DE3926734A1 - Gaslaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gaslaser, insbeson­ dere Kohlendioxidlaser, mit zwei gleichachsig angeordneten Hochspannungselektroden, die einen gasdurchströmten, insbeson­ dere ringspaltförmigen Gasentladungsraum zwischen sich ein­ schließen, an dessen Enden den Strahlengang vielfach faltende Faltungsspiegel angeordnet sind und der an einen der Gasrück­ führung dienenden Kühlkanal angeschlossen ist, der mindestens ein mit dem Gasentladungsraum gleichachsiges Gebläse und min­ destens einen mit dem Gasentladungsraum gleichachsigen Gasküh­ ler hat.

Ein derartiger Gaslaser ist als sogenannter MAGPIE-Laser bekannt. In einem kreiszylindrischen Gehäuse mit an den Stirn­ seiten vorgesehenen ebenen Abschlußscheiben ist der ringspalt­ förmige Gasentladungsraum außen von einem konzentrischen Gas­ kühler umgeben, der mit dem Gehäuse den Kühlkanal bildet. An den beiden Enden des Kühlkanals wirken konzentrisch angeordnete Axialgebläse, die das Gas beide in derselben Richtung zurück in den Gasentladungsraum fördern, wozu sie jeweils von einem in der Abschlußscheibe gelagerten Drehantrieb angetrieben werden.

Die Abschlußscheiben tragen Faltungsspiegel auf einem Radius, der kleiner ist, als der Innenradius des Kühlkanals. Infolge­ dessen ergibt sich ein radial vergleichsweise großer Aufbau mit aufwendigem Gebläseantrieb.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gaslaser mit den eingangs genannten Merkmalen so zu ver­ bessern, daß er einen vereinfachten Aufbau bei verringerter ra­ dialer Erstreckung aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der der Gasrückfüh­ rung dienende und den Gaskühler aufweisende Kühlkanal innerhalb der Innenelektrode angeordnet ist, und daß als Gebläse ein Ra­ dialgebläse vorhanden ist, das im Außendurchmesser höchstens etwa gleich dem Durchmesser der Faltungsspiegel ist.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß bei einem Gasla­ ser mit in den Laseraufbau integriertem Kühlkanal eine Gasrück­ führung innerhalb der Innenelektrode erfolgt, welche auch den Gaskühler aufweist. In Verbindung mit diesem vereinfachten Auf­ bau kann ein Radialgebläse verwendet werden, dessen oben ange­ gebene Bemessung dazu beiträgt, daß es die radiale Erstreckung des Lasers nicht vergrößert. Der erfindungsgemäße Laser ist in­ folge seines einfachen Aufbaus insbesondere dazu geeignet, mit weiteren laserstrahlungserzeugenden und/oder beeinflussenden Funktionseinheiten zusammenzuarbeiten. Der zweischalige Aufbau des Gaslasers ermöglicht eine radiale Strahlungsausblendung und damit eine kompakte Anordnung mehrerer Laser- oder Verstär­ kungseinheiten in radialer Richtung.

Aus der DE-PS 33 16 778 ist ein Gaslaser mit einer hohlzy­ lindrischen Außenelektrode bekannt, dessen Innenraum eine Gas­ zirkulation durch zwei Anschlußstutzen aufweist und in dessen Innenraum von einer Stirnseite her ein rohrförmiger Innenleiter hineinragt, der von einem dielektrischen Mantelrohr umschlos­ sen ist, um mit dem rohrförmigen Innenleiter zugeführte Kühl­ flüssigkeit zurückzuleiten. Es sind keinerlei Maßnahmen ent­ nehmbar, der Gaszirkulation dienende Bauteile in die Laser­ struktur zu integrieren. Auch über eine Integration des Kühl­ flüssigkeitskreislaufs in die Laserstruktur ist dieser Druck­ schrift nichts zu entnehmen. Die vorbeschriebene erfindungs­ gemäße Gasrückführung und die damit verbundene Gebläseanordnung werden nicht angesprochen.

Vorteilhafterweise ist der Gaslaser so ausgebildet, daß an beiden Enden des Gasentladungsraums je ein Radialgebläse vorhanden und strömungsmäßig an die Enden des Gasentladungs­ raums angeschlossen ist, und daß die Innenelektrode mindestens eine Gasauslaßöffnung hat, aus der das zu kühlende Gas in den Kühlkanal und zurück zu den Gebläsen strömt. Mit den beiden Ra­ dialgebläsen läßt sich die Gasströmung von den Enden des Gas­ entladungsraums zu dessen Mitte hin richten, so daß beide Fal­ tungsspiegel im abgekühlten Gasstrom liegen, also optimal tem­ periert werden können. Darüber hinaus liegen beide Gebläse im gekühlten Gasstrom, was vorteilhaft für deren Lagerung ist.

