EP2583364A1 - Gaslaser und betriebsverfahren dafür - Google Patents

Gaslaser und betriebsverfahren dafür

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Publication number
EP2583364A1
EP2583364A1 EP11725669.3A EP11725669A EP2583364A1 EP 2583364 A1 EP2583364 A1 EP 2583364A1 EP 11725669 A EP11725669 A EP 11725669A EP 2583364 A1 EP2583364 A1 EP 2583364A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling
laser
gas
corner housing
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11725669.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Von Borstel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Publication of EP2583364A1 publication Critical patent/EP2583364A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S3/07—Construction or shape of active medium consisting of a plurality of parts, e.g. segments
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    • H01S3/076—Folded-path lasers
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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/0813—Configuration of resonator
    • H01S3/0816—Configuration of resonator having 4 reflectors, e.g. Z-shaped resonators

Definitions

  • the present invention relates to a gas laser, comprising: a plurality of discharge tubes, which are connected to each other via corner housing, in each of which at least one mirror element for beam guidance of a laser beam and at least one cooling channel are provided with a Kühidemkeit therein, and a heat exchanger with at least one Kühikanal with a cooling liquid therein for cooling the laser gas before entering a respective corner housing, as well as an operating method for such Gasiaser.
  • Gasiaser in particular COs laser, have a folded, preferably square laser resonator in which the laser beam is folded in one or more superimposed parallel planes square, for which mirror elements are arranged in each plane, which are commonly housed in four corner housings. Between the corner housings discharge tubes are arranged with electrodes for exciting the laser gas.
  • the laser gas is from a Druckqueiie, which may for example be designed as a radial fan, via supply lines the
  • One or more Bruhikanäie a heat exchanger are arranged in the supply lines typically to cool the laser gas before entering the corner housing and thus in the beam guiding space.
  • the laser gas cycle is closed via suction lines, via which the heated laser gas is sucked out of the discharge tubes and fed to the radial fan.
  • the corner housing are cooled.
  • one or more Bruhikanäie are mounted in a main body of the respective corner housing, which are flowed through by a cooling liquid, typically water.
  • the Kühikanäie the heat exchanger are in the rain! connected to the cooling channels of the corner housing and form a common coolant circuit.
  • Laser resonator undergoes an undesirable change in the laser beam direction (so-called, beam pointing), which can lead to a deterioration of the beam quality.
  • the temperature of the incoming cooled laser gas is typically about 10 K above the temperature of the coolant in the corner housing.
  • a difference between the temperature of the cooled laser gas entering the corner housing and the temperature of the cooling liquid in the corner housing is less than 5 K, preferably less than 2 K, in particular less than 0, 2 K is adjustable
  • the inventor has recognized that the tilt of the mirror elements disposed in the corner housings is triggered by an asymmetric expansion of the (generally symmetrical) corner housing caused by a temperature gradient between the temperature of the laser gas flowing into the corner housing and the temperature of the coolant in the cooling channel of the corner housing is generated.
  • asymmetric expansion of the (generally symmetrical) corner housing caused by a temperature gradient between the temperature of the laser gas flowing into the corner housing and the temperature of the coolant in the cooling channel of the corner housing is generated.
  • Corner housing belong to two differentierimitteinikiäufen, in this case, the temperature of the cooling liquid in the cooling channels of the corner block
  • the tempering device has a
  • Heating device for heating the cooling liquid which is supplied to the cooling channel of the corner housing.
  • the tempering device can also have a cooling device for cooling the coolant, which is supplied to the or the cooling channels of the heat exchanger.
  • the aggregates of the respective coolant circuit in particular when a commondemittei Vietnameselauf is provided, ie when the cooling channels of the corner housing are connected to the Kühikanäien the heat exchanger and the cooling liquid in the two coolant circuits a substantially has identical temperature, it is advantageous if the laser gas is subjected to a direct cooling by means of an additionaldeeinnchtung so that the temperature of the cooled laser gas is independent of the temperature of kuhilakekeit the heat exchanger and the Kühidemkeit adjustable in the corner housing.
  • different measures can be provided:
  • the additional cooling means comprises an expander for adiabatically expanding the laser gas as it enters the
  • an expansion device e.g. in the form of a possibly
  • controllable or adjustable expansion nozzle which causes a cooling of the entering into the corner housing laser gas.
  • the additional cooling device has a mixing device for admixing additional cold laser gas.
  • the additionally mixed laser gas must have a lower temperature than the laser gas already present in the gas loop of the gas.
  • the amount of the supplied laser gas is hereby e.g. adjusted via a controllable valve so that the desired cooling effect is achieved.
  • the inlet or the controllable valve for the mixed laser gas is in this case preferably at the outlet of the heat exchanger, i. adjacent to the corner housing.
  • the additional cooling device has a Peltier element for cooling the laser gas.
  • the laser gas is cooled in this case, in addition to the heat exchanger directly through the Peltier element, which also provides an additional approximation of the temperature of the laser gas to the temperature of the Coolant causes in the corner housing.
  • the additional cooling device can also have a further heat exchanger which is operated with the same or preferably with a further coolant, i. the cooling channels of the further heat exchanger are charged with a coolant other than that of the first heat exchanger.
  • the further coolant may be e.g. to act a coolant of a cooling unit, which serves for cooling the cooling liquid of the flowing through the cooling channels of the (first) heat exchanger coolant.
  • a thermal insulation between the mirror element (s) and the corner housing or its base body may be provided in order to avoid transmission of the mirror heat from the mirror element or its mirror carrier to the corner housing as far as possible.
