DE68906118T2 - Auskoppel-Vorrichtung für Gaslaser. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Auskoppelvorrichtung für Gaslaser. Die vorliegende Erfindung ist besonders auf Gaslaser, wie CO&sub2;-Laser mit einer hohen Ausgangsleistung, d.h. einem Ausgang von einigen Kilowatt gerichtet.
• Die Auskoppelvorrichtung reguliert die Menge Laserlicht, die in der Laserröhre erzeugt und in Form eines Laserstrahls oder Strahlenbündels aus der Laserröhre aus tritt und bestimmt folglich auch die Menge an Laserlicht, die in der Laserröhre verbleibt. Die Auskoppelvorrichtung ist sehr wichtig für das ordnungsgemäße Funktionieren des Gaslasers, weil einerseits die Menge an die Laserröhre verlassendem Laserlicht mit der Zunahme an Laserlicht im Innern der Laserröhre oder, anders ausgedrückt, mit dem Verstärkungsfaktor der Laserröhre synchronisiert sein muß. Auf der anderen Seite ist die Auskoppelvorrichtung sehr wichtig, weil sie weitgehend die Eigenschaften des ausgekoppelten Laserstrahls bestimmt.
• Der wichtigste Teil einer Auskoppelvorrichtung ist das Auskoppelfenster. Das Auskoppelfenster besteht aus einem durchsichtigen Werkstoff, der die Eigenschaft hat, einen bekannten Prozentsatz des in der Laserröhre erzeugten Laserlichts hindurchzulassen und den restlichen Prozentsatz zu reflektieren. Das Auskoppelfenster darf die Strahlenbündeleigenschaften des entkoppelten Laserstrahls beispielsweise durch Deformieren unter dem Einfluß der Laserstrahlung selbst nicht verschlechtern.
• Allerdings ist es unvermeidbar, daß das Auskoppelfenster einen Teil des durchgelassenen Lichts absorbiert. Das absorbierte Laserlicht erwärmt das Auskoppelfenster und verursacht eine Expansion und Wärmespannungen. Das erzeugt Phasenaberrationen im ausgekoppelten Laserstrahl: Phasenaberrationen, die die Strahleigenschaften, wie Divergenz, Modusqualität und Fokussierfähigkeit stark verschlechtern. Das wiederum ist sehr schädlich für die Nützlichkeit des ausgekoppelten Laserstrahls. Die Materialverarbeitungseigenschaften des ausgekoppelten Laserstrahls werden beispielsweise durch das Erwärmen des Auskoppelfensters stark beeinträchtigt.
• Die vorliegende Erfindung sorgt für ein Verfahren zum Abkühlen des Auskoppelfensters eines Gaslasers und eine Vorrichtung zur Benutzung des Verfahrens.
• Ein bekanntes Prinzip zum Abkühlen des Auskoppelfensters ist die sogenannte Randabkühlung, bei der das Gehäuse der Auskoppelvorrichtung mit einem Kanal versehen wird, der um das Auskoppelfenster läuft und durch den eine Kühlflüssigkeit gefördert wird. Dies System funktioniert zufriedenstellend in Gaslasern mit niedriger Ausgangsleistung, d.h. mit einer ausgekoppelten Ausgangsleistung von maximal 1- 1,5 kW, ist aber nicht zufriedenstellend bei Lasern mit einer hohen Ausgangsleistung, da die Laserintensität in der Mitte eines Laserstrahls ihr Maximum hat und am Rand des Laserstrahls signifikant geringer ist. Die Mitte des Auskoppelfensters wird infolgedessen stärker erwärmt als die Ränder des Auskoppelfensters. Die Orte, an denen die meiste Wärme erzeugt wird, liegen folglich von der Kühlflüssigkeit am weitesten entfernt. Bei hohen Ausgangsleistungen kann diese Wärme mittels Leitung durch das Material des Auskoppelfensters und des Gehäuses nicht rasch genug abgeführt werden, mit dem Ergebnis, daß das Auskoppelfenster sich zu stark erwärmt. Dies Problem wird offensichtlich drängender mit zunehmendem Durchmesser des Auskoppelfensters.
• JP-A-6017973 und JP-A-6142181 beschreiben ein mögliches Verfahren und eine mögliche Vorrichtung zum Abkühlen des Auskoppelfensters, bei denen die Abkühlung mittels Düsen stattfindet, die außerhalb des Strahlenverlaufs angeordnet sind und bei denen einerseits ein Lasermediumgas auf die Innenseite des Auskoppelfensters gesprüht wird und andererseits getrocknete und gekühlte Luft auf dessen Außenseite gesprüht wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung besteht darin, daß eine gleichmäßige Abkühlung über die gesamte Oberfläche mit dieser Art von Kühlung nicht erzielt wird, sondern stattdessen eine Fleckwirkung. Ein weiterer Nachteil ist es, daß wir hier eine kontinuierliche Zufuhr an Frischluft benutzen, was bedeutet, daß die Gefahr besteht, daß schwebende Staubpartikel mitgerissen werden und das Fenster durch tiefes Eindringen beschädigen.
• Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Abkühlen optischer Elemente, durch die ein Laserstrahl verläuft, ist in FR-A- 22 86 394 beschrieben, die den Oberbegriffen von Anspruch 1 und 2 entspricht, wo ein geschlossener Kreislauf bereitgestellt wird, in welchem ein Gas (vorzugsweise Helium) durch Pumpen in Umlauf gesetzt wird und in welchem ein gewisser Teil des Pfades des Kühlmittels zwischen zwei Antireflexstücken verläuft, die gemeinsam ein optisches Element (ein Fenster und eine Linse) bilden. Es ist offenkundig, daß diese Kühlmethode zum Abkühlen des Auskoppelfensters angewandt werden kann. Ihr Nachteil besteht jedoch darin, daß es sich hierbei um ein Abkühlen handelt, für welches das Kühlgas eine sehr niedrige Temperatur (kryogenes Kühlen) (beispielsweise auf -180 C), wofür folglich flüssiger Stickstoff erforderlich ist, in einem Kühlelement, längs dem das Helium fließt, haben muß. Ein weiterer zusätzlicher Nachteil besteht darin, daß Vorkehrungen vorhanden sein müssen, um die Bildung von Eis an der Außenseite des optischen Elements zu vermeiden (ein Strom trockenen Gases - vorzugsweise Stickgas -, der längs der Oberfläche geleitet wird). Dies ist eine sehr mühselige und teure Lösung.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung anzubieten, die zu einer wirksamen Abkühlung des Auskoppelfensters führt, ohne daß die oben genannten Nachteile erfahren werden.
• Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Kühlen des Auskoppelfensters in der Auskoppelvorrichtung eines Gaslasers ist in Anspruch 1 bestimmt. Anspruch 7 bezieht sich auf die Benutzung des Verfahrens in einem Gaslaser.
• Die Art von Gas, die bei dem Verfahren gemäß der Erfindung verwendet wird, hängt von der Art des Gaslasers ab, an dem das erfindungsgemäße Verfahren benutzt wird. Das Gas muß auf jeden Fall eine ausreichend hohe spezifische Wärme haben und muß auch für die im betreffenden Laser erzeugte Laserwellenlänge transparent sein. Aus diesem Grund wird in einem CO&sub2;-Laser Stickstoffgas oder Helium benutzt.
• Die Wirksamkeit des Verfahrens gemäß der Erfindung hängt stark von dem Ausmaß ab, in dem das Kühlgas gleichförmig über die gesamte Oberfläche des Auskoppelfensters streicht. Gemäß der Erfindung wird deshalb das Kühlgas vorzugsweise durch einen Schlitz zwischen dem Auskoppelfenster und einem dem Auskoppelfenster benachbart angeordneten Fenster injiziert.
• Die Auskoppelvorrichtung gemäß der Erfindung ist im Anspruch 2 bestimmt. Anspruch 8 bezieht sich auf einen mit einer solchen Auskoppelvorrichtung versehenen Gaslaser.
• Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Auskoppelvorrichtung gemäß der Erfindung sind die Öffnungen der Kanäle, die auf das Auskoppelfenster münden, Schlitze, die im wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Auskoppelfensters und des zweiten Fensters verlaufen, und zwar derartig, daß es einen Raum zwischen den beiden Fenstern gibt, in den die Schlitze münden.
• Das zweite Fenster stellt sicher, daß das Kühlgas längs des Auskoppelfensters gefördert wird, und ermöglicht es dem Gas, durch Pumpen in einem geschlossenen Kreis umzulaufen. Die Schlitzform der Öffnungen gewährleistet, daß das Kühlgas gleichmäßig verteilt über die gesamte Oberfläche des Auskoppelfensters streicht. Die Zufuhr des Gases durch Öffnungen von kleinem Durchmesser, beispielsweise denen von Strahldüsen führt zu einer schlechten Verteilung des Gases und infolgedessen zu einer ungleichmäßigen Abkühlung des Auskoppelfensters.
• Gemäß der Erfindung wird das Gas veranlaßt, zu expandieren, nachdem es die Zufuhröffnung passiert hat. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Auskoppelvorrichtung gemäß der Erfindung verengen sich die Zufuhröffnung, durch die das Gas die Kanäle verläßt, in Strömungsrichtung des Gases, und der Abstand zwischen den beiden Fenstern ist größer als die Zufuhrschlitzöffnung. Durch diese Anordnung expandiert das Gas in dem Raum zwischen den beiden Fenstern, was ein Absinken der Temperatur des Gases hervorruft.
• Das Abkühlen des Auskoppelfensters eines Gaslasers erfolgt also in starkem Maß durch die Temperaturminderung, die durch Expansion eines Gases erhalten wird. Das Gas wird dann durch Pumpen in einem geschlossenen Kreislauf mittels eines Kompressors weiter in Umlauf gesetzt, in welchem ein gewöhnlicher Wärmeaustauscher das Kühlen des Gases besorgt.
• Aufgrund der Tatsache, daß hier kein kryogenes Kühlen angewandt wird (siehe FR-A-22 86 394), besteht hier keine Gefahr der Kondensation oder Eisbildung auf der Außenfläche des Kühlfensters.
• Das Kühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung bleibt ebenso wirksam im Fall eines Auskoppelfensterdurchmessers von 20 mm wie im Fall eines Durchmessers von 50 mm. Dies ist nicht der Fall bei der Randabkühlung, weil der Rand bei zunehmendem Durchmesser weiter und weiter weg ist von der Mitte des Auskoppelfensters; und es ist genau in dieser Mitte, wo die Erwärmung am stärksten ist.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung wird ein mögliches Ausführungsbeispiel der Auskoppelvorrichtung gemäß der Erfindung in der folgenden Beschreibung als ein Beispiel ohne einschränkenden Charakter unter Hinweis auf die angehängten Fig. beschrieben, in denen:
• Fig. 1 ein Längsschnitt durch ein mit einer Auskoppelvorrichtung versehenes Laserröhrenende ist, wobei das Gehäuse längs BB in Fig. 2 geschnitten ist.
• Fig. 2 ist ein Teilquerschnitt und eine Teilstirnansicht längs AA in Fig. 1 des vorderen Teils des Gehäuses der Auskoppelvorrichtung, die ein zweites Fenster enthält.
• Fig. 3 ist ein Detail aus Fig. 1, bei dem die den Schlitz bildende Öffnung zwischen dem Zufuhrkanal und dem Raum zwischen den beiden Fenstern im Querschnitt gezeigt ist.
• Das Ende der Laserröhre 1 (Fig. 1) ist durch ein ringförmiges Element 2 abgeschlossen, welches das Auskoppelfenster 3 enthält. Ein Gehäuse 6 ruht am ringförmigen Element 2 (Fig. 1 und 2). An der Seite des Gehäuses 6, die sich am ringförmigen Element 2 abstützt, ist ein zylindrischer Hohlraum 7 vorgesehen. Um den zylindrischen Hohlraum 7 ist eine ringförmige Rinne 8 vorgesehen, in der ein Dichtring 9 angeordnet ist. Der Boden 10 des zylindrischen Hohlraums ist mit einer runden Öffnung 11 zur Vorderseite 12 des Gehäuses 6 versehen. Das Gehäuse 6 ist außerdem mit zwei parallelen Kanälen 13 und 14 versehen, deren Achse rechtwinklig auf der des zylindrischen Hohlraums 7 steht, die sich an beiden Seiten des zylindrischen Hohlraums 7 befinden und die teilweise durch den zylindrischen Hohlraum 7 verlaufen, so daß sie in den zylindrischen Hohlraum 7 münden. Die Kanäle bilden den Zufuhrkanal 13 und den Abfuhrkanal 14 für ein Gas.
• In dem zylindrischen Hohlraum 7 ist ein Block 15 angebracht (Fig. 1 und 2). Der Block 15 ist von länglicher Gestalt mit zwei abgerundeten Enden 20, die an die Wand des zylindrischen Hohlraums 7 stoßen. Die Höhe des Blocks 15 entspricht der Tiefe des zylindrischen Hohlraums 7, so daß die Oberseite 21 des Blocks 15 an der Stirnfläche 4 des ringförmigen Elements 2 anliegt und so daß der Block 15 den zylindrischen Hohlraum 7 in zwei Kammern 16 und 17 unterteilt. Die Längsachse des Blocks 15 kommt parallel zu den Achsen der Kanäle 13, 14 zu liegen, so daß die Kammer 16 nur mit dem Kanal 13 und die Kammer 17 nur mit dem Kanal 14 verbunden ist. Der Block 15 ist mit einer mittleren Bohrung 18 versehen, deren Durchmesser dem des Auskoppelfensters 3 entspricht und die einen Teil 22 mit kleinerem Durchmesser gegen die Oberseite 21 des Blocks 15 hat (Fig. 2). Die mittlere Bohrung 18 kommt der runden Öffnung 11 des Gehäuses 6 gegenüber zur Ruhe. Die Längskante 19 des Blocks 15, die an der Stirnfläche 4 des ringförmigen Elements 2 zur Anlage kommen, sind abgeschrägt (Fig. 1, 2 und 3), so daß sich die Kammern 16 und 17 ab einem gewissen Punkt zum ringförmigen Element langsam erweitern. Die Oberseite 21 des Blocks 15 ist auch mit einer flachen, rechteckigen Rinne 23 versehen, die über die mittlere Bohrung 18 und quer über den Block 15 verläuft und an den beiden abgeschrägten Längskanten 19 endet. Die Breite der flachen Rinne 23 ist hier kleiner als der Durchmesser der mittleren Bohrung 18, so daß zu beiden Seiten der flachen Rinne 23 zwei Lippen 24 des verengten Teils 22 der mittleren Bohrung 18 verblieben sind.
