NO176039B - Gasslaser som har en piezoelektrisk vifte - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en gasslaser som omfatter

en første elektrode og en andre elektrode som er adskilt fra hverandre til å definere en utladningsregion mellom seg, en kilde for elektrodeutladningsenergi som er operativt koblet til nevnte elektroder for generering av et elektrisk felt innenfor nevnte utladningsregion,

et laserfrembringende gassmedium som kan opereres for samvirke med det elektriske feltet for generering av laserstrålning, og

middel for å fornye nevnte gassmedium innenfor nevnte utladningsregion, idet nevnte fornyelsesmiddel omfatter en vifte. Dessuten vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte for å fornye det laserfrembringende gassmediet innenfor en utladningsregion i en gasslaser.

Gass-lasere, slik som tverreksiterte gasslasere, som opereres på moderate til høye pulsrepetisjonstakter krever et middel for å resirkulere gassmediet innenfor laserhuset for å komplettere gassmediet innenfor utladnignsregionen. Tidligere metoder for resirkulering av gassen har typisk basert seg på forskjellige typer av vifter. Disse forskjellige typer av vifter har innbefattet tangentielle, skovl-aksielle og sentrifugalvifter. Et felles kjennetegn ved alle disse viftetyper er kravet til lagre som holder viften på plass mens de samtidig tillater rotasjonen av viften med høye hastigheter. Disse vifter blir typisk anvendt innenfor selve lagerhuset, for å resirkulere gassmediet gjennom huset og, derfor, gjennom utladningsregionen mellom et par motstående laserdioder. Aktiveringen av den resirkulerende viften tjener til å komplettere gassmediet mellom suksessive elektrodeutladninger, hvorved muliggjøres en frisk tilførsel av gassmedium for hver puls.

De nevnte lagre som inngår i disse vifter introduserer et vesentlig problem i driften av en slik laser, særlig av den avtettede type av resirkulerende gasslaser. Dette problem er relatert til kravet om at viftelagrene innbefatter en viss type av smøring for å redusere lagerfriksjonen. Ettersom viften befinner seg innenfor det avtettede laserhuset, kommer lasergassen i kontakt med lagersmøringen, hvilket resulterer i forurensningen av lasergassmediet på grunn av smøremidlet. Lagerpartikulært materiale kan også forurense gassmediet. For de lasere som har en utvidet driftslevetid kan en slik forurensning av lasergassmediet resultere i uønskede driftskarakteristika for laseren eller den fullstendige svikt av laseren. Denne forurensning av gassmediet er også blitt funnet å opptre under lagringen av slike lasere under perioder hvor de ikke er i bruk.

Roterende vifter introduserer også andre problemer når de anvendes i en gasslaser. På grunn av at slike vifter er naturlig magnetisk drevne anordninger som krever en DC eller AC motor, har de en vesentlig total størrelse og effekt-forbruk. De genererer også vesentlig elektromagnetisk interferens (EMI) og radiofrekvensinterferens (RFI) støy-signaler og er typisk også en kilde for hørbar støy.

Svensk patentpublikasjon 386320 omhandler bruk av roterende vifte for å sørge for sirkulasjon av lasermediet i en gasslaser. Viften er elektrisk drevet og vifteblad er montert på viftens roter.

WO 88/03724 beskriver en Raman-celle der vibrerende blader bevirker gass til å blandes og tilveiebringe termisk homogenitet i nærheten av den fokuserte strålen.

GB 2106705 beskriver en laser som har tverrgående, strømmende gasstransport, innbefattet en lukket ledingssløyfe gjennom hvilken det gassformede laserfrembringende medium kan sirkuleres ved bruk av en pumpe/kompressor.

US patent 4672620 omhandler en karbondioksid laser som har hurtig aksiell strømning, og i hvilken aksielt strømmende gass avgis gjennom en avgassmanifold ved bruk av en Roots-vifte og en vakuumpumpe.

De foregående problemer overvinnes og andre fordeler realiseres, ifølge oppfinnelsen, i henhold til den innledningsvis nevnte gasslaser og den nevnte fremgangsmåte ved hjelp av en eller flere faststoff piezoelektriske vifter som er tilveiebragt innenfor en strømningskanal i en gasslaser, idet viften eller viftene sirkulerer lasergassmediet.

Nærmere bestemt kjennetegnes den innledningsvis nevnte gasslaser ved at viften omfatter en enhet som er piezoelektrisk bimorf og er operativt koblet til en elektrisk kraftkilde for å indusere en oscillerende bevegelse i nevnte bimorfe enhet, idet nevnte vifte dessuten omfatter et viftebladmiddel som er koplet til nevnte bimorfe enhet og beveges derved slik at nevnte gassmedium bevirkes til å strømme gjennom nevnte utladningsregion, hvorved nevnte gassmedium fornyes innenfor nevnte utladningsregion.

Ifølge ytterligere utførelsesformer av laseren kan nevnte bimorfe enhet dessuten omfatte minst ett bimorft element som er koplet ved en ende derav til nevnte kilde, idet nevnte element dessuten har et bøybart vifteblad koplet til en motsatt ende derav. Det bimorfe elementet kan eventuelt bestå av et piezokeramisk materiale. Dessuten er det mulig å la nevnte bøybare vifteblad består av et materiale som har karakteristika som motstår degradering av materialet på grunn av eksponering overfor det laserfrembringende gassmediet.

Dessuten er det fordelaktig at nevnte fornyelsesmiddel kan omfatte en flerhet av nevnte piezoelektrisk drevne vifter.

Videre kjennetegnes den innledningsvis nevnte fremgangsmåten ved å tilveiebringe en strømningskanal som bevirkes til å inneholde gassmediet deri, idet strømningskanalen dessuten bevirkes til å dirigere gassmediet til utladningsregionen, å tilveiebringe en eller flere vifter som omfatter en piezoelektrisk bimorf enhet innenfor strømningskanalen, og å energisere viften eller viftene slik at gassmediet bevirkes til å strømme gjennom kanalen, hvorved gassmediet dirigeres til utladningsregionen for å fornye gassmediet innenfor utladningsregionen.

Ifølge en utførelsesform av fremgangsmåten består hver av viftene av et bøybart bladmiddel, og energiseringstrinnet bevirker bladmidlet til å bevege seg med en oscillerende bevegelse som har en forutbestemt frekvens.

Dessuten er det, ifølge fremgangsmåten, fordelaktig at det ved tilveiebringelsen av nevnte en eller flere vifter bestemmes lengden og stivheten av det bøybare bladmidlet, slik at den forutbestemte frekvensen er opererbar til å tilveiebringe en ønsket gassmedium-fornyelsetakt.

Ved oppfinnelsen muliggjøres således bruk av en piezoelektrisk vifte med to motsatt-oscillerende bøybare blad som drives i resonans ved hjelp av en bimorf enhet bestående av to piezokeramiske bøyningselementer. Viften anbringes innenfor strømningskanalen for en sirkulerende gasslaser. Operasjonen av den piezoelektriske viften tjener til å skape en strøm av et lasergassmedium i en ønsket retning gjennom strømningskanalen, hvorved gassmediet kompletteres mellom et par av laserelektroder. Ettersom den piezoelektriske viften ikke har noen elementer som kan slites, slik som lagre, og derfor ikke krever noen lagersmøring, blir lasergassmediet ikke forurenset ved operasjonen av viften.

Dessuten, på grunn av det reduserte energiforbruket for en slik piezoelektrisk vifte i forhold til en roterende vifte, og også på grunn av den lille størrelsen av en slik vifte, kan en reduksjon i den totale pakningsstørrelse for gass-laseren derfor oppnås.