  • a further cooling device for direct cooling of the Spiegeleiements be provided in the corner housing. Also, it is favorable for the temperature stability of the corner housing, if a
  • Resonator frame on which the or all corner housing of the gas laser are mounted has at least one cooling channel, which forms a commonissermittei Vietnameselauf with the cooling channel of the corner housing. Due to the common cooling can be achieved that the corner housing and the resonator frame the same, in the
  • the invention also relates to a method for operating a gas laser, the
  • a difference between the temperature of a cooled laser gas when entering a corner housing of the gas laser and the temperature of a cooling liquid in at least one cooling channel of the corner housing is set to less than 5 K, preferably less than 2 K, in particular less than 0 , 2K.
  • the operation of a gas laser in the manner described above has in particular resonators with high resonator lengths (eg greater than 5m) or laser processing machines with Sangen Strahlinature (larger 8m) ais shown particularly advantageous.
  • Fig. 1 is a plan view of a CG gas laser with a folded
  • Fig. 2 is a perspective view of the C0 2 gas laser of Fig., A Thomasdarsteliung a detail of the invention
  • Figure 3b is a view analogous to Figure 3a with an additional cooling device in the form of an expansion nozzle and a Peltier element for cooling the laser gas, and
  • FIG. 3c shows an illustration analogous to FIG. 3b with an additional cooling device in the form of a mixing device and an additional heat exchanger for cooling the laser gas.
  • the C0 2 gas laser 1 shown in Fig. 1 has a square folded
  • a running in the direction of the axes of the laser discharge tubes 3 laser beam 6 is shown in phantom.
  • Umlenkspiege! 7 in the corner housings 4 serve to deflect the laser beam 6 by 90 °. in one of the corner housing 5, a rearview mirror 8 and a partially transmissive Auskoppelspiegef 9 are arranged.
  • the rearview mirror 8 is formed highly reflective and reflects the laser beam 6 by 180 °, so that the laser discharge tubes 3 are traversed again in the opposite direction.
  • a part of the laser beam 6 is coupled out of the laser resonator 2 at the partially transmissive Auskoppeispeigei 9, the other part remains in the laser resonator 2 and passes through the laser discharge tubes 3 again, the output via the Auskoppeispiegei 9 from the laser resonator 2 laser beam is denoted by 10.
  • a radial fan 11 is arranged as a pressure source for laser gas, which is connected via supply lines 12 for laser gas with the corner housings 4, 5 suction lines 13 extend between suction 14 and the radial fan 1 1.
  • Laser gas is provided via electrodes 15 disposed adjacent to the laser discharge tubes 3 and connected to an RF generator (not shown).
  • an RF generator for example, a tube generator with an excitation frequency of 13.56 MHz or 27, 12 MHz can be used.
  • Fig. 2 and in particular in Fig, 3a are in the
  • Supply lines 12 helical or lamellar cooling channels 16 in the form of
  • Cooling tubes provided through which a cooling liquid 17, in the present example, water flows.
  • the cooling channels 16 are connected to a cooling unit 18 in conjunction and together with this a heat exchanger circuit 19, In the
  • Corner housing 4 of Fig. 3a is still adekana! 20 provided in the form of a cooling hole which extends through a base body of the corner housing 4 and is also traversed by cooling water 21.
  • cooling channel 20 of the corner housing 4 is not connected to the cooling unit " 18 of the heat exchanger 19, but to a further unit 22, which forms a separate housing block circuit 23 together with the cooling channel 20. It is understood that the one in FIG illustrated heat exchanger circuit 19 extends not only through the Zuurerieitung 12, but through all the supply lines of the gas laser 1 and through all the suction lines 13, wherein it is in the Rule is a parallel connection of several heat exchangers.
  • the housing block circuit 23 passes through all corner blocks 4, 5 of the gas laser 1.
  • the heat exchanger circuit 19 and the housing block circuit 23 are independent of each other, so that the respective temperature T w , w of the cooling liquid 17 of the heat exchanger circuit 19 and the temperature TW , B of the cooling liquid 21 of the home slewing circuit 23 are independently adjustable by suitably setting the units 18, 22 serving as tempering means.
  • This is favorable in order to equalize the temperature T G , K of the cold laser gas when entering the corner housing 4 to the temperature T W , B of the cooling liquid 21 in the cooling channel 20 of the corner housing 4, so that the temperature difference TQ, K - T W> B is as small as possible. In this way, it is possible to prevent a temperature gradient from occurring in the corner housing 4, which causes tilting of the deflecting mirror 7 arranged therein and thus incorrect positioning of the laser beam 6.
  • the temperature of the cooling water 17 in the cooling pipe 16 be set lower than the temperature of the cooling water 21 in the cooling hole 20 of the corner housing 4.
  • the temperature T WJW of the cooling water 17 in the cooling pipe 16 can be reduced by about 10 K to T W [ 15 ° C], whereby the cooled laser gas entering the corner housing 4 reaches a temperature TG .K of 25 ° C, ie, coincides with the temperature T WI B of the cooling water 21 in the corner block 4.
  • both measures can be performed simultaneously, ie the temperature Tw.w of the cooling liquid 7 in the cooling pipe 16 is reduced and the temperature T W , B of the cooling liquid 21 in the corner housing 4 is simultaneously increased accordingly, so that overall sets a temperature difference which is not greater than 5 K, preferably not greater than 2 K, in particular not greater than 0.2 K.
