DE2812283A1

DE2812283A1 - Laseranordnung mit gekuehlter blitzlampe

Info

Publication number: DE2812283A1
Application number: DE19782812283
Authority: DE
Inventors: Robert L Cassiero; Lowell W Hill; Peter F Taylor; Harold J Tuchyner
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1977-04-22
Filing date: 1978-03-21
Publication date: 1978-11-02
Also published as: US4096450A; DE2812283B2; DE2812283C3; JPS5543266B2; FR2388424A1; SE7804390L; IT7848993A0; IT1102170B; IL54241A; JPS53132293A; GB1578304A; SE424681B; FR2388424B1

Description

Anmelderin; Stuttgart, den 16_O März 1978

Hughes Aircraft Company P 3515 S/kg Gentinela Avenue and Teale Street

Culver City, Calif., V_oSt.ü..

Vertreter:

Köhler - Schwindling - Späth Patentanwälte
Hohentwielstraße 4-1 7000 Stuttgart 1

Laseranordnung mit gekühlter Blitzlampe

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung; mit einem Gehäuse, das eine Pumpkammer enthält, in der ein laseraktives Medium und eine Blitzlampe zu dessen Anregung angeordnet sind, und mit einer Einrichtung zum Abführen der von der Blitzlampe entwickelten Wärme»

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Zur Aktivierung eines laseraktiven Mediums wird pro Volumeneinheit dieses Mediums eine gewisse minimale Pumpleistung benötigt, damit die Anregung die spontanen Übergänge zu tieferen Energieniveaus überwiegt. Die nicht zur Anregung des laseraktiven Mediums benötigte Energie wird in Wärme umgesetzt, welche die Laseraktivität und die Funktion der Blitzlampe stört, wenn sie nicht abgeführt wird. Bei dem Versuch, da« Problem der Wärmeansammlung zu lösen, wurden bisher verschiedene Methoden zum Kühlen der Blitzlampe verwendet« So wurde beispielsweise ein System mit erzwungener Umwälzung von unter hohem Druck stehenden Gasen wie Stickstoff oder Luft oder auch eine Flüssigkeitskühlung sowohl für die Blitzlampe als auch das aktive Medium benutzt» Diese Methoden sind wirksam, jedoch relativ aufwendig und kostspielig. Bei einem Flüssigkeitssystem hat das Kühlmittel eine beschränkte Lebensdauer ο Außerdem ist ein Flüssigkeitssystem relativ kompliziert und im Hinblick auf die Probleme, die mit dem Auswechseln einer Blitzlampe verbunden sind, sehr unbequeme Weiterhin sind sowohl mit unter Druck stehendem Gas als auch mit Flüssigkeit arbeitende Systeme gewöhnlich so ausgebildet, daß die Blitzlampe und das laseraktive Medium im Weg des Kühlmittels in Serie angeordnet sind, um den Umfang der Kühlanlage und deren Kompliziertheit zu begrenzen. Eine solche Anordnung erfordert jedoch, daß das gesamte Serien-Kühlsystem in der Lage ist, die relativ hohe Wärmebelastung durch die Blitzlampe, die ohne weiteres bei relativ hohen Temperaturen arbeiten kann, mit dem relativ kleinen Temperaturanstieg in Einklang zu

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bringen, dem das laseraktive Medium ausgesetzt werden darf, das seinerseits eine relativ kleine Wärmemenge an das Kühlsystem abgibt«

