DE3923624A1 - Verfahren zum betrieb eines gaslasers, insbesondere eines co(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-lasers, mit gasstroemung quer zu seiner optischen achse und gaslaser zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Gaslasers, insbesondere eines CO₂-Lasers, der quer zu der opti­ schen Achse seines innerhalb eines Resonators erzeugten Licht­ wellenfeldes vom Lasergas durchströmt wird.

Bei Gaslasern, die nach einem solchen Verfahren arbeiten, Wird der aktive Bereich vom Lasergas bzw. Plasma durchströmt, das durch eine Gasentladung angeregt wird. Die Gasentladung versetzt das Gas in einen solchen Zustand, daß zwischen ent­ sprechenden Spiegeln Laserwirkung auftritt. Dabei erwärmt sich das Gas durch die Gasentladung so stark, daß es gekühlt werden muß, was durch einen entsprechenden Gaskreislauf bewirkt wird, bei dem das Gas auch an einem Wärmetauscher bzw. Gaskühler vorbeigeführt wird. Der zur Kühlung notwendige Gasstrom im aktiven Bereich, d. h. zwischen den Resonatorspiegeln, ist quer zur optischen Achse gerichtet. Dabei ergibt sich das Problem, daß Gasströmung und Gasentladung einen Gasdichteabfall in Strömungsrichtung bewirken. Dieser Dichtegradient verursacht eine Störung des Laserstrahlungsfeldes dadurch, daß das Licht zwischen den Laserspiegeln gebrochen wird. Diese Störung macht sich auch in der ausgekoppelten Strahlung bemerkbar, so daß die Brechung korrigiert werden muß, da sonst die Strahlqualität negativ beeinflußt wird.

Eine Kompensation des Dichtegradienten läßt sich dadurch er­ reichen, daß das Licht zwischen den Laserspiegeln sowohl Ge­ biete hoher Dichte als auch Gebiete kleiner Dichte durchläuft. Durch einen auf dem Zweiten LASER-Kolloquium vom 23.04.1986, DFVLR Stuttgart, gehaltenen Vortrag "Rechnungen und experimen­ telle Ergebnisse zur Strahlqualität" von Th. Hall, Seiten 47 bis 54, siehe insbesondere Bild 5, wird eine Kompensation des Dichtegradienten dadurch bewirkt, daß in Strömungsrichtung zwei Anregungsstrecken nacheinander angeordnet sind. Eine Faltung des Resonators mittels zweier Umlenkspiegel bewirkt eine Spiegelung der Transversalachse des Resonators in Strömungs­ richtung, so daß Licht, das in der ersten Anregungsstrecke ein Gebiet großer Dichte durchläuft, in der zweiten Anregungsstrecke ein Gebiet kleiner Dichte durchläuft.

Diese Dichtegradienten-Kompensation ist mit Problemen verbunden, wenn man eine Anordnung mit den beiden Laserteilstrahlen zugeord­ neten elektrischen Anregungsstrecken für die Gasentladung zugrun­ delegt. Es ergibt sich dann nämlich, daß das in der ersten An­ regungsstrecke angeregte und dadurch erhitzte Lasergas bzw. Plasma in der darauffolgenden zweiten Anregungsstrecke erneut angeregt wird. In Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit und der Anregungswiederholrate kann es zu Einbrüchen in der Ausgangs­ leistung kommen, weil die durch nichtkompensierte Dichtegradien­ ten bedingten Strahlprofil-Unsymmetrien zu groß werden.

Ausgehend von einem Verfahren zum Betrieb eines Gaslasers, insbesondere eines CO₂-Lasers, der eingangs definierten Art, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dieses Verfahren so auszubilden, daß eine Vermeidung von Laserstrahlprofil-Unsymme­ trien durch Kompensation der Lasergas-Dichtegradienten auch dann ermöglicht ist, wenn jeder der beiden Laserteilstrahlen mit Anregungsstrecken versehen ist, wenngleich die Erfindung auf eine solche Ausführung nicht beschränkt sein soll. Die nach der Erfindung angestrebte universelle Lasergas-Dichtegradienten­ kompensation soll auch bei den verschiedenen Arten der Leistungs­ regelung der Gasentladung wirksam sein. Eine solche Leistungs­ regelung geschieht entweder durch eine Leistungsregelung der kontinuierlich eingekoppelten elektrischen Leistung (insbeson­ dere Hochfrequenz-Anregung), oder dadurch, daß die Gasentladung gepulst betrieben wird und die Leistungsregelung über das Puls-Pausen-Verhältnis der Anregungspulse erfolgt. Diese Rege­ lung beeinflußt auch den Dichtegradienten des Lasergases. Eine Anpassung an derartige unterschiedlich starke Dichtegradienten durch eine geeignete Kompensation ist also auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mit einem gattungsge­ mäßen Verfahren der eingangs definierten Art dadurch gelöst, daß das Lichtwellenfeld in wenigstens zwei Strahlabschnitte unterteilt wird, deren Lichtwege hintereinander geschaltet werden, und daß der eine Strahlabschnitt vom Lasergas in einer ersten Querrichtung und der zweite Strahlabschnitt vom Lasergas in einer zweiten, zur ersten Querrichtung entgegengesetzten Querrichtung durchströmt wird, so daß die durch das Lasergas- Dichtefeld bedingten Strahlprofil-Unsymmetrien des einen Strahlabschnitts am zweiten Strahlabschnitt, der mit seinem Strahlprofil ein im Vergleich zum ersten Strahlprofilabschnitt invertiertes Dichtefeld durchdringt, weitgehend kompensiert werden und umgekehrt.

