DE3826979A1 - Resonator-struktur fuer gaslaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Resonator-Struktur für einen Gaslaser nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Um bei Hochleistungs-Gaslasern zur Materialbearbeitung die Ausbildung eines gewünschten Modenbildes zu erreichen, sind heute die Resonator-Strukturen zumeist in ihrer optischen Achse frei beweglich zwischen mindestens zwei Halterungen gelagert und auf massiven Platten gedämpft aufgebaut.

So ist es aus der DE 34 46 640 A1 bekannt, die Laserrohre an ihrem freien Ende in Stützwänden zu lagern, die jeweils beweglich auf Sockeln angeordnet sind. Die Stützwände sind ihrerseits durch eine Anzahl von Verbindungsstreben oben und unten miteinander verbunden. Bei der DE 34 16 525 A1 wird anstatt der Verbindungsstreben eine Stützröhre verwendet, durch die die Lasergaszuführung zu den parallel zu ihr angeordneten Laserrohren erfolgt. Derartige Stützrohre sind auch aus der GB 15 10 981 C2 bekannt. Bei allen Resonator-Strukturen werden die Laserrohre auf ihrer freien Länge zwischen den Stützwänden über Tragelemente abgestützt, welche auf den Verbindungsstreben angeordnet sind. Die Resonator- Struktur nach der DE 34 22 525 A1 weist End- und Zwischenflanschvorrichtungen auf, die über Stangen oder ein Rohr miteinander verbunden sind und die relativ zu den Vorrichtungen bewegliche Laserrohre tragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen stabilen Gaslaser zu schaffen, bei dem eine Längenausdehnung der Laserrohre ohne bewegliche Halterungen möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst.

Durch die Erfindung kann nunmehr auf bewegliche Halterungen verzichtet werden, ohne daß ein Ausgleich von durch Temperatur-Schwankungen hervorgerufene Längenänderungen zu Verformungen führen. Die Resonator-Struktur ist nur an einer Stelle mit dem "Unterbau" (z. B. einer Trägerplatte) verbunden, so daß an diese keine besonderen Anforderungen z. B. bezüglich der Planparallelität, der Steifigkeit und der Genauigkeit zu stellen sind. Der auf dem "Unterbau" angeordnete Zentralkopf ist mindestens mit jeweils einem links bzw. rechts auf einer optischen Achse angeordneten Laserrohr verbunden, deren freie Enden an jeweils einem Absaugkopf angeschlossen sind. Zwischen diesen Absaugköpfen und den Spiegelköpfen ist jeweils ein weiteres auf der gleichen optischen Achse liegendes Laserrohr angeordnet. Parallel zu der optischen Achse, vorzugsweise in der Mitte der Resonator-Struktur, ist ein als Hohlkörper ausgebildeter Zuganker angeordnet, über dessen Oberfläche die Absaug- und Spiegelköpfe ausgerichtet werden. Die, die Stabilität gegen Biegung und der Einwirkung äußerer Kräfte der Resonator-Struktur bestimmenden Elemente, sind als Distanzkörper, insbesondere den Zuganker umgebende Rohrstücke, ausgebildet, die beim Spannen des Zugankers die Resonator-Struktur stützen. Um eine ausreichende Stabilität zu ermöglichen, ist das Widerstandsmoment der Distanzkörper größer als das des Zugankers.

Durch das Zusammenspannen (-drücken) der Köpfe und der Distanzkörper wird eine sehr einfache und billige Herstellung und Montage der Resonator-Struktur fast ohne Befestigungselemente, wie z. B. Schrauben, ermöglicht. Zur Montage werden abwechselnd die Distanzkörper und die Köpfe auf den Zuganker aufgeschoben, anschließend die Köpfe ausgerichtet und abschließend die Resonator-Struktur mit stirnseitigen Spannelementen zusammengespannt. Es ist offensichtlich, daß hierbei verschiedene Spannelemente, wie z. B. Spannmuttern oder Spannschrauben mit stirnseitig am Zuganker befestigten Druckflanschen oder Federscheiben eingesetzt werden können.

