SE424681B - Laser - Google Patents

Description

15 20 25 and 35 7204390-s är såväl tryckgas- som vätskeanordningarna normalt utformade så att kylvägen för blixtlampa och lasermaterial ligger i serie för att undvika en än större klumpighet och komplice- irad anordning. Detta fordrar i sin tur att totalkylanordning- en måste utformas att inrymma den relativt stora värmebelast- ningen från blixtlampan, som kan arbeta tillfredsställande vid relativt höga temperaturer, samtidigt med den relativt lilla temperaturökning som tillåtes vid lasermaterialet, vilket i sin tur inför relativt lite spillvärme i kylanlägg- ningen. I Andra försök att lösa problemen med värmelagringen har resulterat i utformningen av en ny hålrumsform för laserpumpen.

Den underliggande teorin har varit att om huvudparten av den optiska pumpenergin kan riktas mot det aktiva laserelementet- som har utformats som en stav, så kommer mindre pumpenergi att gå till spillo i form av uppvärmning av pumphålrummet.

Ett elliptiskt pumphålrum utgör ett exempel på detta, varvid blixtlampan anordnas längs en av den elliptiska cylinderns fokallinjer medan det aktiva laserelementet ligger i form av _ en stav längs den andra fokallinjen. Denna utformning ger goda optiska karakteristika, men resulterar i ett stort luft- rum mellan laserstaven eller blixtlampan och hålrummets inner- vägg. När lasern arbetar med en högre repeterfrekvens blir laserelementet och blixtlampan extremt heta och laserfunktio- nen stoppas mycket snart på grund av den dåliga termiska led- ningeníörbortledande av värme från laserstaven och blixtlam- pan. Ett annat exempel på sådana försök är det där blixtlam- pan och laserstaven placeras tätt intill varandra och omges av sådana mdrcvïal som aluminiumfolie eller magnesiumoxid.

Den erhållna effekten blir ej lika god som med det elliptis- ka hålrummet. Den ger ej någon tillräcklig värmeavledning utan medför en stark uppvärmning av laserstaven och blixt- lampan.

Ett annat sätt att undvika överhettningsproblemen be- skrivs i amerikanskt patent 3 H75 897 med det så kallade Griest-hålrummet och ett halvelliptiskt pumphålrum. Denna anordning fokuserar pumpenergin från en linjär blixtlampa -mot en laserstav som står i termisk kontakt med värmeavleda- ren. Detta förfarande ger en värmeledning som är tillräcklig 10 15 20 25 30 35 7804390-8 för små repeterfrekvenser, men det har visat sig ge en värme» .lagring för sådana lasrar som arbetar med mycket höga repeter- frekvenser.

Den förbättrade laseranordningen för lasrar med höga repeterfrekvenser enligt den föreliggande uppfinningen inne- fattar' ett särskilt kylorgan för vardera blixtlampan och lasermate-- rialet. Blixtlampans höga pumpeffektivitet uppnås genom att man utnyttjar ett sammanpackat pulver, som är infört i ena änden av pumphåligheten i ett gap mellan blixtlampans yttre yta och motsvarande yta hos pumphåligheten. Det sammanpacka- de pulvret har vissa särdrag, som gör det mycket lämpligt för värmeöverföring. Exempelvis uppvisar pulvret en termisk led~ ningsförmåga som medger att den intensiva hetta som blixtlam- pan åstadkommer bortleds från blixtlampan via pulvret till den nämnda ytan på pumphåligheten. Det har också sådana op- tiska karakteristika att det ger en ytterst diffus reflexion, det har hög motståndskraft mot vibrationer, höga arbetstempe- raturer och ultraviolett ljus. Eftersom det värme som alstras i blixtlampan kan uppgå till 60 - 70 % av den totala värmebe~ lastningen i pumphåligheten kan det bortföras med sitt eget kylsystem. Genom att skilja kylsystemet för blixtlampan från det för laserstaven erhålles en mer kompakt och effektiv laser. Anordningen enligt uppfinningen fullföljer ändamålet med att få en effektiv laser genom att laserelementen place- ras så tätt som möjligt samtidigt som man ordnar en effektiv värmebortföring. De för uppfinningen grundläggande ideerna medför en reducerad höljesvolym för lasern och skilda kyl- system för laserstaven och blixtlampan, så att snabb och effektiv kylning erhålles utan att någon optisk distorsion åstadkommas.

