DE3335410A1

DE3335410A1 - Hochleistungslaser

Info

Publication number: DE3335410A1
Application number: DE19833335410
Authority: DE
Inventors: Ethan D. East Boston Mass. Hoag
Original assignee: METALWORKING LASERS INTERNATIONAL Ltd
Current assignee: METALWORKING LASERS INTERNATIONAL Ltd
Priority date: 1982-09-30
Filing date: 1983-09-29
Publication date: 1984-04-05
Also published as: US4578792A; GB2129203B; JPS5979587A; GB8325870D0; GB2129203A

Description

Hochleistungslaser

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Laser, insbesondere auf Hochleistungs-Gasstromlaser.

In den letzten Jahren war eine- bemerkenswerte Aktivität bei der Entwicklung von Hochleistungs-Gasstromlasern zu beobachten, insbesondere zur Verwendung in der metallbearbeitenden Industrie. Beispiele von einigen Vorschlägen derartiger, bekannter Hochleistungs-Gasstromlaser sind in folgenden USA-Patentschriften offenbart: Nr. 3,641,457; Nr. 3,702,973; Nr. 3,886,481; Nr. 4,058,778; Nr. 4,317,090 und Nr. 4,321,558. Eines der Hauptprobleme bei der Konstruktion derartiger Hochleistungs-Gasstromlaser ist die Abführung der Verlustwärme, da solche Geräte bei unzulässig hohen Temperaturen nicht mehr mit optimalem Wirkungsgrad arbeiten können. Als Beispiel sei erwähnt, dass ein CO₂-Laser, der heute hauptsächlich als Hochleistungslaser Verwendung findet, bei Temperaturen oberhalb von 200 grad C nicht mehr mit voller Wirksamkeit arbeiten kann. Wohl ist es möglich, die Wärmeabfuhr und damit die Ausgangsleistung dadurch zu steigern, dass die Länge des Laserkanals vergrössert wird; als Nachteil ist jedoch in Kauf zu nehmen, dass mit einer beträchtlichen Vergrösserung der Abmessungen des Lasers und mit einer ebenso beträchtlichen Steigerung der Kosten gerechnet werden muss.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Hochleistungs-Gasstromlaser vorzuschlagen, welcher optimiert ist in Bezug auf die Länge des Laserkanals und in Bezug auf die maximale Ausgangsleistung bei einer vorgegebenen Grosse der Abmessungen des gesamten Systems.

Ein anderes Problem, welches im Zusammenhang mit Hochleistungs-Gasstromlasern auftritt, ist die optische Verzerrung des ausgesandten Strahles, was auf eine Anzahl von verschiedenen Ursachen zurückzuführen ist. Eine dieser Ursachen ist die Phasenverzerrung, die von einem Dichtegradienten innerhalb des strömenden Gases bewirkt wird; weiter sind Amplituden-Variationen störend, welche sich auf die Anwesenheit eines Verstärkungsgradienten im strömenden Gas zurückführen lassen. In der von der gleichen Anmelderin eingereichten deutschen Patentanmeldung P 33 30 238.3 vom 22. August 1983 werden diese Probleme ausführlich gewürdigt und es wird ein Vorschlag gemacht, um diese störenden Einflüsse zu vermindern oder zu verhindern.

Im Verlauf weiterer Forschungen wurde herausgefunden, dass optische Verzerrungen zudem von durch mechanische Vibrationseinflüsse verursacht werden können, indem das optische System durch den die Gasströmung durch den Laserkanal aufrechterhaltenden Impeller sowie dessen Antrieb beeinflusst wird. Es ist demzufolge eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochleistungs-Gasstromlaser so auszubilden, dass diese ebengenannten Störeinflüsse ausgeschaltet sind.

Die Erfindung geht aus von einem Hochleistungs-Gasstromlaser mit einem äusseren Gehäuse, das eine Aussenwand besitzt, die einer Differenz zwischen Innendruck und athmosphärischem Druck zu widerstehen imstande ist, mit Befestigungsmitteln zur Montage des Gehäuses an einem Träger, mit einem optischen System, welches einen innnerhalb des Gehäuses angeordneten Laserkanal umfasst, mit einem innerhalb des Gehäuses angeordnete Impeller zur Erzeugung eines Gasstromes durch diesen Laserkanal, und mit einer Antriebsvorrichtung zum Antrieb dieses Impellers. Bei einem solchen Laser werden die gestellten Aufgaben erfindungsgemäss mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 gelöst.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Hochleistungs-Gasstromlasers, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig.l einen schematischen Seitenriss einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Lasers,