Bei einer Lasergaseinströmung und -leitung in den mittleren Zentralkopf und einer Verteilung des Lasergases von dem Zentralkopf in die an ihn angrenzenden Laserrohre bzw. über die Mitte des hohlen Zugankers zu den Enden der zwischen den Spiegel- und Absaugköpfen angeordneten Laserrohre ist ein strömungsmäßig symmetrischer Resonatoraufbau möglich. Entsprechendes gilt für die Kühlwasserführung zur Kühlung der Resonator-Struktur. Das thermische Verhalten wird durch diese symmetrischen Strömungsverhältnisse und die zwischen dem heißen Lasergas der Laserrohre und den Absaugköpfen und der Resonator-Struktur vorhandene Kühlwasserführung verbessert. Vorteilhaft trägt der Zentralkopf der Resonator-Struktur das Gewicht der Absaugleitungen, wodurch eine Kraftfreiheit des Resonators erhalten bleibt. Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Resonator-Struktur,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt der Resonator-Struktur.

Die in Fig. 1 dargestellte Resonator-Struktur 10 für einen Gaslaser besteht im wesentlichen aus beispielsweise acht lasergasdurchströmten Laserrohren 11 bis 18, welche symmetrisch zueinander von einem Zentralkopf 19 gehalten werden und deren Enden an jeweils einen Spiegelkopf 20, 21 für Umlenk- 22, 23, End- 24 und/oder Auskoppelspiegel 25 (Fig. 2) angeschlossen sind. Zwischen den Spiegelköpfen 20, 21 und dem Zentralkopf 19 sind die Laserrohre 11, 15 bzw. 14, 18 über jeweils einen Absaugkopf 26, 27 mit den Laserrohren 12, 16 bzw. 13, 17 verbunden. Von den Absaugköpfen 26, 27 wird das Lasergas über Absaugleitungen 28, 29 in denen Kühleinheiten 30 bis 33 angeordnet sind, mit einer nicht näher dargestellten Pumpe dem Lasergaskreislauf wieder zugeführt. Nach einer vorteilhaften Ausbildung ist der Zentralkopf 19 auch als Träger für die Absaugleitungen 28, 29 ausgebildet.

Wie insbesondere aus der Fig. 1 hervorgeht, sind jeweils vier Laserrohre 15 bis 18 und 11 bis 14 auf gemeinsamen und zueinander parallel verlaufenden Längsachsen angeordnet. Sie werden nur von einem Zentralkopf 19 gehalten und stehen als Kragarme zusammen mit den Spiegel- und Absaugköpfen 20, 21, 26, 27 frei von ihm ab. Der Zentralkopf 19 ist auf einer Trägerplatte 52 befestigt.

Der in der Fig. 2 näher dargestellte Aufbau der Resonator-Struktur 10 besteht aus zwischen dem Zentralkopf 19 und den Absaug- 26, 27 sowie Spiegelköpfen 20, 21 angeordneten Distanzkörpern 35 bis 38, vorzugsweise Rohrabschnitten, die mit ihren Stirnseiten an den Köpfen 19, 20, 21, 26, 27 anliegen.

Über einen Zuganker 34 werden die Köpfe 19, 20, 21, 26, 27 und die Distanzkörper 35 bis 38 zusammengespannt. Nach der in der Fig. 2 bevorzugten Ausbildung ist der Zuganker 34 als Rohr ausgebildet, auf dem die Distanzkörper 35 bis 38 und die Köpfe 19, 20, 21, 26, 27 angeordnet sind. Die Köpfe 19, 20, 21, 26, 27 weisen hierzu Bohrungen 39, 40, 41, 42, 43 auf, mittels denen sie auf dem Zuganker 34 koaxial geführt werden.

