DE4428356A1 - Optimierter Wärmeübertragung bei einer Laserresonatoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserresonator- Anordnung für ein gasförmiges, laseraktives Medium, das innerhalb eines Entladungsrohres, um das ein Kühlkörper vorgesehen ist, mit einer Elektrodenanordnung durch Spannungsentladung energetisch anregbar ist, deren Elektroden am Entladungsrohr vorgesehen sind und je­ weils mit einem separaten Elektrodenkühlkörper kühlbar sind.

Üblicherweise wird das aktive Medium von Gaslasern mit Hilfe elektrischer Entladung angeregt, um die für die Lasertätigkeit vorauszusetzende Inversion der am Laserprozeß beteiligten Atome bzw. Moleküle zu errei­ chen. Die für die elektrische Entladung erforderlichen Stromdichten innerhalb des Entladungsrohres betragen etwa 30 bis 150 A cm^-2, die beim Betrieb zu Plasmatem­ peraturen von ca. 3000 K innerhalb des aktiven Mediums führen. Derart hohe Betriebstemperaturen innerhalb des Entladungsrohres erfordern wärmebeständige Materialien, aus denen das Entladungsrohr zusammengesetzt ist. Gängige Rohrmaterialien bestehen aus Keramik, bei­ spielsweise aus Berilliumoxid (BeO), das eine ähnlich grobe Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium aufweist. Zur Kühlung des Resonators wird in üblicher Weise die Reso­ natorrohrwand in Kontakt mit Kühlwasser gebracht, um eine Überhitzung zu vermeiden. Hierzu sind Lösungen bekannt, die beispielsweise mit Hilfe von Kühlschlangen, die außen an dem Resonatorgehäuse ange­ bracht sind, einen Kühleffekt im erhitzten Rohrmaterial erreichen. Eine Verbesserung des Wärmeabtrages wird hingegen mit innerhalb des Rohrmaterials verlaufenden Kühlkanälen erreicht, die eine möglichst grobe Kühloberfläche dem Resonatorrohrmaterial anbieten. In üblicher Weise wird als Kühlflüssigkeit Wasser ver­ wandt, das mit Hilfe entsprechender Pumpvorrichtungen durch die Kühlkanäle geleitet wird.

Ein Problem in der Konstruktion von Resonatoren für Gaslaser ist es jedoch, die Elektrodenkörper an das Entladungsrohr derart anzubringen, daß zum einen eine optimale Elektrodenausrichtung relativ zur Reso­ natorachse erreicht wird, um einen optimalen Stromfluß durch das Entladungsrohr zu erreichen, und zum anderen, die thermische Verträglichkeit der meist aus unter­ schiedlichen Materialien gefertigten Bauteilen zu be­ rücksichtigen, um Dejustierungen der Elektrodenanord­ nung aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffi­ zienten zu vermeiden.

Die Elektrodenkörper sind mit den Rohrendabschnitten des Entladungsrohres derart gasdicht verbunden, so daß das im Inneren der Entladungsröhre befindliche Gas nicht entlang der Stoßkanten zwischen dem Ent­ ladungsrohr und den Elektrodenkörpern nach außen ent­ weichen kann.

Eine derart innige Verbindung der beiden genannten Laserresonatorbauteile unterliegt jedoch dem Problem der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen dem Entladungsrohrmaterial und den Elektrodenmaterialien.

Typische Elektrodenmaterialien, wie beispielsweise Kupfer oder ähnliche elektrisch leitende Metalle, besitzen eine stärkere Tendenz zur Volumenausdehnung mit steigenden Temperaturen, als das aus Keramik gefer­ tigte Entladungsrohr.

Trotz Kühlung des Entladungsrohrmaterials wie oben­ stehend beschrieben, werden dennoch in den äußeren Bereichen des Entladungsrohrmantels Temperaturen von ca. 70°C erreicht, die sich aufgrund Wärmeaustausch auf die angrenzenden Elektrodenkörper übertragen. Bei derartigen Temperaturen ist die Wärmeausdehnungsfähig­ keit der Elektrodenkörper im Hinblick auf eine hochprä­ zise Anordnung der Elektroden innerhalb des Ent­ ladungsrohres nicht mehr zu vernachlässigen und birgt große Probleme bei der konstruktiven Auslegung von Gasionenlaserresonatoren in sich.

Zur Verminderung des Wärmeausdehnungseffektes bei der Elektrodenanordnung sind Kühlsysteme bekannt, die die Elektrodentemperatur in einem Bereich halten, in dem der Volumenausdehnungseffekt hinsichtlich der Justierung der Elektrodenanordnung relativ zum Entladungsrohr weniger kritisch erscheinen lädt.

