CH667555A5

CH667555A5 - Gastransportlaser mit axialer gasstroemung.

Info

Publication number: CH667555A5
Application number: CH5851/84A
Authority: CH
Inventors: Karl Prof Dr Guers; Rasmus Dr Beck
Original assignee: Battelle Institut E V
Priority date: 1983-12-10
Filing date: 1984-12-10
Publication date: 1988-10-14
Also published as: FR2556516A1; JPH06101597B2; US4672622A; DE3344714C2; GB2151394A; GB8430943D0; GB2151394B; JPS60140886A; FR2556516B1; DE3344714A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Gastransportlaser mit axialer Gasströmung und einem in einem Gehäuse mittig angeordneten Entladungsrohr sowie Laseranordnung mit mindestens zwei Laser.

Beim CC>2-Laser sinkt der Wirkungsgrad mit steigender Temperatur. Um die Temperatur möglichst niedrig zu halten, wird das erwärmte Lasergasgemisch durch eine Umwälzanlage aus dem Laserraum entfernt und durch gekühltes ersetzt (Appi. Phys. Lett. 15, 1969, 91-). Zur schnellen Umwälzung des aktiven Lasergasgemisches wird z.B. ein leistungsstarkes Gebläse, wie Ventilator oder Rootspumpe verwendet. Bei Konvektionsla-sern dieser Art kann eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit jedoch nur mit relativ hohem Druckgefälle über das Laserrohr aufrecht erhalten werden. Dadurch sind die Entladungsbedingungen entlang des Rohres nicht einheitlich. Es wird ein sehr starkes Umwälzgebläse benötigt, was sich auf das Volumen und das Gewicht einer solchen Anlage ungünstig auswirkt.

Bei einer bekannten Konvektionslaseranordnung wird das Gasgemisch in dem Entladungsrohr durch geeignet ausgebildete, wassergekühlte Leitbleche auf einer schraubenförmigen Bahn umgewälzt (DE-OS 29 16 408). Es durchsetzt dabei die aktive Zone des Lasers nur kurz und hat bis zum nächsten Durchlauf genügend Zeit, die aufgenommene Verlustwärme wieder abzugeben. Die schraubenförmigen Leitbleche sind an einer auf einer Linie liegende Stelle durchbohrt. Durch diese Bohrungen brennt die Gasentladung zur Anregung des Lasergasgemisches. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass nur eine relativ geringe Umwälzgeschwindigkeit benötigt wird und dass durch die longitudinale Anordnung des Laserresonators eine gute Modenqualität erreicht wird. Es erweist sich jedoch als schwierig, die Gasentladung am Ort zu halten, da sie leicht durch die Gasströmung aus dem Resonatorraum herausgeblasen wird. Günstige Betriebsbedingungen lassen sich nur bei ganz bestimmten Entladungsparametern einhalten, so dass sich die Intensität dieses Lasertyps nicht gut regeln lässt.

Diese Nachteile der bekannten Konvektionslaser werden durch eine Anordnung beseitigt, bei der die Laserkammer als gekühltes Rohr ausgebildet und konzentrisch innerhalb einer Umwälzturbine angeordnet ist (DE-OS 31 21 372). Dadurch wird ein wesentlicher Fortschritt gegenüber herkömmlichen Gastransportlasern mit longitudinaler Gasströmung erzielt. Allerdings ist dieser Laser nur mit grossem technischen Aufwand zu realisieren. Wegen des grossen Durchmessers bei Aussenlage-rung und der grossen Drehgeschwindigkeit der bewegten gegen die stehenden Teile ist die Herstellung der Lager besonders aufwendig. Der Umwälzverdichter stellt eine Sonderkonstruktion dar. Besondere Schwierigkeiten macht die Herstellung eines Rotors mit an einem rotierenden Aussenrohr befestigten Turbinenschaufeln.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Konvektionslaser zur Erzeugung von Hochleistungslaserstrahlung zu entwickeln, bei dem unter Vermeidung der konstruktiven Nachteile bekannter Anordnungen die Temperaturerhöhung im Lasergas effektiv unterdrückt werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zur Gasumwälzung eine Radialturbine vorgesehen ist, auf deren Achse der Laserresonator angeordnet ist und dass der Laserresonator von einem Ringkanal umgeben ist, der als Kühlstrecke für das Lasergas dient.