Nach einem anderen, nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Köpfe 19, 20, 21, 26, 27 über die Außenfläche der Distanzkörper 35 bis 38 koaxial geführt. Hierzu können beispielsweise in den Außenflächen der Köpfe 19, 20, 21, 26, 27 auf einer Längsachse angeordnete Zentrieröffnungen vorgesehen werden, in welche die Distanzkörper 35 bis 38 mit ihren Außenflächen paßgenau eingesetzt werden können. Dabei kann der Zuganker 34 wie in der Fig. 2 dargestellt, konzentrisch zu den Distanzkörpern 35 bis 38 oder außerhalb der Distanzkörper 35 bis 38 angeordnet werden. So können beispielsweise die Köpfe 19, 20, 21, 26, 27 und die Distanzstücke 35 bis 38 auch über zwei oder mehr Gewindestangen zusammengespannt werden.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, weist der Zuganker 34 ein Abschlußelement 44 auf, mit dem er gegen eine Anlagefläche 45 des Spiegelkopfes 20 gespannt wird. Die Spannung erfolgt mit Spannelementen 46, 47, beispielsweise Schrauben, die durch eine Lagerplatte 48 des gegenüberliegenden Spiegelkopfes 21 geführt und in die entsprechenden Gewindebohrungen 50, 51 einer Endplatte 49 des Zugankers 34 eingeschraubt werden, wobei dieser gegen die Anlagefläche 45 gezogen wird.

Die bei der Resonator-Struktur 10 erforderliche Stabilität wird mittels der Distanzkörper 35 bis 38 erreicht, deren Widerstandmoment die Steifigkeit des Resonators bestimmt. Das Widerstandsmoment des Zugankers 34 kann dabei beliebig klein sein, da es nur die Zugkräfte aufnehmen muß.

In dem Zentralkopf 19 sind Öffnungen 53, 54, 55 für die Lasergaseinströmung und -leitung zu den an ihn angrenzenden Laserrohren 12, 13, 16, 17 und zu dem Zuganker 34 vorgesehen. Über den Zuganker 34 oder - wenn der Zuganker 34 außerhalb der Distanzkörper 35 bis 38 angeordnet und beispielsweise durch Gewindestangen gebildet wird, über die Distanzkörper - wird das Lasergas zu den zwischen den Spiegel- und Absaugköpfen 20, 21, 26, 27 angeordneten Laserrohren 11, 14, 15, 18 geleitet. Es entsteht bei den beiden Zweigen 56, 57 der Resonator-Struktur 10 eine Lasergasströmung von dem Zentralkopf 19 und den Spiegelköpfen 20, 21 zu den Absaugköpfen 26, 27 hin. Die Lasergasströmung, die einen strömungsmäßig symmetrischen Resonatoraufbau ermöglicht, ist in der Fig. 2 durch die Pfeilrichtungen 58 und 59 angegeben.

Zwischen den Distanzkörpern 35 bis 38 und dem Zuganker 34 ist mindestens ein wendelförmig in der Außenfläche des Zugankers 34 oder in den Innenflächen der Distanzkörper 35 bis 38 ausgebildeter Kühlkanal 60 für die Kühlung der Resonator-Struktur 10 vorgesehen. Der Kühlkanal 60 ersteckt sich von links bzw. rechts des Zentralkopfes 19 bis zu den Spiegelköpfen 20, 21 und verbessert das thermische Verhalten der Resonator- Struktur 10 durch den zwischen dem heißen Lasergas der Laserrohre 11 bis 18 und den Absaugköpfen 26, 27 mit den Absaugleitungen 28, 29 und dem Zuganker 34 vorhandenen Kühlwassermantel. Über Kanäle 61, 62 im Zentralkopf 19 kann eine Kühlflüssigkeit zu dem Kühlkanal 60 geführt werden. Vorteilhaft besteht der Kühlkanal aus zwei getrennten Kühlkreisläufen, wobei die Kanäle 61 über Kühlflüssigkeitsleitungen 63, 64 mit dem zwischen den Absaug- 26, 27 und den Spiegelköpfen 20, 21 angeordneten Endabschnitten 65, 66 des einen Kühlkreislaufes und die Kanäle 62 mit dem anderen, sich direkt an den Zentralkopf 19 anschließenden Kühlkreislauf verbunden sind. Durch diese Maßnahme wird eine der Lasergasströmung entsprechende Kühlwasserströmung von dem Zentralkopf 19 und den Spiegelköpfen 20, 21 zu den Absaugköpfen 26, 27 erreicht. Das zu den Absaugköpfen 26, 27 strömende Kühlwasser ist für den linken Zweig 56 durch die Pfeilrichtungen 80 bzw. 81 gekennzeichnet. Über Bohrungen 67 in den Absaugköpfen 26, 27 wird das Kühlmittel abgeleitet.

