DE3928540C2 - Laservorrichtung nach dem Gastransportprinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung, wie sie durch die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 näher definiert wird.

Eine derartige Laservorrichtung ist beispielsweise aus der EP 01 11 045 bekannt. Bei der praktischen Erprobung dieser bekannten Vorrichtung hat sich gezeigt, daß die Ausgangs­ leistung des Lasers, bezogen auf das gesamte Bauvolumen, relativ niedrig ist.

Auch der in der DE-OS 36 43 735 beschriebene Gastransport­ laser, bei dem im wesentlichen die Achse des Laserrohres senkrecht zur Achse des Radialgebläses und der Richtung der Gasströmung im Kühler und dem Gaszulauf steht, war nicht in der Lage, die theoretisch vorhergesagte Leistung, bezogen auf das Bauvolumen des Lasers, zu erzeugen.

Aus dem Aufsatz von Dr. B. Stein "Lasertechnik und Laser­ technologie", Militärtechnik 3/89, Seite 149 ff, bzw. aus der DE 36 03 818 A1 ist ferner ein Laser bekannt, bei dem an eine sogenannte Wälzkol­ benpumpe am Einlauf der Pumpe, sowie am Auslauf der Pumpe, Kühler angeordnet sind. Aufgrund der Größe dieser Pumpe ist die gesamte Laseranordnung relativ groß, wobei übli­ cherweise die Verbindung zwischen den Kühlern und dem ei­ gentlichen Laser über längere Schlauchverbindungen erfol­ gen.

Schließlich ist aus der EP 01 09 025 ein Gaslaser nach dem Gastransportprinzip mit Radialverdichter und Vor- sowie Nachkühlern bekannt, wobei der Gasstrom an den äußeren Enden der Laserrohre abgesaugt und das gekühlte Gas im mittleren Teil der Laserrohre zugeführt wird. Abgesehen von der aufwendigen Anordnung der Kühler, weist dieser Laser den Nachteil auf, daß der Gasstrom zu den Spiegeln des Laserresonators hinfließt und es schnell zu einer Verschmutzung der Resonatorspiegel durch die im Gasstrom enthaltenen Schmutzpartikel kommt. Zwangsläufig sinkt daher die Leistung während des Laserbetriebes.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ei­ nen Laser der eingangs erwähnten Art so weiterzuentwic­ keln, daß er einfach, kostengünstig und unter optimaler Raumausnutzung aufgebaut ist und dabei trotzdem einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.

Der Laser besitzt gegenüber vergleichbaren bekannten Lasern den besonderen Vorteil, daß die Ausgangsleistung im Verhältnis zu vergleichbaren Lasern fast doppelt so hoch ist. Dieses ist insbesondere darauf zurückzuführen, daß sowohl Vorkühler als auch Nachkühler benutzt werden, wobei die Verbindungen zwischen diesen Bauteilen und dem Radial­ verdichter einerseits sowie den Laserrohren andererseits möglichst kurz gewählt werden. Dieses wird insbesondere da­ durch erreicht, daß alle Kühler parallel zueinander ange­ ordnet werden.

Ein weiterer besonderer Vorteil ist, daß mit Ausnahme der Rohre des Laserresonators die weiteren gasdurchströmten Teile einen rechteckigen Rohrquerschnitt aufweisen. Gege­ nüber Rohrteilen mit kreisförmigem Querschnitt weisen solche mit rechteckförmigem Querschnitt den Vorteil auf, daß die Geschwindigkeit des Gasstromes stärker abnimmt. Dadurch sinkt die Strömungsverlustleistung einerseits und andererseits werden die Längen der Kühler für ein notwen­ diges Volumen verkürzt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen.

Es zeigt:

Fig. 1 die Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung;

Fig. 2 die Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1;

Fig. 3 die Vorderansicht der Laservorrichtung gem. Fig. 1;

Fig. 4 einen Ausschnitt der Laseranordnung gem. Fig. 1 und

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Laser­ vorrichtung.

In den Fig. 1 bis 4 ist mit 1 die Laservorrichtung bezeich­ net. Diese Laservorrichtung enthält im wesentlichen einen Laserresonator, welcher in dem hier beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel aus zwei Laserrohren besteht, deren Strah­ lungsgänge mittels Umlenkspiegel 7 miteinander gekoppelt sind. Jedes Laserrohr setzt sich aus zwei Längsrohren 2 und 3 bzw. 2′ und 3′ zusammen. Die Längsrohre 2, 3 bzw. 2′, 3′ sind einerseits an einem Sammeltrichter 4 und ande­ rerseits an Optikhalterungen 5 und 6 befestigt.

Auf der dem Umlenkspiegel 7 gegenüberliegenden Seite des aus den Längsrohren 2 und 3 bestehenden Laserrohres weist die erfindungsgemäße Laservorrichtung einen Auskoppelspie­ gel 8, durch den das Laserlicht aus der Vorrichtung ge­ langt, auf. Auf der entsprechenden Seite des aus den Längs­ rohren 2′ und 3′ bestehenden Laserrohres ist hingegen ein totalreflektierender Spiegel 23 angeordnet.