Ett ändamål med den föreliggande uppfinningen är så- lunda att åstadkomma en laser med optimalt kylsystem för blixtlampan. Ett annat ändamål är att åstadkomma en laser som upprätthåller hög optisk pumpeffektivitet tack vare en gód_ värmetransport. Ännu ett ändamål är att uppnå en laser som är kompakt men ändå har en hög optisk kvalitet och god styrning för det värme som alstras av blíxtlampan. Vidare är det ett ändamål med uppfinningen att ordna en relativt billig kylanordning 10 15 20 25 30 35 7804390-8 för blixtlampan och lasermaterialet under bibehållande av den goda värmestyrningen. Det är även ett ändamål att lasern enligt uppfinningen skall ha en lätt utbytbar blixtlampa, vilket byteå skall kunna ske utan att laseranordningen i övrigt eller laser- materialets kylanordning påverkas. _ Uppfinningen kommer att beskrivas mer i detalj i det följande under hänvisning till bifogad ritning, där samma hänvisningsbeteckningar i de olika figurerna avser lika ele- ment och där fig. 1 visar en perspektivvy av en laser enligt den föreliggande uppfinningen, ' fig. 2 visar ett snitt 2 - 2 i vertikal riktning genom lasern enligt-fig. 1 för åskådliggörande av laserns inre och fig. 3 visar ett snitt 3 - 3 enligt fig. 2 för åskådlig- görande av laserpumphålighetens läge.

I fig. 1 visas en utföringsform av en laseranordning 1 enligt den föreliggande uppfinningen i perspektiv. Lasern 1 tomfattar ett hölje 2, som innehåller en blixtlampa 10 och enl laserstav 18. Höljet 2 utgörs av särskiljbara enheter 12, 14 och 20. Vidare visas ett par rör 22, 23 som användes såsom inmatnings- respektive utmatníngsrör för en kylfluid 19 ffig. 3).

I fig. 2 och 3 visas ett laserpumphålrum eller kam- "mare 15 som avgränsas av sådana ytor som de med 21 och ZH betecknade ytorna. Hålrummet 15 bör ha en form som lämpar sig för laserfunktion såsom cirkulär eller elliptisk form vid den nämnda ytan 21 och den nedre ytan 2%. Pumpkammaren 15 innesluts i det flerdelade höljet 2, som består av delarna 12, 1% och 74, " och kan tillverkas av ett material som kan bilda en hålighet för en laser, företrädesvis då en metall med god termisk ledningsförmåga såsom aluminium. En laserstav 18 är monterad i den nedre delen av kammaren 15, vilken laser- stav utgörs av ett lasermaterial såsom rubin, Nd:Yag eller »annat fast lasermaterial eller av en lämplig laseranordning Asåsom en färgbehållare. Laserstaven 18 är monterad i kamma- ren 15 med sina ändar lagrade i vardera en förlängning 8a respektive 8b anordnade i anslutning till varandra motsatta 'ändar av höljets vägg 20. Blixtlampan 10 är förlagd vid sidan om laserstaven 18, så att pumpning kan ske av laserstaven 18 till att bli laseraktiv. 10. 15 20 25 30 35 7804390-8 För att bortföra den värme som alstras runt laser- staven 18 av blixtlampan 10 föreligger en anordning för att cirkulera en under högt tryck stående gas eller vätska 19 runt laserstaven 18. Kylgasen eller vätskan 19 kan inmatas via röret 22 till det omrâde som omger laserstaven 18 och utgörs av ett ringformat utrymme mellan laserstavens 18 ytt- re yta och den inre ytan på ett genomskinligt rör, såsom ett pyrexrör 17, för att vidarematas genom röret 23. Det bör upp- märksammas att denna laserkylanordning hålles skild från kyl- anordningen för blixtlampan medelst pyrexröret 17.

Det värme som alstras av blixtlampan 10 bortförs'från området i blixtlampans 10 omedelbara närhet medelst samman- packat pulver 11 anordnat i gapet eller utrymmet 26, vilket bildas av blixtlampans 10 långsträckta yta och den lång- sträckta kanal.som bildas av ytan 21. Pulvret 11 kan ut- göras av exempelvis BaScu, aluminiumoxid, berylliumoxid eller något keramiskt material eller annat pulvermaterial med lämpliga egenskaper.