Die gestellte Aufgabe wird auch mit einem Verfahren der gattungs­ gemäßen, eingangs definierten Art dadurch gelöst, daß das Lichtwellenfeld in wenigstens zwei Strahlabschnitte unterteilt wird, deren Lichtwege hintereinander geschaltet werden, daß durch ein optisches Umlenksystem zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlabschnitt das Strahlprofil des letzteren im Ver­ gleich zum Strahlprofil des ersteren mit seinen beiden trans­ versal zur Ausbreitungsrichtung verlaufenden und sich unter einem rechten Winkel schneidenden Profilachsen invertiert wird und daß der erste und der zweite Strahlabschnitt vom Lasergas in zwei zueinander parallelen Strömungspfaden vom Lasergas durch­ strömt werden, so daß die durch das Lasergasdichtefeld be­ dingten Strahlprofil-Unsymmetrien des ersten Strahlabschnitts am zweiten Strahlabschnitt, der mit seinem invertierten Strahlprofil ein und dasselbe Dichtefeld durchdringt, weitge­ hend kompensiert werden und umgekehrt.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Gaslaser mit Gasströmung quer zu seiner optischen Achse, insbesondere ein CO₂-Laser, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit den folgenden weiteren Merkmalen:

• - der Resonator ist ungefaltet,
• - eine Anregungsstrecken-Anordnung des Gaslasers ist durch mit Abstand einander gegenüberliegende, beidseits der optischen Achse bzw. des Lichtwellenfeldes angeordnete Elektroden gebildet,
• - der Resonator ist aus wenigstens zwei axial hintereinander liegenden Resonatorteilstrecken zusammengesetzt, welche mit ihren Strahlabschnitten vom Gehäuse je einer eigenen Gasströmungs­ kammer umgeben sind,
• - es sind Gebläse- und Lasergas-Leiteinrichtungen zur Gasdurch­ strömung des ersten Strahlabschnitts der einen Gasströmungs­ kammer in einer ersten Strömungsrichtung und zur Gasdurchströ­ mung des zweiten Strahlabschnitts der wenigstens zweiten Gas­ strömungskammer in einer zweiten Strömungsrichtung, welche ent­ gegengesetzt zur ersten Strömungsrichtung verläuft, vorgesehen.

Der Gegenstand dieses Anspruchs 3 löst die Aufgabe, eine vorteilhafte Aufbauform für einen Gaslaser zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 anzugeben. Die Aufgabe, eine vorteil­ hafte Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patent­ anspruch 2 anzugeben, wird gelöst durch die Merkmale des An­ spruches 7, welcher einen Gaslaser mit Gasströmung quer zu seiner optischen Achse, insbesondere einen CO₂-Laser, betrifft und die folgenden weiteren Merkmale aufweist:

• - eine Anregungsstrecken-Anordnung des Gaslasers ist durch mit Abstand einander gegenüberliegende, beidseits der optischen Achse bzw. des Lichtwellenfeldes angeordnete Elektroden gebildet,
• - der Resonator ist aus wenigstens zwei axial hintereinander­ liegenden Resonatorteilstrecken zusammengesetzt, und im Übergangs­ bereich von der ersten zur zweiten Resonatorteilstrecke ist ein optisches Umlenksystem zur Höhen- und Seitenvertauschung des zum ersten Strahlabschnitt der ersten Resonatorteilstrecke ge­ hörenden Strahlprofils relativ zum Strahlprofil, das zum zweiten Strahlabschnitt der wenigstens zweiten Resonatorteilstrecke gehört, angeordnet;
• - es sind Gebläse- und Lasergas-Leiteinrichtungen zur Gasdurch­ strömung der Strahlabschnitte der ersten und zweiten Resonator­ teilstrecke in parallelen, zueinander gleichgerichteten Gasströmen vorgesehen.

Vorteilhafte Weiterbildungen zum Gegenstand des Anspruchs 3 sind in den Ansprüchen 4 bis 6 angegeben, vorteilhafte Weiter­ bildungen zum Gegenstand des Anspruchs 7 in den Ansprüchen 8 bis 10.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem daran zu sehen, daß - für den Fall der weitgehenden Übereinstimmung der Druck- und Temperaturprofile der beiden Teilstrahlen durch die antiparallele oder parallele Gasdurchströmung beider Teilstrahlen eine praktisch vollständige Kompensation von Strahl­ unsymmetrien erreicht werden kann. Die Antiparallel- oder Parallel­ durchströmung kommt außerdem dem Bestreben nach Leistungsver­ größerung des Gaslasers entgegen. Wenn, wie im Anspruch 4 an­ gegeben, beiden Strahlabschnitten jeweils mindestens eine Anregungs­ strecke zugeordnet ist und beide Anregungsstrecken vom Lasergas antiparallel durchströmt werden, dann ist bei Dauer-Betrieb eine möglichst übereinstimmende Erregung und eine entgegengesetz­ te Richtung der elektrischen Felder (Anspruch 6) der beiden Gruppen von Anregungsstrecken zweckmäßig, damit der gewünschte Kompensationseffekt eintritt. Bei Höhen- und Seitenvertauschung der Strahlprofile gemäß den Ansprüchen 2 und 7, insbesondere in Kombination mit den Merkmalen nach Anspruch 8 und 10, tritt ein sinngemäßer Effekt auf: Aufgrund der Umkehr beider Transversal­ achsen durchläuft ein kleiner Profilausschnitt des Laserstrahls innerhalb des einen Teilstrahls beispielsweise eine Zone höheren Druckes und nach der Umkehr innerhalb des zweiten Teilstrahls eine Zone niedrigeren Druckes und umgekehrt; dies gilt auch für Zonen höherer bzw. niederer Temperatur. Damit kompensieren sich die unterschiedlichen Brechungsindizes in den beiden Gasströmungszonen, welche die beiden Teilstrahlen durchsetzen, weitestgehend.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung, drei Ausführungsbei­ spiele eines Gaslasers nach der Erfindung und die Verfahren zum Betrieb solcher Gaslaser einschließlich weiterer Merkmale und Vorteile näher erläutert. In der Zeichnung zeigt in vereinfach­ ter, schematischer Darstellung:

Fig. 1 perspektivisch, teils in "Phantom-Darstellung", einen Gaslaser nach der Erfindung mit antiparalleler Gas­ strömung.