Der Sammeltrichter 4 ist mit seinem Auslauf 40 direkt an einem Vorkühler 9 und der Vorkühler direkt mit dem Ein­ lauf 100 eines Radialverdichters 10 verbunden. Der Radial­ verdichter weist einen Diffusor 101 auf, an dem Ausläufe 11 und 12 befestigt sind. An diesen Ausläufen 11 und 12 wiederum sind Gasumlenkteile 13 und 14 befestigt, denen Kühler 15 und 16 nachgeschaltet sind. Die Kühler 15 und 16 schließlich werden mit den Optikhalterungen 5 und 6 verbun­ den, so daß sich bei Betrieb des Radialverdichters 10 zwei getrennte Gaskreisläufe ergeben.

Vorzugsweise erfolgt die Anregung des Lasergases mit Hilfe von Hochfrequenzenergie. Hierzu befinden sich auf den Längsrohren 2, 3 bzw. 2′, 3′ Elektrodenpaare 17, 18 bzw. 17′, 18′ (kapazitive HF-Anregung), über die die HF-Energie in die Laserrohre eingekoppelt wird. Die Elektrodenpaare 18, 18′ bzw. 17, 17′ sind über Leitungen 19 bzw. 20 mit entsprechenden HF-Sendern 21 bzw. 22 gekoppelt.

Im folgenden wird auf die Wirkungsweise des Lasers näher eingegangen: Das in den Laserrohren durch HF-Anregung er­ wärmte Gas strömt zunächst durch Strömungsführung über den Sammeltrichter 4 und den Kühler 9 zum Radialverdichter 10. Der Radialverdichter 10 treibt das vorgekühlte und verdich­ tete Gas über die Ausläufe 11 und 12 und die Gasumlenktei­ le 13 und 14 in die Kühler 15 und 16, von wo es wieder in die Laserrohre 2 und 3 bzw. 2′ und 3′ gelangt.

Wichtig für eine hohe Laserausgangsleistung ist u.a. ein hoher Massen- bzw. Volumenstrom des laseraktiven Gasgemi­ sches. In einem praktischen Ausführungsbeispiel war der eingesetzte Radialverdichter 10 für ein Druckverhältnis (Druckseite zur Saugseite des Verdichters) von 1,4 ausge­ legt (bei einem Volumenstrom von 2000 bis 2500 m³/h und einem Mischverhältnis von 70/25/5 Vol.-% He/N₂/CO₂). Durch die in Fig. 1 dargestellte Gasströmungsführung wurde dar­ auf geachtet, daß der Gesamtströmungswiderstand möglichst gering gehalten wird. Mit der Zunahme des Widerstandes sinkt bekanntermaßen der Volumenstrom und dadurch der Mas­ senstrom.

Es wurde erfindungsgemäß dafür gesorgt, daß außer der Ver­ wendung eines Vorkühlers 9 die Nachkühler 15 und 16 geome­ trisch so angeordnet waren, daß ihre Achsen parallel zuein­ ander und senkrecht zum Laserresonator angeordnet sind.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn außer den Längsrohren 2, 3 und 2′, 3′ alle weiteren Teile zur Führung des Gasstromes einen möglichst rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Dabei hat sich beispielsweise ein Verhältnis von 10 : 1 bewährt. Allerdings setzt die Verwen­ dung rechteckförmiger Querschnitte Übergänge zu den Längs­ rohren 2, 3 bzw. 2′, 3′ voraus. Diese werden vorzugsweise in den Optikhalterungen 5 und 6 sowie durch entsprechende Ausformung des Sammeltrichters 4 gebildet.

Aus Fig. 3 geht hervor, wie die Übergangsstücke in der Optikhalterung vorteilhafterweise ausgebildet werden. Dabei wurde mit 8 wiederum das Auskoppelfenster, welches dem aus den Längsrohren 2 und 3 bestehenden Laserrohr zu­ geordnet ist, und mit 23 ein totalreflektierender Spiegel bezeichnet, welcher am Ende des Längsrohres 2′ befestigt ist. 6 bedeutet die Optikhalterung, in der ein gestrichelt gezeigter Einsatz angeordnet ist. Da das den Kühler 15 ver­ lassende Gas in die Längsrohre 2 und 2′ gelangen muß, ist der Einsatz 24 doppelhöckerförmig ausgebildet, wobei die Längsrohre 2 und 2′ an der höchsten Erhebung des Höckers angeordnet sind. Der vorzugsweise auswechselbare Einsatz ist so ausgebildet, daß das mit langsamer Geschwindigkeit aus dem Kühler 15 kommende Gas mit geringen Verlusten in die Laserrohre geleitet wird.

Zu der Optikhalterung gehören Flansche 25, die so ausgebil­ det sind, daß das Gas nach der Leitung im Optikhalter 6 nicht im Winkel von 90°, sondern im Winkel von 45° in die Laserrohre gelangt. Dadurch wird erreicht, daß die Wider­ standsziffer und somit die Strömungsverlustleistung vermin­ dert wird. Die Längsrohre 2, 3; 2′, 3′ werden vorteilhaf­ terweise ebenfalls so ausgebildet, daß die sich in den Optikhalterungen 5 und 6 befindenden Seiten unter einem Winkel von 45° zugeschnitten sind. Aus der Kombination mit dem wie oben beschriebenen Flanschen ergibt sich eine effektvolle Verminderung der Widerstandsziffer.

