DE3344714C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Laser mit
axialer Gasströmung und einem in einem Gehäuse mittig
angeordneten Entladungsrohr gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Ein derartiger Laser ist aus der DE 31 21 372 A1
bekannt.
Beim CO₂-Laser sinkt der Wirkungsgrad mit steigender
Temperatur. Um die Temperatur möglichst niedrig zu hal
ten, wird das erwärmte Lasergasgemisch durch eine Umwälz
anlage aus dem Laserraum entfernt und durch gekühltes Lasergasgemisch
ersetzt. Zur schnellen
Umwälzung des aktiven Lasergasgemisches wird z. B. ein
leistungsstarkes Gebläse, wie Ventilator oder Rootspumpe
verwendet. Bei Konvektionslasern dieser Art kann eine
ausreichende Strömungsgeschwindigkeit jedoch nur mit
relativ hohem Druckgefälle über das Laserrohr aufrecht
erhalten werden. Dadurch sind die Entladungsbedingungen
entlang des Rohres nicht einheitlich. Es wird ein sehr
starkes Umwälzgebläse benötigt, was sich auf das Volumen
und das Gewicht einer solchen Anlage ungünstig auswirkt.
Bei einer bekannten Konvektionslaseranordnung wird das
Gasgemisch in dem Entladungsrohr durch geeignet ausgebil
dete, wassergekühlte Leitbleche auf einer schraubenför
migen Bahn umgewälzt (DE-OS 29 16 408). Es durchsetzt da
bei die aktive Zone des Lasers nur kurz und hat bis zum
nächsten Durchlauf genügend Zeit, die aufgenommene Ver
lustwärme wieder abzugeben. Die schraubenförmigen Leit
bleche sind an einer auf einer Linie liegenden Stelle
durchbohrt. Durch diese Bohrungen brennt die Gasentladung
zur Anregung des Lasergasgemisches. Diese Anordnung hat
den Vorteil, daß nur eine relativ geringe Umwälzgeschwin
digkeit benötigt wird und daß durch die longitudinale
Anordnung des Laserresonators eine gute Modenqualität
erreicht wird. Es erweist sich jedoch als schwierig, die
Gasentladung am Ort zu halten, da sie leicht durch die
Gasströmung aus dem Resonatorraum herausgeblasen wird.
Günstige Betriebsbedingungen lassen sich nur bei ganz
bestimmten Entladungsparametern einhalten, so daß sich
die Intensität dieses Lasertyps nicht gut regeln läßt.
Diese Nachteile der bekannten Konvektionslaser werden durch
eine in der DE 31 21 372 A1 beschriebene und im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 gewürdigte Anordnung beseitigt, bei
der die Laserkammer als gekühltes Entladungsrohr ausgebil
det und konzentrisch innerhalb einer Umwälzturbine angeord
net ist. Die direkt gekühlten Statorschaufeln der Turbine
sind fest mit der Außenwandung des Entladungsrohrs und die
Rotorschaufeln mit einem zum Entladungsrohr gleichachsigen
äußeren Turbinenrohr verbunden. Somit ist zwischen Entla
dungsrohr und Turbinenrohr ein mit den Schaufeln bestückter
Ringkanal zur Gaskühlung und Gasrückführung vorgesehen,
wobei die Kühlung über die Statorschaufeln erfolgt.
Durch diese Anordnung wird ein wesentlicher Fortschritt
gegenüber herkömmlichen Gastransportlasern mit longitu
dinaler Gasströmung erzielt. Allerdings ist dieser Laser
nur mit großem technischen Aufwand zu realisieren. Wegen
des großen Durchmessers bei Außenlagerung und der hohen
Drehgeschwindigkeit der bewegten gegen die stehenden Teile
ist die Herstellung der Lager besonders aufwendig. Der
Umwälzverdichter stellt eine Sonderkonstruktion dar.
Besondere Schwierigkeiten macht die Herstellung des Rotors
mit den am rotierenden Turbinenrohr befestigten Schaufeln.
In der nicht vorveröffentlichten DE 32 35 170 A1 ist ferner
ein Laser mit axialer Gasströmung beschrieben, in dem ein
als Radialverdichter ausgebildetes Gebläse auf der Achse
des Entladungsrohrs angeordnet ist und ein bezüglich des
Entladungsrohr konzentrischer Ringkanal zur Rückführung des
durch das Gebläse umgewälzten Lasergases vorgesehen ist.
Das durch den Ringkanal, der das wassergekühlte Entla
dungsrohr nicht direkt umgibt, zurückgeleitete Gas wird mit
Hilfe eines Gaskühlers im den Radialverdichter umgebenden
Bereich der Gasrückführung gekühlt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesser
ten Konvektionslaser zur Erzeugung von Hochleistungslaser
strahlung zu entwickeln, bei dem unter Vermeidung aufwen
diger konstruktiver Merkmale die Temperaturerhöhung im
Lasergas möglichst effektiv unterdrückbar ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs
1 gelöst. Danach verlaufen im das Entladungsrohr umgebenden
Ringkanal des Lasers Wärmeaustauscherrohre parallel zur
Achse des Laserresonators, so daß das durch eine konstruk
tiv einfach realisierbare Radialturbine umgewälzte Lasergas
im Ringkanal besonders effektiv gekühlt werden kann, wobei
hierbei eine aufwendige Kühlung wie die erwähnte Stator
schaufelkühlung mittels der Umwälzturbine vermieden wird.