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit paralleler Gasströ­ mung und Höhen- und Seitenvertauschung des Strahlprofils, wobei das optische Koppelsystem schematisch und vergrößert dargestellt ist, und

Fig. 3 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 mit einer Tangentialgebläse-Anordnung anstelle der Axialgebläse-Anordnung nach Fig. 1.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Gaslaser, insbesondere ein CO₂-Laser, besteht aus der Laserkammer L, einem diese Laser­ kammer L enthaltenden Gehäuse G in Gestalt eines angenähert hohlzylindrischen Behälters, einem im Gehäuse G ebenso wie die Laserkammer L untergebrachten Gebläse- und Lasergaseinrichtungen LG und einem Grundrahmen B, welcher als tischartige Profil­ rahmenkonstruktion ausgebildet ist und das Gehäuse G trägt.

Der Grundrahmen B weist vier Eckpfeiler B1 auf (zu sehen sind drei; der vierte ist verdeckt), diese werden zu einem im Grund­ riß rechteckförmigen Tisch verbunden durch: untere und obere Längsstreben B2, B3, vertikale Versteifungsstreben B4 zwischen den unteren und den oberen Längsstreben B2, B3 und durch eine auf die oberen Längsstreben B2, B3 aufgelegte und mit diesen verschraubte oder verschweißte Tischplatte B5, welche einen Längsschlitz 1 aufweist. An den beiden langgestreckten Seiten­ bereichen der Tischplatte B5 sind Gehäuseverbindungsflansche G12 zwischen einem Gehäusemittelteil G2 und einem Gehäuse- Unterteil G1 angeordnet und durch Schrauben oder Schweißen fixiert und dichtend verbunden. Der Gehäusemittelteil G2 weist zwei gleichartig ausgebildete, mit ihren unteren und oberen Flanschen 2,3 jeweils nach außen weisende Seitenwände 4,5 auf, welche jeweils mit ihren oberen in Längsrichtung weisenden Flanschen 3 mit dem entsprechenden Gegenflansch 6 bzw. 7 des haubenförmigen oberen Gehäuseteils G3 druckdicht verbunden sind.

Man erkennt aus Fig. 1, daß die untere und die obere Gehäuse­ schale G1, G3 jeweils einen etwa halbkreisförmigen Querschnitt haben und daß durch die Einfügung des Mittelteils G2 eine Erwei­ terung oder Streckung des Gehäuses G erzielt wird, so daß im Inneren ein vergrößerter Raum zur Unterbringung von Gebläse- und Lasergasleiteinrichtungen LG mit seinen Gebläseeinrichtungen LGl gewonnen wird. Die Gehäuseteile G1, G2 und G3 bestehen ins­ besondere aus korrosionsbeständigem Stahlblech, das auf seiner Innenseite auch resistent ist gegenüber dem zirkulierenden Laser­ gas, vgl. die Strömungspfeile fll des dem Laserkopf L zuströmen­ den und die Strömungspfeile f22 des aus dem Laserkopf L strömen­ den Lasergases, welches im Falle eines CO₂-Lasers aus einem Ge­ misch aus CO₂, N₂ und He sowie gegebenenfalls weiterer Zusatz­ gase besteht. Die Korrosionsbeständigkeit könnte auch durch eine Beschichtung an der Innenseite der Gehäusebleche erzielt werden. Auf jeden Fall ist das Gehäuse nach außen gasdicht, wo­ bei bei einer geschraubten Flanschverbindung im Bereich der Gehäuseflanschen G12 und G23 eingelegte O-Dichtringe zweck­ mäßig sind.

Die Laserkammer L wird von den Seitenwänden 4 und 8 begrenzt, welche aus elektrisch isolierendem Material, z. B. aus hoch­ spannungsfester Keramik, bestehen. Auf der Außenseite dieser Seitenwände sind die Elektroden angebracht, so daß die Hochfre­ quenzleistung kapazitiv über ein Dielektrikum eingekoppelt werden kann. Diese Gesamtheit - Elektrode, Dielektrikum - soll im folgenden als dielektrische Elektrode oder einfach als Elektrode bezeichnet werden. Diese beiden die Laserkammer L be­ grenzenden Seitenwände 4, 8 sind in ihrem Einströmbereich und in ihrem Ausströmbereich - bezogen auf die Gasströmungsrichtung f₁, f₂ - mit einer drosselartigen Verengung 9 bzw. einer diffusor­ artigen Erweiterung 10 versehen.

Da der Aufbau des Gehäuses G an die Laserkammer L angepaßt ist, sei zunächst auf diesen eingegangen. Der Resonator R innerhalb der Laserkammer L ist aus wenigstens zwei axial hintereinander liegenden Resonatorteilstrecken R1 und R2 zusammengesetzt, welche mit ihren Strahlabschnitten LL1, LL2 vom (Teil)gehäuse G_a bzw. G_b je einer eigenen Gasströmungskammer umgeben sind. Das Gehäuse G_a wird umschlossen durch das Gehäuseunterteil G1, den Gehäusemittelteil G2 und den oberen Gehäuseteil G3, ferner durch die vordere Gehäusestirnwand G4, die zum Teil weggebro­ chen dargestellt ist, und eine Schottwand G5, welche zwischen dem ersten Gehäuse für eine erste Gasströmungskammer G_a und dem zweiten Gehäuse für eine zweite Gasströmungskammer G_b angeord­ net ist und diese beiden Gehäuse voneinander trennt. Die rück­ seitige Stirnseite des gesamten Gehäuses G ist durch eine nicht näher ersichtliche zweite Gehäusestirnwand G6 nach außen abge­ schlossen. Vordere und hintere Gehäusestirnwand G4, G6 sowie die Schottwand G5 sind an ihrem Umfang mit Gehäuse-Unter-, -Mittel- und -Oberteil G1, G2, G3 dichtend verbunden, also an entsprechenden Flanschen (unter Einfügung von O-Ringdichtungen) verschraubt und/oder an entsprechenden Nähten verschweißt.