Ytan 21, som utgör hållare för blixtlampan 10, kan exempelvis vara bearbetad och kan uppvisa ojämnheter på ytan men ändå ge optimal värmetransport från blixtlampan via det packade pulvret tack vare att pulvret 11 utfyller den ojämna ytan. På samma sätt medger anordningen enligt uppfinningen med sitt packade pulver att den använda blixtlampan 10 kan ha en oregelbunden eller operfekt yta och ändå erhålles en hög värmeöverföringsgrad från blixtlampan 10.

Det packade pulvret 11 har egenskapen att exempelvis vara en mycket god värmeöverföringsledare, som medger att värme som alstras av blixtlampan 10 bortleds därifrån till den långsträckta kanalen 21 och till höljesdelen 12. Pulvret 11 kan dessutom ha egenskapen att vara ytterst diffus reflek- tor, som kan motstå ultraviolett ljus och höga temperaturer som orsakas av blixtlampan, för optimering av anordningens funktion. En annan utföringsform av uppfinningen innebär ut- nyttjandet av ett klart eller genomskinligt pulver 11, varvid ytan 21 har en högreflekterande beläggning såsom guld. Barium- sulfat har tidigare använts för dess spektrala reflexionsförnåga -i samband med pumphålrum, se exempelvis de amerikanska patenten H 005 333 och 3 929 696, men dessa patent avser ej att något 7804390-8 110 15 20 30 35 pulver skall ingå i pumphålrummet såsom karakteriserar den föreliggande anordningen. Dessa patent redovisar på intet sätt de.fördelar som.ett pulver medför, såsom diffus ref- lexion, termisk ledning, utfyllnad av gap mellan blixtlampa och hålrumsvägg samt motståndskraft mot det av blixtlampan alstrade värmet. I de kända lasrarna enligt ovan anförda patent använda bariumsulfatet var infört för att det motstod ultraviolett ljus efter det att ljuset filtrerats av sama- riumglas. I anläggningen enligt uppfinningen har det be- funnits att bariumsulfatet kan motstå direktexponering för ofiltrerat ultraviolett ljus.

På höljesdelen 12 är en ytterligare del 13 infäst, vilken antingen kan vara en värmeväxlare eller någon lämplig värmeavledare. I den återgivna utföringsformen omfattar delen 13 flänsar 13a som avleder värme genom konvektion till om- givande kylmedium, såsom luft som omströmmar flänsarna genom att aktiveras av en fläkt.

Andra former av värmeväxlare, som kan användas i enlig- het med uppfinningsprincipen för att bortföra värme som över- förs via pulvret 11, är sådana som utnyttjar vatten, bivax eller andra fasföränderliga material för en begränsad funk- tionscykel eller naturlig konvektion, Även andra förfaranden för värmeväxling kan användas, såsom att höljesdelen 12 an- slutes till en plattkylare vari en hålförsedd metalldel genom- matas med en vätska eller gas för att absorbera värmet eller genom direktanslutning till en annan metalldel som ger värme- absorption. _ Förfarandet för att utbilda blixtlampans kylanordning (ej visad) i Jwn långsträckta kanalytan 21 inom pumphâlrummet 15 tillgàr så, att delen 15 placeras på ett bord varefter blixtlampan 10 fastmonteras i den kanal som bildas av ytan 21 på ett sådant sätt att ett gap 26 åstadkommes mellan blixt- lampan 10 och ytan 21. Nästa steg innebär packning av pulvret 11 medelst ett plastverktyg i gapet 26, som alltså bildas av blixtlampan 10 och ytan 21. En massa 16 tillverkas av material med egenskapen att motstå höga temperaturer utan att nedbrytas under inverkan av det ultravioletta ljus som utstrålas från blixtlampan, exempelvis 6091 Eastman Kodak vitreflekterande 10 15 20 25 30 35 7804390-8 För att bortföra den värme som alstras runt laser- staven 18 av blixtlampan 10 föreligger en anordning för att cirkulera en under högt tryck stående gas eller vätska 19 runt laserstaven 18. Kylgasen eller vätskan 19 kan ínmatas via röret 22 till det område som omger laserstaven 18 och utgörs av ett ringformat utrymme mellan laserstavens 18 ytt- re yta och den inre ytan på ett genomskinligt rör, såsom ett pyrexrör 17, för att vidarematas genom röret 23. Det bör upp- märksammas att denna laserkylanordning hålles skild från kyl- anordningen för blixtlampan medelst pyrexröret 17.