  • the actuation of the units 18, 22 can be carried out by a common control device 24. It is understood that if necessary, also heat sensors can be provided, which regulate the temperatures on the above
  • an additional cooling device may be provided, which in FIG. 3b comprises an expansion nozzle 25, which is arranged at the entry into the corner housing 4.
  • the expansion nozzle 25 causes a
  • the cooling device can also have a Peltier element 26, which is attached to a wall of the supply line 12 in the example shown in FIG. in Fig.
  • a cooling device in the form of a mixing device comprising a controllable valve 27, via which the mixing of additional, cool laser gas from a gas reservoir 28 in the gas circuit of the gas laser 1 can be done, wherein the admixed amount of gas is adjusted so that the mixing temperature corresponds to the desired temperature of the laser gas, and a cooling device in the form of another heat exchanger 29, which is acted upon directly with the cooling liquid of kuhiaggregats 18, which also serves for the cooling of the cooling water 17 of the cooling tube 16.
  • Heat exchanger 29 and the gas outlet or the valve 27 for the mixed laser gas are in this case arranged with respect to the flow direction of the laser gas behind the heat exchanger 19 and serve the additional cooling of the laser gas cooled by this before entering the corner block 4,
  • Mirror element 7 is arranged on a mirror support 30, which is equipped with a further cooling device 31 in the form of a cooling channel with coolant therein, in order to cool the mirror element 7 directly.
  • the mirror support 30 is thermally insulated from the respective corner housing 4, 5, the thermal insulation e.g. over steel screws while avoiding flat contact with the
  • the temperature T G , the cooled laser gas entering a respective corner housing 4, 5 and the temperature T W , B of a cooling liquid 21 of the corner housing 4, 5 can be matched to each other, so that no asymmetric temperature gradient in the corner housing 4 T 5 is formed and arranged therein SpiegeieJemente 7, 8, 9 and their mirror support 30 are tilted unintentionally. Overall, such an undesirable change in the direction of the laser beam 6 in the laser resonator 2 can be prevented and the beam quality of the decoupled laser beam 10 can be increased.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gaslaser, umfassend: eine Mehrzahl von Entladungsrohren (3), die über Eckgehäuse (4) miteinander verbunden sind, in denen jeweils mindestens ein Spiegeieiement (7) zur Strahlführung eines Laserstrahls (6) sowie mindestens ein Kühlkanal (20) mit einer darin befindlichen Kühlflüssigkeit (21) vorgesehen sind, sowie einem Wärmetauscher (19) mit mindestens einem Kühlkanal (16) mit einer darin befindlichen Kühlflüssigkeft (17) zur Kühlung des Lasergases vor dem Eintritt in ein jeweiliges Eckgehäuse (4). Es ist eine zusätzliche Kühleinrichtung zur Kühlung des Lasergases und/oder eine Temperiereinrichtung (18, 22) zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz (Tw,w - Tw,B) zwischen der Kühlflüssigkeit (17) in dem mindestens einen Kühlkanal (16) des Wärmetauschers (19) und der Kühlflüssigkeit (21) des mindestens einen Kühlkanals (20) des Eckgehäuses (4, 5) vorgesehen, derart, dass eine Differenz (TG,K - TW,B) zwischen der Temperatur (TG,K) des gekühlten Lasergases beim Eintritt in das Eckgehäuse (4) und der Temperatur (TW,8) der Kühlflüssigkeit (21 ) in dem Eckgehäuse (4) von weniger als 5 K, bevorzugt von weniger als 2 K, insbesondere von weniger als 0,2 K einstellbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Betriebsverfahren für einen Gaslaser.

Description

Gasiaser und Betriebsverfahren dafür Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gaslaser, umfassend: eine Mehrzahl von Entladungsrohren, die über Eckgehäuse miteinander verbunden sind, in denen jeweils mindestens ein Spiegelelement zur Strahlführung eines Laserstrahls sowie mindestens ein Kühlkanal mit einer darin befindlichen Kühiflüssigkeit vorgesehen sind, sowie einen Wärmetauscher mit mindestens einem Kühikanal mit einer darin befindlichen Kühlflüssigkeit zur Kühlung des Lasergases vor dem Eintritt in ein jeweiliges Eckgehäuse, sowie ein Betriebsverfahren für einen solchen Gasiaser. Gasiaser, insbesondere COs-Laser, weisen einen gefalteten, vorzugsweise quadratischen Laserresonator auf, in dem der Laserstrahl in einer oder mehreren übereinander liegenden, parallelen Ebenen quadratisch gefaltet wird, wozu in jeder Ebene Spiegelelemente angeordnet sind, die üblicher Weise in vier Eckgehäusen untergebracht sind. Zwischen den Eckgehäusen sind Entladungsrohre mit Elektroden zur Anregung des Lasergases angeordnet. Das Lasergas wird von einer Druckqueiie, die z.B. als Radialgebläse ausgebildet sein kann, über Zufuhrleitungen den
Eckgehäusen zugeführt, wobei in den Zufuhrleitungen typischer Weise einer oder mehrere Kühikanäie eines Wärmetauschers angeordnet sind, um das Lasergas vor dem Eintritt in die Eckgehäuse und damit in den Strahlführungsraum abzukühlen. Der Lasergaskreislauf wird über Absaugleitungen geschlossen, über die das aufgeheizte Lasergas aus den Entladungsrohren abgesaugt und dem Radialgebläse zugeführt wird. Üblicherweise werden die Eckgehäuse gekühlt. Dazu sind in einem Grundkörper eines der jeweiligen Eckgehäuse einer oder mehrere Kühikanäie angebracht, die von einer Kühlflüssigkeit, typischer Weise Wasser, durchströmt werden. Die Kühikanäie des Wärmetauschers sind in der Rege! mit den Kühlkanälen des Eckgehäuses verbunden und bilden einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf.
