DE2039442A1 - Hochleistungsgaslaser - Google Patents

Description

mit den Elektroden und der Spannungequelle unnötig ist, wodurch der Wirkungsgrad des Systems vergrößert wird· Die effektive Elektrodenlänge "beträgt annähernd ein Meter, der Durohmesser des Ausgangsstrahles beträgt annähernd 30 mm und die Dauerausgangsleistung liegt über 1 kW.

Ausgangspunkt der Erfindung:

Die Erfindung betrifft Laser und insbesondere einen Hochleistungs (1kW oder mehr) Gastransportlaser.

Es wurde bereits seit langem nach einem praktisch ausführbaren 1 kW Dauerstrahlungslaser und nach einem erfolgreichen Betrieb eines derartigen Lasers gesucht. Obgleich man derartige hohe Leistungen mit Lasern erzielen kann, bei denen eine Gasmischung verwandt wird, die CO« als Lasermedium enthält, wobei derartige Laser im folgenden als COg Laser bezeichnet werden sollen, so wurden doch derartige Lasersysteme für allgemeine Anwendungen aufgrund ihrer Größe unpraktisch» ZeBe liegt die maximale Dauerausgangsleistung von zur Zeit herstellbaren typischen CO₂ Lasern bei annähernd 50 Watt/m aktiver Wechselwirkungsbereichlänge, was zu einer Länge von 20 m für eine Leistung von 1kW führt» Ein Hauptfaktor, der zu diesem niedrigen Leistung-Längpnverhältnis beiträgt, besteht in der Erhitzung in dem Laserwechselwirkungsbereich. Durch eine Aufheizung des Gases wird eine Abnahme der Beset zungsumkehrung bewirkt, die hauptsächlich darauf beruht, daß die unteren Energiezustände aufgefüllt und gegebenenfalls das untere Laserniveau blockiert wird.

Die vorliegende Erfindung strebt allgemein einen arbeitsfähigen Laser an, mit dem kontinuierlich eine Ausgangsleistung von 1 kW oder mehr pro Meter aktiven Wechselwirkungsbereichs erzielt werden kann.

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Die Erfindung strebt weiterhin einen Hochleistungsdauerlaser an, der eine Ausgangsleistung von 1 kW/m aktiver Länge erzielt.

Es wird-insbesondere ein Gastransportlaser mit einem geschlossenen Zyklus angestrebt, der verhältnismäßig kompakt im Aufbau ist und mit verhältnismäßig hohem Wirkungsgrad arbeitet,

Zusammenfassung der Erfindung:

Das Ausgangsleistungsvermögen eines COp Lasers wird bedeutend dadurch erhöht, daß das Gas durch den Wechselwirkungsbereieh quer zu den Elektroden und somit quer zu der optischen Achse bewegt wird, daß das aus der Wechselwirkungskammer herausgeführte Gas gekühlt wird und daß das Gas in diese Wechselwirkungskammer auf einer geschlossenen Zyklusbahn zurückgeführt wird. Das Gas wird auf dieser Bahn mit Hilfe eines Gebläses mit unter der Sehallgrenze liegender. Geschwindigkeit bewegt, und durch die Anordnung der Elektroden in Bezug auf die Gasbewegungsrichtung erhält man für jede Elektrodenlängeneinheit eine im wesentlichen gleiche Laserwirkung ο Darüberhinaus wird durch den Abzug des erhitzten Gases aus dem Wechselwirkungsbereich aufgrund der kontinuierlichen Strömung die Entladung dieser Anordnung stabilisiert, wodurch ein Stabilisierungswiderstand in der Elektrodenschaltung unnötig wird. Diese Tatsache trägt zu dem erhöhten Wirkungsgrad dieses Systems bei. ■

Im folgenden soll die Erfindung näher anhand eines in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsbeispiels erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:

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Figo 1 eine schematische !Darstellung, in der das Lasersystem gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;

Fig, 2 einen Schnitt durch die Elektroden entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Figo 3 eine allgemein schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer die Erfindung verkörpernden Vorrichtung;

Fig. 44 eine Draufsicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 3 auf die dort dargestellte Vorrichtung; und

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung des Systems gegen die Eingangsleistung.

Beschreibung einer vorzugsweisen Ausführungsformt

Das die Erfindung verkörpernde Lasersystem ist in Fig, 1 dargestellt, und es umfaßt ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse 10, das eine geschlossene, ringförmige Gasbahn bildet, in der in Reihe miteinander ein Laserwechselwirkungsbereich 12, ein Wärmeaustauscher 13 und ein Gebläse 14 liegen. Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung besteht die Gasmischung aus Kohlendioxyd, Stickstoff und Helium, wobei die Gasmischung so eingeschlossen ist, daß sie auf der Bahn 11 umlaufen kann» In dem Wechselwirkungsbereich 12 sind auf einander gegenüberliegenden Seiten der Gehäusewände 10a und 10b Spiegel 17 und 18 und zwischen den Wänden 10a und 10b und in der Nähe der Spiegel, auf der stromaufwärtigen Seite der Spiegel, gerade, röhrenförmige Elektroden 19 und 20 (siehe Fig. 2) angebracht. Die Elektroden 19 und 20 besitzen parallele Achsen A₁ bzw. A₂, die im Abstand voneinander in einer gemeinsamen Ebene P liegen, die senk-

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recht zu der Richtung der Gasströmung in dem Kreis 11 angeordnet ist. Die Elektroden sind direkt durch Leitungen 23 mit einer Gleichspannungsquelle 22 verbunden, wobei die Elektrode 19 die Kathode und die Elektrode 20 die geerdete Anode bildet.

Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse 10 derart ausgebildet, daß über die gesamte länge der Elektroden eine im wesentlichen lineare Gasströmung mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit durch den Wechselwirkungsbereich hindurch stattfinden kann· Dieser Aufbau ist schematisch in Mg. 1 dargestellt, in der die Bahn 11 in der Umgebung des Wechselwirkungsbereichs 12 eine im wesentlichen gleichförmige Breite T aufweist. Es wird angenommen, daß eine elektrische Entladungsζone gebildet wird, die in Fig_e 2 schematisch bei 24 dargestellt ist, und die sich in den· Wechselwirkungsbereich 12 hinein ausdehnte Es wird angenommen, daß sich die elektrische Entladung durch die Gasströmung stabilisiert, wodurch ein in Reihe mit der Entladung geschalteter Stabilisierungswiderstand unnötig wird. Durch die Ausdehnung der Entladung in den Wechselwirkungsbereich hinein kann eine wirksame Kopplung der elektrischen leistung erreicht werden, um in diesem Bereich durch Schwingung angeregte GOo Moleküle zu erzeugen,, Dadurch, daß der Stabilisierungswiderstand weggelassen werden kann, wird weiterhin der Wirkungsgrad der Vorrichtung erhöht. Dadurch, daß die röhrenförmigen Elektroden in Querrichtung zu der Gasströmung angeordnet werden, kann eine im wesentlichen ungehinderte Gasmischungsetrömung stattfinden, so daß dem Gebläse lediglich eine minimale leistungsmenge zugeführt werden muß, um die Strömung aufrechi^u^rhalten. Der laservorgang findet in dem Wechselwirkungsbereich statt, wodurch der la«erausgangestrahl 25 erzeugt wird·

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Ein Lasersystem, das gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, und das tatsächlich gebaut und geprüft worden istι ist in den Pig» 3 und 4 dargestellt, wobei in den Zeichnungen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind· Das hermetisch verschlossene Gehäuse 10 weist eine langgestreckte obere Kammer 26 mit einer oberen und einer unteren Wand 27 und 28, die zueinander parallel sind, und senkrecht verlaufende Endkammern 30 und 31 auf, die mit den einander gegenüberliegenden Enden der oberen Kammer 26 verbunden sind. Ein Wärmeaustauscher 13 ist über Plansche 33 und * 34 mit der Endkammer 30 bzw. 31 verbunden, und er weist einen Wassermantel 35 auf, durch den mehrere im Abstand voneinander angeordnete, langgestreckte Röhren 36 verlaufen, durch die das im Umlauf befindliche Gas hindurchleitbar ist. Kühlwasser wird über Einlaß- und Auslaßleitungen 37 und 38 durch den Mantel 35 geleitet, um durch Konvektion dem Gas in den Röhren 36 Wärme zu entziehen«, Ein in der Endkammer 30 angeordnetes Zentrifugalgebläse 15 wird durch einen Motor 39 angetrieben, und dieses Zentrifugalgebläse bewegt das Gas in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung durch das System.