Det värme som alstras av blixtlampan 10 bortförs från området i blixtlampans 10 omedelbara närhet medelst samman- packat pulver 11 anordnat i gapet eller utrymmet 26, vilket bildas av blixtlampans 10 långsträckta yta och den lång- sträckta kanal.som bildas av ytan 21. Pulvret 11 kan ut- göras av exempelvis BaScu, aluminiumoxid, berylliumoxid eller något keramiskt material eller annat pulvermaterial med lämpliga egenskaper.

Ytan 21, som utgör hållare för blixtlampan 10, kan exempelvis vara bearbetad och kan uppvisa ojämnheter på ytan men ändå ge optimal värmetransport från blixtlampan via det packade pulvret tack vare att pulvret 11 utfyller den ojämna ytan. På samma sätt medger anordningen enligt uppfinningen med sitt packade pulver att den använda blixtlampan 10 kan ha en oregelbunden eller operfekt yta och ändå erhålles en hög värmeöverföringsgrad från blixtlampan 10.

Det packade pulvret 11 har egenskapen att exempelvis vara en mycket god värmeöverföringsledare, som medger att värme som alstras av blixtlampan 10 bortleds därifrån till den långsträckta kanalen 21 och till höljesdelen 12. Pulvret 11 kan dessutom ha egenskapen att vara ytterst diffus reflek- tor, som kan motstå ultraviolett ljus och höga temperaturer som orsakas av blixtlampan, för optimering av anordningens funktion. En annan utföringsform av uppfinningen innebär ut- nyttjandet av ett klart eller genomskinligt pulver 11, varvid ytan 21 har en högreflekterande beläggning såsom guld. Barium- sulfat har tidigare använts för dess spektrala reflexionsförnåga -i samband med pumphålrum, se exempelvis de amerikanska patenten U 005 333 och 3 929 696, men dessa patent avser ej att något 10 15 20 25 30. 35 7804390-8 pulver skall ingå i pumphålrummet såsom karakteriserar den _föreliggande anordningen. Dessa patent redovisar på intet sätt de fördelar som ett pulver medför, såsom diffus ref- lexion, termisk ledning, utfyllnad av gap mellan blixtlampa' och hålrumsvägg samt motståndskraft mot det av blixtlampan alstrade värmet. I de kända lasrarna enligt ovan anförda patent använda bariumsulfatet var infört för att det motstod ultraviolett ljus efter det att ljuset filtrerats av sama- riumglas. I anläggningen enligt uppfinningen har det be- funnits att bariumsulfatet kan motstå direktexponering för ofiltrerat ultraviolett ljus¿ På höljesdelen 12 är en ytterligare del 13 infäst, vilken antingen kan vara en värmeväxlare eller någon lämplig värmeavledare. I den återgivna utföringsformen omfattar delen 13 flänsar 13a som avleder värme genom konvektion till om- givande kylmedium, såsom luft som omströmmar flänsarna genom att aktiveras av en fläkt.

Andra former av värmeväxlare, som kan användas i enlig- het med uppfinningsprincipen för att bortföra värme som över- förs via pulvret 11, är sådana som utnyttjar vatten, bivax eller andra fasföränderliga material för en begränsad funk- tionscykel eller naturlig konvektion. Även andra förfaranden för värmeväxling kan användas, såsom att höljesdelen 12 an- slutes till en plattkylare vari en hålförsedd metalldel genom- matas med en vätska eller gas för att absorbera värmet eller genom direktanslutning till en annan metalldel som ger värme- absorption. .

Förfarandet för att utbilda blixtlampans kylanordning (ej visad) i 1~n lângsträckta kanalytan 21 inom pumphâlrummet 15 tillgär så, att delen 15 placeras på ett bord varefter blixtlampan 10 fastmonteras i den kanal som bildas av ytan 21 på ett sådant sätt att ett gap 26 åstadkommes mellan blixt- lampan 10 och ytan 21. Nästa steg innebär packning av pulvret 11 medelst ett plastverktyg i gapet 26, som alltså bildas av blixtlampan 10 och.ytan 21. En massa 16 tillverkas av material med egenskapen att motstå höga temperaturer utan att nedbrytas under inverkan av det ultravioletta ljus som utstrålas från blixtlampan, exempelvis 6091 Eastman Kodak vitreflekterande 10 15 20 25 30 35 7804390-8 standard, varvid massan 16 påmålas som tunt skikt på åt- minstone en del av det packade pulvrets 11 kanter. Efter det att massan torkar hålles pulvret 11 på plats.