Bei den oben beschriebenen Gaslasern ist insbesondere bei großen
Resonatoriängen das Problem aufgetreten, dass der Laserstrah! In dem
Laserresonator eine unerwünschte Änderung der Laserstrahirichtung (sog, Strahl- Pointing) erfährt, was zu einer Verschlechterung der Strahlqualität führen kann.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gaslaser und Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine unerwünschte Änderung der Laserstrahirichtung des erzeugten Laserstrahls möglichst klein bleibt.
Gegenstand der Erfindung Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Gaslaser, bei dem eine zusätzliche Kühleinrichtung zur Kühlung des Lasergases und/oder eine Temperiereinrichtung zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz zwischen der Kühlflüssigkeit in dem
mindestens einen Kühlkanal des Wärmetauschers und der Kühlflüssigkeit des mindestens einen Kühlkanals des Eckgehäuses vorgesehen ist. Bei herkömmlichen Gaslasern liegt die Temperatur des einströmenden gekühlten Lasergases typischer Weise ca. 10 K über der Temperatur der Kühlflüssigkeit in dem Eckgehäuse. Durch die oben beschriebenen Maßnahmen kann erreicht werden, dass eine Differenz zwischen der Temperatur des gekühlten Lasergases beim Eintritt in das Eckgehäuse und der Temperatur der Kühlflüssigkeit in dem Eckgehäuse von weniger als 5 K, bevorzugt von weniger als 2 K, insbesondere von weniger als 0,2 K einstellbar ist
Der Erfinder hat erkannt, dass die Verkippung der in den Eckgehäusen angeordneten Spiegeieiemente durch eine asymmetrische Ausdehnung des (in der Regel symmetrischen) Eckgehäuses ausgelöst wird, die durch einen Temperaturgradienten zwischen der Temperatur des in das Eckgehäuse einströmenden Lasergases und der Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlkanai des Eckgehäuses erzeugt wird. Durch die Angleichung der jeweiligen Temperaturen auf eine Differenz von 5 K oder weniger kann eine Verkippung der Spiegeieiemente nahezu vollständig vermieden werden, so dass das Strahl-Pointing verbessert werden kann. Es versteht sich, dass im ideaifali die Temperatur des Lasergases und des Kühlmittels in dem Eckbiock so angeglichen wird, dass die Temperaturdifferenz (nahezu) bei Null liegt.
Die Angleichung der Temperatur mit Hilfe der Temperiereinrichtung ist besonders vorteilhaft, wenn der Kühlkanal des Wärmetauschers und der Kühlkanal des
Eckgehäuses zwei unterschiedlichen Kühlmitteikreisiäufen angehören, in diesem Fall kann die Temperatur der Kühlflüssigkeit in den Kühlkanäien des Eckblocks
vollständig unabhängig von der Temperatur der Kühlflüssigkeit in den Kühlkanäien des Wärmetauschers eingestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Temperiereinnchtung eine
Heizeinrichtung zur Aufheizung der Kühlflüssigkeit auf, die dem Kühikanal des Eckgehäuses zugeführt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperiereinrichtung auch eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Kühlmittels aufweisen, welches dem bzw. den Kühlkanälen des Wärmetauschers zugeführt wird. Bei der Verwendung von unterschiedlichen Kühlmittelkreisläufen können als Heiz- oder Kühleinrichtungen die Aggregate des jeweiligen Kühlmittelkreislaufs dienen, Insbesondere wenn ein gemeinsamer Kühlmitteikreislauf vorgesehen ist, d.h. wenn die Kühlkanäle der Eckgehäuse mit den Kühikanäien des Wärmetauschers verbunden sind und die Kühiflüssigkeit in den beiden Kühlmittelkreisläufen eine im Wesentlichen identische Temperatur aufweist, ist es günstig, wenn das Lasergas einer direkten Kühlung mittels einer zusätzlichen Kühleinnchtung unterworfen wird, so dass die Temperatur des gekühlten Lasergases unabhängig von der Temperatur der Kühiflüssigkeit des Wärmetauschers bzw. der Kühiflüssigkeit in dem Eckgehäuse einstellbar ist. Zur zusätzlichen Kühlung des Lasergases können unterschiedliche Maßnahmen vorgesehen werden:
In einer Ausführungsform weist die zusätzliche Kühleinnchtung eine Expansionseinrichtung zur adiabatischen Expansion des Lasergases beim Eintritt in das
Eckgehäuse auf. In diesem Fall wird in dem Bereich, in dem das Zuführungsrohr in das Eckgehäuse mündet, eine Expansionseinrichtung z.B. in Form einer ggf.
steuerbaren bzw. regelbaren Expansionsdüse vorgesehen, die ein Abkühlen des in das Eckgehäuse eintretenden Lasergases bewirkt.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die zusätzliche Kühleinrichtung eine Mischeinrichtung zum Zumischen von zusätzlichem kaltem Lasergas auf. Es versteht sich, dass das zusätzlich zugemischte Lasergas eine geringere Temperatur als das bereits in dem Gaskreislauf des Gasiasers vorhandene Lasergas aufweisen muss. Die Menge des zugeführten Lasergases wird hierbei z.B. über ein steuerbares Ventil so eingestellt, dass die gewünschte Kühlwirkung erreicht wird. Der Einlass bzw. das steuerbare Ventil für das zugemischte Lasergas befindet sich hierbei bevorzugt am Ausgang des Wärmetauschers, d.h. benachbart zum Eckgehäuse.