Damit die Faltungsspiegel möglichst nahe am Gasentladungs­ raum angeordnet sind, wird der Gaslaser so ausgebildet, daß die Radialgebläse außerhalb der Faltungsspiegel angeordnet und mit­ tels jeweils eines die Faltungsspiegel außen umschließenden Gasleitkanals an den Gasentladungsraum angeschlossen sind. Auf diese Weise wird der Laser radial nur soviel vergrößert, wie es infolge der radialen Erstreckung des Gasleitkanals unumgänglich ist.

Eine weitere Verminderung der radialen Erstreckung wäre dadurch erreichbar, daß die Radialgebläse jeweils zwischen einem Faltungsspiegel und dem Gasentladungsraum innerhalb des Strahlengangs angeordnet sind. Damit entfällt die außen erfol­ gende Umspülung der Faltungsspiegel, die außerdem direkt durch das gekühlte Gas bespült werden, was im Hinblick auf deren wär­ memäßige Belastung günstig ist und außerdem am besten dazu bei­ tragen kann, daß keine Beeinträchtigung der Faltungsspiegel durch im Gasstrom mitgeführte Partikel erfolgen kann, die ins­ besondere dann besonders groß wäre, wenn der ungekühlte Gas­ strom direkt auf die Faltungsspiegel gelangen könnte und so insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten zu einem Er­ blinden dieser Spiegel beitragen würde.

In Ausgestaltung der Erfindung ist der Gaslaser so ausge­ bildet, daß jedes Radialgebläse ein Gasleitgehäuse hat, in dem ein an den Kühlkanal der Innenelektrode anschließender, innen konischer Gasleitring vorhanden ist, der mit dem Gehäuse den an den Gasentladungsraum anschließenden Gasleitkanal des Gebläses bildet und in einer Umfangsausnehmung einen ringförmigen Faltungsspiegel aufweist. Das Gasleitgehäuse und der Gas­ leitring sind die bedeutsamsten Bauteile an den Enden des Gas­ entladungsraums zur Gestaltung der Rückführung des Gases aus dem Kühlkanal in den Gasentladungsraum. Sie können den Anforde­ rungen an mechanische Stabilität und optimale Gasströmung ent­ sprechend unter strömungsmäßiger Anpassung an das Radialgebläse und die weiteren Einbauten seitlich des Gasentladungsraums ge­ staltet werden.

Der Gaslaser ist ferner so ausgebildet, da das Gasleit­ gehäuse und sein Gasleitring jeweils mit einem den Gasentla­ dungsraum begrenzenden, elektrodenabschirmenden Gasrohr zusam­ mengebaut sind. Das Gasleitgehäuse, die Resonator-Endspiegel und die den Gasentladungsraum bildenden Gasrohre sind eine sta­ bile Baueinheit, die störungsunempfindlich ist.

Im vorgenannten Sinne ist es beispielsweise vorteilhaft, daß die Faltungsspiegel Innenausnehmungen mit etwa dem Kühlka­ naldurchmesser entsprechendem Innendurchmesser aufweisen. Es ist eine kompakte Verbindung des Gasleitrings mit dem den Gas­ entladungsraum innen begrenzenden Gasrohr möglich.

Eine besonders einfache Ausgestaltung des Gaslasers ergibt sich hinsichtlich des Antriebs der Radialgebläse, da jedes Gas­ leitgehäuse einen auf den Gasentladungsraum ausgerichteten Re­ sonator-Endspiegel trägt, und daß es, sein Gasleitring und der zugehörige ringförmige Faltungsspiegel mit Strahldurch­ trittsöffnungen versehen sind.

Eine baulich einfache Ausbildung des Radialgebläseantriebs wird dadurch erreicht, daß das Radialgebläse in einer Stirnwand des Gasleitgehäuses von einer Lagerwelle gelagert ist, an der ein Elektromotor angreift.

Um Laserenergie einfach auskoppeln zu können, ist der Gas­ laser derart ausgebildet, daß in Strahlengangrichtung zwischen dem Faltungsspiegel und dem Gasleitring ein vom letzterem ge­ tragener strahlungsausblendender Lochspiegel angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Integration des Kühlkanals in die In­ nenelektrode wird in vorteilhafterweise dazu verwendet, daß die Außenelektrode Hochspannungspotential hat und die Innenelek­ trode mit dem Gasleitring potentialmäßig verbunden ist. Damit entfallen relativ aufwendige Hochspannungsdurchführungen in das Innere des Lasers, die vakuumfest sein müßten.