Pig.2 eine teilweise geschnittene Ansicht derselben Ausführungsform, quer zu derjenigen von Fig.l, in welcher schematisch der gefaltete Laserkanal des optischen Systems und die Gasflusskanäle zur Erzeugung des quer durch die einzelnen Zweige des Laserkanals fliessenden Gassflusses gezeigt sind,

Pig.3 eine dreidimensionale, teilweise aufgeschnittene Ansicht des Lasers gemäss Figuren 1 und 2, in
der insbesondere der Strömungsverlauf des Gases
dargestellt ist,

Fig.4 eine weitere, dreidimensionale, teilweise aufgeschnittene Ansicht desselben Lasers von einer
Stirnseite her, aus welcher insbesondere die unabhängige Befestigung des optischen Systems hervorgeht,

Fig.5 einen vergrösserten Teilschnitt durch ein Detail der Aufhängung des optischen Systems des Lasers,

Fig.6 einen Axialschnitt durch den Impeller und dessen Befestigung, und

Fig.7 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht, aus

welcher weitere Einzelheiten bezüglich des Impellers ersichtlich sind.

Aus der Figur 1 ist ein Hochleistungs-Gasstromlaser ersichtlich, der ein äusseres Gehäuse 2 umfasst, welches einen vom
äusseren, athmosphärisehen Druck abweichenden Innendruck aufzunehmen imstande ist. Bei der zur Rede stehenden Art von
Lasern beträgt der Innendruck höchstens ungefähr 0,2 atm. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Lasers mit der in Figur 1 gezeigten Anordnung beträgt der Innendurck ungefähr 0,05

atm; ein solcher Laser benützt eine elektrische Entladung, um das Lasergas anzuregen. Vorzugsweise wird eine der bekannten
CO^"Mischungen als Lasergas verwendet, wie es für Hochleistungslaser üblich ist.

Der Laserkanal besitzt die Gestalt eines gefalteten, optischen Hohlraumes bzw. eines Resonators und ist generell mit 3 bezeichnet. Die Ausbildung dieses Laserkanals geht im einzelnen aus der erwähnten deutschen Patentanmeldung P 33 30 23 8.3 vom 22. August 1983 hervor. In der Figur 2 ist gezeigt, dass dieser optische Hohlraum bzw. Resonator 3 gefaltet ist und somit aus vier Zweigen 3a - 3d besteht, die entlang eines Quadrates angeordnet sind. Die vier Zweige werden durch einen Primärspiegel 31 am einen Ende, einen Rückkoppelungsspiegel 32 am
entgegengesetzten Ende und drei Umlenkspiegeln 33,34,35 definiert, welch letztere jeweils zwischen einem Paar von benachbarten Zweigen angeordnet und gegenüber dem Laserstrahl um 45 grad verschwenkt sind, um die Laserstrahlen von einem Zweig in den nächstfolgenden Zweig abzulenken. Der Ausgangsspiegel 36
ist ein teildurchlässiger Spiegel und ist unmittelbar vor dem Rückkoppelungsspiegel 32 angebracht; er koppelt einen Teil der Laserstrahlen aus dem aus den vier Zweigen bestehenden Laserkanal aus und leitet diesen Teil zu einem Ausgangsfenster 37, z.B. einem ZnSe-Fenster, aus dem dann der Laserstrahl austritt.

Der hier in Rede stehende Laser umfasst ein Leitungssystem, welches generell mit 40 bezeichnet und am besten aus Figur 3 ersichtlich ist. Damit wird ein Strom von Lasergas erzeugt, der transversal zu jedem Zweig 3a - 3d des gefalteten Laserkanales verläuft. Ein jeder Laserkanalzweig wird dabei durch einen separaten Gasflusskanal 4a - 4d versorgt; der Gasstrom wird dabei mittels eines Impellers 41 erzeugt, welcher durch einen Elektromotor 42 angetrieben ist. Das ausgangsseitige Ende des Impellers 41 ist mit einem Difusor 44 versehen (Figur

Das durch die Kanäle 4a - 4d transversal zu den Zweigen 3a 3d des gefalteten Laserkanals fliessende Gas wird zuerst durch eine elektrische Entladeanordnung angeregt, die in Figur 1 mit 5 bezeichnet ist und die auf der stromaufwärtigen Seite eines jeden Zweigs des gefalteten Laserkanales liegt. Es sind verschiedene Arten von elektrischen Entladungsanordnungen bekannt, die im vorliegenden Fall verwendet werden können. Beispielsweise sei eine Anordnung erwähnt, mit einer externen Ionisationsquelle, z.B. in der Form eines Elektronenstrahles. Beim hier vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es allerdings vorteilhaft, eine mit Hochfrequenz arbeitende elektrische Entladungsanordnung zu verwenden, welche segmentartige Elekroden und Ballastmittel umfasst, wie es z.B. in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung

beschrieben ist.

