DE3810604A1 - Gaslaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gaslaser mit einem kreis­ zylindrischen Gehäuse, in dem sich eine erste, sich über die Gehäuselänge erstreckende, zentral angeord­ nete Elektrode befindet, um die herum eine zweite Elek­ trode koaxial angeordnet ist, und mit einem die erste Elektrode ringförmig umgebenden Anregungsraum für das Lasergas.

Ein solcher Gaslaser ist beispielsweise aus der DE-OS 33 43 488 bekannt.

Dieser bekannte Gaslaser ist beidseitig durch optische Spiegel und gegebenenfalls durch zusätzliche Gehäuse­ deckel gasdicht abgeschlossen. Um bei Hochleistungsbe­ trieb die notwendige Kühlung des Lasergases zu ermög­ lichen, werden bei dieser bekannten Konstruktion in den ringförmigen Anregungsraum des Lasergases hinein­ ragende Kühlrippen vorgesehen. Diese haben jedoch einen erheblichen Raumbedarf, so daß ein Teil des An­ regungsraumes für das Lasergas dadurch verlorengeht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Gaslaser so zu verbessern, daß das Lasergas im Anre­ gungsraum auch bei Hochleistungsbetrieb keine zu hohe Aufheizung erfährt.

Diese Aufgabe wird bei einem Gaslaser der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Anregungsraum in axialer Richtung von dem Laser­ gas durchströmt ist. Eine solche Durchströmung führt dazu, daß dem Anregungsraum immer wieder kühles La­ sergas zugeführt wird, während das durch die Anregung aufgeheizte Lasergas den Anregungsraum wieder verläßt. Bei extremem Hochleistungsbetrieb kann die Durch­ strömung sehr schnell erfolgen, so daß die den ring­ förmigen Anregungsraum durchsetzende Gasmenge und da­ mit auch die Wärmeabfuhr sehr hoch werden. Es ergibt sich auf diese Weise eine durch die koaxiale Elektro­ denanordnung sehr kompakte und für Hochleistungsbe­ trieb geeignete Lasereinheit, deren Bauteile durch den Lasergasstrom unmittelbar gekühlt werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß an beiden Stirnseiten des ringförmigen Anregungs­ raumes Spiegel angeordnet sind, von denen mindestens einer ringförmig ausgebildet ist und eine zentrale Durchströmöffnung für das Lasergas aufweist. Es ist dabei vorteilhaft, wenn der Durchmesser der Durch­ strömöffnung dem der ersten, zentral angeordneten Elektrode entspricht. Man erhält dann einen ring­ förmigen Spiegel, der den gesamten Querschnitt des Anregungsraumes abdeckt und der gleichzeitig eine möglichst große Durchströmöffnung für das Lasergas bildet.

Es ist dabei weiterhin vorteilhaft, wenn die erste, zentral angeordnete Elektrode an ihrem, der Durch­ strömöffnung zugewandten Ende Umlenkflächen aufweist, die das durch die Durchströmöffnung eintretende La­ sergas in den ringförmigen Anregungsraum umlenken.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn in der Durchström­ öffnung eine Fördereinrichtung für das Lasergas ange­ ordnet ist, beispielsweise ein Gebläse oder eine Gas­ turbine.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß die zweite Elektrode koaxial von einem Rückströmraum umgeben ist, in dem das aus dem Anregungsraum austretende Lasergas zum Einströmende des Anregungsraumes zurückgeführt wird. Das Lasergas wird bei dieser Anordnung in einem ab­ geschlossenen Kreislauf geführt, wobei es vorteilhaft ist, wenn in dem Rückströmraum Kühleinrichtungen für das Lasergas angeordnet sind, beispielsweise strö­ mungsparallel angeordnete Kühlrippen.

Um eine weitere Leistungssteigerung zu erreichen, kann vorgesehen sein, daß mehrere vom Lasergas axial durch­ strömte, koaxiale Elektroden aufweisende Lasereinhei­ ten nebeneinander angeordnet sind, daß an ihren Stirn­ seiten ringförmige Umlenkspiegel mit zentralen Durch­ strömöffnungen für den Lasergasstrom angeordnet sind und daß die Umlenkspiegel gegenüber der Längsachse des Anregungsraumes derart geneigt sind, daß die vom Lasergas emittierte Strahlung nacheinander durch alle Lasereinheiten geführt wird. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Längsachsen der Lasereinheiten parallel zueinander angeordnet sind und wenn die Um­ lenkspiegel zu den Längsachsen jeweils um 45° geneigt sind. Man erhält dann eine besondere kompakte Bau­ einheit aus nebeneinanderliegenden Lasereinheiten, die beispielsweise gemeinsam durch parallele Laser­ gasströme beschickt werden können und deren Laser­ strahlengang durch die geneigte Anordnung der Ring­ spiegel gefaltet wird. Obwohl also die Stirnseiten der Lasereinheiten für den Zustrom und den Abstrom des La­ sergases freigehalten werden, kann die Laserstrahlung nacheinander mehrere derartige Lasereinheiten durch­ setzen.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann auch vor­ gesehen sein, daß das Einström- und das Ausströmende jeder Lasereinheit mit einem Rückführkanal in Ver­ bindung steht, in dem sich eine Gasfördervorrichtung befindet, beispielsweise ein Gebläse oder eine Gas­ turbine.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungs­ formen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung zur näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Gaslaseranordnung mit mehreren nebeneinander angeordneten, axial durchströmten Lasereinheiten;

Fig. 2 eine Seitenansicht einer in der Anordnung gemäß Fig. 1 verwendbaren Lasereinheit mit Gasrückführung;

Fig. 3 eine Längsschnittansicht einer axial durch­ strömten Gaslasereinheit mit koaxialen Elek­ troden und

Fig. 4 eine Schnittansicht längs Linie 4-4 in Fig. 3.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Laseranordnung sind nur die notwendigsten Teile wiedergegeben, um die Übersichtlichkeit zu erhöhen. Diese Laseranordnung umfaßt insgesamt drei Lasereinheiten 1, die unter­ einander weitgehend gleich aufgebaut sind. Es wird daher im folgenden nur die mittlere Lasereinheit 1 näher erläutert. Diese umfaßt ein kreiszylindrisches Gehäuse 2, das an beiden Stirnseiten 3, 4 offen ist. Auf der Längsachse des Gehäuses ist eine zentrale, rohrförmige Elektrode 5 angeordnet, die zwischen sich und dem Gehäuse 2 einen im Querschnitt ringförmigen Anregungsraum 6 bildet.

Das Gehäuse 2 wird unmittelbar umgeben von einer äußeren Elektrode 7, die als Zylindermantel ausge­ bildet sein kann, die aber auch aus einzelnen in Um­ fangsrichtung voneinander getrennten Segmenten beste­ hen kann. Die Segmente können auch in Längsrichtung des Gehäuses voneinander getrennt sein, jedoch lie­ gen alle sich dann ausbildenden Abschnitte dieser Elektrode jeweils an demselben Hochfrequenzwechsel­ feld, d.h. alle diese Abschnitte sind mit einem Aus­ gang eines Hochfrequenzsenders verbunden, dessen anderer Ausgang mit der inneren Elektrode 5 in Verbindung steht. Die Elektrode 5 wird üblicherweise einstückig ausgeführt.

Die gesamte beschriebene Anordnung ist bezüglich der Gehäuselängsachse rotationssymmetrisch.

An beiden Enden jeder Lasereinheit ist jeweils ein ring­ förmiger Spiegel 8 bzw. 9 angeordnet, die bei der mitt­ leren Einheit gegenüber der Längsachse des Gehäuses 2 um 45° geneigt sind. Die ringförmige Spiegelfläche der Spiegel 8 und 9 überdeckt die gesamte Querschnittfläche des ringförmigen Anregungsraumes 6 und umgibt eine zen­ trale Durchströmöffnung 10, deren Projektionsfläche auf die Stirnseiten 3 und 4 des Gehäuses 2 der Querschnitts­ fläche der inneren Elektrode 5 entspricht. Die Durch­ strömöffnungen 10 der beiden Spiegel 8 und 9 bilden zusammen mit dem ringförmigen Anregungsraum 6 einen Strömungskanal für ein Lasergas, das durch die Durch­ strömöffnung 10 im Spiegel 8 in die Lasereinheit ein­ tritt und durch die Durchströmöffnung 10 im Spiegel 9 wieder aus dieser austritt, wie es durch die Pfeile in Fig. 1 angedeu­ tet ist. Dabei wird die Umströmung der inneren Elek­ trode 5 dadurch erleichtert, daß diese eingangssei­ tig und ausgangsseitig Umlenkflächen 11 bzw. 12 trägt, beispielsweise im dargestellten Ausführungsbeispiel kugelkalottenförmige Endflächen.

