DE3330238A1 - Hochleistungslaser - Google Patents

Description

Hochleistungslaser

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Laser, insbesondere auf Hochleistungs-Gasstromlaser.

In den letzten Jahren war eine bemerkenswerte Aktivität bei der Entwicklung von Hochleistungs-Gasstromlasern zu beobachten, insbesondere zur Verwendung in der metallbearbeitenden Industrie. Beispiele von einigen Vorschlägen derartiger, bekannter Hochleistungs-Gasstromlasern sind in folgenden USA-Patentschriften offenbart: Nr. 3,641,457; Nr. 3,702,973; Nr. 3,886,481; Nr. 4,058,778; Nr. 4,317,090; Nr. 4,321,558. Eines der Hauptprobleme bei der Konstruktion derartiger Hochleistungs-Gasstromlaser ist die Abstrahlung der Verlustwärme, da solche Geräte bei unzulässig hohen Temperaturen nicht mehr mit optimalem Wirkungsgrad arbeiten können. Als Beispiel sei erwähnt, dass ein Co2-Laser, der heute hauptsächlich als Hochleistungslaser Anwendung findet, bei Temperaturen oberhalb von 200 grad Celsius nicht mehr mit voller Wirksamkeit arbeiten kann. Wohl ist es möglich, die Wärmeabfuhr und damit die Ausgangsleistung dadurch zu steigern, dass die Länge des Laserkanals vergrössert wird; als Nachteil ist jedoch in Kauf zu nehmen, dass mit einer beträchtlichen Vergrösserung der Abmessungen des Lasers und mit einer ebenso beträchtlichen Steigerung der Kosten gerechnet werden muss.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Hochleistungs-Gasstromlaser vorzuschlagen, welcher optimiert ist in Bezug auf die Länge des Laserkanals und in Bezug auf die maximale Ausgangsleistung bei einer vorgegebenen Grosse der Abmessungen des gesamten Systems.

Ein anderes Problem, welches im Zusammenhang mit bekannten Hochleistungs-Gasstromlasern auftritt, ist die optische Verzerrung des ausgesandten Strahles; dies ist zum einen auf die Phasenverzerrung zurückzuführen, welche von einem Dichtegradienten innerhalb des strömenden Gases verursacht wird, zum anderen auch auf Veränderungen der Amplitude, welche von einem Verstärkungsgradienten in strömendem Gas bewirkt, wird.

In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass bei einem Laser, in welchem das Gas quer zum Laserkanal fliesst, ein beträchtlicher Temperatur- und Dichtegradient im strömenden Gas zu beobachten ist. Die Temperatur ist stromaufwärts des Gaskanals am niedrigsten und steigt entlang des Gasstromes an, so dass am stromabwärtsseitigen Ende des Kanals eine deutlich höhere Temperatur zu beobachten ist. Der Dichtegradient dagegen verläuft umgekehrt zum erwähnten Temperaturgradienten, d.h., die Dichte ist an der stromaufwärtigen Seite des Gaskanals am höchsten und an der stromabwärtigen Seite desselben am niedrigsten. Dieser Dichtegradient erzeugt eine Phasenverzerrung innerhalb des Laserkanals, der vom Gasstrom durchflossen ist.

Dazu kommt, dass innerhalb des Gasströmungskanales ausserdem

ein bemerkenswerter Verstärkungsgradient zu beobachten ist, weil die Verstärkung am stromaufwärtigen Ende des Kanals am höchsten und am stromabwärtigen Ende des Kanales am niedrigsten ist; dies ist darauf zurückzuführen, dass die Besetzungs-Umkehr vom stromaufwärtigen Ende des Kanals zum stromabwärtigen Ende desselben abnimmt. Der erwähnte Verstärkungsgradient bewirkt somit Variationen in der Amplitude des Laserstrahls innerhalb des Laserkanals.

Somit ist ein anderes Ziel der Erfindung darin zu erblicken, einen Hochleistungs-Gasstromlaser zu schaffen, welcher nicht nur die vom Dichtegradienten im quer zum Laserkanal fliessenden Gasstrom bewirkten Phasenverzerrungen sondern auch die vom Verstärkungsgradienten im Gasstrom hervorgerufenen Amplitudenvariationen kompensiert.

Die Erfindung geht von einem Hochleistungs-Gasstromlaser aus, der einen Laserkanal und Mittel zur Erzeugung eines Stromes von Lasergas umfasst, welcher transversal zum Laserkanal gerichtet ist. Mit einem solchen Laser werden die gestellten Aufgaben erfindungsgemäss mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 gelöst.

Eine solche Anordnung erlaubt,

- die durch den Dichtegradienten verursachten Phasenverzerrungen,

- die durch die Strömungsumkehr verursachten Variationen der Strömungsgeschwindigkeit und

- die durch den Verstärkungsgradienten verursachten Amplituden-Variationen

im Gasstrom zu kompensieren, welch letzterer quer zu den genannten Zweigen fliesst.