In einer Ausführungsform weist die zusätzliche Kühleinrichtung ein Peltier-Element zur Kühlung des Lasergases auf. Das Lasergas wird in diesem Fall zusätzlich zu dem Wärmetauscher direkt über das Peltier-Element gekühlt, was ebenfalls eine zusätzliche Angleichung der Temperatur des Lasergases an die Temperatur der Kühlflüssigkeit in dem Eckgehäuse bewirkt.
Die zusätziiche Kühleinrichtung kann auch einen weiteren Wärmetauscher aufweisen, der mit demselben oder bevorzugt mit einem weiteren Kühlmittel betrieben wird, d.h. die Kühlkanäle des weiteren Wärmetauschers werden mit einem anderen Kühlmittel als die des ersten Wärmetauschers beaufschlagt. Bei dem weiteren Kühlmittel kann es sich z.B. um ein Kühlmittel eines Kühlaggregats handeln, das zur Kühlung der Kühlflüssigkeit des durch die Kühlkanäle des (ersten) Wärmetauschers fließenden Kühlmittels dient.
Um ein temperaturstabiles Eckgehäuse und damit ein gutes Stahl-P.ointing zu erhalten, hat es sich ferner als günstig herausgestellt, wenn der Einfluss weiterer Wärmequellen minimiert wird. Um dies zu erreichen, kann eine thermische Isolierung zwischen dem bzw. den Spiegelelement(en) und dem Eckgehäuse bzw. dessen Grundkörper vorgesehen sein, um eine Übertragung der Spiegelwärme von dem Spiegeleiement bzw. dessen Spiegelfräger auf das Eckgehäuse weitestgehend zu vermeiden. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine weitere Kühleinrichtung zur direkten Kühlung des Spiegeleiements in dem Eckgehäuse vorgesehen sein. Auch ist es für die Temperaturstabilität des Eckgehäuses günstig, wenn ein
Resonatorrahmen, an dem das bzw. alle Eckgehäuse des Gaslasers angebracht sind, mindestens einen Kühlkanal aufweist, der mit dem Kühlkanal des Eckgehäuses einen gemeinsamen Kühlmitteikreislauf bildet. Durch die gemeinsame Kühlung kann erreicht werden, dass die Eckgehäuse und der Resonatorrahmen dieselbe, im
Wesentlichen konstante Temperatur aufweisen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines Gaslasers, der
insbesondere wie oben beschrieben ausgebildet ist. Bei dem Gaslaser wird eine Differenz zwischen der Temperatur eines gekühlten Lasergases beim Eintritt in ein Eckgehäuse des Gaslasers und der Temperatur einer Kühlflüssigkeit in mindestens einem Kühlkanal des Eckgehäuses so eingestellt, das diese weniger ais 5 K, bevorzugt weniger als 2 K, insbesondere weniger ais 0,2 K beträgt. Der Betrieb eines Gaslasers auf die oben beschriebene Weise hat sich insbesondere bei Resonatoren mit hohen Resonatorlängen (z.B. größer als 5m) oder Laserbearbeitungsmaschinen mit Sangen Strahliängen (größer 8m) ais besonders vorteilhaft herausgestellt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen CG Gaslaser mit einem gefalteten
Laserresonator in einer Schnittdarstellung, Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des C02-Gaslasers von Fig. , eine Schnittdarsteliung eines Details des erfindungsgemäßen
Gaslasers mit zwei getrennten Kühlmittelkreisläufen, Fig. 3b eine Darstellung analog Fig. 3a mit einer zusätzlichen Kühleinrichtung in Form einer Expansionsdüse sowie eines Peltier-Elements zur Kühlung des Lasergases, und
Fig. 3c eine Darstellung analog Fig. 3b mit einer zusätzlichen Kühleinrichtung in Form einer Mischeinrichtung und eines zusätzlichen Wärmetauschers zur Kühlung des Lasergases.
Der in Fig. 1 gezeigte C02-Gaslaser 1 weist einen quadratisch gefalteten
Laserresonator 2 mit vier sich aneinander anschließenden Laserentiadungsrohren 3 auf, die über Eckgehäuse 4, 5 miteinander verbunden sind. Ein in Richtung der Achsen der Laserentladungsrohre 3 verlaufender Laserstrahl 6 ist strichpunktiert dargestellt. Umlenkspiege! 7 in den Eckgehäusen 4 dienen der Umlenkung des Laserstrahls 6 um jeweils 90°. in einem der Eckgehäuse 5 sind ein Rückspiegel 8 und ein teiltransmissiver Auskoppelspiegef 9 angeordnet. Der Rückspiegel 8 ist hochreflektierend ausgebildet und reflektiert den Laserstrahl 6 um 180°, so dass die Laserentladungsrohre 3 in entgegen gesetzter Richtung erneut durchlaufen werden.