Aus der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist nicht zu entnehmen, wie das Lasergas vor dem Eintritt in die Durchströmöffnungen des Spiegels 8 und nach dem Austritt aus den entsprechenden Durchströmöffnungen in den Spiegeln 9 geführt wird. Eine Möglichkeit für die Gasführung ist in Fig. 2 dargestellt. An beide Enden der Lasereinheit 1 sind 180°-Rohrkrümmer 13 bzw. 14 angeschlossen, die über ein parallel zur Laserein­ heit 1 verlaufendes Rohrstück 15 miteinander in Ver­ bindung stehen, so daß sich ein geschlossener Kreis­ lauf für das Lasergas ergibt. Im Rohrstück 15 kann ein Gebläse oder eine Hochleistungsturbine angeord­ net sein, die den Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit umwälzt, außerdem werden insbesondere in diesem Be­ reich Kühleinrichtungen vorgesehen, die den Gasstrom kühlen. Dies kann beispielsweise durch eine Flüssig­ keitskühlung der Rohrstückwandung 15 und durch achs­ parallel verlaufende, in den Innenraum des Rohrstüc­ kes 15 ragende Kühlrippen erfolgen, die im einzelnen in Fig. 2 nicht dargestellt sind. Jede der in Fig. 1 dargestellten Lasereinheiten kann in dieser Weise mit einem eigenen, geschlossenen Kreislauf versehen werden, wobei sich die Rohrkrümmer dann vorzugsweise senkrecht zur Zeichnungsebene in Fig. 1 erstrecken.

Bei der Anordnung der Fig. 1 sind mehrere gleich auf­ gebaute Lasereinheiten nebeneinander angeordnet, die jeweils für sich von dem Lasergas durchströmt werden und somit bei entsprechender Hochfrequenzanregung Laserstrahlung emittieren können. Durch die geneigte Anordnung der Ringspiegel wird die Laserstrahlung nach zweimaliger Reflexion an den Ringspiegeln in die jeweils benachbarte Lasereinheit geführt, so daß die Laserstrahlung nacheinander alle nebeneinander angeordneten Lasereinheiten durchsetzen kann. Dabei ist wesentlich, daß durch die Parallelanordnung der Lasereinheiten die stirnseitigen Enden der Laserein­ heiten freigegeben sind, so daß eine axiale Durch­ strömung der einzelnen Lasereinheiten ohne Schwierig­ keiten vorgenommen werden kann. Eine solche störungs­ freie, axiale Durchströmung wäre ohne erhöhte Aufheizung des Lasergases nicht möglich, wenn mehrere Lasereinheiten unmittelbar hintereinander angeordnet sind.

Im übrigen wird darauf hingewiesen, daß die jeweils letzte Lasereinheit an einer Seite einen ringförmi­ gen Spiegel 16 aufweist, der nicht gegenüber der Längs­ achse geneigt ist, sondern der genau senkrecht auf der Längsachse steht und die auftreffenden Lichtstrah­ len in sich zurückwirft.

In den Fig. 3 und 4 ist eine Lasereinheit dargestellt, die vorzugsweise im Einzelbetrieb eingesetzt wird, also nicht in einer Nebeneinanderanordnung gemäß der Anordnung der Fig. 1.

Die dort dargestellte Lasereinheit umfaßt ein beid­ seitig offenes, kreiszylindrisches Gehäuse 22, das aus dielektrischem Material, vorzugsweise aus Glas, besteht und das über achsparallel verlaufende Stege 21 mit einem das Gehäuse 22 koaxial umgebenden Außenmantel 20 verbunden ist.

Im inneren des rohrförmigen Gehäuses 22 ist auf der Längsachse eine sich über den größten Teil der Länge des Gehäuses 22 erstreckende, zentrale Elektrode 25 angeordnet, die insgesamt rohrförmig ausgebildet ist und an einem Ende sich konisch erweiternde Umlenk­ flächen 31 aufweist, während auf der gegenüberlie­ genden Seite die innere Elektrode 25 durch eine halb­ kugelförmige Umlenkfläche 32 abgeschlossen ist. Die Elektrode 25 ist hohl ausgebildet und weist in der Zeichnung nicht näher dargestellte Kanäle auf, durch die eine Kühlflüssigkeit in das Innere eintreten und wieder aus dem Elektrodeninneren austreten kann. Da­ zu ist die innere Elektrode 25 mit einem dünnen Hal­ terohr 37 verbunden, das zentral durch die geschlosse­ ne Stirnseite 38 des Außenmantels 20 hindurchgeführt ist. Das Halterohr 37 bildet gleichzeitig eine elek­ trische Verbindung der inneren Elektrode 25 mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Hochfrequenz- Spannungsquelle.

Die innere Elektrode 25 bildet zusammen mit dem sie konzentrisch umgebenden Gehäuse 22 einen im Quer­ schnitt ringförmigen Anregungsraum 26, der durch seit­ liche Öffnungen 19 zwischen den Stegen 21 mit einem das rohrförmige Gehäuse 22 koaxial umgebenden, im Querschnitt ringförmigen Rückströmraum 33 in Ver­ bindung steht. Dieser Rückströmraum mündet über ent­ sprechende Öffnungen 18 zwischen den Stegen 21 auf der anderen Seite des Gehäuses 22 in das Innere des Gehäuses 22 ein.

Der Anregungsraum 26 ist an einer Seite durch einen Ringspiegel 28 verschlossen, der eine zentrale Durch­ strömöffnung 30 aufweist. Der Querschnitt des Ring­ spiegels 28 entspricht dem Querschnitt des Anre­ gungsraumes 26, während der Querschnitt der Durch­ strömöffnung 30 dem Querschnitt der inneren Elektrode 25 entspricht. Im Inneren der Durchströmöffnung 30 ist eine Gasturbine 34 angeordnet, die von einem Elek­ tromotor 35 betrieben wird, der an der Innenwand der Stirnseite 38 gehalten ist. Die gesamte Lasereinheit ist mit einem Lasergas gefüllt, welches durch die Gas­ turbine 34 derart umgewälzt wird, daß ein den Anre­ gungsraum 26 axial durchlaufender Gasstrom entsteht, der an dem auslaßseitigen Ende des Anregungsraumes 26 in den Rückströmraum 33 umgelenkt wird und von dort wieder zur Saugseite der Gasturbine 34 gelangt, wie dies in Fig. 3 durch die Pfeile dargestellt ist.

Die der Stirnseite 38 des Außenmantels 20 gegenüber­ liegende Stirnseite 39 weist eine zentrale Öffnung 40 auf, in die ein Spiegel 29 eingesetzt ist, dessen Querschnitt dem Querschnitt des Gehäuses 22 entspricht.

Auf der Außenseite des Gehäuses 22 ist dieses über seinen gesamten Umfang mit einer äußeren Elektrode 27 belegt, die in dem dargestellten Ausführungsbei­ spiel aus einer größeren Anzahl von sich über einen bestimmten Winkelbereich erstreckenden Einzelsegmen­ ten 47 besteht (Fig. 4). Jedes dieser Einzelsegmente 47 ist über einen durch den Außenmantel 20 nach außen führenden Anschluß 38 mit dem einen Ausgang eines Hoch­ frequenzsenders verbunden, dessen anderer Ausgang mit der inneren Elektrode 25 in Verbindung steht. Die Einzelsegmente 47 sind außen von einer Isolations­ schicht 49 überdeckt, so daß eine Entladung gegenüber dem geerdeten Außenmantel 20 verhindert wird.

In den Rückströmraum 33 ragen vom Außenmantel 20 her radial nach innen gerichtete Kühlrippen 50 hinein, durch die eine gemeinsame Kühlmittelleitung 52 hin­ durchführt. Auf diese Weise wird das an den Kühlrip­ pen 50 vorbeiströmende Lasergas intensiv gekühlt, so daß bei dem Durchtritt des Lasergases durch den Anre­ gungsraum 26 aufgenommene Wärme nach außen abgegeben werden kann.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Lasereinheit stellt eine abgeschlossene Baueinheit dar, die äußerst kompakt aufgebaut ist und durch die intensive Durch­ strömung des Anregungsraumes zur Abgabe hoher Lei­ stungen geeignet ist. Der ringförmige Anregungsraum kann Abmessungen von beispielsweise 100 bis 200 Milli­ meter Länge sowie 100 Millimeter Innendurchmesser und 180 Millimeter Außendurchmesser haben. Die Längsab­ messungen sind dabei abhängig von der Gasgeschwindig­ keit, die üblicherweise unterhalb von 0,4 Mach liegt, also beispielsweise bei einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 200 bis 250 Metern/Sekunde. Als La­ sergas kann ein Gemisch aus 75 Volumenprozent Helium, 20 Volumenprozent Stickstoff und 5 Volumenprozent Kohlendioxid verwendet werden, die Frequenz der Anre­ gungsspannungsquelle kann beispielsweise bei 27 MHz liegen. Es ist dann bei praktischen Ausführungsbei­ spielen möglich, pro 100 Millimeter Länge bis zu 30 kW Hochfrequenzleistung einzukoppeln, die zu einer Strah­ lungsleistung von 3 bis 4 kW führen.

