DE3330238C2 - Hochleistungs-Gasstromlaser - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungs- Gasstromlaser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In den letzten Jahren war eine bemerkenswerte Aktivität bei der Entwicklung von Hochleistungs-Gasstromlasern zu beobachten, insbe­ sondere zur Verwendung in der metallbearbeitenden Industrie. Bei­ spiele von einigen Vorschlägen derartiger, bekannter Hochlei­ stungs-Gasstromlasern sind in folgenden USA-Patentschriften offen­ bart: 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 Kon­ struktion derartiger Hochleistungs-Gasstromlaser ist die Abstrah­ lung der Verlustwärme, da solche Geräte bei unzulässig hohen Tem­ peraturen nicht mehr mit optimalem Wirkungsgrad arbeiten können. Als Beispiel sei erwähnt, daß ein CO₂-Laser, der heute hauptsäch­ lich 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 Laserka­ nals 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.

Ein anderes Problem, welches im Zusammenhang mit bekannten Hochleistungs-Gasstromlasern auftritt, ist die optische Verzerrung des ausgesandten Strahles; dies ist zum einen auf die Phasenver­ zerrung zurückzuführen, welche von einem Dichtegradienten inner­ halb des strömenden Gases verursacht wird, zum anderen auch auf Veränderungen der Amplitude, welche von einem Verstärkungsgradien­ ten 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 stromabwärtssei­ tigen Ende des Kanals eine deutlich höhere Temperatur zu beobach­ ten ist. Der Dichtegradient dagegen verläuft umgekehrt zum erwähn­ ten Temperaturgradienten, d. h., die Dichte ist an der stromaufwär­ tigen 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 Gasströmungskanals außerdem ein bemerkenswerter Verstärkungsgradient zu beobachten ist, weil die Verstärkung am stromaufwärtigen Ende des Kanals am höchsten und am stromabwärtigen Ende des Kanals am niedrigsten ist; dies ist dar­ auf zurückzuführen, daß die Besetzungsumkehr vom stromaufwärtigen Ende des Kanals zum stromabwärtigen Ende desselben abnimmt. Der erwähnte Verstärkungsgradient bewirkt somit Variationen in der Am­ plitude des Laserstrahls innerhalb des Laserkanals.

Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, einen Hochleistungs-Gas­ stromlaser zu schaffen, welcher optimiert ist in Bezug auf die Länge des Laserkanals und in Bezug auf die maximale Ausgangslei­ stung bei einer vorgegebenen Größe der Abmessungen des gesamten Systems und welcher nicht nur die vom Dichtegradienten im quer zum Laserkanal fließenden Gasstrom bewirkten Phasenverzerrungen, son­ dern 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 Laser­ gas umfaßt, welcher transversal zum Laserkanal gerichtet ist. Mit einem solchen Laser werden die gestellten Aufgaben erfindungsge­ mäß mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspru­ ches 1 gelöst.

Eine solche Anordnung erlaubt, die durch den Dichtegradienten ver­ ursachten Phasenverzerrungen, die durch die Strömungsumkehr verur­ sachten Variationen der Strömungsgeschwindigkeit und die durch den Verstärkungsgradienten verursachten Amplituden-Variationen im Gas­ strom zu kompensieren, welch letzterer quer zu den genannten Zwei­ gen fließt.

Die Druckschriften US-PS 3 641 457 und DE-OS 22 48 888 offenbaren einen gattungsgemäßen gasgekühlten Laser mit einem einzigen Kanal und einem gefal­ teten Strahl. Dabei ist ein einziger Gasströmungsweg vorhanden, der transversal alle Schenkel des gefalteten Laserstrahls in Serie durchströmt. Bei einer solchen Anordnung ist die Temperatur des Gases, die dem Abwärtszweig des gefalteten Strahls zugeführt wird, wesentlich niedriger als die Temperatur des Gases, das dem Auf­ wärtszweig des falteten Strahls zugeführt wird.

Die Kühlung eines Laserstrahl in einem gefalteten Kanal ist we­ sentlich wirkungsvoller als diejenige in einem einzigen Kanal, in welchem ein gefalteter Laserstrahl verläuft, d. h. als in einer An­ ordnung nach US-PS 3 641 457 oder DE-OS 22 48 888. Deshalb erzeugt der Laser mit gefaltetem Kanal gemäß der vorliegenden Erfindung eine wesentlich höhere Wärmedissipation, was sich in einer wesent­ lich höheren Ausgangsleistung niederschlägt, als es mit den in den erwähnten Druckschriften offenbarten Anordnungen mit einem einzi­ gen Kanal und einem gefalteten Laserstrahl möglich ist.

Weiter ist zu erwähnen, daß bei der Konstruktion mit gefaltetem Kanal, wie in Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung umschrieben, der Laserstrahl stets mit Gas gleichbleibender Temperatur in jedem Zweig der Konstruktion mit gefaltetem Laserkanal beaufschlagt wird. Im Gegensatz dazu wird bei den Anordnungen gemäß vorerwähn­ tem Stand der Technik jeder Teil des Laserstrahls mit Gas unter­ schiedlicher Temperatur beaufschlagt, da das Gas wesentlich kühler ist, wenn es den abwärtsführenden Zweig des Laserstrahls durch­ quert und wesentlich wärmer ist, wenn es den aufwärts führenden Zweig des Laserstrahls durchquert. Es folgt daraus, daß die An­ ordnungen mit einem Kanal, wie sie in den zuvor erwähnten Druck­ schriften offenbart sind, deutlich mehr Phasenverzerrungen verur­ sachen als die Anordnung mit einem gefalteten Kanal gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung ist auch grundsätz­ lich verschieden von der bekannten Technik, wie sie etwa in der Druckschrift DE-OS 25 28 267 beschrieben ist, bei welcher ein La­ serkanal in zwei oder mehr 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 Tech­ nik ist nur ein einzelner Gasströmungskanal vorhanden, welcher das quer zu beiden Zweigen fließende Gas erzeugt. Die vorliegende Er­ findung sieht im Gegensatz dazu vor, daß zwei benachbarte Zweige miteinander einen Winkel einschließen (d. h. einen Winkel von we­ niger 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, bekannten Tech­ nik 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 Kompensa­ tion der durch den Dichtegradienten hervorgerufenen Phasenverzer­ rung 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 be­ nachbart gelegenen Zweigen vorgesehen ist. Besonders gute Resul­ tate 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 gemeinsa­ men Gassammelbereich gerichtet ist. Eine solche Anordnung gewähr­ leistet nicht nur die alternierende Transposition zwischen den zu­ vor erwähnten, stromaufwärts und stromabwärts gerichteten Strah­ len, um eine maximale Kompensation von Phasenverzerrungen sowie von Geschwindigkeits- und Amplitudenvariationen zu erreichen, son­ dern optimiert ebenfalls die Kanallänge des Lasers einerseits und die Ausgangsleistung desselben andererseits, bezogen auf eine be­ stimmte Größe bzw. auf ein bestimmtes Volumen des Gerätes.

In der später folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert werden. Bei einem dieser Ausfüh­ rungsbeispiele kann der Laserkanal in einer einfachen, polygonalen Konfiguration umgelenkt sein, d. h. entlang den Seiten eines Qua­ drates, wie es noch näher beschrieben sein wird. Ein zweites Aus­ führungsbeispiel 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 er­ streckt.

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) ver­ laufen, wobei ein Resonator-Bereich gebildet wird; weitere Zweige des Laserkanals können dann entlang eines zweiten, ähnlichen, ko­ axialen Polygons verlaufen und einen Verstärker-Bereich bilden.

Schließlich ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung vorgesehen, daß der Laserkanal mehrfach gefaltet ist; dabei kann eine Mehrzahl von Zweigen in einer ersten Ebene und eine wei­ tere 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 Ver­ bindungszweigen der beiden Ebenen ein doppelter Umlenkspiegel an­ geordnet 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 Ge­ schwindigkeits- und Amplitudenvariationen in der Gasströmung ge­ währleistet 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 Ausführungsbei­ spieles 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 Fig. 1 und 2 verwendet werden könnte,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines gefalteten Laserkanals mit einem Resonator-Bereich sowie einem Verstärker-Bereich, und

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer weiteren Aus­ führungsform eines Laserkanals mit zweidimen­ sionaler 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 atmosphärischen Druck zu widerstehen. Generell herrscht bei solchen Lasertypen im Inneren ein Druck von ca. 0.2 atm; im Interesse optimaler Betriebsbedin­ gungen, 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 Innen­ druck bis hinunter zu 0.05 atm herrscht. Das Gas besteht vor­ zugsweise 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 Reso­ nators, 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 Umlenkspie­ gel 33 begrenzt; ein weiterer Zweig 3b ist durch die Umlenkspie­ gel 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 be­ grenzt. Der ausgangsseitige Spiegel 36 ist als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet und befindet sich unmittelbar vor dem Rück­ 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 Laser­ strahl 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 Einlässen 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 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 erwie­ sen, im vorliegenden Fall eine hochfrequente, elektrische Entla­ devorrichtung zu verwenden, welche segmentförmige Elektroden bekannter Art umfaßt, um eine sich selbst erhaltende elektri­ sche Entladung zu gewährleisten.

Das Gas, welches durch die Gaskanäle 4a-4b 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 aus­ tritt, 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 Fig. 1 und 2 dargestell­ ten 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 we­ sentlichen quadratische Konfiguration einnehmen. Zwischen jedem Zweigpaar ist ein Umlenkspiegel 33, 34 bzw. 35 vorgesehen. Diese Spiegel sind so angeordnet, daß die Laserstrahlen abwechslungs­ weise von der stromaufwärtigen (bzw. stromabwärtigen) Seite des einen Zweiges zur stromabwärtigen (bzw. stromaufwärtigen) Seite des nächstliegenden, benachbarten Zweiges übertragen werden, dies mit Bezug auf das Gas, welches transversal durch die Zweige fließt. Wie eingangs erwähnt, ermöglicht diese Anordnung, ei­ nerseits die infolge des Druckgradienten entstehende Phasenver­ zerrung und andererseits die Amplitudenvariationen zu kompensie­ ren, welche infolge des Verstärkungsgradienten in der transver­ sal 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 Gasstrom­ kanales 4a, 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 Gas­ strömungskanal, während der Strahl R2 hier an der stromaufwärti­ gen Seite verläuft. Eine ähnliche Umkehr der Verhältnisse er­ folgt 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 die stromabwärtige Seite innerhalb des Zweiges 3d lenkt.

Auf diese Weise wird jegliche durch den Dichtegradienten (der invers zum Temperaturgradienten ist) hervorgerufene Phasenver­ zerrung in einem Zweig durch die Verhältnisse im nachfolgenden, benachbarten Zweig kompensiert; in entsprechender Weise wird auch jede Amplituden- und Geschwindigkeitsvariation eines Zwei­ ges 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 einzel­ nen 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 fest­ gesetzten 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 Leistungs­ verluste, 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 vorm für je­ weils 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 Ampli­ tudenvariation nieder, verglichen mit bekannten Ausführungen.

In der Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsmöglichkeit eines Hochleistungs-Gasstromlasers mit gefaltetem Laserkanal darge­ stellt, welche eine weitere Vergrößerung der Resonatorlänge, bezogen auf ein vorgegebenes Gerätevolumen, erlaubt; gleichzei­ tig 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 La­ serkanal mehrfach umgelenkt ist, um eine Mehrzahl von Zweigen zu bilden, die zusammen eine größere Länge besitzen als die Ge­ samtlänge der sich über ein einzelnes Polygon erstreckenden Zwei­ ge der Ausführung gemäß Fig. 1 und 2. Im einzelnen zeigt

Fig. 3, daß der Laserkanal mehrfach in eine Vielzahl von Zwei­ gen umgelenkt ist, die zusammen die Konfiguration von zwei vollständigen, koaxial angeordneten Quadraten besitzen, so daß sich der Laserkanal über eine Länge erstreckt, die einem Um­ fangswinkel von 720 Grad entspricht; dies im Gegensatz zur Ausführung gemäß Fig. 1 und 2, bei der der entsprechende Umfangswinkel lediglich 360 Grad beträgt.

Auf diese Weise definiert der Laserkanal in der Ausführung gemäß Fig. 3 außerdem einen Resonator zwischen einem Primär­ spiegel 131 und einem Rückkoppelungsspiegel 132. Die dabei zu­ rückgelegte 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 vorge­ sehen, welch letzterer die Auskoppelung des Strahles vom Laser ermöglicht. Die einzelnen Zweige sind folgendermaßen definiert:

• - Der Zweig 103a erstreckt sich zwischen dem Primärspiegel 131 und dem Umlenkspiegel 133;
• - der Zweig 103b erstreckt sich zwischen 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, daß durch den Gaskanal 104b fließt. Entsprechendes gilt für die Zweige 103c und 103g, die vom Gas aus dem Kanal 104c durchströmt wer­ den, sowie für die Zweige 103d und 103h, die beide vom Gas aus dem Kanal 104d durchströmt sind. Weiter 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 zwei­ mal eine Reflexion des Laserstrahls, nämlich zum einen am obe­ ren Ende und zum andern am unteren Ende des Spiegels.

Als Besonderheit bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochleistungs-Gasstromlasers ist hervorzu­ heben, 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 der Laserkanalzweig 103a während des Vorbeifließens am Gasstrom­ kanal 104a stromabwärts vom Gasstrom befindet, während der Laser­ kanalzweig 103e den Kanal 104a an der stromaufwärtigen Seite passiert. Im nächsten Gasstromkanal 104b sind diese Verhältnis­ se umgekehrt, unter Einfluß des Umlenkspiegels 133. Der Laser­ strahl 103b befindet sich nun stromaufwärts bezüglich des Gas­ stromkanals 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 Laser­ strahlen innerhalb jedes Zweiges, wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben, gewährleistet zusätzlich eine Verbes­ serung der Kompensation bezüglich Phasenverzerrungen und Amplitu­ denvariationen im Gas, welches in transversaler Richtung durch jeweils einander zugeordnete Paare von Zweigen fließt. Dazu kommt, daß die Resonatorlänge und die Wärmeabstrahlung, bezo­ gen auf eine vorgegebene Größe des Gerätes, weiter verbessert werden.

In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen 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 nach­ einander umgelenkt, um die erwünschte Kompensation der vom Dichtegradienten hervorgerufenen Phasenverzerrung und die vom Verstärkungsgradienten in der Gasströmung hervorgerufenen Ampli­ tudenvariationen zu kompensieren.

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 teil­ durchlässigen 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 Verstärkerbe­ reichs 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 wer­ den, mit der Wirkung, daß somit abwechslungsweise je einen der erwähnten Kanäle stromaufwärts und anschließend stromabwärts liegt. Die erwünschte Kompensation einerseits der Phasenverzer­ rungen 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 Zwei­ ge, sondern auch dadurch, daß der Laserstrahl innerhalb dessel­ ben Gasströmungskanales abwechslungsweise den Resonatorbereich und den Verstärkerbereich durchströmt.

In der Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, welches in der Lage ist, eine zweidimensionale 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 Laserkanals 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 verlaufen­ den, zweiten Ebene liegen, ebenfalls mit einem dazwischengefüg­ ten, 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 zwei­ mal umgelenkt wird.

Im einzelnen umfaßt der Laserkanal, der in Fig. 5 schematisch dargestellt ist, einen Primärspiegel 331, einen Rückkoppelungs­ spiegel 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 303d 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 ei­ nerseits 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 303d 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, währenddem der Rückkoppelungsspiegel 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 be­ schriebenen 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 zweidimensio­ nale Kompensation, d. h. nicht nur, wie im Zusammenhang mit den Fig. 1-4 beschrieben, in einer Richtung parallel zur Gas­ strömung, sondern auch transversal dazu, um eine weiter verbes­ serte Kompensation der vom Dichtegradienten verursachten Phasen­ verzerrung 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 ver­ läuft; der Strahl R12 befindet sich auf der stromabwärtigen Sei­ te, 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, 59 daß nun der Strahl R11 stromabwärts, der Strahl R12 hingegen stromaufwärts liegt. Die beiden dazwischenliegenden Strahlen R13 und R14 werden bezüglich ihrer relativen Lage nicht verän­ dert, sondern verbleiben in der gleichen Zwischenposition wie im Zweig 303a.

Nachdem die Laserstrahlen zunächst auf den Spiegel 334a und dann auf den Spiegel 334b aufgetroffen sind, - wobei sie von der ersten Ebene des Zweiges 303b zur parallel dazu liegenden Ebene des Zweiges 303c umgeleitet werden -, findet eine relative Lage­ verschiebung insofern statt, als die Strahlen R11 und R12 nun mittig verlaufen, und zwar entlang des parallelen, gegenüberlie­ genden 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 nach­ folgende, einfache Umlenkspiegel 335 bewirkt sinngemäß eine weitere, relative Lageverschiebung der Strahlen, so daß der Strahl R13 nun stromaufwärts, der Strahl R14 hingegen stromab­ wärts verläuft, währenddem sie den Zweig 303d durchlaufen. Die beiden Strahlen R11 und R12 verbleiben dagegen in ihrem mittigen Position. Sämtliche Strahlen werden schließlich vom Rückkop­ pelungsspiegel 332 teilweise reflektiert (ausgenommen der vom teildurchlässigen Spiegel 336 ausgekoppelte Anteil), um all die Laserkanalzweige in entgegengesetzter 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 Ge­ schwindigkeits- sowie Amplitudenvariationen kompensiert worden ist; damit sind diese unerwünschten Effekte ausgeschaltet, die sonst durch das in transversaler Richtung entlang der Laserkanal­ zweige fließende Gas verursacht werden.

Claims (9)

1. Hochleistungs-Gasstromlaser mit Laserkanal und Mitteln zur Er­ zeugung einer Lasergasströmung quer durch den Laserkanal, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkanal gefaltet ist und wenigstens zwei Laserkanalzweige (3a-3d; 103a-103h; 203a-203h; 303a-303d) enthält, die in einer gemeinsamen Laserkanalebene liegend mitein­ ander einen Winkel einschließen und zwischen den beiden Laserka­ nalzweigen einen einzelnen Umlenkspiegel (33-35; 133-136; 233-236; 333, 334a, 335) aufweisen, und daß den Laserkanalzweigen (3a-3d; 103a-103h; 203a-203h; 303a-303d) Gasströmungskanäle (4a-4d; 104a- 104d; 204a-204d) einzeln zugeordnet sind, die strömungsmäßig par­ allel geschaltet sind und deren Strömungsachsen in der Laserka­ nalebene liegen und transversal zu den jeweils zugeordneten Laser­ kanalzweigen (3a-3d; 103a-103h; 203a-203h; 303a-303d) verlaufen, so daß jeder Laserstrahl, der in der Projektion auf die Laserka­ nalebene abseits der Mittelachse des Laserkanals verläuft, beim Übergang vom einen Laserkanalzweig in den nächsten aus der einen Abseitslage in eine bezüglich der Kanalmitte symmetrisch gegen­ überliegende Abseitslage umgelenkt wird und infolgedessen dieser Laserstrahl die Gasströmung abwechselnd im einen Laserkanalzweig näher an der Zuströmseite und im nächst folgenden Laserkanalzweig näher an der Abströmseite des betreffenden Gasströmungskanals durchsetzt.

2. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der Lasergasströmung in transversaler Richtung zum Laserkanal jeweils einen separaten Gasströmungskanal (4a-4d; 104a-104d; 204a-204d; 304a-304d) für je­ den der genannten Laserkanalzweige (3a-3d; 103a-103h; 203a-203h; 303a-303d) aufweist.

3. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Laserkanal in n in einer gemeinsamen Ebene lie­ gende Laserkanalzweige (3a-3d; 103a-103h; 203a-203h) unterteilt ist, wobei n eine gerade Zahl größer als zwei ist und wobei je­ weils zwischen zwei benachbart liegenden Laserkanalzweigen ein einfacher Umlenkspiegel (33-35; 133-136; 233-236;) vorgesehen ist.

4. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Laserkanal mehrfach unterteilt ist und zum ei­ nen eine gerade Anzahl von zumindest zwei in einer ersten Ebene liegenden Laserkanalzweigen (303a, 303b) und zum anderen eine ge­ rade Anzahl von zumindest zwei weiteren, in einer zweiten Ebene liegenden Laserkanalzweigen (303c, 303d) umfaßt, wobei jeweils zwischen zwei benachbart liegenden Laserkanalzweigen (303a und 303b; 303c und 303d) ein einfacher Umlenkspiegel (333; 335) vorge­ sehen ist, und daß weiter ein doppelter Umlenkspiegel (334a, 334b) zur Koppelung benachbarter Laserkanalzweige (303b, 303c) der beiden Ebenen vorhanden ist, in der Weise, daß diese Laserkanal­ zweige und diese Umlenkspiegel sowohl parallel als auch transver­ sal zur Gasströmungsrichtung eine Kompensation der durch den Dich­ tegradienten verursachten Phasenverzerrung, der durch die Umlen­ kung verursachten Geschwindigkeitsvariationen und der durch den Verstärkungsgradienten verursachten Amplitudenvariationen bewir­ ken.

5. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Laserkanal mehr als zwei Laserkanalzweige (3a- 3d; 103a-103h; 203a-203h; 303a-303d) umfaßt, die zusammen eine polygonale Konfiguration aufweisen, wobei jedem Laserkanalzweig ein getrennter Gasströmungskanal (4a-4d; 104a-104d; 204a-204d; 304a-304d) zugeordnet ist und wobei die auslaßseitigen Enden die­ ser Gasströmungskanäle in im wesentlichen radialer Richtung in ei­ nen gemeinsamen Gassammelbereich münden.

6. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anzahl der in polygonaler Konfiguration ange­ ordneten Laserkanalzweige (3a-3d; 103a-103h; 203a-203h; 303a-303d) eine gerade Zahl ist.

7. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vier Laserkanalzweige (3a-3d) vorgesehen sind, die entlang den Seiten eines Quadrates angeordnet sind.

8. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vier Laserkanalzweige (3a-3d) in einer gemein­ samen Ebene angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Laserka­ nalzweigen je ein einfacher Umlenkspiegel (33-35) vorgesehen ist.

9. Hochleistungs-Gasstromlaser nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei benachbarte Laserkanalzweige (303a, 303b) in einer ersten Ebene angeordnet sind und einen dazwischen liegenden, einfachen Umlenkspiegel (333) umfassen, daß ferner zwei weitere Laserkanalzweige (303c, 303d) in einer zweiten, parallel dazu lie­ genden Ebene angeordnet sind und einen dazwischen liegenden, ein­ fachen Umlenkspiegel (335) umfassen, daß ferner ein doppelter Um­ lenkspiegel (334a, 334b) zwischen zugeordneten Laserkanalzweigen (303b und 303c) 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 so­ wohl längs der Gasströmung als auch transversal dazu die durch den Dichtegradienten verursachte Phasenverzerrung, die durch die Um­ lenkung verursachten Geschwindigkeitsvariation sowie die durch den Verstärkungsgradienten verursachten Amplitudenvariationen kompen­ siert werden.