Andere Versuche zur Lösung des Problems der Wärmeansammlung bestanden in der Anwendung von Pumpkammern besonderer Gestalte Diesen Versuchen liegt die Theorie zugrunde, daß umsoweniger Pumpenergie zum Aufheizen der Pumpkammer vergeudet wird, umsomehr Anteile der optischen Pumpenergie auf das laseraktive Medium übertragen werden kann, das die Form eines Stabes besitzt_o Ein Beispiel für solche Versuche ist die elliptische Pumpkammer, in der die Blitzlampe längs der einen Brennlinie des elliptischen Zylinders und das aktive Medium in Form eines Stabes längs der anderen Brennlinie des Zylinders angeordnet ist. Diese Anordnung hat gute optische Eigenschaften, führt jedoch zu einem großen Luftraum zwischen dem Laserstab bzw. der Blitzlampe und der Innenfläche der Pumpkammerwandο Wenn der Laser mit einer höheren Folgefrequenz betrieben wird₉ werden das laseraktive Medium und die Blitzlampe extrem heiß, weil die Wärmeabfuhr von dem Laserstab und der Blitzlampe nur gering ist, und es stellt der Laser seine Aktivität schnell ein_e Ein anderes Beispiel für diese Versuche besteht darin, die Blitzlampe und den Laserstab dicht beieinander anzuordnen und mit solchen Materialien wie Aluminiumfolie oder Magnesiumoxid zu umgeben«. Die Wirkung dieser Anordnung ist nicht so gut wie diejenige einer elliptischen Pumpkammere Auf diese Weise wird keine angemessene Wärmesenke geschaffen, und es findet eine starke Erwärmung des Laserstabes und der Blitzlampe statte

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Eine weitere Methode zur Überwindung dea Wärmeproblems ist aus der US-PS 3 4-75 697 bekannt, die von einer halbelliptischen Pumpkammer Gebrauch macht. Bei dieser Anordnung wird die von einer geradlinigen Blitzlampe ausgehende Pumpenergie auf einen Laserstab fokussiert, der mit einer Wärmesenke in Wärmekontakt steht» Bei dieser Methode wird ausreichend Wärme abgeführt, um einen Betrieb mit geringen Folgefrequenzen zu eriaöglichen_o Es hat sich jedoch gezeigt, daß auch bei dieser Anordnung eine zu starke Erwärmung eintritt, wenn ein solcher Laser mit hohen Folgefrequenzen betrieben wird_o

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Kühlung einer Laseranordnung der beschriebenen Art so zu verbessern, daß ohne die Anwendung aufwendiger Kühleinrichtungen die beim Betrieb auftretende Wärme einwandfrei abgeführt wirdo

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein zwischen der Blitzlampe und einem benachbarten Abschnitt der Pumpkammerwand bestehender Zwischenraum mit einem dicht gepackten Pulver ausgefüllt ist, das eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und die von der Blitzlampe erzeugte Wärme durch Wärmeleitung auf das Gehäuse überträgt, das selbst eine Wärmesenke bildet und/oder mit einer Wärmesenke versehen ist.

Die gute Wirkung der erfindungsgemäßen Laaeranordnung ist darauf zurückzuführen, daß sie eine getrennte Kühleinrichtung für die Blitzlampe aufweist_o Dabei wird durch

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die an einem Ende der Pumpkammer in dem Zwischenraum zwischen der Außenflache der Blitzlampe und dex* "benachbarten Fläche der Pumpkammer angeordnete Pulverpackung ein hoher Pumpwirkungsgrad der Blitzlampe erzielt» Die Pulverpackung hat Eigenschaften, die sie für eine Wärmeübertragung besonders geeignet macheno Beispielsweise hat das Pulver eine innere Wärmeleitfähigkeit, die es erlaubt, die von der Blitzlampe entwickelte, intensive Wärme von der Blitzlampe hinweg durch das Pulver hindurch auf die erwähnte Oberfläche der Pumpkammer abzuleiteno Außerdem hat es als optische Eigenschaft ein sehr hohes, diffuses Heflexionsvermogen, das durch Vibrationen, hohe Arbeitstemperaturen und ultraviolettes Licht nicht beeinträchtigt wird» Da die in der Blitzlampe erzeugte Wärme 60 bis 70% der gesamten Wärmebelastung der Pumpkammer ausmachen₉ kann sie durch ihr eigenes Kühlsystem leicht entfernt werden« Durch Trennen der Kühlsysteme für die Blitzlampe und den Laserstab kann eine kompaktere und wirksamere Laseranordnung erstellt werdeno Durch die Erfindung wird es daher möglich, zur Erzeugung eines hochwirksamen Lasers die Laserelemente so dicht wie möglich beieinander anzuordnen und gleichzeitig die erzeugte Wärme wirksam abzuführen· Die Erfindung ermöglicht es daher, den Platzbedarf eines Lasers zu reduzieren und sowohl den Laserstab als auch die Blitzlampe durch getrennte Öysteme schnell und wirksam zu kühlen, ohne dadurch optische Verzerrungen hervorzurufen O

