DE3121372C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gaslaser-Anordnung nach dem Kon­ vektionsprinzip mit einer axial durchströmten Laserkammer und einer Gasumwälzung.

Beim Betrieb von CO₂-Lasern muß die Temperaturerhöhung im Lasergas begrenzt werden. Bei den zu diesem Zweck entwickel­ ten Konvektions-CO₂-Lasern wird das erhitzte Lasergasgemisch durch eine Umwälzanlage aus dem Laserraum entfernt und durch ein gekühltes Gas ersetzt (Appl. Phys. Lett. 15, (1969), 91-95).

Ein üblicher Konvektions-CO₂-Laser verwendet zur schnellen Um­ wälzung des aktiven Lasergasgemisches ein leistungsstarkes Ge­ bläse, z. B. Ventilator oder Rootspumpe. Je nach Art der Anord­ nung von Laserresonator und Gasstromrichtung unterscheidet man Querstrom- und Axialstromlaser. Beim Querstromlaser kann die notwendige Strömungsgeschwindigkeit mit einem relativ kleinen Ventilatorgebläse einfach aufrechterhalten werden, da der Druckverlust durch den großen Strömungsquerschnitt nur klein ist. Der Nachteil dieses Lasertyps besteht jedoch darin, daß eine homogene Entladung nicht ohne weiteres erzeugt werden kann, wodurch die Emission des Lasers im transversalen Grund­ mode erschwert wird. Diese Schwingungsform eines Lasers ist für viele Anwendungen in der Materialbearbeitung Voraussetzung, da nur damit eine maximale Energiekonzentration im Fokus einer Linse erreicht wird. Konvektionslaser, bei denen der Gasstrom in axialer Richtung durch als Entladungsgefäß dienende Röhren geleitet wird, weisen diesen Nachteil nicht auf. Eine ausrei­ chende Strömungsgeschwindigkeit kann jedoch nur mit relativ hohem Druckgefälle über das Laserrohr aufrechterhalten werden. Dadurch sind die Entladungsbedingungen entlang des Rohres nicht einheitlich. Es wird ein sehr starkes Umwälzgebläse, z. B. eine Rootspumpe benötigt, was sich auf das Volumen und das Gewicht einer solchen Laseranlage ungünstig auswirkt.

Eine Verbesserung des axialen Konvektionslasers wird in der DE-OS 29 16 408 beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird das Gasgemisch in dem Entladungsrohr durch geeignet ausgebil­ dete, wassergekühlte Leitbleche auf einer schraubenförmigen Bahn umgewälzt. Es durchsetzt dabei die aktive Zone des Lasers nur kurz und hat bis zum nächsten Durchlauf genügend Zeit, die aufgenommene Verlustwärme wieder abzugeben.

Die schraubenförmigen Leitbleche sind an einer auf einer Linie liegenden Stelle durchbohrt. Durch diese Bohrungen brennt die Gasentladung zur Anregung des Lasergasgemisches. Diese Anord­ nung hat den Vorteil, daß nur eine relativ geringe Umwälzge­ schwindigkeit benötigt wird und daß durch die longitudinale Anordnung des Laserresonators eine gute Modenqualität erreicht wird. Es erweist sich jedoch als schwierig, die Gasladung am Ort zu halten, da sie leicht durch die Gasströmung aus dem Resonatorraum herausgeblasen wird. Günstige Betriebsbe­ dingungen lassen sich nur bei ganz bestimmten Entladungs­ parametern einhalten, so daß sich die Intensität dieses Lasertyps nicht gut regeln läßt.

Eine Gaslaser-Anordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1, von der also die Erfindung ausgeht, ist in der US-PS 40 99 143 beschrieben oder auch in J.Phys. E: Sci. Instrum., Vol.14 (1981), Seiten 293-295. Diese Druckschriften beschreiben aber keine axiale Anordnung von Laserkammer und Turbinengebläse.

Die DE-PS 20 33 825 beschreibt eine Laseranordnung, bei der die Anregungskammer und das Kühlgebläse konzentrisch ange­ ordnet sind. Dort wird zur Kühlung eines Festkörperlasers ein Wärmeübertragungsmedium durch die optische Anregungs­ kammer und dann durch einen konzentrischen Rückführungsweg an der Gehäusewandung entlang gepumpt. Als Umwälzpumpe ist ein Querstromgebläse vorgesehen, das auf der Resonatorachse angeordnet ist, so daß die Zugänglichkeit des Resonators stark eingeschränkt ist. Insbesondere muß der Resonator­ endspiegel zwischen Gebläse und optischer Anregungskammer eingebaut werden, wodurch eine optische Hintereinander­ schaltung einzelner Lasermodule nicht möglich ist.

