DE3344714A1

DE3344714A1 - Gastransportlaser mit axialer gasstroemung

Info

Publication number: DE3344714A1
Application number: DE19833344714
Authority: DE
Inventors: Rasmus Dipl.-Phys. Dr. 6078 Neu-Isenburg Beck; Karl Prof. Dipl.-Phys. Dr. 6236 Eschborn Gürs
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1983-12-10
Filing date: 1983-12-10
Publication date: 1985-06-20
Also published as: GB8430943D0; GB2151394B; DE3344714C2; FR2556516A1; JPH06101597B2; JPS60140886A; CH667555A5; GB2151394A; US4672622A; FR2556516B1

Description

334471

393-25

CASCH/AGD 1. Dezember 1983

BATTELLE - INSTITUT E.V., Frankfurt am Main

Gastransportlaser mit axialer Gasströmung

Die Erfindung betrifft einen Gastransportlaser mit axialer Gasströmung und einem in einem Gehäuse mittig angeordneten Entladungsrohr.

Beim CC>2-Laser sinkt der Wirkungsgrad mit steigender Temperatur. Um die Temperatur möglichst niedrig zu halten, wird das erwärmte Lasergasgemisch durch eine ümwälz* anlage aus dem Laserraum entfernt und durch gekühltes ersetzt (Appl. Phys. Lett. 15, 1969, 91-). Zur schnellen Umwälzung des aktiven Lasergasgemisches wird z. B. ein leistungsstarkes Gebläse, wie Ventilator oder Rootspumpe verwendet. Bei Konvektionslasern dieser Art kann eine ausreichende Stromungsgeschwindigkeit jedoch nur mit relativ hohem Druckgefälle über das Laserrohr aufrecht erhalten werden. Dadurch sind die Entladungsbedingungen entlang des Rohres nicht einheitlich. Es wird ein sehr starkes Umwälzgebläse benötigt, was sich auf das Volumen und das Gewicht einer solchen .Anlage ungünstig auswirkt.

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Bei einer bekannten Konvektionslaseranordnung wird das Gasgemisch in dem Entladungsrohr durch geeignet ausgebildete, wassergekühlte Leitbleche auf einer schraubenförmigen Bahn umgewälzt (DE-OS 29 16 408). Es durchsetzt dabei die aktive Zone des Lasers nur kurz und hat bis zum nächsten Durchlauf genügend Zeit, die aufgenommene Verlustwarme 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 Anordnung hat den Vorteil, daß nur eine relativ geringe Umwälzgeschwindigkeit benotigt wird und daß durch die longitudinale Anordnung des Laserresonators eine gute Modengualität erreicht wird. Es erweist sich jedoch als schwierig, die Gasentladung am Ort zu halten, da sie leicht durch die Gasströmung aus dem Resonatorraum herausgeblasen wird. Günstige Betriebsbedingungen lassen sich nur bei ganz bestimmten Entladungsparametern einhalten, so daß sich die Intensität dieses Lasertyps nicht gut regeln läßt.

Diese Nachteile der bekannten Konvektionslaser werden durch eine Anordnung beseitigt, bei der die Laserkammer als gekühltes Rohr ausgebildet und konzentrisch innerhalb einer ümwälzturbine angeordnet ist (DE-OS 31 21 372). Dadurch wird ein wesentlicher Portschritt gegenüber herkömmlichen Gastransportlasern mit longitudinaler Gasströmung erzielt. Allerdings ist dieser Laser nur mit großem technischen Aufwand zu realisieren. Wegen des großen Durchmessers bei Aussenlagerung und der großen Drehgeschwindigkeit der bewegten gegen die stehenden Teile ist die Herstellung der Lager besonders aufwendig. Der Umwälzverdichter stellt eine Sonderkonstruktion dar. Besondere Schwierigkeiten macht die Herstelung eines Rotors mit an einem routierenden Außenrohr befestigten Turbinenschaufeln.

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Der vorliegenden Anmeldung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Konvektionslaser zur Erzeugung von Hochleistungslaserstrahlung zu entwickeln, bei dem unter Vermeidung der konstruktiven Nachteile bekannter Anordnungen
die Temperaturerhöhung im Lasergas effektiv unterdrückt
werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Gasumwälzung eine Radialturbine vorgesehen ist, auf deren Achse der Laserresonator angeordnet ist und daß der Laserresonator von einem Ringkanal umgeben ist, der als
Kühlstrecke für das Lasergas dient.