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Demgemäß wird durch die Erfindung eine Laseranordnung geschaffen, die ein optimales System zur Kühlung der Blitzlampe aufweist, weil in ihr die Forderungen nach einem hohen optischen Pumpwirkungsgrad und einer guten Wärmeübertragung gleichzeitig erfüllt sind· Die erfindungsgemäße Laseranordnung zeichnet sich durch ihren kompakten Aufbau, eine hohe optische Qualität und eine gute Beherrschung der von der Blitzlampe erzeugten Viärme aus ο Trotz der guten Wirkung verursachen die Anordnungen zur Kühlung der Blitzlampe und des laseraktiven Mediums nur geringe Kosten_o Endlich ist ein leichter Austausch der Blitzlampe möglich, ohne daß dabei die übrigen Einrichtungen gestört werden müssten«,

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläuterte Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden« Es zeigen

Figo 1 die perspektivische Ansicht einer Laseranordnung nach der Erfindung,

Figo 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in der vertikalen Längsmittelebene durch die Laseranordnung nach Fig. 1 und

Fig_o 3 einen Schnitt längs der Linie 3—3 durch die Anordnung nach Fig. 2_e

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Die in der Zeichnung dargestellte Laseranordnung 1 umfaßt ein Gehäuse 2, das eine Blitzlampe 10 und einen Laserstab 18 enthält» Das Gehäuse 2 besteht aus mehreren Teilen 12, 14· und 20„ Weiterhin umfaßt die Laseranordnung Sohre 22 und 23* die zum Zu- und Abführen eines Kühlmittels 19 dienen (siehe Fig«, 2 •und 3) β

In dem Gehäuse 2 befindet sich eine Pumpkammer 15, die von Flächenabschnitten 21 und 24 begrenzt ist« Die Pumpkammer 15 kann $eae für den Laserbetrieb geeignete Gestalt aufweisen und beispielsweise von im Querschnitt kreisförmigen oder elliptischen, oberen und unteren Flächenabschnitten 21 bzw<> 24 begrenzt sein«, Die die Pumpkammer 15 begrenzenden Teile 12, 14 und 20 des Gehäuses 2 können aus federn Material bestehen, das die Kammerstruktur einer Laseranordnung zu bilden vermag. Besonders geeignet ist ein Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise Aluminium» In dem unteren Abschnitt der Pumpkammer 15 ist ein Laserstab 18 angeordnet, der aus einem laseraktiven Material wie Rubin, Nd:Xag oder einem sonstigen Festkörper-Lasermaterial bestehen kann_o Ea kann sich aber auch um ein sonstiges laseraktives Medium handeln₉ wie beispielsweise um einen Farbstoff in einem Behälter oder Träger. Der in der Pumpkammer 15 angeordnete Laserstab 18 ist an seinen -^nden in Ansätzen 8a und 8b gehalten, die sich an entgegengesetzten Enden des Gehäuseteiles 20 befinden., Die Blitzlampe 10 ist seitlich zum Laserstab 18 benachbart angeordnet, so daß sie den Laserstab 18 in einen Zustand der Besetzungsumkehr anregen kanne