Disse og andre trekk, samt fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil nærmere bli angitt i den detaljerte beskrivelse av oppfinnelsen som følger, tatt i forbindelse med den vedlagte tegning, hvor Fig. 1 er et bortkuttet riss, delvis i blokkskjemaform, som viser en piezoelektrisk vifte anbragt innenfor en strømnings-kanal i en sirkulerende gasslaser, og Fig. 2 er et delvis skjematisk riss av en piezoelektrisk vifte som kan opereres for å utøve den foreliggende oppfin-nelses lære.

Idet der nå vises til fig. 1, er der vist en representativ gasslaser 10 som omfatter en gasstrømningskanal 12 gjennom hvilken et aktivt lasergassmedium, slik som kulldioksid, sirkulerer innenfor laseren 10. Gassen innenfor strømnings-kanalen kan også omfatte et fyll, eller inert, gassmedium. I laseren 10 fig. 1 kan gassen sees å strømme i en retning med urviseren som angitt med pilene A. Innenfor laseren 10 er tilveiebragt henholdsvis en første og andre elektrode 14 og 16, hvilke er koblet til en kilde 18 for utladningsenergi. Når kilden 18 opereres i en pulset operasjonsmodus, gir den en puls av eksempelvis høy spenning som, i forbindelse med elektrodene 14 og 16 genererer et elektrisk felt mellom elektrodene 14 og 16. Dette elektriske feltet induserer laser operasjon i det aktive gassmediet når det passerer mellom elektrodene. Den resulterende laserstrålingspuls koples ut av laseren 10 ved hjelp av passende middel (ikke vist) til å gi en puls av laserenergi. "Utladningskilden 18 kan også være en EF kilde eller en hvilken som helst passende kilde som kan betjenes for å indusere låsing av gassmediet.

For at hver suksessive puls av laserstråling skal ha karakteristika som er lik andre pulser, er det nødvendig å fornye det laserberikende gassmediet mellom hver puls. På grunn av gasstrømmen innenfor strømningskanalen 12, blir det laserberikende gassmediet innenfor regionen mellom elektroder 14 og 16 erstattet eller fornyet mellom hver suksessive puls, mens gassmediet samtidig transporteres fra den foregående puls til andre regioner av laseren (ikke vist) hvor molekylene av den låsende gassen kan tillates å avslappes og rekombineres slik som ved virkningen av en passende katalysator (ikke vist). Sammensetningen og tettheten av det laserbevirkende gassmediet er en viktig faktor hva angår kvaliteten og reproduserbarheten av hver laserpuls. Derfor vil det forstås at introduksjonen av forurensninger i lasergassmediet, slik som hydrokarbon-forurensninger som oppstår fra lagersmøremidler eller partikulært materiale fra lageret, i skadelig grad ville påvirke operasjonen av laseren 10.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse bevirkes gassmediet til å strømme gjennom strømningskanalen 12 ved virkningen av en piezobimorf enhetvifte 20, idet viften har ett eller flere bøybare vifteblad 22. Eksiteringsenergi-kilden for viften 20 er en elektrisk kilde 24 som kan ha sinuseffekt-karakteristika. Viften 20, når den på passende måte energiseres av kilden 24, bevirker viftebladet 22 til å oscillere på en oppad og nedad måte som angitt med pilen B, hvorved muliggjøres en strøm av lasergassmediet i den retning som er angitt med pilene A.

Idet det nå vises til fig. 2, er der vist i nærmere detalj konstruksjonen av viften 20. Som man vil se består viften 20 av en piezoelektrisk bimorf enhet 26, som har henholdsvis første og andre elementer 26a og 26b. Til hvert element av den bimorfe enhet er det festet et bøybart vifteblad, henholdsvis 28a og 28b. Bladene kan festes til de bimorfe elementer ved hjelp av hvilke som helst passende festemidler, slik som ved hjelp av settskruer 30a og 30b. Bladene kan også festes ved hjelp av et passende kragemiddel, eller ved hjelp av et klebemiddel, slik som ved hjelp av epoksy. Til de bimorfe elementer 26a og 26b er det koplet en kilde 24 som, slik det er blitt angitt, er en i alt vesentlig sinuskilde. På grunn av den elektromekaniske naturen for den bimorfe enhet 26, er viften i alt vesentlig en spenningsdrevet, elektrostatisk kraftforsynt anordning, i motsetning til en strømdrevet, magnetisk kraftforsynt anordning slik det er typisk for de fleste roterende vifter.

