DE3821580C2 - CO¶2¶-Leistungslaser mit modularem Aufbau - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen CO₂-Leistungslaser mit einer Vorrichtung nach Patent 37 34 520.

Auf dem Gebiet der Leistungslaser ist es wünschenswert, einen Strahl hoher Energie zu erzeugen, der möglichst im TEM₀₀-Mode strahlt. Es ist auch wünschenswert, höhere Leistungen zu erzielen.

Bei den bisher bekannten Lasern waren stets Sonderkonstruktionen insofern notwendig, als z. B. ein 500-Watt-Laser andere Abmessungen hat als ein 1000-Watt-Laser und dieser wesentlich andere Abmessungen hat als z. B. ein 5000-Watt-Laser. Alle diese Laser mußten hinsichtlich Kühlung, Kühlwasserfluß, Gasfluß, Zuführen und Abführen der Pumpenergie doch irgendwie unterschiedlich ausgelegt werden. Dies zieht nicht nur Sonderkonstruktionen in der Herstellung nach sich. Viel­ mehr wird dadurch auch die Wartung schwierig. Es ist auch kaum möglich, z. B. von einem 500-Watt-Laser auszugehen und diesen dann später auf 1000 Watt zu bringen. Ein solcher Umbau ist kostenmäßig nicht vertretbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung anzugeben, durch die man auf der Basis des eingangs genannten Lasers auf einfache und rationelle Weise unter Beibehaltung praktisch sämtlicher Konstruktionselemente die Laserenergie vervielfachen kann.

Erfindungsgemäß wird dies durch die aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ersichtlichen Merkmale gelöst. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis daß man einen solchen Laser als Grundbaustein verwenden kann und zur Verdopplung der Energie kommt wenn man zwei Grundbausteine erfindungsgemäß koppelt, die Energie verdreifacht, wenn man drei Grundbau­ steine verwendet usw. Man ist also in der Lage, wie bei den Explosionsmotoren, wo es ja auch Einzylinder, Zweizylinder usw. gibt, das gleiche Prinzip durch Vervielfachen einer "Urzelle" anzuwenden. Als neues Bauelement ist lediglich ein Verbindungsflansch vorzusehen, der jedoch im wesentlichen nichts anderes ist als ein gedoppelter Eck-Zwischenflansch, allerdings ohne Umlenkspiegel.

Verbindet man zwei solche Bausteine miteinander, dann spart man einen Umlenk­ spiegel, einen Totalreflexionsspiegel und einen Auskoppelspiegel. Dies hat ersichtlich für sich schon viele Vorteile in Bezug auf Kosten, Verbesserung des Modes, noch einfachere Kühlung, besserer Gasfluß (denn durch den Verbindungs­ strang läuft das Gas linear hindurch und nicht etwa um die Ecke). Weniger Spiegel bedeutet auch einfachere Justierung. Da die Spiegel teuer sind, spart man auch erhebliches an Geld. Der Aufbau bleibt übersichtlich, auch wenn man mehrere Grundbausteine zusammensetzt. Dies bedeutet, daß man Zuführungen wie z. B. für die Elektrizität oder dergleichen wesentlich systema­ tischer und ordentlicher aufbauen kann. Das Prinzip läßt sich durch Verviel­ fachung aus sich selbst heraus wiederholen. Man braucht also nicht neu zu berechnen, denn alle Bauteile einschließlich der Turbine bleiben gleich. Sozu­ sagen die einzige Unstetigkeit im ganzen System ist lediglich der Total­ reflexionsspiegel und der Auskoppelspiegel. Der einzelne Baustein ist mit einer charakteristischen Ausdehnung von weniger als 1m bei z. B. 500 Watt Ausgangs­ leistung sehr klein.

Die Verbindung von drei oder mehr Modulen erfolgt gemäß Anspruch 2 jeweils über ihre an den Ecken angeordneten Verbindungsflansche, so daß die Module nach Art der Felder eines Schachtbrettmusters versetzt gegeneinander angeordnet sind.

Wenn man in einem Raum der Länge nach Platz hat, empfiehlt sich eine treppenartige Verbindung der Module, wie in Fig. 6 dargestellt. Ist in einem Raum der Länge und Breite nach gleich viel Platz vorhanden, so empfiehlt sich eine Anordnung gemäß Fig. 7. Bei der Bereitstellung eines Lasers mit vier Modulen ist es ebenfalls möglich, die Module so anzuordnen, daß drei Module mit den drei Ecken eines mittleren Moduls verbunden sind. Hierdurch wird vermieden, daß zwei der Module nur auf einem Teil der Gasrohrstränge arbeiten. Bei 5 Modulen empfiehlt es sich, diese so anzuordnen, daß 4 Module mit vier Ecken eines mittleren Moduls verbunden sind.

Die Merkmale des Anspruchs 3 weisen darauf hin, daß man diese Baueinheiten auch mehrdimensional anordnen kann.

Nachfolgend wird eine Baueinheit gemäß dem Patent 33 34 570 beschrieben, auf die sich die Fig. 1 bis 4 beziehen. Die Fig. 5 bis 11 zeigen den erfindungsgemäßen Aufbau. ln der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen waagrecht stehenden Laser,

Fig. 2 eine Draufsicht gemäß Fig. 1, jedoch größer, mit einer Darstellung des Innenlebens der Tischplatte,

Fig. 3 eine Ansicht gemäß dem Pfeil 3 in Fig. 1,

Fig. 4 eine Ansicht wie Fig. 3, jedoch vergrößert, teilweise aufgebrochen, mit dem Innenleben des Motorgehäuses, des Gebläseflansches und eine gestrichelte Darstellung von Teilstrecken,

Fig. 5 die Koppelung zweier Baueinheiten, entstanden im wesentlichen aus der Verdopplung der Fig. 1,

Fig. 6 eine schematische Darstellung für die Anordnung von drei Baueinheiten,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer anderen Anordnung von drei Baueinheiten,

Fig. 8 eine schematische Darstellung von fünf Baueinheiten,

Fig. 9 eine schematische Darstellung zur Koppelung von 4×4 = 16 Baueinheiten,

Fig. 10 eine Darstellung, wie vier Baueinheiten nicht gekoppelt werden dürfen und

Fig. 11 eine schematische Darstellung der Anordnung von Fig. 9 von der Seite gesehen und einer weiteren Verdoppelung durch Anordnung der Bau­ einheiten in zwei Ebenen.

Ein CO₂-Laser 11 mit einer Ausgangsleistung von 500 W steht auf einem Tisch 12 und ist fest mit diesem verbunden. Unterhalb des Tisches 12 ist ein Turboradial- Gebläse 13 vorgesehen, das fest unter den Tisch 12 geschraubt ist. Die in Fig. 3 und 4 dargestellte Vorrichtung ist eine Einheit. Sie steht auf einem nicht gezeichneten Gestell. Der Laser hat eine strichpunktiert gezeichnete Strahl­ strecke 14. Sie verläuft quadratisch. Die Strahllänge ist 2650 mm. Der Durch­ messer des Strahls ist 10 mm und er strahlt im TEM₀₀-Mode.

Die Strahlstecke 14 umfaßt drei Eck-Zwischenflansche 16, 17, 18, die sowohl schematisch dargestellte 45°-Spiegel beherbergen als auch Fassungen 19 für Gasrohre haben. Am vierten Eck ist ein Endflansch 21 vorgesehen, der einen total reflektierenden Spiegel 22 und einen Auskoppelspiegel 23 aufweist. lm End­ flansch 21 kreuzt sich die Strahlstrecke 14 mit 90°. Genau in der Mitte zwischen dem ersten Eck-Zwischenflansch 16 und dem zweiten Eck-Zwischenflansch 17 liegt in einem ersten Gasrohrstrang 24 ein erster Durchgangsflansch 25, der an seinen beiden Seiten Fassungen 19 aufweist. Zwischen dem Eck-Zwischenflansch 16 verläuft ein Gasrohr 27, das an seinen beiden Enden gasdicht gefaßt ist und zwischen dem Durchgangsflansch 26 und dem Eck-Zwischenflansch 17 liegt ein Gasrohr 28, das in Fassungen 19 gasdicht gefaßt ist. Beide Gasrohre 27, 28 sind von HF-Elektroden 30 umgeben. Im zweiten Gasrohrstrang 29 liegt genau in der Mitte ein zweiter Durchgangsflansch 31. Im dritten Gasrohr­ strang 32 liegt genau in der Mitte ein dritter Durchgangsflansch 33 und im vierten Gasrohrstrang 34 liegt ein vierter Durchgangsflansch 36. Die Gasrohr­ stränge stehen jeweils senkrecht zueinander und bilden wenn man einmal die über den Kreuzungspunkt 37 hinausgehende Strahlstrecke vernachlässigt, ein geometrisches Quadrat. Da die Verhältnisse hinsichtlich der Gasrohre 27, 28 und der Elektroden 30 in den Strängen gleich sind, brauchen sie nicht weiter erläutert zu werden.

Durch die Ecken des Quadrats gezogene Diagonalen 38, 39 haben einen Schnitt­ punkt 41.

Der Tisch 12 bildet - abgesehen von den sichtbaren Abschrägungen an den Ecken - ebenfalls ein Quadrat mit einer Kantenlänge von 850 mm. Seine Höhe ist 80 mm. Er hat eine ebene Oberwand 42 und eine ebene Unterwand 43, die jeweils einstückige Stahlplatten sind. Die Stahlplatte selbst ist mit Ausnahme der bestimmungsgemäß vorgesehenen Öffnungen gasdicht. Der Tisch 12 hat an seinem Umfang Umfangswände 44 die den so gebildeten Hohlraum 46 gasdicht nach außen abschließen und mit der Oberwand 42 und der Unterwand 43 ver­ schweißt sind. Die Unterwand 43 hat koaxial zum Schittpunkt 41 ein zentrales Loch 47. Auf einem Radius von etwa 1/3 einer Diagonallängenhälfte hat die Unterwand vier Löcher 48 49, 51, 52. Durch die Löcher 49, 52 geht die Diagonale 39 und durch die Löcher 48, 51 geht mittig die Diagonale 38. An der Unterseite der Unterwand 43 ist ein Gehäuse 53 des GebIäses 13 gas­ dicht festgeschraubt. Ein Motor 54 hat einen Stator 56 und einen Rotor 57, dessen Welle 58 eine geometrische Längsachse 59 hat, die durch den Schnittpunkt 41 geht. Auf der Welle 58 sitzt ein Turbinenläufer 61, der oberhalb von seiner oberen Stirnfläche einen Saugraum 62 hat, der direkt mit dem zentralen Loch 47 kommuniziert. Ein Druckraum 63 ist im Gehäuse 53 stromab vom Turbinen­ läufer 61 vorgesehen. Der Druckraum 63 hat nach oben gehende Arme 64, die direkt mit den Löchern 48-52 kommunizieren. Vom Loch 48 aus geht eine erste Teilstrecke 66, in der das Gas gemäß dem Pfeil 67 fließt. Zwischen die Oberwand 42 und die Unterwand 43 sind gasdicht Trennwände 68, 69 geschweißt, die senkrecht zueinander stehen. Gemäß Fig. 2 erstreckt sich die Trennwand 68 von 6 Uhr nach 12 Uhr und die Trennwand 69 von 9 Uhr nach 3 Uhr. Sie haben überall einen Abstand vom Loch 48, so daß dort Gas ungehindert ausströmen kann. Von den Trennwänden 68, 69 aus erstrecken sich zwei zueinander parallele Trennwände 71, 72, die in erheblichem Abstand voneinander parallel zur Diagonale 38 verlaufen. In der Teilstrecke 66 ist ein Wärmetauscher 73 vorgesehen dessen Anschlüsse die Unterwand 43 durchgueren und nicht gezeigt sind. Die Oberwand 42 hat unterhalb des Eck-Zwischenflansches 16 ein nicht dargstelltes Loch entsprechend dem Loch 48. Dieses nicht dargestellte Loch kommuniziert direkt mit dem Innern des gasdichten Eck-Zwischenflansches 16. Gemäß den strichpunktierten Linien 74, 76 kann Gas aus der Teilstrecke 66 in den Eck-Zwischenflansch 16 und von dort aus in das Gasrohr 27 und das Gasrohr 77 fIießen. Da die Teilstrecken 78, 79, 81 insoweit baugleich sind, werden sie nicht weiter beschrieben. Ersichtlich liegen die Teilstrecken 78, 81 unter der Diagonale 39 und die Teilstrecken 66, 79 liegen unter der Diagonale 38. Man kann auch sagen, daß die Teilstrecken 66, 78, 79, 81 symmetrisch sternförmig und gleich gestaltet verIaufen. Die Strömungsrichtungen sind als Pfeile eingetragen.