Ausgehend von einer Gaslaser-Anordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese so auszugestalten, daß die Temperaturerhöhung im Lasergas wirksam unterdrückt wird und die notwendige Strömungsgeschwindigkeit ohne konstruktiv aufwendige Bauteile aufrechterhalten werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt in schematischer Vereinfachung:

Fig. 1 im Längsschnitt die erfindungsgemäße Laseranordnung;

Fig. 2 eine mögliche Anordnung der Elektroden;

Fig. 3 eine Laseranordnung, die aus mehreren autonomen Lasersegmenten zusammengesetzt ist und

Fig. 4 eine Möglichkeit zum Antrieb der Umwälz­ turbinen der in Fig. 3 gezeigten Anordnung.

Gemäß Fig. 1 besteht die gezeigte Gaslaser-Anordnung aus einem zentralen wassergekühlten Entladungsrohr 1, das koaxial von einem Turbinengebläse umgeben ist. Die Statorschaufeln 2 der Turbine sind fest mit der Außenwandung des Entladungsroh­ res 1 verbunden. Dadurch wird eine gute Kühlung erreicht. Die Rotorschaufeln 3 sind in dem Turbinenrohr 4 befestigt, das von außen in zwei Kugellagern 5 gelagert ist. Zwischen den Lagern 5 ist ein Ringmagnet 6 angeordnet, der vom Drehfeld eines entsprechenden Motorstators 7 mitgenommen wird und so den Turbinenrotor in Bewegung versetzt.

Der Lasergasraum ist abgeschlossen durch ein Gehäuse 8, das im Bereich des Turbinenantriebs dünnwandig ausgelegt ist, da­ mit nur ein kleiner Luftspalt zwischen Motorstator 7 und Ro­ tor wirksam ist. Das Gehäuse 8 ist fest mit den Endplatten 9 und 10 verbunden. In den Endplatten 9 und 10 sitzen justier­ bar und abgedichtet die beiden den Laserresonator bildenden Spiegel 11 und 12.

In einer abgeänderten Ausführungsform des Lasergehäuses kann das Turbinenrohr 4 in das Gehäuse mit einbezogen werden, so daß die Wandung zwischen Rotor und Stator entfallen kann. Das Turbinenrohr 4 wird dann gleichzeitig als Außenwand des Gas­ raumes ausgebildet, so daß die Lager und der Rotormagnet im Außenraum untergebracht werden können. Die Abdichtung des Turbinenrohrs 4 gegen die Endplatten 9 und 10 erfolgt durch eine Gleitdichtung. Eine derartige Gleitdichtung kann vorteil­ hafterweise mittels einer magnetischen Flüssigkeit, z. B. Öl mit feindispersem magnetisierbarem Material, verwirklicht wer­ den. Dieses Dichtungselement besteht dann aus einem Ringmagnet mit U-Spalt, in dem die magnetische Flüssigkeit festgehalten wird und der sich in den Endplatten befindet. In den Spalt taucht das Ende des Turbinenrohres 4 ohne direkte Berührung ein. Vorteile einer solchen Dichtung sind in geringer Reibung und guter Dichtwirkung bei langer Lebensdauer zu sehen.

Der Gaskreislauf ist durch diese kompakte Anordnung von Laser­ rohr 4 und Umwälzsystem sehr kurz. Die Wärmeabfuhr aus dem Lasergas erfolgt sehr effektiv in der Umwälzturbine selbst, da die Statorschaufeln 2 direkt gekühlt sind. In den beiden Endstücken 9 und 10 wird der Gasstrom auf kürzestem Wege umge­ lenkt, so daß praktisch keine nutzlosen Gasführungsstrecken wie bei herkömmlichen Konvektionslasern vorhanden sind.

Die Gasentladung brennt zwischen den Elektroden 13 und 14. Aus Isolationsgründen muß die Innenwand des Entladungsrohres 1 aus Keramik hergestellt werden. An Elektrode 14 wird die Betriebs­ spannung angelegt. Elektrode 13 liegt auf Erdpotential. Der Abstand zwischen den Elektroden wird im Verhältnis zur Gesamt­ länge des Entladungsrohres 1 so ausgelegt, daß einerseits die Brennspannung minimiert wird, andererseits aber eine vollstän­ dige Deaktivierung der angeregten Gasmoleküle beim Durchströ­ men des Driftraumes nach der Anregungszone erfolgt.