Under operasjon drives viftebladene 28 i resonans ved hjelp av de bimorfe elelementer 26, hvilke typisk omfatter ett eller flere piezokeramiske bøyningselementer som er fastspent i en ende til å gi en struktur av utkraget type. De bimorfe elementer 26, når de energiseres av kilden 24, vil vekselvis erfare en fysisk sammentrekning og utvidelse. Elementene 26 beveger seg i kvadratur med eksiteringskilden, idet de bakre kanter ligger etter de fremre kanter med 90° fasevinkel. Den resulterende bevegelse av hvert av de påfestede bøybare blad 28a og 28b er vist ved hjelp av pilene 32a og 32b. Resul-tatet av denne oscillerende bevegelse er frembringelsen av en strøm av gassmediet innenfor laseren 10 i den retning som er vist méd pilene A. Denne strøm genereres ved bevegelse-omsnuingen av bladene 32 når de oscillerer. Hver slik bevegelseomsnuing resulterer i avgivelsen av en hvirvel i gassmediet fra hvert av bladene, idet hvirvelen har en rotasjonshastighet som er for høy til å tillate at hvirvelen følger bladet.

En piezoelektrisk vifte som er egnet for bruk til realisering av den foreliggende oppfinnelse er en Module B type vifte som fremstilles av Piezo Electric Products, Inc. i Cambridge, MA, USA. Nevnte Module B kjennetegnes av to motsatt-oscillerende vifteblad av Mylar® som er festet til to piezokeramiske bøyningselementer. Viften drives enten av en 60 Hertz, 115 volts linjespenning eller av 50 Hertz, 220 volt linjespenning.

Generelt vil frekvensen av oscillasjonen for viftebladet avhenge av størrelsen av inngangsspenningen og også av viftebladets 28 lengde og stivhet. Således kan oscillasjons-frekvensen og gasstrømningskarakteristika avstemmes ved å variere lengden og stivheten av viftebladet 28. Den bestemte lengde og stivhet for et gitt vifteblad kan best bestemmes på en empirisk måte basert på slike faktorer som gasstrykket innenfor strømningskanalen, kanalens geometri, laserens pulsrepetisjonstakt, antallet av vifter som skal anvendes og andre slike applikasjons-bestemte faktorer. Vifteblad-materialet velges slik at materialet er i alt vesentlig immunt overfor fysisk degradering som skyldes lasergassmediet som er i kontakt med bladmaterialet.

Ettersom den piezoelektriske bimorfe enhet 26 er en faststoff anordning som ikke krever noen lagre eller lagersmøre-midler, vil bruken av viften innenfor den avtettede laseren 10 ikke introdusere noen forurensning i det låsende gassmediet på grunn av hydrokarbonbaserte lagersmøremidler. Elimineringen av lagre muliggjør dessuten en enkel mekanisk konstruksjon som har en brukbar levetid som er i stor grad lenger enn den for roterende vifteanordninger. Dessuten er energiforbruket for en slik piezoelektrisk vifte langt mindre enn energiforbruket for en sammenlignbar r-oterende vifte, idet reduksjonen i energiforbruket er så meget som 90$. Dessuten er der en relativt lav magnetisk og akustisk støy knyttet til bruken av en slik vifte. En ytterligere fordel ved en slik piezoelektrisk vifte er at viften er i alt vesentlig en øyeblikkelig startende anordning som ikke induserer noen transient i vifteeffektkilden på grunn av startingen av viften.