Der Resonator R wird, wie es das schematisch dargestellte Licht­ wellenfeld in Gestalt des Laserstrahls LL symbolisiert, zwi­ schen einem rückseitigen Reflexionsspiegel SP1 und einem front­ seitigen teildurchlässigen Auskopplungsspiegel SP2 gebildet.

Diese beiden Spiegel sind justierbar an der rückseitigen bzw. frontseitigen Stirnwand G6 bzw. G4 befestigt, durch ihren Abstand ist die Resonatorlänge definiert. Im Strahlengang des Laserstrahls LL liegend ist innerhalb einer Aussparung der Schottwand G5 ein strahlendurchlässiges Fenster F1 gefaßt, das bei höherer Laserlichtleistung als aerodynamisches Fenster ausgebildet ist, so daß der Laserstrahl LL möglichst verlust­ frei durch dieses Fenster F1 hindurchtreten kann, gasströmungs­ mäßig jedoch praktisch keine Verbindung zwischen den Gasströ­ mungskammern G_a und G_b besteht. Der Resonator R ist daher unge­ faltet, der erste Strahlabschnitt LL1 erstreckt sich innerhalb der ersten Resonatorteilstrecke R1 und der Gasströmungskammer G_a vom Fenster F1 bis zum Auskopplungsspiegel SP2, der zweite Laserstrahlabschnitt LL2 erstreckt sich vom Reflektionsspiegel SP1 bis zum Fenster F1 innerhalb des zweiten Resonatorteils R2 bzw. der Gasströmungskammer G_b. Die Anregungsstrecken-Anordnung wird durch mit Abstand einander gegenüberliegende, beidseits der optischen Achse x1-x1 bzw. beidseits des Laserstrahls LL angeordnete Elektroden gebildet, die als Ganzes mit E bezeich­ net sind und im einzelnen mit E11, E12 (erstes Elektrodenpaar) sowie E21, E22 (zweites Elektrodenpaar). Zur Funktion des Gas­ lasers muß wenigstens ein Elektrodenpaar E11-E12 bzw. E21-E22 vorhanden sein. Bevorzugt ist indessen beiden Strahlabschnitten LL1-LL2 mindestens je ein Elektrodenpaar zugeordnet, weil damit nicht nur die Ausgangsleistung des Gaslasers vergrößert, sondern auch die Strahlqualität verbessert werden kann, wie noch erläutert wird. Im allgemeinen erfolgt die elektrische Anregung des Resonators R bzw. der Resonatorteilstrecken R1, R2 bei einem Dauerstrich-Laser mittels Hochfrequenzentladung; der Laser kann aber auch als gepulster hochfrequenz-angeregter Laser betrieben werden oder aber als Pulslaser, der mit einer Gleichspannungsentladung erregt wird. Die Elektroden E sind an den Verkleidungen 4a, 8a, wie dargestellt einander paarweise gegenüberliegend, gehaltert. Die entsprechenden Halterungen und Elektroden-Justiervorrichtungen sowie Strom- und Spannungs-Ver­ sorgungseinrichtungen mit zugehörigen Energie-Einkopplungsein­ richtungen sind der Einfachheit halber nicht dargestellt, zumal zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich. Die Elektro­ den E sind im wesentlichen als rechteckige Metallplatten aus­ geführt, welche unter dem Einfluß der Hochspannungsentladung und den sich ausbildenden Plasma hinreichend resistent sind, so daß ein Langzeitbetrieb ermöglicht ist.

Zur Erläuterung des Lasergassystems sei zunächst der Gaskreis­ lauf des (Teil-)Gehäuses G_a betrachtet. Die Abströmseite der Gasströmungskammer G_a mündet über einen länglichen Auslaß­ schlitz 1 der Tischplatte B5 bzw. einer damit verbundenen Wand in eine sichelförmig gekrümmte, sich diffusorartig erweiternde Auslaßkammer 11, welcher in die Einlaß- bzw. Saugkanäle 12 der Axialgebläse 13 mündet. Diese weisen Laufräder 13.1 und Leit­ räder 13.2 auf und können mehrstufig ausgeführt sein. Sie be­ finden sich in hohlzylindrischen Gebläsegehäusen. Zum Einbau dieser Gebläse 13 weist die Tischplatte B5 entsprechende, angepaßte kreisförmige Öffnungen auf der Saugseite dieser Gebläse auf, und der Zwischenboden 14, der mit Abstand zur Tischplatte B5 planparallel zu dieser angeordnet ist, weist auf der Druckseite der genannten Gebläse 13 entsprechende kreis­ förmige Aussparungen 15 auf. Zur Ausbildung der sich etwa sichelförmig erweiternden Auslaßkammer 11 ist an der Unterseite der Tischplatte B5 eine untere Tunnelwand 16 befestigt, z.B. angeschweißt. Der Zwischenboden 14 erstreckt sich vom Flansch 3 bis zur Zwischenwand 8 und ist mit letzterer dichtend verbunden. An seiner Oberseite befindet sich eine obere im Querschnitt etwa halbkreisförmige Tunnelwand 17, durch welche der Strömungs­ querschnitt der Einlaßkammer 18, beginnend von der Druckseite der Gebläse 13 bis zum Einlaßschlitz der Gasströmungskammer G_a sich sichelförmig verengt, so daß eine Strömungsdrossel gebil­ det wird, die zu einer Beschleunigung des Lasergases in Richtung des Strömungspfeiles f₁₁ führt. Diese drosselartige Verengung setzt sich fort durch eine entsprechend konisch bzw. verjüngt zulaufende Kontur der Laserkammer L der drosselartigen Verengung 9 zwischen den beiden einander gegenüberstehenden Verkleidungen 4a, 8a, deren engste Weite mit a bezeichnet ist, und am Auslaß­ ende der Laserkammer L erweitert sich der Durchlaßquerschnitt durch eine entsprechende stetige Erweiterung 10 bzw. Vergrößerung des Abstandes zwischen den einander gegenüberliegenden Verklei­ dungen 4a, 8a, die dann in die Auslaßkammer 11 einmündet. Diese Axialgebläse 13 sind zur Erzeugung des erforderlichen Druck­ gefälles zweckmäßigerweise mehrstufig. Der Gegenstand der Erfindung ließe sich grundsätzlich jedoch auch mit Tangential­ gebläsen realisieren (Fig. 3) oder mit Radialgebläsen (nicht näher dargestellt).