Ein Teil des Laserstrahles 6 wird an dem teiltransmissiven Auskoppeispiegei 9 aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelt, der andere Teil verbleibt im Laserresonator 2 und durchläuft die Laserentladungsrohre 3 erneut, Der über den Auskoppeispiegei 9 aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelte Laserstrahl ist mit 10 bezeichnet. im Zentrum des gefalteten Laserresonators 2 ist als Druckquelle für Lasergas ein Radialgebläse 11 angeordnet, das über Zufuhrleitungen 12 für Lasergas mit den Eckgehäusen 4, 5 in Verbindung steht Absaugleitungen 13 verlaufen zwischen Absauggehäusen 14 und dem Radialgebläse 1 1. Die Strömungsrichtung des
Lasergases im Innern der Laserentladungsrohre 3 sowie in de Zufuhr- und
Absaugleitungen 12, 13 ist durch Pfeile veranschaulicht Die Anregung des
Lasergases erfolgt über Elektroden 15, die benachbart zu den Laserentladungsrohren 3 angeordnet und mit einem (nicht gezeigten) HF-Generator verbunden sind. Als HF-Generator kann beispielsweise ein Röhrengenerator mit einer Anregungsfrequenz von 13,56 MHz oder 27, 12 MHz verwendet werden. Wie in Fig. 2 und insbesondere in Fig, 3a zu erkennen ist, sind in den
Zufuhrleitungen 12 wendel- bzw. lamellenartige Kühlkanäle 16 in Form von
Kühlrohren vorgesehen, durch die eine Kühlflüssigkeit 17, im vorliegenden Beispiel Wasser, fließt. Die Kühlkanäle 16 stehen mit einem Kühlaggregat 18 in Verbindung und bilden zusammen mit diesem einen Wärmetauscherkreislauf 19, In dem
Eckgehäuse 4 von Fig. 3a ist weiterhin ein Kühlkana! 20 in Form einer Kühlbohrung vorgesehen, der durch einen Grundkörper des Eckgehäuses 4 verläuft und ebenfalls von Kühlwasser 21 durchflössen wird.
Der Kühlkanal 20 des Eckgehäuses 4 steht jedoch nicht mit dem Kühlaggregat" 18 des Wärmetauschers 19, sondern mit einem weiteren Aggregat 22 in Verbindung, welches zusammen mit dem Kühlkanal 20 einen eigenen Gehäuseblockkreislauf 23 bildet. Es versteht sich, dass der in Fig. 3a geschlossen dargestellte Wärmetauscher- kreislauf 19 nicht nur durch die Zufuhrieitung 12, sondern durch alle Zufuhrleitungen des Gaslasers 1 sowie durch alle Absaugleitungen 13 verläuft, wobei es sich in der Regel um eine Parallelschaltung von mehreren Wärmetauschern handelt.
Entsprechend verläuft auch der Gehäuseblockkreislauf 23 durch alle Eckblöcke 4, 5 des Gaslasers 1. Der Wärmetauscherkreislauf 19 und der Gehäuseblockkreislauf 23 sind unabhängig voneinander, so dass die jeweilige Temperatur Tw,w der Kühlflüssigkeit 17 des Wärmetauscherkreislaufs 19 und die Temperatur TW,B der Kühlflüssigkeit 21 des Genäusebtockkreisiaufs 23 unabhängig voneinander einstellbar sind, indem die Aggregate 18, 22, die als Temperiereinrichtungen dienen, geeignet eingestellt werden. Dies ist günstig, um die Temperatur TG,K des kalten Lasergases beim Eintritt in das Eckgehäuse 4 an die Temperatur TW,B der Kühlflüssigkeit 21 in dem Kühlkanal 20 des Eckgehäuses 4 anzugleichen, so dass die Temperaturdifferenz TQ,K - TW>B möglichst klein wird. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich in dem Eckgehäuse 4 ein Temperaturgradient einstellt, der ein Verkippen des darin angeordneten Umlenkspiegels 7 und somit eine Fehlpositionierung des Laserstrahls 6 bewirkt.
Nimmt man beispielsweise an, dass heißes Lasergas mit einer Temperatur ©,H von ca. 80° von dem Radialgebläse 11 in die Zufuhrleitung 12 eintritt und die Temperatur Tw,w der Kühlflüssigkeit 17 in dem Kühlrohr 16 bei 25°C liegt, weist das gekühlte Lasergas am Austritt der Zufuhrleitung 12 noch eine Temperatur TG,K von ca. 32 eC auf. Geht man weiterhin davon aus, dass die Temperatur TW,B der Kühlflüssigkeit 21 in dem Eckgehäuse 4 der Temperatur Tw,w der Kühlflüssigkeit 17 des Wärmtauschers (ca. 25°C) entspricht, so ergibt sich eine Temperaturdifferenz TG.K - TW,B zwischen dem kalten Lasergas in dem Eckgehäuse 4 und der Kühlflüssigkeit 17 in dem
Eckgehäuse 4 von ca. 7 K. Diese Temperaturdifferenz ist groß genug, um eine Verkippung des Umlenkspiegels 7 zu bewirken, die sich merklich auf die
Strahlrichtungsstabilität des austretenden Laserstrahls 10 auswirkt Um die Temperaturdifferenz TG,K - TW,B Z verringern, ist es erforderlich, dass die Temperatur des Kühlwassers 17 in dem Kühlrohr 16 niedriger gewählt wird als die Temperatur des Kühlwassers 21 in der Kühlbohrung 20 des Eckgehäuses 4. Um dies zu erreichen, kann nun mittels des Aggregats 22 die Temperatur des Kühlwassers 21 in dem Eckgehäuse 4 z.B. um 7 K auf T ,B = 32 °C erhöht werden, so dass diese mit der Temperatur TG,K des eintretenden Lasergases übereinstimmt. Alternativ kann mittels des KühSaggregats 18 die Temperatur TWJW des Kühlwassers 17 in dem Kühlrohr 16 z.B. um ca. 10 K auf TW[w - 15°C verringert werden, wodurch sich das in das Eckgehäuse 4 eintretende, gekühlte Lasergas auf eine Temperatur TG.K von 25°C abkühlt, d.h. mit der Temperatur TWIB des Kühlwassers 21 in dem Eckblock 4 übereinstimmt.