Som det vil forstås kan en avtettet gasslaser som innbefatter en eller flere piezoelektriske vifter til å resirkulere gassmediet lagres i uendelig lang tid forut for bruk uten å bevirke noen forurensning av gassmediet på grunn av for-dampningen av et lagersmøremiddel. Dessuten resulterer reduksjonen i vifteeffektkravet en total reduksjon i den nødvendige effekt for lasersystemet og den lille størrelsen av viften tillater dessuten en reduksjon i den totale pakningsstørrelsen av lasersystemet. Dessuten, ettersom viften er en elektrostatisk drevet anordning, i motsetning til en magnetisk drevet anordning, er der liten eller ingen EMI eller RFI generert av viften under bruk. Elimineringen av disse interferensstøysignaler kan være en viktig betrakt-ning dersom laseren skal opereres i forbindelse med eller hosliggende følsomme elektroniske komponenter som kan bli forstyrret av slik interferens.

Det vil innsees at den ovenfor beskrevne utførelsesform av oppfinnelsen kun er illustrerende og ikke er ment å begrense omfanget av oppfinnelsen til utførelsesformen eller utfør-elsesf ormene som er beskrevet her. I stedet kan omfanget av den foreliggende oppfinnelse begrenses kun som definert av de vedlagte patentkrav.

Claims (8)

1. Gasslaser som omfatter en første elektrode (14) og en andre elektrode (16) som er adskilt fra hverandre til å definere en utladningsregion mellom seg, en kilde for elektrodeutladningsenergi som er operativt koblet til nevnte elektroder for generering av et elektrisk felt innenfor nevnte utladningsregion, et laserfrembringende gassmedium som kan opereres for samvirke med det elektriske feltet for generering av laserstrålning, og middel for å fornye nevnte gassmedium innenfor nevnte utladningsregion, idet nevnte fornyelsesmiddel omfatter en vifte (20), karakterisert ved at viften omfatter en enhet (26) som er piezoelektrisk bimorf og er operativt koblet til en elektrisk kraftkilde (24) for å indusere en oscillerende bevegelse i nevnte bimorfe enhet, idet nevnte vifte dessuten omfatter et viftebladmiddel (28a,28b) som er koplet til nevnte bimorfe enhet og beveges derved slik at nevnte gassmedium bevirkes til å strømme gjennom nevnte utladningsregion, hvorved nevnte gassmedium fornyes innenfor nevnte utladningsregion.

2. Laser som angitt i krav 1,karakterisert ved at nevnte bimorfe enhet dessuten omfatter minst ett bimorft element som er koplet ved en ende derav til nevnte kilde, idet nevnte element dessuten har et bøybart vifteblad koplet til en motsatt ende derav.

3. Laser som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte bimorfe element består av et piezokeramisk materiale.

4 . Laser som angitt i krav 3, karakterisert ved at nevnte bøybare vifteblad består av et materiale som har karakteristika som motstår degradering av materialet på grunn av eksponering overfor det laserfrembringende gassmediet.

5 . Laser som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte fornyelsesmiddel dessuten omfatter en flerhet av nevnte piezoelektrisk drevne vifter.

6. Fremgangsmåte for å fornye det laserfrembringende gassmediet innenfor en utladningsregion i en gasslaser, karakterisert ved trinnene: å tilveiebringe en strømningskanal (12) som bevirkes til å inneholde gassmediet deri, idet strømningskanalen dessuten bevirkes til å dirigere gassmediet til utladningsregionen, å tilveiebringe en eller flere vifter som omfatter en piezoelektrisk bimorf enhet (26) innenfor strømningskanalen, og å energisere viften eller viftene slik at gassmediet bevirkes til å strømme gjennom kanalen, hvorved gassmediet dirigeres til utladningsregionen for å fornye gassmediet innenfor utladningsregionen.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 7, karakterisert ved at hver av viftene består av et bøybart bladmiddel, og at energiseringstrinnet bevirker bladmidlet til å bevege seg med en oscillerende bevegelse som har en forutbestemt frekvens.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert ved at trinnet med å tilveiebringe en eller flere piezoelektrisk drevne vifter dessuten omfatter å bestemme lengden og stivheten av det bøybare bladmidlet, slik at den forutbestemte frekvensen er opererbar til å tilveiebringe en ønsket gassmedium-fornyelsetakt.