En anordning utförd enligt uppfinningsprincipen har testats med lyckat resultat i laboratoriet vid ett flertal experiment, varvid Nd:Yag använts som lasermaterial. Härvid har effektivitet, termisk avledningsförmâga och livstid upp- mätts. Effektiviteten ligger på ungefär 1,5 %, som är jämför- bart med effektiviteten för vanliga Nd:Yag-lasrar vilka ut- nyttjar konventionella värmeväxlingsförfaranden. Lasrar med ledarkylda blixtlampor har med lyckat resultat arbetat med 250 W insignal (8,3 J vid 30 Hz) i kontinuerlig drift under två timmar och med mycket högre insignal, 600 W (6 J vid 100 Hz) under intervall om en minut. Ledarkylda blixtlampor har testats med avseende på livslängden vid 10 míllioner ut- lösningar med mindre än 10 % nedsättning hos lasereffektivi- teten. Vidare har ledarkylda blixtlampor genomgått vibrations- test och termiska test utan att någon skadlig påverkan.

Det packade pulvret 11 är utvalt att ha en tillräck- ligt hög termisk ledningsförmåga för att kunna bortleda det värme som blixtlampan alstrar. Éen termiska ledningsförmâgan för packat bariumsulfatpulver har uppmätts och befunnits lig- ga i området 0,95 >< 1o'3 till 1,32 >< 1o"3 w/cm °c.

Ovan har beskrivits en laser med en förbättrad värme- växlaranordning, vilken utnyttjar ett packat pulver i det långsträckta mellanrummet eller gapet mellan blixtlampan och hålrummets gränsyta, varigenom det långsträckta utrymmet är utfyllt med pulver för erhållande av förbättrad värmeöver- föring. Pnlv: : är utvalt med avseende på att ha en tillräck- lig värmcledningskoefficient för att leda värme från blixt- lampan, som skall kunna arbeta med hög repeterfrekvens. Pulv- ret, som exempelvis kan utgöras av bariumsulfat, är valt även med hänsyn till andra egenskaper såsom diffus reflexion och motståndskraft mot höga temperaturer. För vissa anordningar kan pulvret enligt den föreliggande uppfinningen väljas att vara ett genomskinligt pulver för att medge att ljuset reflekteras mot hålrummets yta. Anordningen enligt uppfin- ningen medger att en enskild och förenklad värmeväxlare 7804390-8 kommer till användning för blixtlampkylningen. Uppfínningen möjliggör att varje komponent kan bli optimalt kyld eftersom blixtlampan och lasermaterialet ej kyls i serie. Kylningen _ sker enligt den föreliggande uppfinningen inom en mindre totalvolym än vad som är fallet vid gas- och vätskekylsystem, vilket även medger att man får större frihet att anordna blixt- lampan och lasermaterialet relativt varandra för uppnående av större total lasereffektivitet,

Claims (7)

7804390-8 9 : PATENTKRAV

1. Laser omfattande ett hölje (2) som bildar ett pumphålrum (15), ett laserstrålorgan (17 - 19) och en blixtlampa (10) för aktivering av laserstrålorganet som är förlagt i hâlrummet, varvid en termisk koppling (26) är anordnad mellan blixtlam- pan och höljet för att möjliggöra att värme som alstras av blixtlampan överförs till höljet, som utgör och/eller är _försett med en värmeavledare (13), k ä n n e t e c k n a d av att den termiska kopplingen (26) omfattar ett gap mellan blixtlampan (10) och hålrummets (15) yta och ett termiskt le- dande pulver som är packat i och utfyller nämnda gap.

2. Laser enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att pulvret (26) är reflekterande.

3. Laser enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att pulvret (26) är genomskinligt, varvid hålrummets (15) yta är reflekterande. ' I

4. H. Laser enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att pulvret (26) utgörs av keramiskt material.

5. Laser enligt patentkravet H, k ä n n e t e c k n a d av att pulvret (26) utgörs av aluminium- eller berylliumoxid.

6. Laser enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att pulvret (26) utgörs av bariumsulfat.

7. Laser enligt något av föregående patentkrav, k ä n - n e t e c k n a d av att en exponerad del av det packade pulv- ret (26) är överdragen med ett materialskikt (16) som kan mot- stå höga temperaturer och ultraviolett ljus för att hålla pulv- ret på plats. ANFURDA PUBLIKATIONER: