DE3344714C2 - - Google Patents

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.

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.