Die erfindungsgemäss vorgeschlagene Anordnung zur Erreichung dieser Kompensation ist dabei grundsätzlich verschieden von der bekannten "roof-top mirror"-Technik, bei welcher ein Laserkanal in zwei Zweige unterteilt wird, die parallel zueinander verlaufen und wobei zwei Umlenkspiegel vorgesehen sind, so dass die Laserstrahlen insgesamt um 180 grad vom einen in den anderen Parallelkanal umgelenkt werden. Bei dieser bekannten Technik ist nur ein einzelner Gasströmungskanal vorhanden, welcher das quer zu beiden Zweigen fliessende Gas erzeugt. Die vorliegende Erfindung sieht im Gegensatz dazu vor, dass zwei benachbarte Zweige miteinander einen Winkel einschliessen (d.h. einen Winkel von weniger als 180 grad); dies ermöglicht, mit einem einzigen Spiegel auszukommen, so dass Leistungsverluste vermieden werden, wie sie durch den zweiten Spiegel in der zuvor genannten "roof-top mirror"-Technik unvermeidlich sind.

Im Gegensatz zur vorerwähnten Technik, bei der ein gemeinsamer Gasstrom für beide Zweige vorgesehen ist, sieht die vorliegende Erfindung separate Gasströme für jeden der einzelnen Zweige vor. Dadurch lässt sich eine beträchtliche Verbesserung der Kompensation der durch den Dichtegradienten hervorgerufenen Phasenverzerrung sowie der durch den Verstärkungsgradienten hervorgerufenen Amplitudenvariationen erzielen.

Der Laserkanal kann so gefaltet werden, dass mehr als zwei Zweige entstehen. Vorzugsweise ist eine gerade Anzahl von Kanalzweigen vorhanden, wobei ein einzelner Umlenkspiegel zwischen je zwei benachbart gelegenen Zweigen vorgesehen ist. Besonders gute Resultate können erzielt werden, wenn die Laserkanalzweige, z.B. vier, in einer polygonalen Konfiguration angeordnet sind, wobei jeder Zweig über einen getrennten Gasstrom verfügt und dem Gas eine Fliessrichtung erteilt, welche radial einwärts zu einem gemeinsamen Gassammelbereich gerichtet ist. Eine solche Anordnung gewährleistet nicht nur die alternierende Transposition zwischen den zuvor erwähnten, stromaufwärts und stromabwärts gerichteten Strahlen, um eine maximale Kompensation von Phasenverzerrungen sowie von Geschwindigkeits- und Amplitudenvariationen zu erreichen, sondern optimiert ebenfalls die Kanallänge des Lasers einerseits und die Ausgangsleistung desselben andererseits, bezogen auf eine bestimmte Grosse bzw. auf ein bestimmtes Volumen des Gerätes.

In der später folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Bei einem dieser Ausführungsbeispiele kann der Laserkanal in einer einfachen, polygonalen Konfiguration umgelenkt sein, d.h. entlang den Seiten eines Quadrates, wie es noch näher beschrieben sein wird. Ein zweites Ausführungsbeispiel kann vorsehen, den Laserkanal über ein einfaches Polygon (360 grad) hinaus zu verlängern, indem er entlang zweier koaxialer Polygone verläuft und sich hierbei über 720 grad erstreckt.

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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird beschrieben werden, bei welchem der gefaltete Laserkanal Zweige aufweist, die entlang eines ersten Polygons (z.B. entlang eines Quadrates) verlaufen, wobei ein Resonator-Bereich gebildet wird; weitere Zweige des Laserkanals können dann entlang eines zweiten, ähnlichen, koaxialen Polygons verlaufen und einen Verstärker-Bereich bilden.

Schliesslich ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, dass der Laserkanal mehrfach gefaltet ist; dabei kann eine Mehrzahl von Zweigen in einer ersten Ebene und eine weitere Mehrzahl von Zweigen in einer zweiten Ebene liegen, welch letztere parallel zur ersten Ebene verläuft. Bei dieser Ausführung ist zwischen benachbarten Zweigen einer jeden Ebene vorzugsweise ein einfacher Umlenkspiegel vorgesehen, während zwischen den Verbindungszweigen der beiden Ebenen ein doppelter Umlenkspiegel angeordnet sein kann. Die Anordnung der Zweige und der Umlenkspiegel ist dabei so getroffen, dass eine zweidimensionale Kompensation (d.h. eine Kompensation sowohl parallel als auch transversal zur Richtung des Gasstromes) der Phasenverzerrungen wie auch der Geschwindigkeits- und Amplitudenvariationen in der Gasströmung gewährleistet ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Hochleistungs-Gasstromlaser, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines ersten

Ausführungsbeispieles des erfindungsgemässen Hochleistungs-Gasstromlasers,

Fig. 2 eine schematische Ansicht des Ausführungsbeispieles- gemäss Fig. 1 von einer anderen Seite, aus dem insbesondere der gefaltete Laserkanal und die Gasströmungskanäle ersichtlich sind,

Fig. 3 eine vergrösserte, schematische Ansicht einer

Variante des gefalteten Laserkanals, welcher bei den Ausführungen gemäss Figuren 1 und 2 verwendet werden könnte,

Fig. M eine weitere Ausführungsform eines gefalteten

Laserkanals mit einem Resonator-Bereich sowie einem Verstärker-Bereich, und

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Laserkanals mit zweidimensionaler Kompensation der Phasenverzerrungen und der Amplitudenvariationen.

In der Fig. 1 ist ein Hochleistungs-Gasstromlaser dargestellt, welcher ein äusseres Gehäuse 2 besitzt, welches im Stande ist, einem Druckunterschied gegenüber dem athmosphärischen Druck zu widerstehen. Generell herrscht bei solchen Lasertypen im Inneren ein Druck von ca. 0.2 atm; im Interesse optimaler Betriebsbedingungen, besonders bei einem Laser der in Rede stehenden Art, bei

welchem eine elektrische Entladung zur Anregung des Lasergases verwendet wird, sind Verhältnisse denkbar, bei denen ein Innendruck bis hinunter zu 0.05 atm herrscht. Das Gas besteht vorzugsweise aus einer bekannten, auf Kohlendyoxid basierenden Mischung, wie sie üblicherweise in Hochleistungs-Gasstromlasern.. verwendet wird.

Der Laserkanal, in welchem der Laserstrahl erzeugt wird, besitzt die Form eines gefalteten, optischen Hohlraumes bzw. eines Resonators, welcher in Fig. 2 generell mit 3 bezeichnet ist. Beim in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Kanal so gefaltet, dass vier Zweige gebildet sind, die entlang der Seiten eines Quadrates verlaufen. Somit umfasst der Resonator 3 einen Primärspiegel 31 am einen Ende, einen Rückkoppelungsspiegel 32 am entgegengesetzten Ende sowie drei Umlenkspiegel 33» 34 und 35, welch letztere jeweils zwischen einem Paar von benachbarten Zweigen des Laserkanals angeordnet und in einem Winkel von 45 grad befestigt sind, um den Laserstrahl vom einen Zweig in den benachbarten Zweig umzulenken.

Im einzelnen, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist ein Zweig 3a des Laserkanals 3 durch den Primärspiegel 31 und dem Umlenkspiegel 33 begrenzt; ein weiterer Zweig 3b ist durch die Umlenkspiegel 33 und 34 begrenzt; ein Zweig 3c ist durch die Umlenkspiegel 34 und 35 begrenzt; schliesslich ist der vierte Zweig durch einen Umlenkspiegel 35 und den Rückkoppelungsspiegel 32 begrenzt. Der ausgangsseitige Spiegel 36 ist als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet und befindet sich unmittelbar vor dem Rück-

ο ο ο υ L ό ο

koppelungsspiegel 32; dadurch reflektiert er einen Anteil der Laserstrahlen, die innerhalb der vier Zweige umgelenkt werden, und bildet zugleich einen Auslass zu einem Auslassfenster 37» z.B. einem CnSe-Fenster, durch welches der eigentliche Laserstrahl austritt.

Der dargestellte Hochleistungs-Gasstromlaser umfasst ferner Mittel zur Erzeugung eines Lasergasstromes, welcher jeweils transversal zur Richtung eines jeden der vier Zweige 3a - 3d des gefalteten Laserkanals gerichtet ist. Jeder der Zweige des Laserkanals wird durch einen getrennten Strömungskanal für das Lasergas versorgt; diese Strömungskanäle sind in Fig. 2 mit 4a 4d bezeichnet. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besitzt das Gerät zur Erzeugung der Gasströme durch die Laserkanäle einen Impeller 41, der innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet und durch einen Elektromotor 42 angetrieben ist, welch letzterer ausserhalb des Gehäuses 2 gelagert und mittels Treibriemen 43 mit dem Impeller 41 gekoppelt ist. Das ausgangsseitige Ende des Impellers 41 ist mit einem Diffusor 44 versehen, so dass das Gas unter Wirkung der gegenseitigen Anordnung von äusserem Gehäuse 2 und Diffusor 44 zu den Einlassen der Strömungskanäle 4a - 4d geleitet wird.

Die Strömungsrichtung des Gases, das in die Kanäle 4a - 4d einfliesst, ist transversal zur Richtung der Zweige 3a - 3d des Laserkanals gerichtet und wird zunächst durch eine elektrische Entladevorrichtung angeregt, welche in Fig. 1 generell mit 5 bezeichnet ist; diese Entladungsvorrichtungen befinden sich jeweils stromaufwärts eines jeden Zweiges des Laserkanals. Es

ORIGINAL INSPECTED

sind verschiedene Arten von elektrischen Entladevorrichtungen bekannt, die zur Verwendung im vorliegenden Fall geeignet sind, z.B. eine Vorrichtung mit externer Ionisationsquelle wie ein Elektronenstrahl. Es hat sich allerdings als vorteilhaft erwiesen, im vorliegenden Fall eine hochfrequente., elektrische Entladevorrichtung zu verwenden, welche segmentförmige Elektroden bekannter Art umfasst, um eine sich selbst erhaltende elektrische Entladung zu gewährleisten.

Das Gas, welches durch die Gaskanäle 4a - Mb fliesst, ist einer Temperaturerhöhung unterworfen, währenddem es transversal durch die entsprechenden Zweige 3a -3d des Laserkanals 3 fliesst, mit der Folge, dass das Gas, wenn es aus den Kanälen 4a - 4d austritt, eine merklich höhere Temperatur besitzt als das in die genannten Kanäle eintretende Gas. Das erwärmte Gas wird, z.B. mittels einer Wand 45 (Fig. 1) zu einem Wärmeaustauscher 46 geleitet. Aus diesem austretendes, gekühltes Gas gelangt zum Eingang des Impellers 41, nach welchem es im Kreislauf in die Gaskanäle 4a - 4d zurückgelangt.

Ein wesentliches Merkmal des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Lasers ist der optische Laserkanal 3> welcher, wie bereits erwähnt, gefaltet ist und im wesentlichen aus vier Zweigen 3a 3d besteht, die innerhalb einer gemeinsamen Ebene eine im wesentlichen quadratische Konfiguration einnehmen. Zwischen jedem Zweigpaar ist ein Umlenkspiegel 33, 34 bzw. 35 vorgesehen. Diese Spiegel sind so angeordnet, dass die Laserstrahlen abwechslungsweise von der stromaufwärtigen (bzw. stromabwärtigen) Seite des

einen Zweiges zur stromabwärtigen (bzw. stromaufwärtigen) Seite des nSchstliegenden, benachbarten Zweiges übertragen werden, dies mit Bezug auf das Gas, welches transversal durch die Zweige fliesst. Wie eingangs erwähnt, ermöglicht diese Anordnung, einerseits die infolge des Druckgradienten entstehende Phasenverzerrung und andererseits die Amplitudenvariationen zu kompensieren, welche infolge des Verstärkungsgradienten in der transversal zu den Zweigen fliessenden Gasströmen entstehen.

Diese Zusammenhänge werden verdeutlicht, wenn man den Verlauf der äusseren Begrenzungslinien R1 und R2 der Laserstrahlen innerhalb aller vier Laserkanal-Zweige 3a - 3d betrachtet, wobei vom Primärspiegel 31 ausgegangen und der Strahlenverlauf bis zum Rückkoppelungsspiegel 32 verfolgt wird. Gemäss Fig. 2 befindet sich der Strahl R1 auf der stromaufwärtigen Seite des Gasstromkanales Ma, solang sich der Strahl im Zweig 3a befindet, während sich der Strahl R2 im Zweig 3a auf der stromabwärtigen Seite befindet. Sobald die beiden Strahlen R1 und R2 unter Wirkung des ersten Umlenkungsspiegels 33 zwischen den Laserkanal-Zweigen 3a und 3b umgelenkt werden, sind die Verhältnisse umgekehrt: Im Zweig 3b liegt der Strahl R1 stromabwärts in Bezug auf den Gasströmungskanal, während der Strahl R2 hier an der stromaufwärtigen Seite verläuft. Eine ähnliche Umkehr der Verhältnisse erfolgt unter Wirkung des Umlenkspiegels 34; dieser bewirkt, dass der Strahl R1 nun wieder stromaufwärts und der Strahl R2 wieder stromabwärts im Zweig 3c verläuft. Schliesslich erfolgt eine Umkehr auch durch den Umlenkspiegel 35, welcher wiederum den Strahl R1 auf die stromaufwärtige Seite und den Strahl R2 auf

- 15 die stromabwärtige Seite innerhalb des Zweiges 3d lenkt.

Auf diese Weise wird jegliche durch den Dichtegradienten (der invers zum Temperaturgradienten ist) hervorgerufene Phasenverzerrung in einem Zweig durch die Verhältnisse im nachfolgenden, benachbarten Zweig kompensiert; in entsprechender Weise wird auch jede Amplituden- und Geschwindigkeitsvariation eines Zweiges in nächstfolgenden Zweig des Laserkanals aufgehoben. Es ist leicht einzusehen, dass eine maximale Kompensation dann gegeben ist, wenn der gesamte Laserkanal eine gerade Anzahl von einzelnen Zweigen umfasst, so dass Unstimmigkeiten in einem Zweig durch den nächstfolgenden Zweig aufgehoben werden, wobei jeder Zweig des Laserkanals über einen separaten Gasströmungskanals verfügt; dadurch gestaltet sich die Gasströmung, in Bezug auf die einzelnen Zweige, parallel und nicht seriell.

Dazu kommt, dass die polygonale Anordnung der Laserkanalzweige eine platzsparende Bauweise des gesamten Gerätes gewährleistet, so dass die Länge des Resonator-Bereiches innerhalb eines festgesetzten Gerätevolumens maximiert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu erblicken, dass die radial gegen innen gerichtete Strömung des Gases beste Voraussetzungen für eine wirkungsfreie Kühlung desselben schafft. Weiter ist zu erwähnen, dass im Gegensatz zu den bekannten Geräten nach der "roof-top mirror"-Technik, wo jeweils zwei Umlenkspiegel erforderlich sind, nur ein einziger Umlenkspiegel zwischen den einzelnen Zweigen des Laserkanals erforderlich ist, so dass die Leistungsverluste, von einem zweiten Umlenkspiegel verursacht, vermieden

werden können; es folgt daraus, dass bei gegebenen Abmessungen des Gerätes eine bedeutend höhere Ausgangsleistung erreicht werden kann. Schliesslich darf nicht unerwähnt bleiben, dass ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung darin zu sehen ist, dass ein separater, paralleler Strömungsgaskanal für jeden Zweig des gefalteten Laserkanals vorgesehen ist; im Gegensatz dazu sieht die bekannte "roof-top mirror"-Technik vor» für jeweils zwei Laserkanalzweige, die in Serie geschaltet sind, einen gemeinsamen Strömungskanal für das Gas vorzusehen. Das Resultat der erfindungsgemässen Anordnung schlägt sich somit in einer wesentlichen Verbesserung bezüglich Phasenverzerrung und Amplitudenvariation nieder, verglichen mit bekannten Ausführungen.

In der Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsmöglichkeit eines HO'-.'-leistungs-Gasstromlasers mit gefaltetem Laserkanal dargestellt, welche eine weitere Vergrösserung der Resonatorlänge, bezogen auf ein vorgegebenes Gerätevolumen, erlaubt; gleichzeitig ist gewährleistet, dass die zuvor erwähnte Kompensation der Phasenverzerrung und der Amplitudenvariation im transversal zu den Laserkanalzweigen fliessenden Gas gewährleistet ist. Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist dies dadurch erreicht, dass der Laserkanal mehrfach umgelenkt ist, um eine Mehrzahl von Zweigen zu bilden, die zusammen eine grössere Länge besitzen als die Gesamtlänge der sich über ein einzelnes Polygon erstreckenden Zweige der Ausführung gemäss Figuren 1 und 2. Im einzelnen zeigt Fig. 3, dass der Laserkanal mehrfach in eine Vielzahl von Zweigen umgelenkt ist, die zusammen die Konfiguration von zwei vollständigen, koaxial angeordneten Quadraten besitzen, so dass

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sich der Laserkanal über eine Länge erstreckt, die einem Umfangswinkel von 720 grad entspricht; dies im Gegensatz zur Ausführung gemäss Figuren 1 und 2, bei der der entsprechende ümfangswinkel lediglich 360 grad beträgt.

Auf diese Weise definiert der Laserkanal in der Ausführung gemäss Fig. 3 ausserdem einen Resonator zwischen einem Primärspiegel 131 und einem Rückkoppelungsspiegel 132. Die dabei zurückgelegte Länge, der optische Hohlraum, umfasst acht Zweige des Laserkanals, die durch die Seiten von zwei koaxialen Quadraten gebildet sind. Weiter ist eine Mehrzahl von Umlenkspiegeln 133, 134, 135 und 136 sowie ein teildurchlässiger Spiegel 137 vorgesehen, welch letzterer die Auskoppelung des Strahles vom Laser ermöglicht. Die einzelnen Zweige sind folgendennassen definiert:

- Der Zweig 103a erstreckt sich zwischen dem Primärspiegel 131 und dem Umlenkspiegel 133;

- der Zweig 103b erstreckt sich zwischem den Umlenkspiegeln 133 und 134;

- Der Zweig 103c erstreckt sich zwischen den Umlenkspiegeln 134 und 135;

- Der Zweig 103d erstreckt sich zwischen den Umlenkspiegeln 135 und 136;

- Der Zweig 103e erstreckt sich zwischen den Umlenkspiegeln 136 und 133;

- Der Zweig 103f erstreckt sich zwischen den Umlenkspiegeln 133 und 134;

- Der Zweig 103g erstreckt sich zwischen den Umlenkspiegeln 134 und 135;

- Der Zweig 103h erstreckt sich zwischen dem Umlenkspiegel 135 und dem Rückkoppelungsspiegel 132.

Aus der Zeichnung (Fig. 3) ist klar ersichtlich, dass sich der Zweig 103a parallel zum Zweig 103e erstreckt, wobei beide Zweige in transversaler Richtung von Gas durchströmt werden, welches im Gaskanal 104a fliesst. In entsprechender Weise verläuft der Zweig 103b parallel zum Zweig 103f» wobei diese beiden Zweige in transversaler Richtung vom Gas durchströmt werden, das durch den Gaskanal 104b fliesst. Entsprechendes gilt für die Zweige 103c und 103g, die vom Gas aus dem Kanal 104c durchströmt werden, sowie für die Zweige 103d und 103h, die beide vom Gas aus dem Kanal 104d durchströmt sind. Wei,ter ist zu sehen, dass die Umlenkspiegel 133, 134 und 135 gegenüber den entsprechenden Umlenkspiegeln 33> 34 und 35 gemäss Fig. 2 die doppelte Breite besitzen; jeder dieser erstgenannten Spiegel bewirkt somit zweimal eine Reflektion des Laserstrahls, nämlich zum einen am oberen Ende und zum andern am unteren Ende des Spiegels.

Als Besonderheit bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemässen Hochleistungs-Gasstromlasers ist hervorzuheben, dass nicht nur die Randbereiche des Laserstrahles beim Durchgang von einem Laserkanalzweig in den andern bezüglich der Strömungsrichtung des Gases vertauscht werden, sondern auch der Laserstrahl als Ganzes. Mit anderen Worten heisst das, dass sich ler Laserkanalzweig 103a während des Vorbeifliessens am Gasstromkanal 104a stromabwärts vom Gasstrom befindet, während der Laserkanalzweig 103e den Kanal 104a an der stromaufwärtigen Seite

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passiert. Im nächsten Gasstromkanal 104b sind diese Verhältnisse umgekehrt, unter Einfluss des Umlenkspiegels 133. Der Laserstrahl 103b befindet sich nun stromaufwärts bezüglich des Gasstromkanals 104b, während sich der Laserstrahl 103f innerhalb des Strömungskanals 104b an der stromabwärtigen Seite befindet. Diese Vertauschung des vollständigen Laserstrahles beim Übergang vom einen Zweig in den anderen, wie vorstehend im Zusammenhang mit Fig.3 beschrieben, zusammen mit der Vertauschung der Laserstrahlen innerhalb jedes Zweiges, wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben, gewährleistet zusätzlich eine Verbesserung der Kompensation bezüglich Phasenverzerrungen und Amplitudenvariationen im Gas, welches in transversaler Richtung durch jeweils einander zugeordnete Paare von Zweigen fliesst. Dazu kommt, dass die Resonatorlänge und die Wärmeabstrahlung, bezogen auf eine vorgegebene Grosse des Gerätes, weiter verbessert werden.

In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Hochleistungs-Gasstromlasers dargestellt, bei welchem der Laserkanal so umgelenkt ist, dass zunächst eine Mehrzahl von Kanalzweigen gebildet wird, die zusammen einen Resonatorbereich bilden, wobei anschliessend eine Mehrzahl von Kanalzweigen folgen, die einen Verstärkerbereich bilden. Gemäss dem Erfindungsgedanken werden die Zweige beider Bereiche nacheinander umgelenkt, um die erwünschte Kompensation der vom Dichtegradienten hervorgerufenen Phasenverzerrung und die vom Verstärkungsgradienten in der Gasströmung hervorgerufenen Amplitudenvariationen zu kompensieren.

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Demzufolge besitzt diese Ausführung, die aus Fig. 4 ersichtlich ist, innerhalb des Laserkanals einen Primärspiegel 231, einen Rückkoppelungsspiegel 232, drei Umlenkspiegel 233, 234 und 235 sowie einen teildurchlässigen Spiegel 236. Die Zweige 203a 203d des· Laserkanals, die stromaufwärts des teildurchlässigen Spiegel 236 liegen, bilden den Resonatorbereich, während die Zweige 203e - 203h des Laserkanals, die stromabwärts des teildurchlässigen Spiegels 236 liegen, den Verstärkerbereich bilden.

Aus der Fig. 4 ist weiter zu ersehen, dass der Zweig 203a des Resonatorbereiches parallel zum Zweig 203e des Verstärkerbereichs verläuft, wobei diese beiden Zweige transversal vom Gas durchflossen werden, welches durch den Kanal 204 strömt. In entsprechender Weise ist jeder der drei verbleibenden Gaskanäle 204b - 204d je einem Zweig des Resonatorbereichs sowie einem Zweig des Verstärkerbereichs zugeordnet. Diese Anordnung, wie sie in Fig. 4 dargestellt, bewirkt, dass abwechslungsweise ein dem Resonatorbereich und dem Verstärkerbereich zugeordneter Zweig des Laserkanals durch einen gemeinsamen Gaskanal durchgeleitet werden, mit der Wirkung, dass somit abwechslungsweise je einen der erwähnten Kanäle stromaufwärts und anschliessend stromabwärts liegt. Die erwünschte Kompensation einerseits der Phasenverzerrungen und andererseits der Amplitudenvariation wird somit durch die Anordnung der Fig. 4 weiter verbessert, nicht nur durch den Wechsel der Strahlen beim Durchgang durch die einzelnen Zweige, sondern auch dadurch, dass der Laserstrahl innerhalb desselben Gasströmungskanales abwechslungsweise den Resonatorbereich und den Verstärkerbereich durchströmt.

In der Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, welches in der Lage ist, eine zweidimensonale Kompensation zu gewährleisten, d.h. nicht nur in der Richtung der Gasströmung, sondern auch transversal dazu. Kurz gesagt wird dies dadurch erreicht, dass zwei Zweige des gefalteten Laserkanal-s in einer ersten Ebene liegen, wobei zwischen diesen beiden Zweigen ein einziger Umlenkspiegel vorgesehen ist, und dass die restlichen Zweige in einer parallel zur genannten, ersten Ebene verlaufenden, zweiten Ebene liegen, ebenfalls mit einem dazwischengefügten, einzelnen Umlenkspiegel. Der übergang zwischen den beiden Ebenen, d.h. vom Ende des zweiten Zweigs in der ersten Ebene zum Anfang des ersten Zweigs in der zweiten Ebene, erfolgt durch einen doppelten Umlenkspiegel, mit Hilfe dessen der Strahl zweimal umgelenkt wird.