Auch ist die Kühlung über die im Ringkanal verlaufenden
Rohre wirksamer und platzsparender als mittels im die
Radialturbine umgebenden Raum angeordneter Gaskühler.
Die Wärmeaustauscherrohre sind vorzugsweise an einen
Wasserbehälter in Form eines Kreisrings angeschlossen, der
das Entladungsrohr umschließt und in vorteilhafter Weise
zugleich die Funktion einer Deckscheibe für die Radialtur
bine erfüllt. Eine als Ringelektrode ausgebildete Kathode,
die an diesem vorzugsweise mit keilförmigem Querschnitt
ausgebildeten Kreisring anbringbar ist, kann so wirksam
gekühlt und zugleich an Masse angeschlossen werden.
Gemäß weiterer in den Unteransprüchen angegebener vorteil
hafter Weiterbildungen sind am der Radialturbine entge
gengesetzten Ende des Entladungsrohrs Schlitzdüsen angeord
net, durch die das gekühlte Lasergasgemisch einströmen
kann. Durch geeignete Anordnung der Düsen ist so eine
Drallströmung auch ohne zusätzliche Drallgitter erzeugbar.
An diesem Ende des Entladungsrohrs ist auch eine geteilte
Anode, vorzugsweise in Form mehrerer Stiftelektroden zur
Erzielung einer gleichmäßigen Entladung vorgesehen.
Der Antrieb für die Radialturbine ist mit einem mit
Lasergas arbeitenden Gaslager ausrüstbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können
zwei oder mehr Laseranordnungen dieser Art auf einer
optischen Achse so angeordnet werden, daß zwei Radial
turbinen von einem Motor angetrieben werden können.
Dabei müssen die Radialturbinen zur Durchführung des
Laserstrahlungsfeldes mit einer mittigen Öffnung versehen
sein.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den Patent
ansprüchen sowie anhand der schematischen Zeichnung.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 im Längsschnitt eine durch Koppelung von zwei
erfindungsgemäßen Laseranordnungen entstandene
Zwillingseinheit;
Fig. 2 den A-A′-Querschnitt und
Fig. 3 B-B′-Querschnitt der in Fig. 1 dargestellten An
ordnung.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Laseranordnung wird zur
Umwälzung des Lasergases eine Radialturbine 1 verwendet.
Beide Anordnungen, die den Zwillingsmodul bilden, werden
auf der Seite der Radialturbinen 1 zusammengekoppelt. Die
Radialturbinen 1 werden mit einem Motor 2 angetrieben,
der ein Hochfrequenzdrehstrommotor oder ein Gleichstrom
motor mit elektronischer Kommutierung sein kann.
Der Antrieb fuhr die Radialturbinen 1 ist mit je einem
Gaslager 3 (z. B. ein Kugelkalottenlager nach G.J. Watt)
ausgerüstet. Als Betriebsgas für das Lager 3 kann hier
vorteilhaft das Lasergasgemisch verwendet werden. Das
Gasgemisch wird bei z. B. ca. 7 bar durch eine Zuführungs
bohrung 4 in die Lagerkalotte eingedrückt. Das Lasergas
entspannt sich beim Austritt aus dem Lagerspalt in die
Laserkammer hinein. Der Betriebsdruck des Lasers von ca.
100 mbar wird durch eine, hier nicht gezeigte Vakuumpumpe
aufrecht gehalten, die an dem Gasausführungsstutzen 5 an
geschlossen wird.
Die Drehzahl der Turbine 1 liegt vorzugsweise in einem
Bereich von mehr als 15 000 U/min. Damit lassen sich bei
einem Turbinendurchmesser von ca. 150 mm die erforderli
chen Strömungsgeschwindigkeiten im Laserrohr von 150 m/s
oder mehr erzielen.
Die Radialturbine 1 läuft in einem Ringkanal 6, der kon
zentrisch zum Laserresonator angeordnet und als eine
Kühlstrecke ausgebildet ist. Zu diesem Zweck werden er
findungsgemäß mehrere Wärmetauscherrohre vorgesehen. Eine
vorteilhafte Anordnung der Wärmetauscherrohre 8 mit Kühl
rippen ist aus Fig. 2 ersichtlich, in der der mit ge
strichelten Linien in Fig. 1 Schnitt A-A′-Strich darge
stellt ist. Bei dieser Ausführungsform werden sechs Wär
metauscherrohre 8 im Ringkanal 6 untergebracht. Die Rohre
8 verlaufen parallel zur Achse des Laserresonators 7.