Parallel zueinander mit erheblichem Abstand und parallel zur Winkelhalbierenden der Diagonalen 38, 39 verlaufen zwei gerade Trennwände 82, 83 von dem zentralen Loch 47 und dessen Umgebungsbereich in Fig. 2 senkrecht nach oben. Dadurch wird eine Teilstrecke 84 für die Gasableitung geschaffen. Das Gas strömt aus den Gasrohren 27, 28 in den Durchgangsflansch 26, der insoweit hohl ist. Zur Oberwand 42 hin hat er ein nicht gezeichnetes Loch, das mit einem ebenfalls nicht gezeichneten, direkt darunter liegenden Loch in der Ober­ wand 42 kommuniziert. Die den Gasfluß symbolisierende Linie 74 trifft sich im Durchgangsflansch 26 mit einer einen weiteren Gasfluß symbolisierenden Linie 85. Beide Gasflüsse sind gleich groß. Die gelangen durch die nicht gezeichneten Löcher in die Teilstrecke 84, durchströmen dort einen Wärme­ tauscher 86 und werden durch das Loch 47 in den Saugraum 62 abgesaugt. in gleicher Weise führt vom Durchgangsflansch 31 eine Teilstrecke 87 mit darin enthaltenem Wärmetauscher zum zentralen Loch 47, eine Teilstrecke 88 führt vom Durchgangsflansch 33 zum zentralen Loch 47 und ebenso eine Teilstrecke 89 vom Durchgangsflansch 36. Die Trennwände 82, 83 bilden mit den die anderen Teilstrecken begrenzenden Wänden ein großes Kreuz, dessen Ecken 91 erheblich vor dem zentralen Loch 47 enden. Es ergibt dies gute Strömungsverhältnisse, da die Strömungen symmetrisch und gleich groß sind und sowohl keine Hindernisse treffen als auch linear geführt sind. Diese lineare Führung trifft natürlich auch für die anderen Teilstrecken 66, 78, 79, 81 zu. Um die Quellen-darstellenden Löcher 48, 49, 51, 52 herum hat es viel Platz und ebenso um das eine Senke darstellende Loch 47 herum. Die Abstände der Trennwände jeder Teilstrecke sind gleich, sodaß auch der spezifische Strömungswiderstand gleich ist.

Die Höhe der in Fig. 3 dargestellten Baugruppe beträgt ca. 80 cm. Man benötigt also lediglich ein Volumen mit einer Höhe von 80 cm und einer quadratischen Kantenlänge von etwa 85 cm.

Der Laser gemäß Fig. 5 ist aus zwei Lasern gemäß Fig. 1 entstanden, wobei die links unten dargestellte Baueinheit mit der rechts oben dargestellten identischen Baueinheit durch einen Verbindungsflansch 21′ verbunden worden ist. Bei der einen links unten dargestellten Baueinheit fehlt daher gegenüber Fig. 1 der Eck-Zwischenflansch 17′ und die rechts oben dargestellte Baueinheit hat weder einen der Totalreflexionen dienenden Spiegel 22 noch einen Auskoppel­ spiegel 23. Vielmehr ist dort die Strahlstrecke linear unter exakt 90° im Verbindungsflansch 21′ durchgehend. In der Mitte des Verbindungsflansches 21′ kreuzt sich der Strahl, was jedoch bekanntlich keine konstruktiven oder Wärmeprobleme mit sich bringt.

Wollte man sehen, wie das Gebläse, die Wärmetauscher und die Kühlgasstrecken relativ zu den Gasrohrsträngen angeordnet sind, dann müßte man nur die Fig. 2 nehmen, und - wie in Fig. 5 geschehen - zwei Darstellungen am Eck unter Verwendung eines Verbindungsflansches aneinander koppeln und man würde dann auch diese konstruktiven Einzelheiten ebenso sehen, wie dies Fig. 5 zeigt.

Fig. 6 zeigt die Aneinanderkopplung von drei Baueinheiten im Gegensatz zu zwei Baueinheiten nach Fig. 5. Der Pfeil links unten in Fig. 6 zeigt die Auskopplung des Laserstrahls an. Wie man sieht, werden hier sieben jeweils um 45° umlenkende Umlenkspiegel benötigt sowie zwei gleiche Verbindungsflansche. Die eingesparten Umlenkspiegel, Totalreflexionsspiegel und Auskoppelspiegel kann man leicht nachzählen.

Fig. 7 zeigt, daß man nicht immer am diagonal gegenüberliegenden Eck weiter­ bauen muß. Vielmehr kann man auch an zwei benachbarten Ecken des ersten Bausteins weiterbauen.

Die Fünferkonfiguration nach Fig. 8 kann man sich aus der Konfiguration nach Fig. 6 entstanden denken, wobei ein Baustein an die dort freien Ecken des mittleren Bausteins angehängt werden. Wie man sieht, benötigt der mittlere Baustein überhaupt keine 45°-Umlenkspiegel. Es sind lediglich vier einfache, durchgängige Verbindungsflansche notwendig. Fährt man in Fig. 8 dem Laser­ strahl nach, dann sieht man, daß alle Gasrohrstränge zum Lasern ausgenutzt werden.