Die Auskoppelung der im Anregungsraum erzeugten Strah­ lung erfolgt über den Spiegel 29, der dabei ausgekop­ pelte hohlzylindrische Strahl kann beispielsweise durch einen Parabolspiegel und einen in dessen Brenn­ punkt angeordneten, konvexen, annähernd kugelförmigen Spiegel in einen rotationssymmetrischen und zylindri­ schen Strahl umgewandelt werden.

Die Dimensionierung der beiden Elektroden, also der Durchmesser der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode, sowie die Breite der Streifenelektroden muß so durchgeführt werden, daß einerseits der ganze Querschnitt zwischen Innenelektrode und Gehäuse 22 gleichmäßig mit Plasma erfüllt ist, also mit angereg­ tem Lasergas, daß aber andererseits auch die Hochfre­ quenzimpedanz des Plasmas, gemessen von einer Außen­ elektrode zur inneren Elektrode, möglichst nahe an den Innenwiderstand des zur Ansteuerung verwendeten Hochfrequenzsenders herankommt. Dabei ist die Länge der einzelnen Segmente einer Außenelektrode so zu dimensionieren, daß sie beispielsweise eine Hochfre­ quenzleistung von einigen kW aufnehmen kann.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 und 4 ist vorteilhaft, daß die Strömungsgeschwindigkeit des rückströmenden Lasergases aufgrund des größeren Querschnittes des Rückströmraumes kleiner ist als die Strömungsgeschwin­ digkeit im Anregungsraum, so daß eine besonders ef­ fektive Kühlung des rückströmenden Gases möglich wird. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 und 4 wird der Anregungsraum in Richtung der angegebenen Pfeile von dem Lasergas durchströmt, prinzipiell wäre es auch möglich, den Anregungsraum in der umgekehrten Richtung zu durchströmen.

Claims (10)

1. Gaslaser mit einem kreiszylindrischen Gehäuse, in dem sich eine erste, sich über die Gehäuselänge erstreckende, zentral angeordnete Elektrode be­ findet, um die herum eine zweite Elektrode ko­ axial angeordnet ist, und mit einem die erste Elektrode ringförmig umgebenden Anregungsraum für das Lasergas, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Anregungsraum (6; 26) in axialer Richtung von dem Lasergas durchströmt ist.

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an beiden Stirnsei­ ten des ringförmigen Anregungsraumes (6; 26) Spie­ gel (8, 9; 28, 29) angeordnet sind, von denen mindestens einer ringförmig ausgebildet ist und eine zentrale Durchströmöffnung (10; 30) für das Lasergas aufweist.

3. Gaslaser nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Durchmesser der Durchströmöffnung (10; 30) dem der ersten, zen­ tral angeordneten Elektrode (5; 25) entspricht.

4. Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste, zentral angeordnete Elektrode (5; 25) an ihrem der Durch­ strömöffnung (10; 30) zugewandten Ende Umlenkflä­ chen (11; 31) aufweist, die das durch die Durch­ strömöffnung (10; 30) eintretende Lasergas in den ringförmigen Anregungsraum (6;26) umlenken.

5. Gaslaser nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Durchströmöffnung (30) eine Fördereinrichtung (34) für das Lasergas angeordnet ist.

6. Gaslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (27) koaxial von einem Rück­ strömraum (33) umgeben ist, in dem das aus dem Anregungsraum (26) austretende Lasergas zum Ein­ strömende des Anregungsraumes (26) zurückgeführt wird.

7. Gaslaser nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem Rückström­ raum (33) Kühleinrichtungen (50, 51) für das Lasergas angeordnet sind.

8. Gaslaser nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere vom Lasergas axial durchströmte, koaxiale Elektroden (5, 7) aufweisende Lasereinheiten (1) nebeneinander angeordnet sind, daß an ihren Stirn­ seiten ringförmige Umlenkspiegel (8, 9) mit zen­ tralen Durchströmöffnungen (10) für den Lasergas­ strom angeordnet sind und daß die Umlenkspiegel (8, 9) gegenüber der Längsachse des Anregungsrau­ mes (6) derart geneigt sind, daß die vom Laser­ gas emittierte Strahlung nacheinander durch alle Lasereinheiten (1) geführt wird.

9. Gaslaser nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Längsachsen der Lasereinheiten (1) parallel zueinander angeordnet sind, und daß die Umlenkspiegel (8, 9) zu den Längs­ achsen jeweils um 45° geneigt sind.

10. Gaslaser nach einem der Ansprüche 8 oder 9, da­ durch gekennzeichnet, daß das Einström- und das Ausströmende jeder Laser­ einheit (1) mit einem Rückführkanal (13, 14, 15) in Verbindung steht, in dem sich eine Gasförder­ vorrichtung befindet.