Im Sinne dieses radial kompakten Aufbaus mehrerer Einhei­ ten ist der Gaslaser so ausgebildet, daß er achsparallel zu mindestens einer weiteren Laser- oder Verstärkungseinheit an­ geordnet ist, die zusätzlich einen radialen Strahl einblendenden Spiegel hat. Vorteilhafterweise sind der zusätz­ liche Spiegel und ein Ausblendspiegel der weiteren Verstär­ kungseinheit in demselben Gasleitgehäuse jeweils hinter einer Strahldurchtrittsöffnung und mit entgegengesetzten Neigungen angeordnet. Vorteilhafterweise sind der zusätzliche Spiegel und ein Ausblendspiegel der weiteren Verstärkungseinheit in demsel­ ben Gasleitgehäuse jeweils hinter einer Strahldurchtrittsöff­ nung und mit entgegengesetzten Neigungen angeordnet. Es ist da­ mit möglich, eine Vielzahl von Einheiten anzuordnen, beispiels­ weise kreis- oder spiralförmig um einen zentralen Laser herum.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Laser gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Nebeneinander­ anordnung eines Gaslasers und einer Verstärkungs­ einheit.

Der in Fig. 1 dargestellte Gaslaser hat einen Gasentla­ dungsraum 10, der zwischen zwei dielektrischen Gasrohren 4, 6 vorhanden ist. Die Gasrohre 4, 6 tragen innen bzw. außen Hochspannungselektroden 5, 7, mit denen im Entladungsraum 10 be­ findliches Gas durch hochfrequente elektrische Felder angeregt wird. Das infolgedessen entstehende Laserlicht strahlt achspa­ rallel zur Längsachse 28 des Lasers auf Faltungsspiegel 3, 11, die sphärisch ausgebildet und so angeordnet sind, daß der La­ serstrahl zwischen den Faltungsspiegeln 3, 11 hin- und hergehend den gesamten Gasentladungsraum 10 mit Strahlengangabschnitten durchsetzt. Anfang und Ende dieses Strahlengangs 29 bilden End­ spiegel 1, 12, welche die Resonatorstrecke begrenzen. Eine Aus­ kopplung von Strahlungsenergie erfolgt mit einem Lochspiegel 14.

An den Enden des Gasentladungsraums 10 ist jeweils ein Gasleitgehäuse 18 vorhanden, welches mit den Gasrohren 4, 6 ko­ axial zusammengebaut ist. Das Gasleitgehäuse 18 besteht bei­ spielsweise aus zwei Hälften, die mit Flanschen 30 aneinander­ liegen und dort miteinander durch Verschraubung befestigt sind. Das Gasleitgehäuse 18 umschließt die vorgenannten Faltungsspie­ gel 3, 11, die einstückig ausgebildet sind und deren Außendurchmesser 17 etwa dem Durchmesser der Außenelektrode 7 entspricht. Dieser Außendurchmesser 17 der Faltungsspiegel 3, 11 ist durch die Durchmessergröße des Gasentladungsraums 10 be­ stimmt. Da der Gasentladungsraum 10 bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ringspaltförmig ist, können die Faltungs­ spiegel 3, 11 radiale Innenausnehmungen 31 haben, deren Durch­ messer etwa dem Kühlkanaldurchmesser k entspricht, also dem Durchmesser des Kühlkanals 15, der sich innerhalb der Innen­ elektrode 5 über deren Länge erstreckt. Infolge dieser Bemes­ sung der Innenausnehmungen 31 der Faltungsspiegel 3, 11 ist ein vergleichsweise großer freier Durchmesser für der strömungs­ behinderungsfreien Gasführung dienende Inneneinbauten im Be­ reich der Faltungsspiegel 3, 11 vorhanden.

Im Inneren des Gasleitgehäuses 18 sind außer den Faltungs­ spiegeln 3, 11 jeweils ein Radialgebläse 13 und ein Gasleitring 19 vorhanden. Das Radialgebläse 13 besteht aus einem auf einer Lagerwelle 27 gelagerten Gebläserad 32 zwischen einer Stirnwand 18′ und dem entsprechend angepaßten unteren Bereich des Gas­ leitrings 19. Die Lagerwelle 27 wird in der Stirnwand 18′ mit einem schematisch dargestellten Lager 33 gelagert und bei­ spielsweise von einem Elektromotor beaufschlagt. Das beim An­ trieb des Gebläserades 32 geförderte Gas strömt entsprechend dem Pfeil 34 radial in einen Gasleitkanal 17, der von dem Gas­ leitgehäuse 18 und dem Gasleitring 19 gebildet wird. Der Gas­ leitkanal 17 lenkt das vom Gebläse 13 geförderte Gas axial zurück in den Gasentladungsraum 10, gemäß Pfeil 9 vorbei an den Faltungsspiegeln 3, 11.