Von besonderem Vorteil ist die einfache Anordnung der Resonator-Struktur unter einem beliebigen Winkel. Die Neigung der Faltungsebene gegenüber der horizontalen Ebene kann durch eine einfache Winkeländerung der Befestigungsfläche des Unterbaus, auf welchem die Trägerplatte 52 angeordnet wird, verändert werden.

Claims (12)

1. Resonator-Struktur für einen Gaslaser, insbesondere einen axial schnellgeströmten Gaslaser, bestehend aus mindestens zwei lasergas­ durchströmten Laserrohren, mit einem gemeinsamen Zentralkopf, Absaugköpfen für das Lasergas und Spiegelköpfen für Umlenk-, End- und/oder Auskoppelspiegel, dadurch gekennzeichnet, daß nur der Zentralkopf (19) als Halterung für die frei von ihm abstehenden Laserrohre (11 bis 18) mit den Absaugköpfen (26, 27) und den Spiegelköpfen (20, 21) ausgebildet ist.

2. Resonator-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Zentralkopf (19), den Absaugköpfen (26, 27) und den Spiegelköpfen (20, 21), Distanzkörper (35 bis 38), insbesondere Rohre, angeordnet sind und der Zentralkopf (19), die Absaug- (26, 27) sowie die Spiegelköpfe (20, 21) und die Distanzkörper (35, bis 38) mit einem Zuganker (34) zusammengespannt werden.

3. Resonator-Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuganker (34) als Hohlkörper, insbesondere als Rohr, ausgebildet und von den Distanzkörpern (35 bis 38) umgeben ist und die Absaugköpfe (26, 27) die Spiegelköpfe (20, 21) und der Zentralkopf (19) über Bohrungen (39 bis 42) auf den Zuganker (34) koaxial geführt werden.

4. Resonator-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmoment der Distanzkörper (35 bis 38) die Steifigkeit der Resonator-Struktur bestimmt.

5. Resonator-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zentralkopf (19) Öffnungen (53, 54, 55) für die Lasergaseinströmung und -leitung zu den an ihn angrenzenden Laserrohren (12, 13, 16, 17) und zu dem Zuganker (34) angeordnet sind, in welchem es zu den zwischen den Spiegelköpfen (20, 21) und den Absaugköpfen (26, 27) angeordneten Laserrohren (11, 14, 15, 18) geführt wird und über die Spiegelköpfe (20, 21) in die Laserrohre (11, 14, 15, 18) eintritt.

6. Resonator-Struktur, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Zuganker (34) und den Distanzkörpern (35 bis 38) ein Kühlkanal (60) ausgebildet ist, dem über vorzugsweise im Zentralkopf angeordnete Kanäle (61, 62) eine Kühlflüssigkeit zuführbar ist.

7. Resonator-Struktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (60) aus zwei voneinander getrennten Kühlkreisläufen besteht und daß die Kanäle (61) über Kühlflüssigkeitsleitungen (63, 64) mit dem zwischen den Absaug- (26, 27) und Spiegelköpfen (20, 21) angeordneten Endabschnitten (65, 66) des Kühlkanales (60) verbunden sind, so daß die Kühlflüssigkeit des einen Kühlkreislaufes von den Endabschnitten zu den Absaugköpfen (26, 27) strömt.

8. Resonator-Struktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (62) mit dem zwischen dem Zentralkopf (19) und den Absaugköpfen (26, 27) angeordneten anderen Kühlkreislauf verbunden sind, so daß die Kühlflüssigkeit von dem Zentralkopf (19) zu den Absaugköpfen (26, 27) strömt.

9. Resonator-Struktur nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit des Kühlkanales (60) über Bohrungen (67) in den Absaugköpfen (26, 27) abgeleitet werden.

10. Resonator-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkopf (19) als Träger für mindestens eine die Absaugköpfe (26, 27) verbindende Absaugleitung (28, 29) ausgebildet ist.

11. Resonator-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuganker (34) parallel zu den Laserrohren (11 bis 18) verläuft.

12. Resonator-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Anordnung des Zentralkopfes (19) unter einem beliebigen Winkel zur horizontalen Ebene.