Im einzelnen umfasst der Laserkanal, der in Fig. 5 schematisch dargestellt ist, einen Primärspiegel 331, einen Rückkoppelungsspiegel 332, vier Umlenkspiegel 333, 334a, 334b und 335 sowie einen teildurchlässigen Spiegel 336. Die Laserkanalzweige 303a und 303b liegen in einer Ebene und sind mittels des einfachen Umlenkspiegels 331 miteinander gekoppelt. Die Laserkanalzweige 303c und 3O3d liegen in einer zweiten Ebene, welche im Abstand parallel zur Ebene der Zweige 303a und 303b verläuft, wobei zur Strahlumlenkung ein einzelner Umlenkspiegel 335 vorgesehen ist. Die verbleibenden zwei Umlenkspiegel 334a und 334b stehen einerseits rechtwinklig zueinander und andererseits in einem Winkel von 45 grad zu den entsprechenden Laserkanalzweigen, so dass ein doppelter Umlenkspiegel gebildet ist, welcher die Strahlen aus

dem Zweig 303b der zuerst genannten, die Zweige 303a und 303b umfassenden Ebene in den Zweig 303c der zweiten, die Zweige 303c und 3O3d umfassenden Ebene umlenkt.

Ferner ist aus der Zeichnung ersichtlich und leicht einzusehen, dass der Primärspiegel 331 in derselben Ebene angeordnet ist wie der Zweig 303a sowie der Umlenkspiegel 333 _f währenddem der Rückkoppelungspiegel 332 und der teildurchlässige Spiegel 336 in der Ebene der Zweige 303c und 303b sowie des Umlenkspiegels 335 liegt. Weiter ist festzuhalten, dass, wie in der vorstehend beschriebenen Ausführung des Lasers, separate Gasströmungskanäle 304a - 304d für jeden der Laserkanalzweige 303a - 303d vorgesehen sind; jeder Gasströmungskanal leitet dabei das Gas transversal entlang den entsprechenden Laserkanalzweigen und schliesslich radial einwärts zu einem innenliegenden Sammelbereich in der Mitte der gesamten Anordnung.

Die in Fig. 5 gezeigte Anordnung gewährleistet eine zweidimensionale Kompensation, d.h. nicht nur, wie im Zusammenhang mit den Figuren 1-4 beschrieben, in einer Richtung parallel zur Gasströmung, sondern auch transversal dazu, um eine weiter verbesserte Kompensation der vom Dichtegradienten verursachten Phasenverzerrung sowie der vom Verstärkungsgradienten hervorgerufenen Amplitudenvariation zu erreichen. Aus der Darstellung gemäss Fig. 5 ist zu entnehmen, dass im Laserkanalzweig 303a der Strahl R11 bezüglich des Gaskanals auf der stromaufwärtigen Seite verläuft; der Strahl R12 befindet sich auf der stromabwärtigen Seite, während die Strahlen R13 und R14 mittig verlaufen, jedoch

entlang gegenüberliegenden Seiten des Zweiges 303a. Der erste Umlenkspiegel 333> welcher die Strahlen vom Zweig 303a in den in derselben Ebenen liegenden Zweig 303b reflektiert, bewirkt eine Vertauschung der relativen Lage der Strahlen R11 und R12, so dass nun der Strahl R11 stromabwärts, der Strahl R12 hingegen stromaufwärts liegt. Die beiden dazwischenliegenden Strahlen R13 und R1M werden bezüglich ihrer relativen Lage nicht verändert, sondern verbleiben in der gleichen Zwischenposition wie im Zweig 303a.

Nachdem die Laserstrahlen zunächst auf den Spiegel 33^a und dann auf den Spiegel 33**b aufgetroffen sind, - wobei sie von der ersten Ebene des Zweiges 303b zur parallel dazu liegenden Ebene des Zweiges 303c umgeleitet werden -, findet eine relative Lageverschiebung insofern statt, als die Strahlen R11 und R12 nun mittig verlaufen, und zwar entlang des parallelen, gegenüberliegenden Laserkanalzweiges, während der Strahl R13 in Bezug auf den Gasströmungskanal stromabwärts und der Strahl R14 stromaufwärts liegt, und zwar beim Durchlaufen des Kanalzweiges 303c. Der nachfolgende, einfache Umlenkspiegel 335 bewirkt sinngemäss eine weitere, relative Lageverschiebung der Strahlen, so dass der Strahl R13 nun stromaufwärts, der Strahl R14 hingegen stromabwärts verläuft, währenddem sie den Zweig 303d durchlaufen. Die beiden Strahlen R11 und R12 verbleiben dagegen in ihrer mittigen Position. Sämtliche Strahlen werden schliesslich vom Rückkoppelungsspiegel 332 teilweie reflektiert (ausgenommen der vom teildurchlässigen Spiegel 336 ausgekoppelte Anteil), um all die Laserkanalzweige in entgegengesetzer Richtung zu durchlaufen

und zwar in genau derjenigen relativen Lage zueinander, wie es vorstehend beschrieben worden ist.