Fig. 9 zeigt eine Anordnung von 16 Baueinheiten gemäß einem Schachbrett­ muster. Der ausgekoppelte Laserstrahl ist durch einen nach unten angeordneten Pfeil dargestellt. Man könnte aber hier an jeder beliebigen anderen außen liegenden Ecke auskoppeln. Eine Baueinheit ist durch Querschraffierung deutlich gemacht. Obwohl man 4×4=16 Baueinheiten hat sind nur 20 45°- Umlenk­ spiegel notwendig. Dies ist im Verhältnis zur Anzahl der Baueinheiten klein und läßt auch das Gesetz erkennen, wonach man immer mehr Umlenkspiegel einspart, je mehr in sich geschlossener man das System aufbaut. Es sind 21 Ver­ bindungsflansche notwendig, die jedoch - wie oben erläutert - konstruktiv einfach sind. Hier, wie bei den anderen Ankopplungen auch braucht in den Verbindungsflanschen kein Spiegel gekühlt zu werden, weshalb auch insofern die Erfindung einfacher ist. Natürlich benötigt man immer an einer Stelle einen Totalreflexionsspiegel und einen Auskoppelspiegel.

Fig. 10 zeigt, wie man die Bauelemente nicht miteinander verbinden soll: Verfolgt man hier den Strahlengang, der gemäß der Schleife 94 verläuft, dann sieht man, daß diejenigen Gasrohrstränge nicht ausgenutzt werden, die in der gestrichelt gezeichneten Schleife 96 liegen. Man erhält also bei weitem weniger als die vierfache Energie. Diese Anordnung wäre allerdings dann sinn­ voll, wenn man zwei voneinander unabhängige Laserstrahlen erzeugen will. Man müßte dann zusätzlich z. B. gemäß dem gestrichelt gezeichneten Pfeil 97 auskoppeln, natürlich dort den 90°-Spiegel weglassen und einen Endflansch 21 von der Bauart gemäß Fig. 1 auch dort vorsehen. Man hätte dann zwei gleiche Laserstrahlen in Stereoanordnung.

Gemäß Fig. 11 kann man auch in zwei Ebenen arbeiten und dadurch die Leistung gegenüber Fig. 9 nochmals verdoppeln ohne eine größere Grundfläche vorsehen zu müssen. Diese Verdopplung ist natürlich auch bei einfachen Ein­ heiten wie z. B. bei der Einheit gemäß Fig. 5, 6, 7 oder 8 möglich. Man benötigt hier lediglich die gestrichelt dargestellten 45°-Spiegel, die statt in der Zeichnungsebene von Fig. 9 senkrecht und einmal von der einen Ebene in die andere spiegeln. Diese zwei Ebenen miteinander verbindenden Koppelspiegel sind mit 91 und 92 bezeichnet. Wie man sieht ragen die Motore 54 der unteren Ebene nach unten und die Motore 54′ der oberen Ebene ragen nach oben. Es ist ja bei der Grundbaueinheit möglich, diese in irgendeiner Lage im Raum vorzusehen. Zum Beispiel muß die Vorrichtung gemäß Fig. 9 nicht unbedingt horizontal angeordnet sein. Vielmehr kann sie auch in senkrechter Richtung als Wand angeordnet sein und dementsprechend könnte auch die Vorrichtung nach Fig. 11 sozusagen eine senkrechte Doppelwand bilden.

Claims (3)

1. CO₂-Leistungslaser mit einer Vorrichtung nach Patent 37 34 570, gekenn­ zeichnet durch folgende Merkmale:

• a) der Leistungslaser ist modular aufgebaut;
• b) es sind jeweils mindestens zwei im wesentlichen gleiche Module miteinander verbunden;
• c) die Verbindung erfolgt an den Ecken der Module durch einen Verbindungsflansch, der in seinem Innern für Laserstrahlen durchgängig ist und jeweils zwei Gasrohrstränge unterschiedlicher Module geradlinig miteinander verbindet.

2. CO₂-Leistungslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Module jeweils über ihre an den Ecken angeordneten Verbindungsflansche verbunden sind, so daß die Module nach Art der Felder eines Schachbrettmusters versetzt gegeneinander angeordnet sind.

3. CO₂-Leistungslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ebenen von Modulgruppen vorgesehen sind.