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Um die von der Blitzlampe IO erzeugte Wärme von dem Laserstab 18 abzuführen, ist eine Anordnung zum Umwälzen eines unter hohem Druck stehenden Gases oder einer Flüssigkeit 19 ^am Laserstab 18 entlang vorgesehene Das Kühlmittel 19 wird durch das Rohr 22 einem Bereich zugeführt, der den Laserstab 18 in Form eines ringförmigen Haumes umgibt, der von der Außenfläche des Laserstabes 18 und der Innenfläche eines transparenten Rohres 17 begrenzt wird, das beispielsweise aus Pyrex bestehen kann» Das Kühlmedium wird aus diesem Raum über das Rohr 23 wieder abgeführte ^s ist zu beachten, daß dieses Kühlsystem von dem Kühlsystem für die Blitzlampe durch das transparente Rohr 17 getrennt ist_o

Die von der Blitzlampe 10 erzeugte V^ärme wird von dem die Blitzlampe 10 umgebenden Bereich durch Anwendung eines gepackten Pulvers 11 abgeführt, das sich in dem Zwischenraum 26 befindet, der von der langgestreckten Oberfläche der Blitzlampe 10 und der einen langgestreckten Kanal bildenden Oberfläche 21 des Gehäuseteiles 1? begrenzt wirdo Das gepackte Pulver 11 kann beispielsweise aus Bariumsulfat, Aluminiumoxid, Berylliumoxid, einem keramischen oder sonstigem pulverförmigen Material mit geeigneten Eigenschaften bestehen«

Die Oberfläche 21, die zum Halter für die Blitzlampe 10 gehört, kann eine spanabhebend bearbeitete Oberfläche sein und daher Unregelmäßigkeiten aufweisen,, Trorzdem findet von der Blitzlampe durch die Pulverpackung zu

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dieser Oberfläche eine optimale Wärmeübertragung statt, weil die Oberflächen-Unregelmäßigkeiten von dem gepackten Pulver 11 ausgefüllt werden., Ebenso erlaubt die erfindungsgemäße Anordnung, die von einer Pulverpackung Gebrauch macht, die Verwendung einer Blitzlampe 10, die eine unregelmäßige oder unvollkommene Oberfläche aufweist, weil auch hier durch das gepackte Pulver ein guter Wäinaekontakt zur Blitzlampe 10 hergestellt wird«,

Das gepackte Pulver 11 hat die Eigenschaften eines mittleren bis guten Wärmeleiters und gewährleistet, daß die von der Blitzlampe 10 erzeugte Wärme zur langgestreckten_s eine Rinne begrenzenden land 21 des Gehäuse.teiles 12 abgeführt wirdο Das gepackte Pulver 11 kann auch in hohem Maße einfallende Strahlung diffus reflektieren, den Einwirkungen ultravioletten Lichtes widerstehen und auch gegenüber den von der Blitzlampe erzeugten hohen Temperaturen beständig sein, um die Betriebseigenschaften de£ Anordnung zu optimieren_o Bei anderen Anordnungen nach der Erfindung kann jedoch auch ein klares oder durchscheinendes Pulver für die Packung verwendet werden_o In diesem Fall soll die Oberfläche 21 ein hohes Reflexionsvermögen aufweisen, was beispielsweise durch das Aufbringen einer Goldschicht erzielt werden kann» Bariumsulfat wurde bereits wegen seiner Reflexionseigenschaften in Verbindung mit Pumpkammern benutzt, wie es die US-PSen 4· 005 333 und 3 979 696 lehren, jedoch offenbaren diese Druckschriften nicht die Anordnung eines Pulvers in der Pumpkammer gemäß der vorliegenden Erfindung,, Diese Druckschriften behandeln

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auch, nicht die Möglichkeit, die Eigenschaften eines Pulvers auszunutzen, die in der diffusen Reflexion, der Wärmeleitfähigkeit, der Möglichkeit zum Ausfüllen eines Zwischenraumes zwischen der Blitzlampe und der Wand der Pumpkammer und der hohen Temperaturbeständigkeit liegeno In den "bekannten Pumpkammern wurde zwar Bariumsulfat wegen seiner guten Beständigkeit gegen'ultraviolette Strahlung eingesetzt, jedoch nur gegen solche, die ein Filter aus Samariumglas passiert hatte_o In der erfindungsgemäßen Anordnung muß das Bariumsulfat einer Belichtung mit ungefilterter ultravioletter Strahlung standhalten.