Der Gasleitring 19 ist zweiteilig aufgebaut. Ein ringzy­ lindrischer Teil ist einerseits mit dem Gasrohr 4 zusammenge­ baut und andererseits mit einem an das Gebläserad 32 angepaßten Ringteil. Beide Ringteile bilden eine Ausnehmung 22 für die Faltungsspiegel 3, 11 und begrenzen innen konisch einen Teil des Gaskreislaufs, der vom Kühlkanal 15 zum Gebläse 13 überleitet. Die Faltungsspiegel 3, 11 sind auf einer nicht dargestellten Platte angeordnet, die mit schematisch dargestellten Stützen 35 am Gasleitgehäuse 18 befestigt ist. Diese Stützen sind um­ fangsmäßig in Abständen angeordnet, so daß die Gasströmung nicht wesentlich behindert wird. Auch der Gasleitring 19 ist mit entsprechenden Stützen 36 am Gasleitgehäuse 18 befestigt.

Das vom Radialgebläse 13 durch zwei Teilkreisläufe in den Gasentladungsraum 10 zurückgeförderte Gas durchströmt den Gas­ entladungsraum 10 von dessen Enden her bis die Gasteilströme in der Mitte zusammentreffen, wo in der Innenelektrode 5 und in dem inneren Gasrohr 4 mehrere Gasauslaßöffnungen 16 vorhanden sind, durch die das erwärmte Gas in den Kühlkanal 15 einströmt. Entsprechend den Pfeilen 9′ wird das Gas in entgegengesetzten Richtungen durch Gaskühler 8 strömen, die als Wärmetauscher ausgebildet sind und für eine entsprechende Kühlung des Gases sorgen. Die Gaskühler 8 sind in nicht dargestellter Weise an einen sekundären Kühlkreislauf eines Kühlmittels angeschlossen, beispielsweise an einen Wasserkreislauf. Die Gebläse 13 saugen das Gas durch die Gaskühler 8 hindurch an und fördern es in der beschriebenen Weise.

Die Endspiegel 1, 12 sind in Fig. 1 im Abstand von den Gas­ leitgehäusen 18 dargestellt, um die Funktionselemente einzeln besser erkennen zu können. Sie sind bei einer praktischen Aus­ führung des Gaslasers beispielsweise direkt an der Stirnwand 18′ des Gasleitgehäuses 18 befestigt und überdecken deren Strahldurchtrittsöffnung 20. Damit die Laserstrahlung durch den Gasleitring 19 und den Faltungsspiegel 3 bzw. 11 nicht behin­ dert wird, sind diese mit entsprechenden Strahldurchtrittsöff­ nungen 20, 21 versehen.

Das in Fig. 1 rechte Gasleitgehäuse 18 beinhaltet einen Lochspiegel 14, der mit dem Gasleitring 19 zusammengebaut ist. Der Lochspiegel 14 ist unter 45° gegen die Strahldurchtrittsöff­ nung 20 geneigt und sein Lochdurchmesser ist etwas kleiner als der Durchmesser dieser Durchtrittsöffnung. Infolgedessen fällt ein entsprechender Strahlungsanteil auf den Lochspiegel 14 und dieser blendet diesen Strahlungsanteil vertikal bzw. radial nach außen durch Ausblendöffnungen 37, 38 des Gasleitrings 19 und des Gasleitgehäuses 18 aus, wobei die Ausblendöffnung 38 mit Festkörpermaterial oder mit einem aerodynamischen Fenster verschlossen ist.

Fig. 2 zeigt eine Nebeneinanderanordnung des vereinfacht dargestellten Gaslasers der Fig. 1 mit einer Verstärkungseinheit 23. Der Lochspiegel 14 blendet Laserstrahlung radial bzw. quer zur Längsachse 28 des Lasers aus, die mit einem strahlungsein­ blendenden Spiegel 24 der Verstärkungseinheit 23 in letztere eingeblendet wird. Ein Ausblendspiegel 25 der Verstärkungsein­ heit 23 liefert einen Laserstrahl 26, der entweder einer weite­ ren Verstärkungseinheit zugeleitet oder z. B. in einem Arbeits­ verfahren eingesetzt wird. In der in Fig. 2 beispielhaft gezeig­ ten Kombination wird also in der mit Endspiegeln 1,12 eines Re­ sonators versehenen Baueinheit die Laserstrahlung erzeugt, die in der Verstärkereinheit 23 lediglich verstärkt wird. Diese Einheit vermag also nicht zu lasern, da sie keinen Resonator besitzt.