Die Umlenkung des Lasergasstromes erfolgt durch Umlenkstrecken 15, die in den Endplatten 9 bzw. 10 eingearbeitet sind. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform mit den im Entla­ dungsrohr 1 angebrachten Elektroden 13 und 14 sind die Gasum­ lenkstrecken 15 vorzugsweise so ausgebildet, daß sie die beiden ringförmigen Öffnungen des Turbinenrohres 4 umlaufend mit dem zentralen Entladungsrohr 1 verbinden.

Die Anordnung der Gasentladungselektroden bzw. die Modifizierung der Umlenk­ strecken, ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird die Endplatte 10 auf der Gasein­ strömungsseite des Entladungsrohres in ihrem Umfang mit mehre­ ren Bohrungen 16 versehen. In diese Bohrungen 16 werden mit einem Isolierrohr 17 versehene Stiftelektroden 18 hineinge­ schoben. Die Umlenkstrecke 15 ist in diesem Bereich so unter­ teilt, daß das Lasergas in das nun in seiner ganzen Länge als Driftraum wirkende Laserrohr 1 durch mehrere Öffnungen strö­ men kann. Zwischen jeder Stiftelektrode 18 und den Wänden der Bohrung 16 wird eine Entladung angeregt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß das gesamte Laserrohr aus Metall gefertigt werden kann. Anregungs- und Resonatorraum des Lasers sind streng getrennt und können jeder für sich im Hinblick auf günstige Betriebsparameter optimiert werden.

Ein einziges Lasersegment kann bereits, wie in Fig. 1 oder 2 dargestellt, als Laser betrieben werden. Die abgegebene Lei­ stung liegt je nach Abmessungen des Segmentes bei 100 bis 500 Watt. Zur Erzielung einer Ausgangsleistung im Kilowatt- Bereich können eine Reihe solcher Segmente, wie in Fig. 3 dargestellt, zu einer Kette vereinigt werden, indem jeweils Saugseiten und Druckseiten zusammengeflanscht werden. Je nach Anzahl und Auslegung der auf diese Weise zusammengesetzten Lasersegmente lassen sich dann Leistungen im Bereich von 1 bis 10 Kilowatt oder darüber erzeugen.

Der Antrieb der einzelnen Turbinenrotoren kann dabei, wie in Fig. 4 gezeigt, durch einen einzigen Motor 19 über eine dem Laser parallel verlaufende Welle 20 erfolgen. Von dieser Welle läuft zu den einzelnen Turbinenrotoren 4 je ein Transmissions­ riemen 21. Voraussetzungen für diese Betriebsweise ist die Aus­ führung des Lasergehäuses mit abgedichtetem Rotorrohr.

Claims (8)

1. Gaslaser-Anordnung nach dem Konvektionsprinzip mit einer axial durchströmten Laserkammer und einer Gas­ umwälzung, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasumwälzung durch ein koaxial zur Laserkammer (1) angeordnetes Turbinengebläse erfolgt und daß die Laser­ kammer (1) an ihrer Außenwand mit Turbinenschaufeln (2) versehen ist und als Stator des Turbinengebläses dient.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserkammer (1) und die Umwälzturbine (4) mit Endplatten (9, 10) abgeschlossen und innerhalb der End­ platten (9, 10) Gasumlenkstrecken (15) vorgesehen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb des Turbinenrotors ein Magnet (6), z. B. ein Ringmagnet, vorgesehen ist, der von dem Drehfeld eines Motors mitgenommen wird.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenrotor innerhalb eines zylindrischen Gehäuses (8) drehbar gelagert und das Gehäuse (8) sich zwischen den Endplatten (9, 10) erstreckt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenrotor in den Endplatten (9, 10) drehbar gelagert und die Lagerung mit einer Gleitdichtung abge­ dichtet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitdichtung aus einer magnetischen Flüssigkeit besteht, die in einem Magneten mit U-förmigem Querschnitt eingebracht und von diesem festgehalten wird.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Laser-Anordnungen Saug- an Saugseite und Druck- an Druckseite zusammengeschaltet sind.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb von Umwälzturbinen aller Laseranordnungen mittels eines Motors (19) über eine parallel zum Laser verlaufende Welle (20) und einen über den Außenmantel der jeweiligen Turbine verlaufenden Zahnriemen (21) erfolgt.