Innerhalb der Auslaßkammer 11 ist ein Wärmetauscher 20 angeordnet, welcher im Strömungsweg des erhitzten Lasergases gemäß den Strö­ mungspfeilen f₁₂ liegt und das Lasergas, bevor es in den Geblä­ sen 13 wieder verdichtet wird, kühlt. Dargestellt ist ein Plat­ tenwärmetauscher mit achsparallel zur Längsrichtung des Gehäuses aufeinanderfolgenden plattenförmigen Kühlkörpern 20.1, die in Parallelschaltung vom Kühlwasser durchströmt werden, welches über ein Kühlwasser-Zuleitungsrohr 21a den Kühlkörpern 20.1 zugeführt wird und nach Aufwärmung über ein Kühlwasser-Rückführ­ rohr 21b aus den Kühlkörpern 20.1 wieder abgeführt wird.

Zu den Gebläse- und Lasergasleit-Einrichtungen LG des Teilge­ häuses G_a gehört mindestens ein Gebläse 13. Bevorzugt können aber mehrere Gebläse in Parallelschaltung vorgesehen sein, also z. B. ein zusätzliches Gebläse 13, wie dargestellt. Zu den Lasergas-Leiteinrichtungen gehören im Falle der Zuströmkammer 18 die Mantelwand des oberen Gehäuseteils G3, die obere Tunnel­ wand 17; im Bereich der Laserteilkammer L1 die beiden einander gegenüberliegenden Verkleidungen 4a, 8a mit ihren Verengungen 9 und Erweiterung 10 und im Falle der Ausströmkammer 11 die Mantelwand des unteren Gehäuseteils G1 und die untere Tunnel­ wand 16, ferner gehören dazu die untere nicht näher ersicht­ liche Ansaugöffnung des Gebläses 13. Das zusätzliche Gebläse 13 ist lediglich angedeutet und der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht so wie das erste Gebläse 13 vollständig dargestellt.

Wenn man die Gasströmungspfeile in ihrer Folge betrachtet, also f₁₁-f₁-f₁₂, so sieht man, daß innerhalb der ersten Gasströmungs­ kammer G_a bzw. innerhalb des entsprechenden Strömungskanals die Gasströmung im Gegenzeigersinn gerichtet ist. Demgegenüber ist die Gasströmung innerhalb des in sich geschlossenen Kanalsystems der zweiten Gasströmungskammer G_b im Uhrzeigersinn gerichtet, wie es die Pfeile f₂ und f₂₂ symbolisieren. Im Bereich der beiden Resonatorteilstrecken R1, R2 verläuft damit die Gasströmung antiparallel. Aufgrund der entgegengesetzten Strömungsrichtung gelangt das heiße Lasergas in den Gehäuseoberteil G3 des Teil­ gehäuses G_h, so daß in diesem Bereich der Wärmetauscher 20′ angeordnet ist. Demgemäß befindet sich die Auslaßkammer 11′ innerhalb des oberen Gehäuseteils G3 und die Einlaßkammer 18′ im Bereich des Gehäuseunterteils.

Daraus ergibt sich, wenn man mit LG die Gebläse- und Lasergas- Leiteinrichtungen der ersten Gasströmungskammer G_a und mit LG′ dasjenige der zweiten Gasströmungskammer G_b bezeichnet, daß die Gebläse- und Lasergas-Leiteinrichtungen zur Gasdurchströmung des Strahlabschnittes LL1 der einen Gasströmungskammer G_a in einer ersten Strömungsrichtung f₁ vorgesehen sind und daß weiterhin bei der axial benachbarten Gasströmungskammer G_b die Gasströmungsrichtung des Lasergases genau entgegengesetzt ge­ richtet ist, siehe Pfeil f₂. Wenn also in der ersten Resonator­ teilstrecke R1 aufgrund der Gasströmung f₁ der Strahlabschnitt LL1 einem bestimmten Druckgradientenverlauf unterworfen wird, durch welchen bestimmte Strahlunsymmetrien hervorgerufen werden, so wird in der benachbarten Resonatorteilstrecke R2 dem zugehörigen Strahlabschnitt LL2 ein Druckgradientenverlauf aufgezwungen, der gemäß Strömungspfeil f₂ genau entgegengesetzt verläuft, so daß sich die unterschiedlichen, sich auf die beiden Strahlabschnitte LL1, LL2 auswirkenden Druckgradienten­ verläufe praktisch weitgehend kompensieren. Diese Kompensations­ wirkung ist dann besonders günstig, wenn - wie erwähnt - in den Gasströmungskammern G_a, G_b jeder Strahlabschnitt LL1, LL2 wenigstens eine eigene Anregungsstrecke, also z. B. E11-E12 und E21-E22, aufweist. Man kann dann nicht nur das gasströmungsab­ hängige Druckgradientenprofil kompensieren, sondern man kann auch denjenigen Teil des Druckgradientenfeldes, der sich auf­ grund eines bestimmten entladungsbedingten Temperaturprofils ergibt, kompensieren. Hierzu ist es besonders günstig, wenn die Richtung des elektrischen Feldes der Anregungsstrecke des einen Strahlabschnittes LL1 entgegengesetzt zur Richtung des elek­ trischen Feldes der Anregungsstrecke des anderen Strahlab­ schnittes LL2 verläuft. Z. B. weist die Richtung des elektri­ schen Feldes EF1 zwischen den Elektroden E11-E12 nach außen, und die Richtung des elektrischen Feldes EF2 zwischen den der benachbarten Laserteilkammer LL2 zugeordneten Elektroden E21-E22 weist einwärts. Damit die antiparallele Gasströmung nicht gestört wird, müssen beide Gasströmungskammern G_a, G_b durch die Schottwand G5 voneinander abgedichtet sein; dies gilt auch für das Fenster F1, das ein materielles oder aerodynamisches Fenster sein kann.

Durch die obere Tunnelwand 17 und den Zwischenboden 14 wird ein oberer Hohlraum 22 gebildet, zwischen dem Zwischenboden 14 und der Tischplatte B5 sowie seitlich begrenzt einerseits durch die Zwischenwand 8 und andererseits durch die Seitenwand 5 bzw. die Gebläsegehäuse befindet sich ein mittlerer Hohlraum 21. Ferner befindet sich ein unterer tunnelförmiger Hohlraum 23 zwischen der Tischplatte B5 und der unteren Tunnelwand 16. Insbesondere die Hohlräume 21 und 22 können dazu dienen, weitere Laserkom­ ponenten aufzunehmen, z. B. Bauteile des elektrischen Netz­ werkes, wie Kapazitäten, Drosselspulen, Hochspannungsisolie­ rungen usw. Es können weiterhin Gasspeicher darin untergebracht sein, um verbrauchte Gasanteile zu ersetzen, ferner Nebenkreis­ läufe mit Gasfilterstrecken (nicht dargestellt).

Wie man erkennt, sind die Resonatorteilstrecken R1, R2 und die sie umgebenden Gasströmungskammern G_a, G_b als Module ausgebil­ det, welche axial aneinanderreihbar und zu einem kompletten Gaslaser montierbar sind.

Wenn mehr als zwei Resonatorteilstrecken und die zugehörigen Lasersysteme axial aneinandergereiht werden, dann empfiehlt es sich bei dem in Fig. 1 dargestellten Bauprinzip, eine gerade Anzahl miteinander zu kombinieren, also vier oder sechs usw. Teilresonatoren und zugehörige Lasersysteme, weil dann die Kompensation am günstigsten ist.

Aus der bisherigen Beschreibung geht hervor, daß mit dem Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 1 sich ein Verfahren zum Betrieb eines Gaslasers, insbesondere eines CO₂-Lasers, der quer zu der optischen Achse x1-x1 seines innerhalb eines Resonators R er­ zeugten Lichtwellenfeldes vom Lasergas (CO₂, N₂ und He sowie gegebenenfalls weitere Zusatzgase) durchströmt wird, verwirk­ lichen läßt. Hierbei sind zwei Verfahrensschritte wesentlich:

• - Das Lichtwellenfeld LL wird in wenigstens zwei Strahlab­ schnitte LL1 und LL2 unterteilt, deren Lichtwege hinterein­ ander geschaltet werden. So reicht der Lichtweg des ersten Strahlabschnitts LL1 vom Fenster F1 bis zum Auskoppelspiegel SP2 und der Lichtweg des zweiten Strahlabschnittes vom Refle­ xionsspiegel SP1 bis zum Fenster F1;
• - der eine Strahlabschnitt LL1 wird vom Lasergas in einer ersten Querrichtung f₁ und der zweite Strahlabschnitt LL2 wird vom Lasergas in einer zweiten, zur ersten Querrichtung f₁ ent­ gegengesetzten Querrichtung f₂ durchströmt, so daß die durch das Lasergas-Dichtefeld bedingten Strahlprofil-Unsymmetrien des einen Strahlabschnitts LL1 am zweiten Strahlabschnitt LL2, der mit seinem Strahlprofil ein im Vergleich zum Strahlprofil des ersten Strahlabschnitts LL1 invertiertes Dichtefeld, weit­ gehend kompensiert werden und umgekehrt.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist das Fenster F1, wie im Detail herausgezeichnet, als eine Invertierungs-Optik ausgebildet, durch welche das Lichtwellenfeld bzw. der Laser­ strahl LL zweimal gefaltet wird, und zwar derart, daß das Strahlprofil bzw. die beiden senkrecht aufeinanderstehenden Transversalachsen des Laserstrahls sowohl in Höhenrichtung als auch in Querrichtung vertauscht werden. Verdeutlicht ist dies durch den Buchstaben "F", der willkürlich aus dem Strahlprofil des zweiten Strahlabschnitts LL2 ausgespart wurde. Dieser Buch­ stabe "F" wird aufgrund der ersten Faltung im ersten Prisma P1 auf den Kopf gestellt (erster reflektierter Strahlabschnitt 24 und zweiter reflektierter Strahlabschnitt 25). Trifft der letzt­ erwähnte Strahlabschnitt 25 nacheinander auf die beiden Refle­ xionsflächen p21 und p22 des zweiten Prismas P2, so erfolgt noch eine Seitenvertauschung des Strahlprofils bzw. des Buchstaben "F", wie dargestellt. Der dritte reflektierte Strahlabschnitt ist mit 26 bezeichnet, die erste und die zweite reflektierende Fläche des ersten Prismas sind mit p11 und p12 bezeichnet.