• Gegen die Lippen 24 in der mittleren Bohrung 18 ist ein zweites Fenster 25 eingebracht. Das zweite Fenster 25 wird durch ein hohlzylindrisches Rohr 26 in seiner Lage gehalten, welches in die mittlere Bohrung 18 paßt und dessen eines Ende 27 gegen das zweite Fenster 25 drückt, während das andere Ende 28, welches mit einem Außenschraubgewinde versehen ist, in der runden Öffnung 11 befestigt ist, die zu diesem Zweck mit einem Innenschraubgewinde versehen ist.
• Durch diese Vorrichtung ist ein Raum 29 zwischen dem Auskoppelfenster 3 und dem zweiten Fenster 25 geschaffen, dessen Höhe der Dicke der Lippen 24 entspricht. Durch die flache Rinne 23, die durch den Raum 29 verläuft, ist der Raum 29 über Schlitze 30, 31 (Fig. 1 und 3) mit beiden Kammern 16 und 17 verbunden. Die Schlitze 30, 31 sind zu den abgeschrägten Längskanten 19 des Blocks 15 hin geöffnet.
• Mittels dieser Vorrichtung kann ein Kühlgas durch den Zufuhrkanal 13, durch die Zufuhrkammer 16 und durch den Schlitz 30 zu dem Raum 29 und damit längs der Außenfläche 5 des Auskoppelfensters 3 gefördert werden, wo das Gas durch den Schlitz 31, die Abgabekammer 17 und den Abfuhrkanal 14 abgegeben wird (Pfeile, Fig. 1). Während das Gas durch die Kammer 29 fließt, kühlt es die vollständige Außenfläche 5 des Auskoppelfensters 3. Die vom Gas absorbierte Wärme wird anschließend in einen Wärmeaustauscher eines geschlossenen Kreislaufs freigesetzt, der mit den beiden Kanälen 13, 14 verbunden und zu diesem Zweck mit einem Kompressor versehen ist.
• Während die Höhe und die Breite der Ausgangsschlitzöffnung 31 den Abmessungen der Rinne 23 entspricht, ist die Höhe der Füßeschlitzöffnung 30 schmaler als die Dicke der Lippen 24 (Fig. 3) zwischen dem Auskoppelfenster 3 und dem zweiten Fenster 25. Folglich expandiert das Gas in der Kammer 29, nachdem es beim Strömen durch den schmaleren Zufuhrschlitz 30 komprimiert wurde. Diese Expansion erzeugt ein Absinken der Temperatur im Gas und folglich zusätzliches Abkühlen des Auskoppelfensters 3.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung weist ein Kühlfenster auf, in welchem der Kühlkanal direkt ausgeschnitten ist, wobei die notwendige Divergenz (und möglicherweise Konvergenz) des Kanals unmittelbar durch die Gestalt des Kanals im Kühlfenster erhalten wird. Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt in der optimalen Reproduzierbarkeit des so erhaltenen Kühlschlitzes, einer spürbaren Beschränkung der Abmessungen der Vorrichtung und einem einfacheren Einbau oder Austausch der Kühlfenster einzeln.
• Das ringförmige Element 2, welches das Auskoppelfenster 3 enthält, kann noch mit Mitteln zur Randabkühlung des Auskoppelfensters 3 versehen sein. Zu diesen Mitteln gehört zum Beispiel ein ringförmiger Kanal 32 im Innern des ringförmigen Elements 2. Dieser ringförmige Kanal ist über einen Zulauf- und Ablauf anschluß 33, 34 in einem Kreis aufgenommen, durch den eine Kühlflüssigkeit fließt. Für große Ausgangsleistungen kann es nötig sein, auch das zweite Fenster 25, welches natürlich auch durch das Gas gekühlt wird, zusätzlich durch Randkühlung abzukühlen. Der Block 15 kann hierfür mit den notwendigen Kanälen versehen sein.
• Ein Teil des in der Laserröhre 1 erzeugten Laserlichts verläßt die Laserröhre 1 durch das Auskoppelfenster in Form eines Laserstrahls oder Strahlenbündels und kann durch das zweite Fenster 25, das Rohr 26 und die runde Öffnung 11 austreten.
• Ein Vorteil der Erfindung liegt in einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Anwenden des Verfahrens, um eine einfache und wirksame Abkühlung des Auskoppelfensters eines Gaslasers zu erzielen, bei dem eine gleichmäßige Abkühlung der gesamten Oberfläche des Auskoppelfensters erreicht wird ohne die Gefahr von Problemen mit der Eisbildung oder Kondensation oder tiefen Eindringens durch Staubteilchen.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der unabhängigen Anordnung des Kühlfensters (mit Begleitvorrichtung) der Auskoppelvorrichtung eines Gaslasers gegenüber. (Mit anderen Worten, das Auskoppelfenster erfordert keine besondere Konstruktion, um seine Benutzung im Zusammenhang mit dem Kühlfenster zu erlauben).