Aus dem vorangegangenen ist ersichtlich, dass der Laserstrahl in seiner Gesamtheit, beim Durchlaufen des Laserkanal-Resonators,., gebildet durch den Primärspiegel 331 und den teildurchlässigen Spiegel 336 (bzw. den Rückkoppelungsspiegel 332) zum einen in Bezug auf die Gasströmungsebene und zum anderen transversal zu dieser Ebene transponiert worden ist. Dadurch wird erreicht, dass der Laserstrahl, der vom teildurchlässigen Spiegel 336 ausgesandt wird, zweidimensional in Bezug auf Phasenverzerrungen und Geschwindigkeits- sowie Amplitudenvariationen kompensiert worden ist; damit sind diese unerwünschten Effekte ausgeschaltet, die sonst durch das in transversaler Richtung entlang der Laserkanalzweige fliessende Gas verursacht werden.

Der erfindungsgemässe Hochleistungs-Gasstromlaser wurde vorstehend anhand einiger bevorzugter Ausfühungsbeispiele beschrieben. Es versteht sich von selbst, dass im Rahmen der Erfindung zahlreiche weitere Variationen und Modifikationen sowie viele Anwendungsmöglichkeiten denkbar sind.

Claims (9)

1. Patentansprüche

   Π . Hochleistungs-Gasstromlaser mit einem Laserkanal und mit Mitteln zur Erzeugung einer Lasergasströmung, die sich transversal zum Laserkanal erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkanal gefaltet ist und mindestens zwei in einer gemeinsamen Ebene liegende, in einem Winkel zueinander stehende Laserkanalzweige umfasst, wobei zwischen zwei benachbarten Laserkanalzweigen ein einzelner Umlenkspiegel in der Weise angeordnet ist, dass ein Laserstrahlbereich, der einen ersten Zweig-.in Bezug auf den diesen Laserkanalzweig transversal durchströmenden-Gasstrom stromaufwärts verlaufend passiert hat, mittels des genannten Umlenkspiegels in einem zweiten, anschliessenden Laserkanalzweig umgelenkt wird, den er in Bezug auf den diesen Laserkanalzweig transversal durchströmenden Gasstrom stromabwärts durchquert.
2. 2. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der Lasergasströmung in transversaler Richtung zum Laserkanal jeweils einen separaten Gasströmungskanal für jeden der genannten Laserkanalzweige aufweist.
3. 3. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkanal in η in einer gemeinsamen Ebene liegende Zweige unterteilt ist, wobei η eine gerade Zahl grosser als zwei ist und wobei jeweils zwischen zwei benachbart liegenden Zweigen ein einfacher Umlenkspiegel vorgesehen ist.
4. 4. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkanal mehrfach unterteilt ist und zum einen eine gerade Anzahl von zumindest zwei in einer ersten Ebene liegenden Zwei· gen und zum andern eine gerade Anzahl von zumindest zwei weiteren, in einer zweiten Ebene liegenden Zweigen umfasst, wobei jeweils zwischen zwei benachbart liegenden Zweigen ein einfacher Umlenkspiegel vorgese hen ist, und dass weiter ein doppelter Umlenkspiegel zur Koppelung benachbarter Zweige der beiden Ebenen vorhanden ist, in der Weise, dass diese Zweige und diese Umlenkspiegel sowohl parallel als auch transversal zur Gasströmungsrichtung eine Kompensation der durch den Dichtegradienten verursachten Phasenverzerrung, der durch die Umlenkung verursachten Geschwindigkeitsvariationen und der durch den Verstärkungsgradienten bewirkten Amplitudenvariationen bewirken.
5. 5. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkanal mehr als zwei Zweige umfasst, die zusammen eine polygonale Konfiguration aufweisen, wobei jedem Zweig ein getrennter Gasströmungskanal zugeordnet ist und wobei die auslasseitig«

   Ende dieser Gasströmkänale in im wesentlichen radialer Richtung in

   einen gemeinsamen Gasssammelbereich münden.
6. 6. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der in polygonaler Konfiguration angeordneten Laserkanalzweige eine gerade Zahl ist.
7. 7. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vier Laserkanalzweige vorgesehen sind, die entlang den Sei· ten eines Quadrates angeordnet sind.

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8. 8. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 7» dadurch gekennzeich- ' net, dass die vier Laserkanalzweige in einer gemeinsamen Ebene ange- i ordnet sind, wobei zwischen benachbarten Zweigen je ein einfacher ■ Umlenkspiegel vorgesehen ist.
9. 9. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Laserkanalzweige in einer ersten Ebene angeordnet sind und einen dazwischen liegenden, einfachen Umlenkspiegel umfassen, dass ferner zwei weitere Laserkanalzweige in einer zwei- ; ten, parallel dazu liegenden Ebene angeordnet sind und einen dazwischen liegenden, einfachen Umlenkspiegel umfassen, dass ferner ein doppelter Umlenkspiegel zwischen zugeordneten Zweigen der ersten und der zweiten Ebene vorgesehen ist, wobei die Anordnung der Laserkanalzweige und der Umlenkspiegel so getroffen ist, dass abwechslungsweise eine Transposition der die Laserkanalzweige durchlaufenden Laserstrahlen so erfolgt, dass sowohl längs der Gasströmung als auch transversal dazu die durch den Dichtegradienten verursachte Phasenverzerrung, die durch die Umlenkung verursachten Geschwindigkeitsvariation sowie die

   durch den Verstärkungsgradienten verursachten Amplitudenvariationen

   kompensiert werden.