In dem Ringkanal verlaufen.Wärmetauscherrohre parallel
zur Achse des Laserresonators. Die Wärmetauscherrohre
werden an einem Wasserbehälter angeschlossen, der rotationssymmetrisch in Form eines Kreisrings ausgebildet
ist. Dieser Kreisring hat vorzugsweise einen keilförmiger Querschnitt. Nach einer besonderen Ausführungsform der
Erfindung umschließt der Kreisring den Laserresonator
konzentrisch und wird im Bereich des Entladungsrohres mit einer ringförmigen Elektrode versehen. Der .Kreisring wirci. vorzugsweise neben der Radialturbine angeordnet und dient als Deckscheibe für die Radialturbine. Auf dem der Radialturbine entgegengesetzten Ende des Entladungsrohres
sind Schlitzdüsen vorgesehen, durch die das gekühlte
Laser-Gas-Gemisch in das Entladungsrohr einströmen kann.
In diesem Bereich wird auch eine verteilte Anode angeordnet, und zwar vorzugsweise in Form mehrerer Stiftelektroden. Der Antrieb für die Radialturbine wird mit einem
Gaslager ausgerüstet, das mit Lasergas arbeitet. Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform können zwei oder mefri-e Laseranordnungen dieser Art auf einer optischen Achse angeordnet werden, und zwar so, daß zwei Radialturbinen von einem Motor betrieben werden.

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Dabei müssen die Radialturbinen zur Durchfuhrung des Laserstrahlungsfeldes mit einer mittigen öffnung versehen sein.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den Patentansprüchen sowie anhand der schematischen Zeichnung. Hierbei zeigen:

Fig. 1 im Längsschnitt eine durch Koppelung von zwei erfindungsgemäßen Laseranordnungen entstände Zwillingseinheit;

Fig. 2 den A-A¹-Querschnitt und

Fig. 3 B-B'-Querschnitt der in Figur 1 dargstellten Anordnung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Laseranordnung wird zur Umwälzung des Lasergases eine Radialturbine 1 verwendet. Beide Anordnungen, die den Zwillingsmodul bilden, werden auf der Seite der Radialturbinen 1 zusammengekoppelt. Die Radialturbinen 1 werden mit einem Motor 2 angetrieben, der ein Hochfrequenzdrehstrommotor oder ein Gleichstrommotor mit elektronische Kommutierung sein kann.

Der Antrieb für die Radialturbinen 1 ist mit je einem Gaslager 3 (z.B. ein Kugelkalottenlager nach G.J. Watt) ausgerüstet. Als Betriebsgas für das Lager 3 kann hier vorteilhaft das Lasergasgemisch verwendet werden. Das Gasgemisch wird bei z.B. ca. 7 bar durch eine Zuführungsbohrung 4 in die Lagerkalotte eingedrückt. Das Lasergas entspannt sich beim Austritt aus dem Lagerspalt in die Laserkammer hinein. Der Betriebsdruck des Lasers von ca. 100 mbar wird durch eine, hier nicht gezeigte Vakuumpumpe aufrecht gehalten, die an dem Gasausfuhrungsstutzen 5 angeschlossen wird.

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Die Drehzahl der Turbine, 1 liegt vorzugsweise in einem Bereich von mehr als 15000 ü/min. Damit lassen sich bei einem Turbinendurchmesser von ca. 150 mm die erforderlichen Strömungsgeschwindigkeiten im Laserrohr von 150 m/s oder mehr erzielen.

Die Radialturbine 1 läuft in einem Ringkanal 6, der konzentrisch zum Laserresonator angeordnet und als eine Kühlstrecke ausgebildet ist. Zu diesem Zweck werden erfindungsgemäß mehrere Wärmetauscherrohre vorgesehen. Eine vorteilhafte Anordnung der Wärmetauscherrohre 8 mit Kuhlrippen ist aus Fig. 2 ersichtlich, in der der mit gestrichelten Linien in Fig. 1 Schnitt A-A'-Strich dargestellt ist. Bei dieser Ausfuhrungsform werden sechs Wärmetauscherrohre 8 im Ringkanal 6 untergebracht. Die Rohre 8 verlaufen parallel zur Achse des Laserresonators 7. Andere Ausbildungen fur den Wärmetauscher sind ebenfalls möglich. Bei geeigneter Anordnung können auch eine größere oder geringere Anzahl Wärmetauscherrohre im Ringkanal 6 vorgesehen werden.