Mit dem Gehäuseteil 12 ist eine Einrichtung 15 verbunden, bei der es sich um einen Vi arme tauscher oder eine sonstige, geeignete Wärmesenke handelt. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung bildet die Einrichtung 15 einen Kanal, in dem Lamellen 15a angeordnet sind, welche Wärme durch Konvektion auf ein umgebendes Kühlmittel übertragen, beispielsweise auf Luft, die mittels eines Ventilators zwischen die Lamellen hindurchgeblasen wird·

Andere Ausführungsformen von Wärmetauschern, die bei einer Laseranordnung nach der Erfindung angewendet werden können, um die durch das gepackte Pulver 11 übertragene Wärme abzuführen, können als Kühlmittelwasser,- bei beschränkter Betriebsdauer Bienenwachs oder ein anaeres eine Phasenänderung erleidendes Material verwenden oder von natürlicher Konvektion Gebrauch machen. Ϋ/eitere Methoden des Wärmetausches, die anwendbar sind, bestehen im Anbringen

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des Gehäuseteiles 12 an einer kalten Platte, beispiels weise einem Metallstück mit Löchern darin, durch die eine Flüssigkeit oder Gas hindurchgeleitet wird, um Wärme aufzunehmen, oder durch die direkte Anbringung eines anderen Metallteiles an das Gehäuseteil iti, das dann Wärme aufnimmt.

Bei der Herstellung des Blitzlampen-Kühlsystems des dargestellten Ausführungsbeispieles wird das Gehäuseteil 12 fest auf einem Tisch angeordnet und dann die Blitzlampe 10 fest in dem Kanal montiert, der von der Oberfläche 21 des Gehäuseteiles 12 begrenzt wird, und zwar in solcher Weise, daß zwischen der Blitzlampe 10 und der Oberfläche 21 der Zwischenraum 26 entsteht. Anschließend wird das Pulver 11 unter Verwendung eines Kunststoffspatels in den Zwischenraum 26 zwischen der Blitzlampe 10 und der Oberfläche 21 eingebracht_o Dann wird eine Paste 16 aus einem Material hergestellt, das hohen Temperaturen standhält, ohne Schaden zu zeigen, wenn es ultraviolettem Licht ausgesetzt wird, das von einer Blitzlampe emittiert wird, wie beispielsweise der Blitzlampe 6091 Eastman Kodak white reflective standardο Die Paste 16 wird dann dünn auf wenigstens einen Teil der Ränder des gepackten Pulvers 11 aufgetragen, Nachdem die Paste getrocknet ist, hält sie das Pulver 11 in seiner Lage,,

nach der Erfindung ausgebildete Anordnung wurde im Laboratorium mit Erfolg in mehreren experimentellen Aufbauten geprüft, in denen Nd:Yag als laseraktives

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Material verwendet wurde_e Ks wurden der Wirkungsgrad, das Wärmeableitvermögen und die Lebensdauer gemessen« Der Wirkungsgrad beträgt etwa 1,5?°· Dieser V/ert entspricht dem üblichen Wirkungsgrad von Nd:Yag-Lasern, die von üblichen Wärmetauschmethoden Gebrauch machen«, Laser mit durch Wärmeleitfähigkeit gekühlten Blitzlampen wurden erfolgreich mit einer Eingangsleistung von 250 W (8,3 J bei 30 Hz) zwei Stunden lang kontinuierlich betrieben,, Ferner wurden sie für die Dauer von einer Minute mit.sehr viel größeren Eingangsleistungen, nämlich 600 W (6 J bei 100 Hz) betriebene Bezüglich der Lebensdauer von durch Wärmeleitung gekühlten Blitzlampen wurde eine Verminderung des Laser-Wirkungsgrades um weniger als 10% nach 10 Millionen Blitzen festgestellte Durch Wärmeleitung gekühlte Blitzlampen wurden Vibrationsprüfungen und Wärmezyklen ausgesetzt, ohne daß schädliche Folgen festgestellt werden konnten.