Claims (13)

1. Gaslaser, insbesondere Kohlendioxidlaser, mit zwei gleich­ achsig angeordneten Hochspannungselektroden, die einen gasdurchströmten, insbesondere ringspaltförmigen Gasentla­ dungsraum zwischen sich einschließen, an dessen Enden den Strahlengang vielfach faltende Faltungsspiegel angeordnet sind und der an einen der Gasrückführung dienenden Kühl­ kanal angeschlossen ist, der mindestens ein mit dem Gas­ entladungsraum gleichachsiges Gebläse und mindestens einen mit dem Gasentladungsraum gleichachsigen Gaskühler hat, dadurch gekennzeichnet, daß der der Gasrückführung dienende und den Gaskühler (8) aufweisende Kühlkanal (15) innerhalb der Innenelektrode (5) angeordnet ist, und daß als Gebläse ein Radialgebläse (13) vorhanden ist, das im Außendurchmesser (16) höchstens etwa gleich dem Durchmesser (17) der Faltungsspiegel (3, 11) ist.

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an beiden Enden des Gasentladungs­ raums je ein Radialgebläse (13) vorhanden und strö­ mungsmäßig an die Enden des Gasentladungsraums (10) ange­ schlossen ist, und daß die Innenelektrode (5) mindestens eine Gasauslaßöffnung (16) hat, aus der das zu kühlende Gas in den Kühlkanal (15) und zurück zu den Gebläsen (13) strömt.

3. Gaslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Radialgebläse (13) außerhalb der Faltungsspiegel (3, 11) angeordnet und mit­ tels jeweils eines die Faltungsspiegel (3, 11) außen um­ schließenden Gasleitkanals (17) an den Gasentladungsraum (10) angeschlossen sind.

4. Gaslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Radialgebläse (13) je­ weils zwischen einem Faltungsspiegel (3, 11) und dem Gas­ entladungsraum (10) innerhalb des Strahlengangs angeordnet sind.

5. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Radialgebläse (13) ein Gasleitgehäuse (18) hat, in dem ein an den Kühlkanal (15) der Innenelektrode (5) anschließender, innen koni­ scher Gasleitring (19) vorhanden ist, der mit dem Gehäuse (18) den an den Gasentladungsraum (10) anschließenden Gas­ leitkanal (17) des Gebläses (13) bildet und in einer Um­ fangsausnehmung (22) einen ringförmigen Faltungsspiegel (3, 11) aufweist.

6. Gaslaser nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gasleitgehäuse (18) und sein Gasleitring (19) jeweils mit einem den Gasentladungsraum (10) begrenzenden, elektrodenabschirmenden Gasrohr (4, 6) zusammengebaut sind.

7. Gaslaser nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Faltungsspiegel (3, 11) Innenaus­ nehmungen (31) mit etwa dem Kühlkanaldurchmesser (k) ent­ sprechendem Innendurchmesser aufweisen.

8. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gasleitgehäuse (18) einen auf den Gasentladungsraum ausgerichteten Resonator- Endspiegel (1, 12) trägt, und daß es, sein Gasleitring (19) und der zugehörige ringförmige Faltungsspiegel mit Strahl­ durchtrittsöffnungen (20, 21) versehen sind.

9. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Radialgebläse (13) in einer Stirnwand (18′) des Gasleitgehäuses (18) von einer Lagerwelle (27) gelagert ist, an der ein Elektromotor an­ greift.

10. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlengangrichtung zwischen dem Faltungsspiegel (3, 11) und dem Gasleitring (19) ein von letzterem getragener strahlungsausblendender Lochspiegel (14) angeordnet ist.

11. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektrode (7) Hochspannungspotential hat und die Innenelektrode (5) mit dem Gasleitring (19) potentialmäßig verbunden ist.

12. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er achsparallel zu min­ destens einer weiteren Laser- oder Verstärkungseinheit (23) angeordnet ist, die zusätzlich einen einen radialen Strahl einblendenden Spiegel (24) hat.

13. Gaslaser nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zusätzliche Spiegel (24) und ein Ausblendspiegel (25) der weiteren Verstärkungseinheit (23) in demselben Gasleitgehäuse (18) jeweils hinter einer Strahldurchtrittsöffnung (20) und mit entgegengesetzten Neigungen angeordnet sind.