantels 24 her, indem ein Kühlmittel auf die Außenseite des Gehäuses 10 geleitet wird.

Eine verbesserte Wärmeableitung kann dadurch erreicht werden, daß die einzelnen Rippensegmente vakuumdicht, jedoch elektrisch von einander isoliert verbunden werden. Wenn z. B. in F i g. 2 die Segmente vakuumdicht miteinander verklebt oder durch O-Ringe verbunden werden, kann die Kühflüssigkeit direkt durch die zentralen Bohrungen der Stützteile 19 geleitet werden; in diesem Falle kann das Kühlrohr 17 entfallen. Ähnlich kann bei der Ausführungsform der F i g. 3 vorgegangen werden, so daß kein zusätzliches, die Rippensegmente umgebendes Außenrohr erforderlich ist

üerzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gastransportlaser mit spiralförmigem Fluß des Lasergases im Entladungsraum und mit elektrischer Entladung längs der Laserstrahlrichtung, gekennzeichnet durch eine spiralförmige Rippenanordnung (18), die das Lasergas auf einer spiralförmigen Bahn leitet und die in jeder Rippe (30) eine öffnung (2OA 205; 25) enthält, durch welche die elektrische Entladung hindurchläuft

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

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

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

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

6. Laser v*ch Anspruch 1, gekennzeichnet durch magnetische Vorrichtungen '2I), die neben der spiralförmigen Rippenanordnung (18) vorgesehen sind, um die Bahn der elektrisdjen Entladung zu steuern.

7. Laser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein äußeres Gehäuse (10), das die spiralförmige Rippenanordnung (18) umgibt.