Dieses optische System P1, P2 kann aus innen spiegelnden metalli­ schen Hohlkörpern bestehen, welche die dargestellte Prismenge­ stalt aufweisen. Diese können auch für Infrarot-durchlässige Körper sein, wobei dann diese Körper an den reflektierenden Flächen p11 bis p22 entsprechend spiegelnd ausgebildet, z. B. mit einer spiegelnden Metallbedampfung versehen sind. Wichtig ist, daß das dargestellte optische System die beiden Transversal­ achsen des Lichtwellenfeldes LL invertiert; das könnte auch mit einer Konvexlinse erreicht werden. Eine solche Konvexlinse hätte den Vorteil, daß im Vergleich zu einem dargestellten Prismensystem die beiden Strahlabschnitte LL1 und LL2 nicht in Querrichtung etwas versetzt sind (dieser seitliche Versatz ist in Fig. 2 nur in der Detaildarstellung, aber nicht in der Hauptdarstellung angedeutet) .

Das zweite Ausführungsbeispiel nach Figur unterscheidet sich vom ersten weiterhin dadurch, daß der erste und der zweite Strahlabschnitt LL1, LL2 vom Lasergas in zwei zueinander paralle­ len Strömungspfaden gleichgerichtet vom Lasergas durchströmt werden. Und zwar ist der Strömungspfad f₁₁-f₁-f₁₂ in der ersten Gasströmungskammer G_a in Gegenzeigerrichtung orientiert und in der zweiten Gasströmungskammer G_b ist der Gasströmungs­ pfad ebenfalls in Gegenzeigerrichtung orientiert, wie es die Strömungspfeile f₂₂, und f₂, verdeutlichen. Infolgedessen werden die durch das Lasergas-Dichtefeld bedingten Strahlprofil- Unsymmetrien des ersten Strahlabschnittes LL1 (Resonatorteil­ strecke R1) am zweiten Strahlabschnitt LL2, der mit seinem invertierten Strahlprofil ein und dasselbe Dichtefeld durch­ dringt, weitgehend kompensiert und umgekehrt. Deshalb sind Gebläse- und Lasergas-Leiteinrichtungen LG für die Gasströmungs­ kammer G_a und LG′ für die Gasströmungskammer G_b vorgesehen, durch welche das Lasergas durch die erste und durch die zweite Resonatorteilstrecke R1 und R2 in zwei parallelen, zueinander gleichgerichteten Gasströmen gefördert werden. Die beiden Gebläse 13 und 13′ fördern mithin in die gleiche Richtung, und - weil sich damit ein gleichartiges Druckgefälle in den beiden Gasströmungskammern G_a und G_b ergibt - so kann die Schottwand G5 zwischen beiden Gasströmungskammern an sich entfallen bzw. wenn sie - wie dargestellt - aus Stabilitätsgründen beibehalten wird, dann kann sie durchlöchert und braucht nicht mehr gas­ dicht zu sein. Auch bei diesem Beispiel ist bevorzugt jeder der Resonatorteilstrecken R1, R2 wenigstens eine eigene Anregungs­ strecke E11-E12 bzw. E21-E22 zugeordnet. Was die Polarität angeht, so ist es hierbei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zweckmäßig, daß die elektrischen Felder EF1′ und EF2 der Anregungstrecken E11-E12, E21-E22 der beiden Strahlabschnit­ te LL1, LL2 bzw. Resonatorteilstrecken R1, R2 gleichgerichtet sind, wie in Fig. 2 dargestellt. Es werden dadurch in beiden Resonatorteilstrecken gleichartige Druck- und Temperaturgradien­ tenfelder erzeugt, so daß dann der Kompensationseffekt besonders günstig ist.

Das Ausführungsbeispiel eines Gaslasers nach Fig. 3 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 1 dadurch, daß die Gebläse- und Lasergas-Leiteinrichtungen LG, LG′ ein langgestrecktes Tangen­ tialgebläse 13′ aufweisen, wobei die Leiteinrichtungen 19 als Leitbleche ausgeführt sind, welche das aus dem Schlitz 27 gemäß Strömungspfeil f₁₃ zuströmende Lasergas dem Außenumfang des Tangentiallüfters 13′ zuleiten und das beschleunigte Lasergas von dessen Umfang an einer anderen Umfangsstelle gemäß Strö­ mungspfeil f₁₄ über den Längsschlitz 28 des Zwischenbodens 14 in den Zuströmraum 18 überleiten. Der Tangentiallüfter 13′ ist so ausgebildet, daß das Lüfterrad innerhalb der zweiten Gas­ strömungskammer G_b entgegengesetzt zum Lüfterrad des Tangential­ lüfters der ersten Gasströmungskammer G_a umläuft, was auf ein­ fache Weise durch ein Umlenkgetriebe (nicht dargestellt) zwi­ schen den beiden Lüfterradwellen erreicht werden kann. Aus den Fig. 1-3 sind auch die Motoren zum Antrieb der Axial- und Tangentiallüfterräder nicht ersichtlich.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betrieb eines Gaslasers, insbesondere eines CO₂- Lasers, der quer zu der optischen Achse (x1-x1) seines inner­ halb eines Resonators (R) erzeugten Lichtwellenfeldes (LL) vom Lasergas durchströmt wird, mit den weiteren Merkmalen,

• - daß das Lichtwellenfeld (LL) in wenigstens zwei Strahlab­ schnitte (LL1, LL2) unterteilt wird, deren Lichtwege hinter­ einander geschaltet werden, und
• - daß der eine Strahlabschnitt vom Lasergas in einer ersten Querrichtung (f1) und der zweite Strahlabschnitt (LL2) vom Lasergas in einer zweiten, zur ersten Querrichtung (f1) entgegengesetzten Querrichtung (f2) durchströmt wird, so daß die durch das Lasergas-Dichtefeld bedingten Strahlprofil- Unsymmetrien des einen Strahlabschnitts (LL1) am zweiten Strahlabschnitt (LL2), der mit seinem Strahlprofil ein im Vergleich zum Strahlprofil des ersten Strahlabschnitts invertiertes Dichtefeld durchdringt, weitgehend kompensiert werden und umgekehrt.

2. Verfahren zum Betrieb eines Gaslasers, insbesondere eines CO₂- Lasers, der quer zu der optischen Achse seines innerhalb eines Resonators (R) erzeugten Lichtwellenfeldes (LL) vom Lasergas durchströmt wird, mit den weiteren Merkmalen,

• - daß das Lichtwellenfeld (LL) in wenigstens zwei Strahlab­ schnitte (LL1, LL2) unterteilt wird, deren Lichtwege hinter­ einander geschaltet werden,
• - daß durch mindestens zweifache Faltung zwischen dem ersten (LL1) und dem zweiten (LL2) Strahlabschnitt das Strahl­ profil des letzteren im Vergleich zum Strahlprofil des ersteren mit seinen beiden transversal zur Ausbreitungs­ richtung verlaufenden und sich unter einem rechten Winkel schneidenden Profilachsen invertiert wird und
• - daß der erste und der zweite Strahlabschnitt (LL1, LL2) vom Lasergas in zwei zueinder parallelen Strömungspfaden (f₁₁-f₁-f₁₂ bzw. f₂-f₂₂) vom Lasergas durchströmt werden, so daß die durch das Lasergasdichtefeld bedingten Strahlprofil- Unsymmetrien des ersten Strahlabschnitts (LL1) am zweiten Strahlabschnitt (LL2), der mit seinem invertierten Strahl­ profil ein und dasselbe Dichtefeld durchdringt, weitgehend kompensiert werden und umgekehrt.

3. Gaslaser mit Gasströmung quer zu seiner optischen Achse, insbesondere CO₂-Laser, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit den weiteren Merkmalen:

• - der Resonator ist ungefaltet,
• - eine Anregungsstrecken-Anordnung (E) des Gaslasers ist durch mit Abstand einander gegenüberliegende, beidseits der opti­ schen Achse bzw. des Lichtwellenfeldes angeordnete Elektroden (E11-E12, E21-E22) gebildet,
• - der Resonator (R) ist aus wenigstens zwei axial hinterein­ anderliegenden Resonatorteilstrecken (R1, R2) zusammengesetzt, welche mit ihren Strahlabschnitten (LL1, LL2) vom Gehäuse je einer eigenen Gasströmungskammer (G_a, G_b) umgeben sind,
• - es sind Gebläse- und Lasergas-Leiteinrichtungen (LG, LG′) zur Gasdurchströmung des ersten Strahlabschnitts (LL1) der einen Gasströmungskammer (G ) in einer ersten Strömungsrichtung (f₁) und zur Gasdurchströmung des zweiten Strahlabschnitts (LL2) der wenigstens zweiten Gasströmungskammer (G_b) in einer zweiten Strömungsrichtung (f₂), welche entgegengesetzt zur ersten Strömungsrichtung (f₁) verläuft, vorgesehen.

4. Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gas­ strömungskammern (G_a, G_b) jeder Strahlabschnitt (LL1, LL2) wenig­ stens eine eigene Anregungsstrecke (E11-E12 bzw. E21-E22) aufweist.

5. Gaslaser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonator­ teilstrecken (R1, R2) und die sie umgebenden Gasströmungskammern (G_a, G_b) als Module ausgebildet sind, welche axial aneinander­ reihbar und zu einem kompletten Gaslaser montierbar sind.

6. Gaslaser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des elektrischen Feldes der Anregungsstrecke (E11-E12) des ersten Strahlabschnittes (LL1) entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes der Anregungsstrecke (E21-E22) des zweiten Strahlabschnitts (LL2) verläuft.

7. Gaslaser mit Gasströmung quer zu seiner optischen Achse, ins­ besondere CO₂-Laser, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, mit den weiteren Merkmalen:

• - eine Anregungsstrecken-Anordnung (E) des Gaslasers ist durch mit Abstand einander gegenüberliegende, beidseits der opti­ schen Achse bzw. des Lichtwellenfeldes angeordnete Elektroden (E11-E12, E21-E22) gebildet,
• - der Resonator ist aus wenigstens zwei axial hintereinander­ liegenden Resonatorteilstrecken (R1, R2) zusammengesetzt, und im Übergangsbereich von der ersten zur zweiten Resonatorteil­ strecke ist ein optisches Umlenksystem zur Höhen- und Seiten­ vertauschung des zum ersten Strahlabschnitt (LL1) der ersten Resonatorteilstrecke (Rl) gehörenden Strahlprofils relativ zum Strahlprofil, das zum zweiten Strahlabschnitt (LL2) der wenig­ stens zweiten Resonatorteilstrecke (R2) gehört, angeordnet;
• - es sind Gebläse- und Lasergas-Leiteinrichtungen (LG, LG′) zur Gasdurchströmung der Strahlabschnitte (LL1, LL2) der ersten und zweiten Resonatorteilstrecke (R1, R2) in parallelen, zueinander gleichgerichteten Gasströmen vorgesehen.

8. Gaslaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeden der Resonatorteilstrecken (R1, R2) wenigstens eine eigene Anregungs­ strecke (E11-E12 bzw. E21-E22) zugeordnet ist.

9. Gaslaser nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Resona­ torteilstrecken (R1, R2) und die sie umgebenden Gasströmungs­ kammern (G_a, G_b) der Gebläse- und Lasergas-Leiteinrichtungen (LG, LG′) als Module ausgebildet sind, welche axial aneinander­ reihbar und zu einem kompletten Gaslaser montierbar sind.

10. Gaslaser nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektri­ schen Felder der Anregungsstrecken (E11-E12, E21-E22) der beiden Strahlabschnitte (LL1, LL2) bzw. Resonatorteilstrecken (R1, R2) gleichgerichtet sind.