Andere Ausbildungen für den Wärmetauscher sind ebenfalls
möglich. Bei geeigneter Anordnung können auch eine grö
ßere oder geringere Anzahl Wärmetauscherrohre im Ring
kanal 6 vorgesehen werden.
Gemäß einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform werden
die Wärmetauscherrohre 8 an einen Wasserkasten 9 ange
schlossen und bilden mit dem Wassereinlauf 10 und Wasser
auslauf 11 das Kühlsystem.
Der Wasserkasten 9 ist als ein Kreisring ausgebildet,
hat vorzugsweise einen keilförmigen Querschnitt und um
faßt den Laserresonator 7 wie eine Manschette. Er dient
bei dieser Anordnung gleichzeitig als Deckscheibe für die
Radialturbine 1.
An den kreisringförmigen Wasserkasten 9 wird vorzugsweise
die Kathode 12 angebaut, die als eine Ringelektrode aus
gebildet ist. Sie wird dadurch gut gekühlt und zugleich
elektrisch an die Gehäusemasse angeschlossen.
Der Ringkanal 6, in dem die Turbine 1 läuft, lenkt den
Gasstrom um und leitet ihn über die Wärmetauscher 8. Das
gekühlte Lasergas strömt dann in das Laserrohr 7 durch
eine Anordnung von mehreren Schlitzdüsen 13 ein. Die
Schlitzdüsen 13 werden vorzugsweise so angeordnet, daß
sich im Laserrohr eine Drallströmung einstellt. Eine
solche Anordnung, bei der die Schlitzdüsen tangential
zum Laserrohr führen, ist in Fig. 2 dargestellt.
Die Anode des Entladungssystem wird zur Erzielung einer
möglichst gleichmäßigen Entladung geteilt ausgebildet.
Vorzugsweise werden sechs oder mehr Stiftanoden 14 ver
wendet, die über separate Vorwiderstände an die Be
triebsspannung 15 angeschlossen werden.
Das Laserrohr 7 wird bei dieser in Fig. 1 dargestellten
Zwillingsanordnung durch Bohrungen in den jeweiligen Tur
binen 1 durchgeführt und mit Laserspiegeln 16 und 17 ab
geschlossen. Es können auch mehrere solcher Zwillingsein
heiten auf einer optischen Achse hintereinander angeord
net werden, um eine höhere Leistungsabgabe zu ermögli
chen. In diesem Falle werden die Einheiten, wie bereits
dargelegt, zusammengekoppelt und jeweils die Endflansche
mit Laserspiegeln versehen.
Claims (9)
1. Laser mit axialer Gasströmung und
einem in einem Gehäuse mittig angeordneten Entladungs
rohr
einer gleichachsig zum Entladungsrohr angeordneten Tur bine zur Gasumwälzung, und
einem das Entladungsrohr konzentrisch umgebenden Ring kanal zur Gaskühlung und Gasrückführung,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Turbine als Radialturbine (1) ausgebildet ist und
daß in dem Ringkanal (6) mindestens zwei Wärmeaustau scherrohre (8) parallel zur Achse des Entladungsrohrs (7) verlaufen.
einer gleichachsig zum Entladungsrohr angeordneten Tur bine zur Gasumwälzung, und
einem das Entladungsrohr konzentrisch umgebenden Ring kanal zur Gaskühlung und Gasrückführung,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Turbine als Radialturbine (1) ausgebildet ist und
daß in dem Ringkanal (6) mindestens zwei Wärmeaustau scherrohre (8) parallel zur Achse des Entladungsrohrs (7) verlaufen.
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmeaustauscherrohre an einen als
Wasserbehälter dienenden Kreisring (9) angeschlossen sind,
der das Entladungsrohr umschließt und als Deckscheibe für
die Radialturbine ausgebildet ist.
3. Laser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Ringkanal (6) vier bis sechs Wärmeaustauscherrohre
(8) verlaufen und daß der Kreisring (9) einen keilförmigen
Querschnitt aufweist.
4. Laser nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kreisring (9) mit einer ringförmigen Kathode (12)
versehen ist.
5. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem der Radialturbine (1) entgegengesetzten Ende
des Entladungsrohrs Schlitzdüsen (13) vorgesehen sind,
durch die das Lasergas in das Entladungsrohr einströmen
kann.
6. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet
daß die Anode aus mehreren am Umfang des Entladungsrohrs
(7) verteilten Stiftelektroden (14) besteht, die über
separate Vorwiderstände an die Betriebsspannung (15)
angeschlossen sind.
7. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Antrieb für die Radialturbine (1) mit einem
Gaslager (3) ausgerüstet ist, das durch das Lasergas
betrieben wird.
8. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Laseranordnungen zusammengekoppelt
sind, so daß zwei Radialturbinen (1) auf einer Motorachse
liegen und daß die Radialturbinen (1) sowie die Motorachse
mit einer zentralen Bohrung versehen sind, durch die die
beiden Entladungsrohre (7) verbunden werden.
9. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch außerhalb der Gasführungsgehäuse axial ange
brachte Laserspiegel (16, 17) ein Laserresonator gebildet
wird.
Priority Applications (6)
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