Wie aus Fig. 4 entnehmbar, erfolgt der Übergang vom kreis­ förmigen zum rechteckförmigen Querschnitt beim Sammeltrich­ ter 4 mit Hilfe des Flansches 26. Dieser Flansch wirkt als Diffusor und verringert die Stoßverluste der im Sammel­ trichter 4 aufeinandertreffenden Gasströmungen.

Die Leistungsdaten des beschriebenen Lasers sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefaßt:

Bauvolumen der Laservorrichtung|0,6 m³
ausgekoppelte Laserleistung	2 kW
Volumenstrom	<1800 m³/h
Drehzahl des Verdichterrades	40 000 U/min
Entladungsvolumen	0,6×10-3m³
Anzahl der Entladungsstrecken	4
Art der Einkopplung	kapazitiv
Anregungsfrequenz	27 MHz
maximale Leistung des HF-Senders	15 kW
Resonator	U-gefaltet, stabil

Zur Erhöhung der Laserleistung kann die Vorrichtung z.B. um vier weitere Anregungsstrecken erhöht werden. Dieses ist in Fig. 5 dargestellt. Dabei ist der Sammeltrichter mit 4′ und die Umlenkspiegel sind mit 7′, 7′′ und 7′′′ bezeichnet. Mit 8′ ist das Auskoppelfenster und mit 23′ der totalreflektierende Spiegel gekennzeichnet. Die Wir­ kungsweise dieses Lasers entspricht derjenigen der vorste­ hend beschriebenen Vorrichtung. Selbstverständlich müssen die Größe und Form des Sammeltrichters 4′ und der übrigen das Gasumwälzsystem betreffenden Teile der jetzt aus vier Laserrohren bestehenden Vorrichtung angepaßt werden.

Claims (5)

1. Laservorrichtung (1) nach dem Gastransportprinzip mit einem Laserresonator und Gasumwälz-, Kühl- und Anre­ gungssystemen, wobei zur Gasumwälzung ein Radialver­ dichter (10) mit einem Einlauf (100) und zwei Ausläufen (11, 12), Diffusor (101) und Gasumlenkteilen (13, 14) vorgesehen sind, daß der Laserresonator mindestens ein Laserrohr enthält, welches sich aus zwei Längsrohren (2, 3; 2′, 3′) zusammensetzt, wobei dem Laserrohr das Gas an den Enden zugeführt und im mittleren Bereich mit Hilfe des Radialverdichters (10) abgesaugt wird, daß der Diffusor (101) des Radialverdichters (10) direkt mit den Ausläufen (11, 12) verbunden ist, an die sich Kühler (15, 16) anschließen, gekenn­ zeichnet durch die Merkmale:

• - die Längsrohre (2, 3; 2′, 3′) münden im mittleren Teil des Laserrohres in einen Sammeltrichter (4);
• - der Auslauf (40) des Sammeltrichters (4) ist direkt mit einem Vorkühler (9) und dieser ist direkt mit dem Einlauf (100) des Radialverdichters (10) verbunden;
• - jeder Auslauf (11, 12) des Radialverdichters (10) ist über Gasumlenkteile (13, 14) mit den Einläufen der Kühler (15, 16) verbunden, deren Auslauf direkt mit einer die Längsrohre (2, 3; 2′, 3′) haltenden Optik­ halterung (5, 6) verbunden ist;
• - die Achsen aller Kühler (9, 15, 16) sind parallel zu­ einander und senkrecht zu dem Laserresonator (2, 3; 2′, 3′) angeordnet;
• - die Längsrohre (2, 3; 2′, 3′) sind an den Optik­ halterungen (5, 6) mit Hilfe von Flanschen (25) be­ festigt, wobei die Flansche (25) so ausgebildet sind, daß das Gas nach der Leitung im Optikhalter (6) im Winkel von 45° in die Längsrohre (2, 3; 2′, 3′) gelangt;
• - die Längsrohre (2, 3; 2′, 3′) sind an den den Optik­ halterungen (5, 6) zugewandten Seiten unter einem Winkel von 45° angeschrägt.

2. Laservorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit Ausnahme der Längs­ rohre (2, 3; 2′, 3′), die das strömende Gas begrenzen­ den Bauteile (4, 9, 11, 12, 13, 14, 15, 16) einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.

3. Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens vier Längsrohre (2, 3; 2′, 3′) zwei parallele Laserrohre bilden, deren Strahlungsgänge mittels Umlenkspiegel (7) miteinander gekoppelt sind.

4. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge der Längsrohre (2, 3; 2′, 3′) zum Sammel­ trichter (4) als Diffusoren ausgebildet sind.

5. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Optikhalterungen (5, 6) aus einem Gehäuse mit aus­ wechselbarem Einsatz (24) bestehen, wobei durch den Einsatz (24) der Übergang vom rechteckförmigen zum kreisförmigen Querschnitt erfolgt.