Es versteht sich, dass auch beide Maßnahmen gleichzeitig durchgeführt werden können, d.h. die Temperatur Tw.w der Kühlflüssigkeit 7 in dem Kühlrohr 16 wird verringert und die Temperatur TW,B der Kühlflüssigkeit 21 in dem Eckgehäuse 4 wird gleichzeitig entsprechend erhöht, so dass sich insgesamt eine Temperaturdifferenz einstellt, die nicht größer als 5 K, bevorzugt nicht größer als 2 K, insbesondere nicht größer als 0,2 K ist. Um die gewünschte Temperaturdifferenz einzustellen, kann die Ansteuerung der Aggregate 18, 22 durch eine gemeinsame Steuerungseinrichtung 24 erfolgen. Es versteht sich, dass ggf, auch Wärmesensoren vorgesehen werden können, die eine Regelung der Temperaturen auf den oben angegebenen
Temperaturdifferenz-Bereich ermöglichen. insbesondere wenn an Stelle von zwei getrennten Wärmekreisläufen 19, 23 nur ein einziger Kreislauf vorgesehen ist, d.h. die Kühlrohre 16 des Wärmetauschers 19 mit den Kühlkanälen 20 des Eckgehäuses 4 in Verbindung stehen, wie in Fig. 3b dargestellt ist, ist es günstig, wenn eine zusätzliche, direkte Abkühlung des
Lasergases erfolgt. Zu diesem Zweck kann eine zusätzliche Kühleinrichtung vorgesehen sein, die in Fig. 3b eine Expansionsdüse 25 umfasst, welche am Eintritt in das Eckgehäuse 4 angeordnet ist. Die Expansionsdüse 25 bewirkt eine
adiabatische Expansion des Lasergases beim Eintritt in das Eckgehäuse 4 und damit eine Kühlung auf eine gewünschte Temperatur TQ.K von beispielsweise 25°C, die der Temperatur Tw B des Kühlmittels 21 in dem Kühlkanal 20 des Eckgehäuses 4 entspricht. Zusätzlich oder alternativ zur Abkühlung des Lasergases mit Hilfe der Expansionsdüse 25 kann die Kühleinrichtung auch ein Peltier-Eiement 26 aufweisen, das im in Fig. 3b gezeigten Beispiel an einer Wand der Zufuhrleitung 12 angebracht ist. in Fig. 3c sind schließlich zwei weitere Möglichkeiten zur zusätzlichen Kühlung des Lasergases dargesteilt: Eine Kühleinrichtung in Form einer Mischeinrichtung, die ein steuerbares Ventil 27 umfasst, über weiches das Zumischen von zusätzlichem, kühlem Lasergas aus einem Gasreservoir 28 in den Gaskreislauf des Gaslasers 1 erfolgen kann, wobei die zugemischte Gasmenge so eingestellt wird, dass die Mischungstemperatur der gewünschten Temperatur des Lasergases entspricht, sowie eine Kühleinrichtung in Form eines weiteren Wärmetauschers 29, der direkt mit der Kühiflüssigkeit des Kühiaggregats 18 beaufschlagt wird, das auch für die Kühlung des Kühlwassers 17 des Kühlrohrs 16 dient. Sowohl der weitere
Wärmetauscher 29 als auch der Gasauslass bzw. das Ventil 27 für das zugemischte Lasergas sind hierbei in Bezug auf die Strömungsrichtung des Lasergases hinter dem Wärmetauscher 19 angeordnet und dienen der zusätzlichen Kühlung des von diesem abgekühlten Lasergases vor dem Eintritt in den Eckblock 4,
Bei den in Fign. 3a-c gezeigten Ausführungsformen des Gaslasers 1 ist es zur Stabilisierung der Temperatur in den Eckgehäusen 4, 5 günstig, wenn der Einfluss weiterer Wärmequellen minimiert wird. Um dies zu erreichen ist das jeweilige
Spiegelelement 7 auf einem Spiegelträger 30 angeordnet, der mit eine weiteren Kühleinrichtung 31 in Form eines Kühlkanals mit darin befindlichem Kühlmittel ausgestattet ist, um das Spiegelelement 7 direkt zu kühlen. Der Spiegelträger 30 ist thermisch vom jeweiligen Eckgehäuse 4, 5 isoliert, wobei die thermische Isolierung z.B. über Stahlschrauben unter Vermeidung von flächigen Kontakt mit dem
jeweiligen Eckgehäuse 4, 5 erfolgt. Zusätzlich ist ein in Fig. 3c dargestellter
Resonatorrahmen 33, an dem alle Eckgehäuse 4, 5 des Gasiasers 1 befestigt sind, mit Kühlkanälen versehen, die mit dem Kühlkanälen 20 der Eckgehäuse 4, 5 verbunden sind, so dass der Resonatorrahmen 33 und die Eckgehäuse 4, 5 einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf bilden und auf (näherungsweise) konstanter Temperatur gehalten werden können.