Entsprechend der Kühlkörper zur Kühlung des Ent­ ladungsrohres sind auch Kühlkörper für die Elektroden bekannt, die bevorzugt radial um die zylinderstabar­ tigen Bauteile angeordnet sind, selbst jedoch keine Kühlkanälen aufweisen, durch die Kühlflüssigkeit gelei­ tet werden könnte, zumal die Elektroden auf hohen Span­ nungspotentialen liegen, die eine direkte Wasserkühlung ausschließen. Der dadurch bedingte starke Temperaturgradient zwischen dem Kühlkörperbereich um das Entladungsrohr und dem Kühlkörperbereich um die Elektrodenanordnung führt letztlich zu unterschiedlichen Wärmeausdehnungen die sofern beide Kühlkörper miteinander fest und innig verbunden sind, zu internen Materialverspannungen füh­ ren. Zwischen den vorgenannten Bauteilbereichen können Temperaturunterschiede von bis zu 100°C auftreten, da der Kühlkörper des Entaldungsrohres direkt durch die Kühlflüssigkeitssysteme kühlbar ist, wohingegen der Elektrodenkühlkörper nur indirekt über den thermischen Kontakt mit dem Kühlkörper des Entladungsrohres mitge­ kühlt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laserresonator-Anordnung für ein gasförmiges laserak­ tives Medium, das innerhalb eines Entladungsrohres, um das ein Kühlkörper vorgesehen ist, mit einer Elektro­ denanordnung durch Spannungsentladung energetisch anregbar ist, deren Elektroden am Entladungsrohr vorge­ sehen sind und jeweils mit einem separaten Elektroden­ kühlkörper kühlbar sind, derart auszubilden, daß zwi­ schen dem Elektrodenkühlkörper und dem Kühlkörper für das Entladungsrohr keine inneren Materialspannungen auftreten, so daß Dejustierungen im Elektrodenbereich oder Materialspannungen, die zum Bruch der Ent­ ladungsröhre führen können, auszuschließen sind.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte, ergänzende Merkmale sind den Ansprüchen 2 ff. zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, bei einer gattungsgemäßen Laserresonatoranordnung der eingangs beschriebenen Art einen Bewegungsfreiheitsgrad zwischen dem Kühlkörper für das Entladungsrohr und dem Elek­ trodenkühlkörper zu schaffen.

Erfindungsgemäß steht der Elektrodenkühlkörper einer­ seits über einen innig, festen Oberflächenkontakt mit dem Elektrodenkörper und andererseits mit dem Kühlkörper für das Entladungsrohr über einen innig aber losen Oberflächenkontakt in Verbindung.

Die innig, feste Verbindung kann beispielsweise über ein Schraubgewinde, eine Kleb- oder Schweißverbindung realisiert werden. In besonders bevorzugter Weise sitzt der Elektrodenkühlkörper jedoch paßgenau auf der zy­ linderförmigen Oberfläche der Elektroden auf, so daß weitgehend Relativbewegungen ausgeschlossen sind. Um dennoch kleinste thermisch bedingte innere Material­ verspannungen zwischen dem Elektrodenkühlkörper und der Elektrode selbst auszuschließen, ist vorzugsweise die Elektrode mit einem Kupferband fest umwickelt, auf das der Elektrodenkühlkörper über einen Paßsitz aufgebracht ist. Einerseits ist der Kontakt zwischen den beiden Bauteilen fest und innig, andererseits jedoch er­ möglichen die Kupferbandlagen kleinste Relativbewegun­ gen, so daß Materialspannungen zwischen den unter­ schiedlichen Baukörpern weitgehend vermieden werden können.

Aufgrund der direkten Kühlung des Kühlkörpers des Ent­ ladungsrohres treten zwischen diesem und dem Elektro­ denkühlkörper typsicherweise Temperaturunterschiede von bis zu 100°C auf. Um die beiden Kühlkörper zum einen thermisch fest aneinander zu koppeln, damit der Elek­ trodenkühlkörper mitgekühlt wird, doch zum anderen die beiden Kühlkörper mechanisch weitgehend voneinander zu entkoppeln, ist aufgrund der unterschiedlichen Tem­ peraturbedingungen und den damit verbundenen unter­ schiedlichen Wärmeausdehnungseffekten eine Gleitschicht zwischen den beiden Körpern vorgesehen, entlang derer sie sich im Volumen ausdehnen können.