In dem Ringkänal verlaufen vorzugsweise Wärmetauscherrohre parallel zur Achse des Laserresonators. Die Wärmetauscherrohre können an einem Wasserbehälter angeschlossen werden, der rotationssymmetrisch in Form eines Kreisrings ausgebildet ist. Dieser Kreisring hat vorzugsweise einen keilförmigen Querschnitt. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umschliesst der Kreisring den Laserresonator konzentrisch und wird im Bereich des Entladungsrohres mit einer ringförmigen Elektrode versehen. Der Kreisring wird vorzugsweise neben der Radialturbine angeordnet und dient als Deckscheibe für die Radialturbine. Auf dem der Radialturbine entgegengesetzten Ende des Entladungsrohres sind Schlitzdüsen vorgesehen, durch die das gekühlte Laser-Gas-Gemisch in das Entladungsrohr einströmen kann. In diesem Bereich wird auch eine verteilte Anode angeordnet, und zwar vorzugsweise in Form mehrerer Stiftelektroden. Der Antrieb für die Radialturbine kann mit einem Gaslaser ausgerüstet werden, das mit Lasergas arbeitet. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform können zwei oder mehr Laseranordnungen dieser Art auf einer optischen Achse angeordnet werden, und zwar so, dass zwei Radialturbinen von einem Motor betrieben werden.

Dabei müssen die Radialturbinen zur Durchführung des Laserstrahlungsfeldes mit einer mittigen Öffnung versehen sein.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den Patentansprüchen sowie anhand der schematischen Zeichnung. Hierbei zeigen:

Fig. 1 im Längsschnitt eine durch Koppelung von zwei erfin-dungsgemässen Laseranordnungen entstandene Zwillingseinheit;

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Fig. 2 den A-A' -Querschnitt und'

Fig. 3 B-B' -Querschnitt der in Fig. 1 dargestellten Anordnung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Laseranordnung wird zur Umwälzung des Lasergases eine Radialturbine 1 verwendet. Beide Anordnungen, die den Zwillingsmodul bilden, werden auf der Seite der Radialturbinen 1 zusammengekoppelt. Die Radialturbinen 1 werden mit einem Motor 2 angetrieben, der ein Hochfrequenzdrehstrommotor oder ein Gleichstrommotor mit elektronischer Kommutierung sein kann.

Der Antrieb für die Radialturbinen 1 ist mit je einem Gaslager 3 (z.B. ein Kugelkalottenlager nach G.J. Watt) ausgerüstet. Als Betriebsgas für das Lager 3 kann hier vorteilhaft das Lasergasgemisch verwendet werden. Das Gasgemisch wird bei z.B. ca. 7 bar durch eine Zuführungsbohrung 4 in die Lagerkalotte eingedrückt. Das Lasergas entspannt sich beim Austritt aus dem Lagerspalt in die Laserkammer hinein. Der Betriebsdruck des Lasers von ca. 100 mbar wird durch eine, hier nicht gezeigte Vakuumpumpe aufrecht gehalten, die an dem Gasausführungsstutzen 5 angeschlossen wird.

Die Drehzahl der Turbine 1 liegt vorzugsweise in einem Bereich von mehr als 15000 U/min. Damit lassen sich bei einem Turbinendurchmesser von ca. 150 mm die erforderlichen Strömungsgeschwindigkeiten im Laserrohr von 150 m/s oder mehr erzielen.

Die Radialturbine 1 läuft in einem Ringkanal 6, der konzentrisch zum Laserresonator angeordnet und als eine Kühlstrecke ausgebildet ist. Zu diesem Zweck werden erfindungsgemäss mehrere Wärmetauscherrohre vorgesehen. Eine vorteilhafte Anordnung der Wärmetauscherrohre 8 mit Kühlrippen ist aus Fig. 2 ersichtlich, in der der mit gestrichelten Linien in Fig. 1 Schnitt A-A' -Strich dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform werden sechs Wärmetauscherrohre 8 im Ringkanal 6 untergebracht. Die Rohre 8 verlaufen parallel zur Achse des Laserresonators 7. Andere Ausbildungen für den Wärmetauscher sind ebenfalls möglich. Bei geeigneter Anordnung können auch eine grössere oder geringere Anzahl Wärmetauscherrohre im Ringkanal 6 vorgesehen werden.

Gemäss einer besonders zweckmässigen Ausführungsform werden die Wärmetauscherrohre 8 an einen Wasserkasten 9 an-s geschlossen und bilden mit dem Wassereinlauf 10 und Wasser auslauf 11 das Kühlsystem.

Der Wasserkasten 9 ist als ein Kreisring ausgebildet, hat vorzugsweise einen keilförmigen Querschnitt und umfasst den Laserresonator 7 wie eine Manschette. Er dient bei dieser An-lo Ordnung gleichzeitig als Deckscheibe für die Radialturbine 1.

An den kreisringförmigen Wasserkasten 9 wird vorzugsweise die Kathode 12 angebaut, die als eine Ringelektrode ausgebildet ist. Sie wird dadurch gut gekühlt und zugleich elektrisch an die Gehäusemasse angeschlossen.

15 Der Ringkanal 6, in dem die Turbine 1 läuft, lenkt den Gasstrom um und leitet ihn über die Wärmetauscher 8. Das gekühlte Lasergas strömt dann in das Laserrohr 7 durch eine Anordnung von mehreren Schlitzdüsen 13 ein. Die Schlitzdüsen 13 werden vorzugsweise so angeordnet, dass sich im Laserrohr eine 20 Drallströmung einstellt. Eine solche Anordnung, bei der die Schlitzdüsen tangential zum Laserrohr führen, ist in Fig. 2 dargestellt.

Die Anode des Entladungssystems wird zur Erzielung einer möglichst gleichmässigen Entladung geteilt ausgebildet. Vor-25 zugsweise werden sechs oder mehr Stiftanoden 14 verwendet, die über separate Vorwiderstände an die Betriebsspannung 15 angeschlossen werden.

Das Laserrohr 7 wird bei dieser in Figur 1 dargestellten Zwillingsanordnung durch Bohrungen in den jeweiligen Turbi-30 nen 1 durchgeführt und mit Laserspiegeln 16 und 17 abgeschlossen. Es können auch mehrere solcher Zwillingseinheiten auf einer optischen Achse hintereinander angeordnet werden, um eine höhere Leistungsabgabe zu ermöglichen. In diesem Falle werden die Einheiten, wie bereits dargelegt, zusammenge-35 koppelt und jeweils die Endflansche mit Laserspiegeln versehen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Laser mit axialer Gasströmung und einem in einem Gehäuse mittig angeordneten Entladungsrohr, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gasumwälzung eine Radialturbine (1) vorgesehen ist, auf deren Achse das Entladungsrohr (7) angeordnet ist und dass das Entladungsrohr (7) von einem Ringkanal (6) konzentrisch umgeben ist, der als Kühlstrecke für das Lasergas dient,

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ringkanal (6) mindestens zwei, vorzugsweise vier bis sechs Wärmetauscherrohre (8) parallel zur Achse des Entladungsrohres (7) verlaufen und dass die Wärmetauscherrohre (8) an einem als Wasserbehälter dienenden Kreisring (9) mit vorzugsweise keilförmigem Querschnitt angeschlossen sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreisring (9) das Entladungsrohr (7) umschliesst und im Bereich des Entladungsrohres (7) mit einer ringförmigen Kathode (12) versehen ist.

4. Laser nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreisring (9) als Deckscheibe für die Radialturbine (1) ausgebildet ist.

5. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem der Radialturbine (1) entgegengesetzten Ende des Entladungsrohres Schlitzdüsen (13) vorgesehen sind, durch die das Lasergas in das Entladungrohr einströmen kann.

6. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode aus mehreren am Umfang des Entladungsrohres (7) verteilten Stiftelektroden (14) besteht, die über separate Vorwidertände an die Betriebsspannung (15) angeschlossen sind.

7. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb für die Radialturbine (1) mit einem Gaslager (3) ausgerüstet ist, das durch das Lasergas betrieben wird.

8. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch ausserhalb der Gasführungsgehäuse axial angebrachte Laserspiegel (16, 17) ein Laserresonator gebildet wird.

9. Laseranordnung mit mindestens zwei Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Laser zusammengekoppelt sind, so dass zwei Radialturbinen (1) auf einer Motorachse liegen und dass die Radialturbinen (1) sowie die Motorachse mit einer zentralen Bohrung versehen sind, durch die die beiden Entladungsrohre (7) verbunden werden.