Das Gas, das durch die Gaskanäle 4a - 4d fliesst, ist einer

Temperaturerhöhung unterwarfen, währenddem es die einzelnen Zweige 3a - 3d des Laserkanals 3 in transversaler Richtung passiert, so dass das die Kanäle 4a - 4d verlassende Gas eine beträchtlich höhere Temperatur aufweist als das in diese Kanäle eintretende Gas. Der aufgeheiste Gasstrom wird durch eine Ablenkwand 45 (Figuren 1 und 3) umfassende Kanäle zu einem Wärmeaustauscher 46 geleitet, durchströmt diesen, und gelangt wieder, über eine Leitung 47* ^um Eingang des Impellers 41, um mittels diesem im Kreislauf wieder den Gasstromkanälen 4a - 4d zugeführt zu i*erden„

Wie vorstehend kurz erwähnt und wie es insbesondere in der deutschen Patentanmeldung P 33 30 238„3 vom 22. August 1983 ausführlich beschrieben ist, bietet die Anordnung des Laserka- -nales 3 in vier Zweigen 3a - 3d, welche entlang eines Quadrates in einer gemeinsamen Ebene liegen und welche zwischen einzelnen Zweigpaaren Umlenkspiegel 33, 34, 35 aufweisen, eine Anzahl von wichtigen Vorteilen. Insbesondere sei erwähnt, dass die Umlenkspiegel in der Weise angeordnet sind, dass die Laserstrahlen abwechselnd von der stromaufwärtigen (bzw. stromabwärtigen) Seite innerhalb eines Zweiges zur stromabwärtigen (bzw. stromaufwärtigen) Seite innerhalb des benachbarten Zweiges umgelenkt werden? dies bezieht sich auf die Richtung des quer zu den Zweigen verlaufenden Gasstromes. Eine solche Anordnung gewährleistet eine Kompensation der durch den Dichtegradienten verursachten Phasenverzerrung und ausserdem eine Kompensation der durch den Verstärkungsgradienten im transversal zu den Zweigen fliessenden Gasstrom verur-

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sachten Ainplitudenvariationen. Dies wird deutlich, wenn man in Figur 2 den Verlauf der äussersten Strahlen Rl und R2 durch alle vier Laserkanalzweige 3a - 3d, ausgehend vom Primärspiegel 31 bis zum Rückkoppelungspiegel 32, verfolgt. Es wird dabei deutlich, dass der Strahl Rl im Zweig 3a bezüglich des Gasstromkanales 4a stromaufwärts liegt, während der Strahl R2 im Zweig 3a an der stromabwärtigen Seite verläuft. Beide Strahlen werden durch den ersten Umlenkspiegel 33 zwischen den Zweigen 3a und 3b umgelenkt, so dass nun innerhalb des Zweiges 3b der Strahl Rl an der stromabwärtigen Seite verläuft, währenddem der Strahl R2 auf die stromaufwärtige Seite gewechselt hat. Eine ähnliche Sitution wird durch den Umlenkspiegel 34 erzeugt; dieser lenkt den Strahl Rl zur stromaufwärtigen Seite und den Strahl R2 zur stromabwärtigen Seite innerhalb des Zweiges 3c um. Eine weitere Umkehrung erfolgt schliesslich unter Wirkung des Umlenkspiegels 35, welcher wiederum den Strahl Rl zur stromaufwärtigen Seite und den Strahl R2 zur stromabwärtigen Seite innerhalb des Zweiges 3d umlenkt.

Auf diese Weise wird jegliche Phasenverzerrung, die innerhalb eines Zweiges durch den Dichtegradienten (der entgegengesetzt zum Temperaturgradienten ist) verursacht wird, innerhalb des nächsten, benachbarten Zweiges kompensiert. In entsprechender Weise wird jegliche Amplitudenvariation, verursacht durch den Verstärkungsgradienten im einen Zweig, im nächsten, benachbarten Zweig durch die beschriebene Umlenkung der Strahlen kompensiert. Die maximlae Kompensation kann dann erreicht werden, wenn eine gerade Anzahl von Zweigen innerhalb des

Laserkanals vorhanden ist, so dass Variationen innerhalb eines Kanals durch diejenigen innerhalb des nächstfolgenden Kanals aufgehoben werden, und dadurch, dass einem jeden Laserkanalzweig separate Gasstromkanäle zugeordnet werden, so dass der Gasstrom die einzelnen Zweige in paralleler und nicht in serieller Art durchströmt. Weitere Einzelheiten bezüglich dieser Kompensationen bei einem Laser der in Rede stehenden Art sind aus der erwähnten deutschen Patentanmeldung P 33 30 238.3 vom 22. August 1983 ersichtlich.

Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemässen Anordnung ist darin zu erblicken, dass die das optische System 3 bildenden Spiegel durch unabhängige Stützorgane getragen werden. Diese sind in den Figuren 1 und 4 generell mit 50 bezeichnet und sind getrennt und beabstandet von den Trägern des Gehäuses, welch letztere in Figur 1 generell mit 49 bezeichnet sind. Auf diese Weise kann das optische System von Vibrationseinflüssen isoliert werden, die durch den Impeller 41 und dessen Antrieb 42 erzeugt werden. Kurz gesagt umfassen die Stützorgane 50 einen temperaturstabilisierten Weichstahlrahmen, der durch Füsse abgestützt ist und welche aus der Vakuumkammer innerhalb des Gehäuses 2 über flexible Durchführungen herausragen; die Durchführung können aus einem elastomeren Material oder durch einen Metallbalg gebildet sein und sind an einer benachbart zur Kammer liegenden, schweren Basisplatte verankert. pie Kammer des Lasers, die den Impeller und dessen Antrieb aufnimmt, ist mittels Entkoppelungsorganen vom Fussboden 48 (Figur 1) getrennt. Diese Anordnung isoliert die optischen

Komponenten von den hauptsächlichsten Vibrationsquellen (d.h. dem Impeller und dessen Antrieb)/ währenddem gleichzeitig sichergestellt ist, dass die Laserstrahlquelle, (d.h. der optische Resonator) bezüglich des Fussbodens eindeutig positioniert ist.

Aus den Figuren 1 bis 4 geht die Ausbildung der Stützorgane im einzelnen hervor. Diese umfassen vier Beine 51-54, welche im Bereich der vier Ecken eines offenen, horizontalen Rahmens 55 mit generell rechteckiger Form verankert sind. Ausserdem umfassen die Stützorgane 50 einen vertikalen, rechteckigen Rahmen 56 sowie ein Paar von geneigten Rahmenelementen 57, die zwischen dem hinteren Ende des horizontalen Rahmens 55 und dem oberen Ende des vertikalen Rahmens 56 verlaufen. Der letztere umfasst Kühlwasserleitungen 56', um die Temperatur des Rahmens zu stabilisieren.

Wie aus der Figur 4 zu entnehmen ist, werden die Spiegel des optischen Systems, nämlich der Primärspiegel 31, der Rückkoppelungsspiegel 32, die drei Umlenkspiegel 33-35 sowie der teildurchlässige Spiegel 36 je mittels Trägern 58 abgestützt, in der Weise, dass diese in der Art einer Konsole mit den vier Ecken des vertikalen Rahmens 56 verbunden sind.

Jedes der vier Beine 51-54 für die Befestigung des optischen Systems tritt durch die Wand 2 des Gehäuses des Lasers hindurch, wobei für eine Abdichtung gesorgt ist, und alle vier Beine sind an einer gemeinsamen, schweren, metallischen Grund-

platte 59 verankert, die sich ausserhalb der Kammer befindet. Zur Erhöhung der Stabilität sind die unteren Enden dieser Beine mit sich radial erstreckenden Verstärkungsflanschen versehen.

Die Art und Weise, wie sich die Beine durch die Wand 2 des Gehäuses unter Gewährleistung einer Abdichtung hindurch erstrecken, ist in Figur 5 am Beispiel des Beines 52 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass das Bein an sich hohl ist, am oberen Ende jedoch mit einem eingesetzten Block 61 verstärkt wird. Dieser ist mittels einer Schraube 62 im Bereich der entsprechenden Ecke des horizontalen Rahmens 55 verankert. Jede Ecke der Gehäusewand 2 ist mit einem rohrförmigen Stutzen 63 versehen, der koaxial zum Bein 52 verläuft, jedoch einen grösseren Durchmesser besitzt. Ein Schaft 64 aus elastomerem Material (oder ein metallischer Balg) ist an seinem oberen Ende mittels einer Bride 65 im Bereich des oberen Endes des Beines 52 gehalten, während das untere Ende mittels einer weiteren Bride 66 am oberen Ende der zylinderischen Hülse festgeklemmt ist.

Aus der vorstehend beschriebenen Anordnung wird klar, dass die äussere Oberfläche eines jeden Schaftes 64 innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet ist, in welchem gegenüber dem athmosphärischen Druck geringerer Druck herrscht. Die innere Oberfläche eines jeden Schaftes liegt ausserhalb des Gehäuses und wird deshalb vom athomosphärischen Druck beaufschlagt. Demzufolge wird immer eine Druckdifferenz vorhanden sein, die

radial gegen aussen auf jeden Schaft einwirkt, so dass dieser keiner Faltenbildung unterworfen wird. Gleichzeitig isoliert der Schaft den horizontalen Rahmen 55 zusammen mit dem Rest des dadurch abgestützten optischen Systems von Vibrationseinflüssen, welchem das Gehäuse durch den Impeller 41 und dessen Antrieb 42 unterworfen ist.

Bei dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel eines Lasers sorgt das Gasleitungssystem 40 dafür, dass im wesentlichen das gesamte Gas entlang eines Pfades strömt, der sich transversal zu jedem der Laserkanalzweige 3a - 3d erstreckt. Wie es in der zuvor erwähnten deutschen Patentanmeldung P 33 30 238.3 vom 22. August 1983 ausführlicher beschrieben ist, ist diese Massnahme in der Lage, optische Störungen weitgehend zu vermindern. Dazu kommt, neben weiteren wichtigen Vorteilen, wie es weiter unten noch beschrieben werden wird, dass diese Massnahme ausserdem andere Störeinflüsse zu vermindern vermag, welche die Stabilität der elektrischen Entladung im Lasergas beeinträchtigen könnten.

Aus den Figuren 2 und 3 ist deutlich zu sehen, dass ein jeder der Gaskanalzweige 4a - 4d einen (im Fall des Zweiges 4a) sich axial erstreckenden Einlassbereich 71, einen sich radial erstreckenden Bereich 72 sowie Ablenkplatten 73 umfasst, welch letztere beim Übergang der beiden Bereiche 71 und 72 angeordnet sind, um den Gasstrom vom axialen Bereich in den radialen Bereich umzuleiten. Das elektrische Entladungssystem (in Figur 1 generell mit 5 bezeichnet) ist am oberen Ende des entspre-

chenclen, sich radial erstreckenden Bereiches 72 eines jeden Kanals angeordnet. Das untere Ende eines jeden der sich radial erstreckenden Bereiche ist mit einem Paar von öffnungen 74 und 75 versehen, die deckungsgleich angegordnet sind und die zudem zu den entsprechenden Spiegeln des gefalteten optischen Systems ausgerichtet sind, z.B. mit den Spiegeln 31 und 33 des optischen Systems.

Wie insbesondere aus der Figur 3 hervorgeht, besitzt der Laser ausserdem eine innere Trennwand 80 zwischen dem Impeller 41 und dem Wärmeaustauscher 46. Die Trennwand 80 ist entlang ihrer Peripherie mit der inneren Oberfläche des Gehäuses 2 verbunden. Sie ist ferner mit vier äusseren öffnungen 81 versehen; jeweils eine dieser öffnungen nimmt das Einlassende des sich axial erstreckenden Bereiches (z.B. 71) eines jeden der vier Gaskanäle 4a - 4d auf. Schliesslich besitzt die Wand 80 eine zentrale Öffnung, welche die Leitung 47 zwischen dem Wärmeaustauscher 46 und dem Impeller 41 aufnimmt.

Diese Konstruktion bewirkt, dass die Trennwand 80 den Gasstrom vom Impeller 41 bzw. von dessen Diffusor 44 zu den Einlassbereichen (z.B. 71) der vier Gasströmungskanäle 4a -4d leitet, von wo aus dieses entlang der sich axial erstreckenden Bereiche und dann entlang der sich radial erstreckenden Bereiche (z.B. 72) strömt und in transversaler Richtung die Laserkanalzweige 3a - 3d am unteren Ende der Gasströmungskanäle passiert. Wie schon vorher erwähnt, wird das Lasergas mit Hilfe des elektrischen Entladungssystems (5 in Figur 1) am oberen

Ende eines jeden der sich radial erstreckenden Bereiche angeregt und überträgt diese Energie an den Laserstrahl, wenn dieser sich durch die öffnungen (z.B. 74 und 75) an den unteren Enden bewegt. Es wurde auch schon erwähnt, dass sich das Gas erwärmt, währenddem es die entsprechenden Kanalabschnitte durchläuft, so dass die Temperatur des aus den Gasströmungskanälen 4a - 4d austretenden Gases höher ist als die Temperatur des eintretenden Gases. Das erwärmte Gas verlässt die Gasströmungskanäle 4a - 4d im Bereich eines zentral gelegenen, gemeinsamen Sammlers und wird darauf mit Hilfe der Wand 45 zum Wärmeaustauscher 46 geleitet. Schliesslich gelangt das Gas über die Leitung 47 durch die innere Trennwand 80 hindurch zum Impeller 41, wo es wieder in den Kreislauf zurückgelangt.

Die vorstehend beschriebene Anordnung bewirkt, dass im wesentlichen das gesamte Gas in die vier Gaskanäle 4a - 4d, und zwar durch deren zugehörige Eintrittsbereiche (z.B. 71) gelangt, ohne dass wesentliche Anteile des Gases über die Laseröffnungen (z.B. 74, 75 beim Zweig 4a) in die Gaskanäle gelangen könnten. Man hat festgestellt, dass dies eine Anzahl von Vorteilen bringt, nebst den Vorteilen, die schon in der vorstehend erwähnten deutschen Patentanmeldung P 33 30 23 8.3 vom 22. August 1983 geschildert worden sind. Neben der deutlichen Verminderung der optischen Störungen, die bisher durch das durch die Laserstrahl-Öffnungen strömende Gas verursacht wurden, hat sich herausgestellt, dass die Instabilitäten in der elektrischen Entladung deutlich verringert werden, die

bisher durch das durch die genannten Laseröffnungen strömende Gas bewirkt wurden. Da im wesentlichen alles so in Strömung versetzte Gas durch das elektrische Feld hindurchtritt, welches die Besetzungsumkehr bewirkt, kann zusätzlich eine bedeutende Steigerung des Wirkungsgrades des Lasers beobachtet werden, im Vergleich zu einem Laser, bei dem ein Anteil des Gasstromes durch diejenigen Öffnungen im Gasströmungskanal durchtritt, durch die der Laserstrahl passiert. Dazu kommt, dass die neuartige Anordnung einen Nutzen durch die Tatsache ziehen kann, dass das Gas radial gegen Innen fliesst und so in optimaler Weise gekühlt werden kann, bezogen auf ein bestimmtes Gerätevolumen.

Ein weiterer, wichtiger Aspekt der Erfindung ist darin zu erblicken, dass der Antriebsmotor 42 für den Impeller 41 direkt an der Wand des Gehäuses befestigt ist, wobei die Antriebswelle des Motors innerhalb des Gehäuses angeordnet und mit dem ebenfalls innerhalb des Gehäuses angeordneten Impeller

41 gekoppelt ist. Diese Anodnung geht insbesonere aus der Figur 6 hervor, aus der auch zu entnehmen ist, dass der Motor

42 unter Zuhilfenahme einer Montageplatte 84 verankert ist. Diese ist an einem Flansch 85 befestigt, welcher seinerseits mittels Befestigungsorganen 86 wegnehmbar an der Hinterwand 87 des Gehäuses 2 angebracht ist. Die Hinterwand 87 des Gehäuses trägt den drehbaren Impeller 41, welch letzterer eine drehbare Welle 88 umfasst, die mit der Antriebswelle 89 des Antriebsmotors 42 gekoppelt ist, sofern letztere am Gehäuse befestigt ist. Die Antriebswelle 89 ist mit einem Mitnehmer 90 versehen,

welche in eine entsprechend ausgebildete Nut auf der Welle 88 des Impellers 41 eingreift, in der Weise, dass die Antriebswelle 89 des Antriebsmotors 42 mit der Welle 88 drehfest verbindbar ist, währenddem gleichzeitig eine axiale Verschiebung der Motorwelle bezüglich der Impellerwelle stattfinden kann. Der Motor 42 ist wassergekühlt; das Kühlwasser gelangt durch einen Einlass 91 in einen Kühlwasserlauf und verlässt diesen durch einen Auslass 92.

Die vorstehend beschriebene Anordnung gewährleistet zum einen eine verhältnsissmässig kurze, direkte Koppelung zwischen der Antriebswelle 42 und dem Impeller 41 und vermindert zum andern durch Vibrationen verursachte Störungen, die vom Antriebsmotor auf das optische System des Lasers übertragen werden könnten. Dazu kommt, dass auf diese Weise eine einfache Ankoppelung des Antriebsmotors an den Impeller gewährleistet ist. Durch die Tatsache, dass der Motor 42 an einem Flansch 45 befestigt ist, der wegnehmbar an der Rückwand 87 des Gehäuses 2 angebracht ist, ist eine bequeme Zugangsöffnung in das Innere des Lasergehäuses geschaffen, so dass Unterhalt oder Reparaturen erleichtert sind.

Vorzugsweise ist die Abschlusswand 93 (Figur 3) am gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 2 ebenfalls leicht abnehmbar befestigt, um einen weiteren Zugang zum inneren des Lasergehäuses von der anderen Seite her zu schaffen. Zu diesem Zwecke kann die Abschlusswand 93 mit einem äusseren Flansch 94 versehen sein, der wegnehmbar, mittels Befestigungsorganen 96, an einem

entsprechend ausgebildeten Flansch 95 des Gehäuses 2 befestigt ist.

In der Figur 7 ist ein weiteres Merkmal dargestellt, welches mit Vorteil innerhalb des beschriebenen Lasersystems vorgesehen sein kann. Es ist nämlich eine feststehender ringförmige Anordnung von Ablenkflügeln vorgesehen, die generell mit 100 bezeichnet und zwischen dem Auslassende des Impellers 41 und den Einlassenden der Gasströmungskanälen 4a - 4d angeordnet sind. Diese Anordnung von Ablenkflügeln lenkt das den Impeller 41 verlassende Gas von einer radialen Richtung in eine axiale Richtung ab, während es die Einlassöffnungen der Gasströmungskanäle erreicht. Eine weitere Wirkung dieser Flügel ist darin zu erblicken, dass sie einen Mehrkanal-Diffusor bilden, somit die Strömungsgeschwindigkeit des Gases herabsetzen und gleichzeitig dessen dynamischen Druck aufbauen. Zudem wird zusätzlich Wärme aus dem Gasstrom entzogen, bevor er die Kanäle 4a 4d erreicht; dadurch kann das Gas auf diejenige Temperatur gebracht werden, die für den optimalen Betrieb des Lasersystems erforderlich ist.

Aus der Figur 7 geht hervor, dass die Ablenkflügelanordnung 100 zwei ringförmige Träger 102 und 10 4 umfasst, zwischen welchen eine Mehrzahl von Ablenkflügeln 106 in einer solchen Ausrichtung angebracht sind, dass die Gasströmung in der in vorstehend beschriebener Weise abgelenkt wird. Die gesamte Anordnung ist an der Innenfläche des Gehäuses 2 zwischem dem Impeller 41 und der inneren Trennwand 80 festgemacht. Aus-

serdem sind Wasserleitungsröhren 108 vorgesehen, die vom äusseren, ringförmigen Träger 102 gehalten sind, und zwar entlang dessen äusserer Oberfläche und zwischen dieser und der Innenfläche des Gehäuses 2. Weitere Kühlwasserrohre sind entlang der inneren Oberfläche des inneren, ringförmigen Trägers 104 vorgesehen. Durch diese Kühlwasserrohre wird eine Kühlflüssigkeit, wie z.B. tiefgekühltes Wasser, hindurchgeleitet, um dem Gas soviel Wärme wie möglich zu entziehen, bevor es in die Gasströmkanäle 4a - 4d eintritt.

Wie schon zuvor erwähnt, ist der Wärmeaustauscher 46 zwischen dem gemeinsamen Sammelbereich an den ausgangsseitigen Enden aller Gasströmkanäle 4a - 4d und dem Eingang des Impellers angeordnet, um den Hauptteil der Wärme aus dem Gasstrom zu entziehen. Zum Betrieb dieses Wäremaustauschers kann ein preisgünstiges Kühlmedium, wie z.B. Leitungswasser, Verwendung finden. Die Kühlrohre 108 und 110, die durch die ringförmigen Träger der Ablenkflügelanordnung 100 aufgenommen sind, entziehen dem Gas weitere Wärme, bevor der Gasstrom die Strömungskanäle 4a - 4d erreicht, um das Gas auf eine solche Temperatur abzukühlen, die für den optimalen Betrieb des Lasers erforderlich ist. Durch diese Kühlrohre kann ein teureres Kühlmedium wie z.B. tiefgekühltes Wasser geleitet werden.

Der erfindungsgemässe Hochleistungs-Gasstromlaser wurde vorstehend an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben, wobei zahlreiche Variationsmöglichkeiten erläutert worden sind. Es versteht sie von selbst, dass im Rahmen der

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Erfindung zahlreiche weitere Variationen und Modifikationen sowie viele Anwendungsmöglichkeiten denkbar sind.

Claims

Patentansprüche

Iy Hochleistungs-Gasstromlaser mit einem äusseren Gehäuse, das eine Aussenwand besitzt, die einer Differenz zwischen Innendruck und athmosphärischein Druck zu widerstehen imstande ist, mit Befestigungsmitteln zur Montage des Gehäuses an einem Träger, mit einem optischen System, welches einen innnerhalb des Gehäuses angeordneten Laserkanal umfasst, mit einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Impeller zur Erzeugung eines Gasstromes durch diesen Laserkanal, und mit einer Antriebsvorrichtung zum Antrieb dieses Impellers, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Laser ferner unabhängige Tragmittel zur Befestigung dieses optischen Systems auf diesem Träger umfasst, welche Tragmittel unabhängig von den Befestigungsmitteln zur Montage des Gehäuses sind, um das optische System von durch Vibrationen des Impellers und dessen Antriebsvorrichtung hervorgerufenen Störungen zu isolieren, und dass das Gehäuse mit abgedichteten Durchführungen versehen ist, welche die genannten, unabhängigen Tragmittel einerseits mit dem optischen System und andererseits mit dem Träger verbinden.
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unabhängigen Tragmittel zur Abstützung des optischen Systems eine Mehrzahl von Füssen umfassen, wobei jeder dieser Füsse mit einer abgedichteten Durchführung durch die Wand des Lasergehäuses versehen ist.
3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese Füsse im Bereich ihres unteren Endes an einer gemeinsamen, schweren Grundplatte verankert sind.
4. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die abgedichtete Durchführung eines jeden Fusses einen sich zwischen dem zugeordneten Fuss und der Gehäusewand erstreckenden, elastomeren Schaft umfasst, wobei die Aussenflache eines jeden Schaftes im Inneren des Gehäuses angeordnet und einem Druck ausgesetzt ist, der geringer als der athmosphärische Druck ist, und wobei die innere Oberfläche eines jeden Schaftes
ausserhalb des Gehäuses angeordnet und dem athmosphärischen Druck ausgesetzt ist, so dass dieser Schaft keiner Faltenbildung unterworfen ist.
5. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel zur Montage des Gehäuses eine Mehrzahl von Füssen umfasst, die je mit einem Isolator gegen vibration
versehen sind.
6. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor des Impellers an einer Rückwand des Gehäuses befestigt ist, wobei die Motorantriebswelle innerhalb dieses Gehäuses angeordnet und mit dem ebenfalls innerhalb des Gehäuses angeordneten Impeller gekoppelt ist.
7. Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung des Antriebsmotors des Impellers mittels eines

Montageflansches erfolgt, der vom Gehäuse wegnehmbar ist, um eine Zugangsöffnung in das Innere des Gehäuses zu schaffen.
8. Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die der genannten Rückwand gegenüberliegende Wand des Gehäuses wegnehmbar ausgebildet ist, um eine weitere Zugangsöffnung in das Innere des Gehäuses zu schaffen, die der genannten Zugangsöffnung gegenüberliegt.
9. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkanal des optischen Systems mindestens einen Laserkanalzweig umfasst, dass der Laser für jeden der Laserkanalzweige einen Gasströmungskanal aufweist, wobei jeder dieser Gasströmungskanäle ein elektrisches Entladungssystem umfasst, um den hindurchfliessenden Gasstrom anzuregen, dass ferner gegeneinander ausgerichtete Durchtrittsöfnnungen für den Laserstrahl der zugehörigen Kanalzweige vorgesehen sind, und dass schliesslich Gasleitungskanäle vorhanden sind, die die Gasströmung durch jeden Laserkanalzweig so leiten, dass er transversal durch die genannten Durchtrittsöffnungen für den Laserkanal fliesst.
10. Laser nach Ansruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System einen gefalteten Laserkanal umfasst, der durch eine Mehrzahl von in polygonaler Konfiguration angeordneten Laserkanalzweigen gebildet ist, wobei einem jeden dieser Laserkanalzweige ein Gasströmungskanal zugeordnet ist, und wobei innerhalb dieses Polygons ein Sammelbereich für das Gas vorge-

sehen ist, welches von der Aussensexte der Laserkanaizweige radial gegen Innen strömt.