Die vorgenannte Gleitschicht weist in vorteilhafter Weise eine folienartige Kontaktschicht auf, die den vorzugsweise aus Aluminium gefertigten Elektroden­ kühlkörper elektrisch gegen den ebenfalls aus Aluminium gefertigten Kühlkörper des Entladungsrohres isoliert. Beide Kühlkörper sind daher in der Lage, entlang dieser Kontaktfläche aneinander zu gleiten. Aufgrund der festen und innigen Verbindung zwischen Elektroden­ kühlkörper und Elektrode, die selbst fest mit dem Entladungsrohr verbunden ist, wird der Elektroden­ kühlkörper an den Kühlkörper des Entladungsrohres festgepreßt.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigt

Fig. 1 schematisierte Querschnittsdarstellung durch die erfindungsgemäße Laserresonator- Anordnung.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen Laserreso­ nator dargestellt, der ein aus Keramik gefertigtes Entladungsrohr für das gasförmige aktive Medium auf­ weist, an dessen einem Ende eine Elektrode 2 vorgesehen ist, die zur Anregung des Gases innerhalb des Ent­ ladungsrohres eine sogenannte Entladungsspannung be­ reitstellt (auf die Darstellung der Gegenelektrode ist verzichtet). Zur Kühlung der durch die Plasmaerzeugung innerhalb des Entladungsrohres 1 auftretenden hohen Temperaturen ist um das Entladungsrohr 1 ein Kühlkörper 3 vorgesehen, der intern Kühlflüssigkeitskanäle 4 auf­ weist, durch die Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, geleitet werden.

Ebenso ist um die Elektrode 2 ein Elektrodenkühlkörper 5 vorgesehen, der paßgenau auf der Elektrode 2 fest angebracht ist. Vorzugsweise ist zwischen der Elektrode 2 und dem Elektrodenkühlkörper 5 eine mehrlagige Kupferbandschicht 6 vorgesehen.

Aufgrund des festen Paßsitzes zwischen dem Elektroden­ kühlkörper 5 und der Elektrode 2 wird der Elektroden­ kühlkörper 5 fest aber lose gegen den Kühlkörper 3 des Entladungsrohres gedrückt. In dem Spalt 8 zwischen den beiden Bauteilen 3 und 5 ist vorzugsweise eine Kühlkörper-Folie eingebracht, die selbst elektrisch isolierend ist. Zum einen muß die Trennfolie elektrisch isolierend sein und zum anderen soll sie möglichst ohne Einfluß auf den Wärmefluß zwischen den beiden Bauteilen 3 und 5 sein. Durch die feste aber lose Aneinande­ rpressung der vorbeschriebenen Bauteile ist es möglich, daß sie aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung, bei unterschiedlichen Temperaturen gegeneinander wandern können. Auf diese Weise werden interne Materialspan­ nungen umgangen.

Claims (9)

1. Laserresonatoranordnung für ein gasförmiges, laseraktives Medium, das innerhalb eines Ent­ ladungsrohres, um das ein Kühlkörper vorgesehen ist, mit einer Elektrodenanordnung durch Spannungsentladung energetisch anregbar ist, deren Elektroden am Ent­ ladungsrohr vorgesehen sind und jeweils mit einem separaten Elektrodenkühlkörper kühlbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenkühlkörper einerseits über einen innig, festen Oberflächenkontakt mit dem Elektrodenkörper und andererseits mit dem Kühlkörper für das Entladungsrohr über einen innig, losen Oberflächenkontakt in Verbindung steht.

2. Laserresonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenkontakte des Elektrodenkühlkörpers wärmeflußoptimiert sind.

3. Laserresonatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper für das Entladungsrohr und der Elektrodenkühlkörper aus gleichem Material sind.

4. Laserresonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenumfang einer Elektrode ein Kupferüberzug vorgesehen ist, auf dem der Elektrodenkühlkörper mittels Paßsitz angebracht ist.

5. Laserresonatoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupferüberzug aus mehreren Kupferbandlagen besteht.

6. Laserresonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper stirnseitig eine Kontaktfläche aufweist, an die der Elektrodenkühlkörper mit seiner entsprechenden Kontaktfläche anpreßbar ist.

7. Laserresonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kühlkörper und Elektrodenkühlkörper eine den Wärmefluß nicht bein­ trächtigende Kontaktschicht vorgesehen ist, die ein Gleiten der beiden Kontaktflächen ermöglicht.

8. Laserresonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht aus einem elektrisch isolierendem Material besteht.

9. Laserresonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus Aluminium besteht.