Bei allen oben beschriebenen Beispielen wurde davon ausgegangen, dass die Temperatur des Kühlwassers 17, 21 in dem jeweils relevanten Bereich, in dem dieses mit dem Lasergas bzw. mit dem Grundkörper der Eckgehäuse 4, 5 in
Berührung kommt, konstant ist. Diese Näherung ist gerechtfertigt, da der Durchfluss des Kühlwassers so gewählt wird, dass der Wärmeaustausch mit dem Lasergas bzw. dem Eckgehäuse die Temperatur des Kühlwassers 17, 21 nur unwesentlich beeinfiusst.
Auf die oben beschriebene Weise können die Temperatur TG, des in ein jeweiliges Eckgehäuse 4, 5 eintretenden, gekühlten Lasergases und die Temperatur TW,B einer Kühlflüssigkeit 21 des Eckgehäuses 4, 5 aneinander angeglichen werden, so dass kein asymmetrischer Temperaturgradient in dem Eckgehäuse 4T 5 entsteht und die darin angeordneten SpiegeieJemente 7, 8, 9 bzw. deren Spiegelträger 30 ungewollt verkippt werden. Insgesamt kann so eine unerwünschte Änderung der Richtung des Laserstrahls 6 in dem Laserresonator 2 verhindert und die Strahlquaiität des ausgekoppelten Laserstrahls 10 erhöht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Gaslaser (1), umfassend:
eine Mehrzahl von Entladungsrohren (3), die über Eckgehäuse {4, 5) miteinander verbunden sind, in denen jeweils mindestens ein Spiegelelement (7, 8, 9) zur Strahlführung eines Laserstrahls (6, 10) sowie mindestens ein Kühlkanal (20) mit einer darin befindlichen Kühlflüssigkeit (21 ) vorgesehen sind, sowie
einen Wärmetauscher (19) mit mindestens einem Kühikanai (16) mit einer darin befindlichen Kühlflüssigkeit (17) zur Kühlung des Lasergases vor dem Eintritt in ein jeweiliges Eckgehäuse (4, 5),
dadurch gekennzeichnet,
dass eine zusätzliche Kühleinrichtung (25, 26, 27, 29) zur Kühlung des
Lasergases und/oder eine Temperiereinrichtung (18, 22) zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz (TW,W - TW|B) zwischen der Kühlflüssigkeit (17) in dem mindestens einen Kühlkanal (16) des Wärmetauschers (19) und der
Kühlflüssigkeii (21) des mindestens einen Kühlkanals (20) des Eckgehäuses (4, 5) vorgesehen ist, derart, dass eine Differenz (TG, - TW,B) zwischen der Temperatur (TG,K) des gekühlten Lasergases beim Eintritt in das Eckgehäuse (4, 5) und der Temperatur (TW,B) der Kühlflüssigkeii (21) in dem Kühlkanal (20) des Eckgehäuses (4, 5) von weniger als 5 K, bevorzugt von weniger als 2 K, insbesondere von weniger als 0,2 K einstellbar ist.
2. Gasiaser nach Anspruch 1 , bei dem der Kühlkanal (16) des Wärmetauschers (19) und der Kühlkanal (20) des Eckgehäuses (4, 5) zwei unterschiedlichen
Kühimittelkreisläufen angehören.
3. Gaslaser nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Temperiereinrichtung (22) eine
Heizeinrichtung zur Aufheizung der Kühlflüssigkeit (21 ) aufweist, die dem
Kühikanai (20) des Eckgehäuses (4, 5) zugeführt wird.
4. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem: die Temperiereinrichtung (18) eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Kühlflüssigkeit (17) aufweist, die dem Kühlkanal (16) des Wärmetauschers ( 9) zugeführt wird.
5. Gasiaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zusätzliche Kühleinrichtung eine Expansionseinrichtung (25) zur adiabatischen Expansion des Lasergases beim Eintritt in das Eckgehäuse (4, 5) aufweist.
6. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zusätzliche Kühleinrichtung eine Mischeinrichtung (27, 28) zum Zumischen von zusätzlichem Lasergas aufweist.
7. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zusätzliche Kühleinrichtung ein Peltier-Eiement (26) zur Kühlung des Lasergases aufweist.
8. Gasiaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zusätzliche Kühleinrichtung einen weiteren Wärmetauscher (29) aufweist, der bevorzugt mit einem weiteren Kühlmittel betrieben wird.
9. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine thermische Isolierung (30) zwischen dem Spiegelelement (7, 8, 9) und dem Eckgehäuse (4, 5) vorgesehen ist.
10. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine weitere
Kühleinrichtung (31) zur direkten Kühlung des Spiegelelements (7, 8, 9)
vorgesehen ist.
11. Gaslaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: einen Resonatorrahmen (33), der mindestens einen Kühlkanal aufweist, der mit dem Kühlkanal (20) des Eckgehäuses (4, 5) einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf bildet.
12. Verfahren zum Betrieb eines Gaslasers (1) insbesondere nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Differenz (TG,K - TWIB) zwischen der Temperatur (TG,K) eines gekühlten Lasergases beim Eintritt in ein Eckgehäuse (4, 5) des Gaslasers (1 ) und der Temperatur {TW,B) einer Kühlflüssigkeit (21 ) in mindestens einem Kühlkanal (20) des Eckgehäuses (4, 5) so eingesteiit wird, dass diese weniger als 5 K, bevorzugt weniger ais 2 K, insbesondere weniger als 0,2 K beträgt.
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