Das gepackte Pulver 11 ist so gewählt, daß seine Wärmeleitfähigkeit ausreichend hoch ist, um die von der Blitzlampe erzeugte Wärme abzuführen.

Es wurde die Wärmeleitfähigkeit von gepacktem Bariumsulfatpulver gemessene Dabei wurde ein Wert im Bereich zwischen 0,96 χ 10~⁵ bis 1,32 χ 10~⁵ W/cm.°C ermittelt.

Es wurde demnach eine Laseranordnung mit einer verbesserten Wärmetauschereinrichtung beschrieben, die von einer Pulverpackung in einem langgestreckten Zwischenraum oder Spalt

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zwischen der Blitzlampe und einem Oberflächena"bschnitt der Pumpkammer Gebrauch macht, durch die das Volumen des langgestreckten Zwischenraumes ausgefüllt wird, um den Wärmeübergang zu verbessern» Es wird ein Pulver gewählt , das einen ausreichend guten Wärmeübertragungskoeffizienten aufweist, um die VJarme von der Blitzlampe abzuführen, die mit einer hohen Folgefrequenz betrieben werden kann_o Das Pulver, das beispielsweise aus Bariumsulfat bestehen kann, wird auch noch im Hinblick auf andere wichtige Eigenschaften ausgewählt, wie "beispielsweise eine diffuse Heflexion und eine gute Wärmebeständigkeit _c Für manche Laseranordnungen nach der Erfindung kann auch ein durchscheinendes oder durchsichtiges Pulver gewählt werden, das eine Reflexion des Lichtes von der Oberfläche des Hohlraumes ermöglicht. Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt die Anwendung eines getrennten und vereinfachten Wärmetauschers für die Kühlung der Blitzlampe. Die Erfindung erlaubt es ferner, jede Komponente optimal zu kühlen, da die Blitzlampe und das laseraktive Medium·nicht in Serie in einem Kühlkreislauf liegen_e Bei der erfindungsgemäßen Anordnung erfolgt die Kühlung in einem kleineren Gesamtvolumen, als es in einem System mit Gas- und/oder Flüssigkeitskühlung möglich ist_o Weiterhin erlaubt es ein größeres Maß an Freiheit bei der Anordnung der Blitzlampe und des laseraktiven Mediums in bezug zueinander im Sinn einer Erhöhung des Laser- !/J irkung s gr ad e s ο

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Leerseite

Claims

Patentansprüc he

Laseranordnung mit einem Gehäuse, das eine Pumpkammer enthält, in der ein laseraktives Medium und eine Blitzlampe zu dessen Anregung angeordnet sind₉ und mit einer Einrichtung zum Abführen der von der Blitzlampe entwickelten Wärme, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen der Blitzlampe (10) und einem benachbarten Abschnitt der Pumpkammerwand bestehender Zwischenraum (26) mit einem dicht gepackten Pulver (11) ausgefüllt ist, das eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und die von der Blitzlampe (10) erzeugte Wärme durch Wärmeleitung auf das Gehäuse überträgt, das selbst eine Wärmesenke bildet und/oder mit einer Wärmesenke versehen ist_o
2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver reflektierend ist«,
3© Laseranordnung nach Anspruch 1₃ dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver lichtdurchlässig und der benachbarte Abschnitt der Pumpkammerwand reflektierend ist»
Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver aus einem keramischen Material besteht,
5. Laseranordnung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver aus Aluminiumoxid oder Berylliumoxid besteht»

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Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver aus Berylliumsulfat besteht.

Laseranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der f\reiliegende .bndabschnitt des Pulvers (11) mit einer Schicht (16) bedeckt ist, die das Pulver (11) an seinem Platze hält und aus einem Material besteht, das hohen Temperaturen und ultraviolettem Licht standzuhalten vermag.

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