Gemäß einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform werden die Wärmetauscherrohre 8 an einen Wasserkasten 9 angeschlossen und bilden mit dem Wassereinlauf 10 und Wasserauslauf 11 das Kühlsystem.

Der Wasserkasten 9 ist als ein Kreisring ausgebildet, hat vorzugsweise einen keilförmigen Querschnitt und umfaßt den Laserresonator 7 wie eine Manschette. Er dient bei dieser Anordnung gleichzeitig als Deckscheibe für die Radialturbine 1.

An den kreisringförmigen Wasserkasten 9 wird vorzugsweise die Kathode 12 angebaut, die als eine Ringelektrode ausgebildet ist. Sie wird dadurch gut gekühlt und zugleich elektrisch an die Gehäusemasse angeschlossen.

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Der Ringkanal 6, in dem die Turbine 1 läuft, lenkt den Gasstrom um und leitet ihn über die Wärmetauscher 8. Das gekühlte Lasergas strömt dann in das Laserrohr 7 durch eine Anordnung von mehreren Schlitzdüsen 13 ein. Die Schlitzdüsen 13 werden vorzugsweise so angeordnet, daß sich im Laserrohr eine Drallstromung einstellt. Eine solche Anordnung, bei der die Schlitzdüsen tangential zum Laserrohr führen, ist in Fig. 2 dargestellt.

Die Anode des Entladungssystem wird zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Entladung geteilt ausgebildet. Vorzugsweise werden sechs oder mehr Stiftanoden 14 verwendet, die über separate Vorwiderstände an die Betriebsspannung 15 angeschlossen werden.

Das Laserrohr 7 wird bei dieser in Figur 1 dargestellten Zwillingsanordnung durch Bohrungen in den jeweiligen Turbinen 1 durchgeführt und mit Laserspiegeln 16 und 17 abgeschlossen. Es können auch mehrere solcher Zwillingseinheiten auf einer optischen Achse hintereinander angeordnet werden, um eine höhere Leistungsabgabe zu ermöglichen. In diesem Falle werden die Einheiten, wie bereits dargelegt, zusammengekoppelt und jeweils die Endflansche mit Laserspiegeln versehen.

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Claims

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CASCH/AGD 1. Dezember 1983

BATTELLE - INSTITUT E.V., Prankfurt am Main

Patentansprüche

Laser mit axialer Gasströmung und einem in einem Gehäuse mittig angeordneten Entladungsrohr, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gasumwälzung eine Radialturbine (1) vorgesehen ist, auf deren Achse das Entladungsrohr (7) angeordnet ist und daß das Entladungsrohr (7) von einem Ringkanal (6) konzentrisch umgeben ist, der als Kühlstrecke für das Lasergas dient.
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ringkanal (6) mindestens zwei, vorzugsweise vier bis sechs Wärmetauscherrohre (8) parallel zur Achse des Entladungsrohres (7) verlaufen und daß die Wärmetauscherrohre (8) an einem als Wasserbehälter dienenden Kreisring (9) mit vorzugsweise keilförmigem Querschnitt angeschlossen sind.
3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß def Kreisring (9) das Entladungsrohr (7) umschließt und im Bereich des Entladungsrohres (7) mit einer ringförmigen Kathode (12) versehen ist.

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4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3_f dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisring (9) als Deckscheibe für die Radialturbine (1) ausgebildet ist.
5. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem der Radialturbine (1) entgegengesetzten Ende des Entladungsrohres Schlitzdüsen

(13) vorgesehen sind, durch die das Lasergas in das Entladungrohr einströmen kann.
6. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus mehreren am Umfang des Entladungsrohres (7) verteilten Stiftelektroden

(14) besteht, die über separate Vorwidertände an die Betriebsspannung (15) angeschlossen sind.
7. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb für die Radialturbine (1) mit einem Gaslager (3) ausgerüstet ist, das durch das Lasergas betrieben wird.
8. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Laseranordnungen zusammengekoppelt sind, so daß zwei Radialturbinen (1) auf einer Motorachse liegen und daß die Radialturbinen (1) sowie die Motorachse mit einer zentralen Bohrung versehen sind, durch die die beiden Entladungsrohre (7) verbunden werden.
9. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch außerhalb der Gasführungsgehäuse axial angebrachte Laserspiegel (16, 17) ein Laserresonator gebildet wird.

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