Claims (8)

1. Verfahren zum Kühlen eines Auskoppelfensters in einer Auskoppelvorrichtung eines Gaslasers, bei dem ein Gas längs einer Oberfläche des Auskoppelfensters in einen Raum zwischen dem Auskoppelfenster und einem dem Auskoppelfenster benachbart eingerichteten Fenster gezwungen wird und durch Pumpen in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird, der mit Mitteln zum Mindern der Temperatur des Gases versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas veranlaßt wird, mit einer abkühlenden Wirkung in dem Raum zwischen den beiden Fenstern zu expandieren.

2. Auskoppelvorrichtung für einen Gaslaser mit einem Auskoppelfenster (3), welches von einem Gehäuse (2, 6) der Auskoppelvorrichtung umschlossen ist, das mit Kanälen (13, 14) zum Einspeisen und Abführen des Kühlgases versehen ist, die über Öffnungen (30, 31) in einen Raum (29) zwischen dem Auskoppelfenster (3) und einem ihm benachbart errichteten, zweiten Fenster (25) münden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhröffnung (30) kleiner ist als die Breite des Raums (29) und auch als die Ausgangsöffnung (31), wodurch eine Expansion des Kühlgases mit einer kühlenden Wirkung erzielt wird.

3. Auskoppelvorrichtung für einen Gaslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (30, 31) der Kanäle (13, 14) Schlitze (30, 31) sind, die im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Auskoppelfensters (3) langgestreckt sind, wobei der Schlitz (30) die Zufuhröffnung mit kleinerer Breite als die Breite des Raums (29) bildet.

4. Auskoppelvorrichtung für einen Gaslaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Schlitze (30 bzw. 31), durch die das Gas vom Kanal (13) zum Raum (29) zum Kanal (14) fließt, sich in die Richtung der Strömung verengen bzw. erweitern.

5. Auskoppelvorrichtung für einen Gaslaser nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum aus dem zweiten Fenster (25) ausgeschnitten ist.

6. Auskoppelvorrichtung für einen Gaslaser nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppelfenster (3) und/oder das zweite Fenster (25) mit Mitteln zur Randkühlung versehen sind.

7. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei einem Gaslaser.

8. Gaslaser, der mit einer Auskoppelvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6 versehen ist.