fc Die Elektroden 19 und 20 bestehen aus Kupferröhren, und sie sind an äußere Wasserleitungen 41 bzw. 42 angeschlossen, um die Elektroden kontinuierlich mit Kühlwasser zu versorgen_o Diese Elektroden sind gleichfalls über geeignete Armaturen 44 mit den Spannungsleitungen 23 verbunden, und eine der Elektroden, vorzugsweise die Elektrode 20, ist geerdet. Auf den Seitenwänden des Gehäuses 10" können Spiegel 17 und 18 befestigt werden, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, oder sie können andererseits in dem oder ohne das Gehäuse gehaltert sein. Das Gas wird, wie es in Pig. 3 dargestellt ist, im Uhrzeigersinn umlaufen gelassen, und die Spiegel sind in der Nähe und auf der stromabwärtigen Seite der Elektroden

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19 und 20 angeordnet.

Obgleich die Vorrichtung oben als eine Quelle oder ein Generator für eine kohärente Infrarotstrahlung beschrieben worden ist, so kann sie gleichfalls mit Vorteil als ein Verstärker für einen kohärenten Strahl verwandt werden, der in die Vorrichtung von einer äußeren Quelle her in den Wechselwirkungsbereich eingestrahlt wird. Eine derartige Anwendung des Systems ist in Pig. 4 dargestellt, in der das System derart abgewandelt ist, daß eine äußere kohärente Strahlungsquelle oder ein Laser S und wahlweise zusätzliche Spiegel 46 und 47 in der Nähe der Spiegel 17 und 18 vorgesehen sind, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Von der äußeren Quelle S wird ein Strahl B durch eine geeignete Öffnung in der Seitenwand des Gehäuses 10 in den Wechselwirkungsraum 12 eingestrahlt, wobei er mit Hilfe der Spiegel 18, 46 und 47 mehrere Male durch diesen Bereich hindurch reflektiert werden kann oder wobei die Anordnung so getroffen sein kann, daß der Strahl lediglich einmal durch den Wechse!wirkungsbereich läuft, und wobei der Strahl sodann schließlich als ein verstärkter Strahl bei 48 austritt. Somit kann die Laserwirkung der Vorrichtung dazu verwandt werden, gegebenenfalls eine Verstärkung zu erzielen.

Eine vorzugsweise Ausführungsform eines die Erfindung verkörpernden Lasersystems, das erfolgreich gebaut und getestet worden ist, besitzt die folgenden physikalischen Parameter und typischen Betriebsdaten:

Abmessungen:

Höhe H 122 cm

Länge L 152 cm

Breite W 102 cm

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Tiefe des Wechselwirkungsbereichs 7 cm

(typische) Gasparameter

Mischung CO₂, He, Ϊ

Druck (Torr) CO₂

He

N₂

Maximale Gastemperatur

Strömungsgeschwindigkeit an den Elektroden Elektroden

Material Durchmesser

Kathode Anode

Abstand zwischen den Elektroden Aktive Länge

(typischer) Ausgangsstrahl Durchmesser Wellenlänge Modusreinheit

Leistung

Wirkungsgrad Röhre
insgesamt

Eine graphische Darstellung der tatsächlichen Testergebbisse mit dem oben beschriebenen System sind in Fig. 5 dargestellt.

2	cm
5	cm
11	cm
40O0K	m
	mm
	um
	, unpola-
	risiert
roden 30 m/sec.	Watt
Kupferröhren
0,93
0,63
5,08
1
30
10,6
Mehrfachmo dus
1000
10 io
8 4

«· 9 — 109808/1890

Claims (1)

1. Pat en tan s prüche

   Hochleistungsgaslaser g e ken nzeichnet durch ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse (10), das eine langgestreckte Tluidbahn aufweist, die in Έ_οχμ einer geschlossenen Schleife ausgebildet ist, und eine Gasmischung' enthält, durch eine Einrichtung (14)» um die Gasmischung in einer Richtung entlang dieser Bahn zu bewegen, durch wenigstens zwei im Abstand voneinander angeordnete, langgestreckte Elektroden (19» 20) die durch das Gehäuse und in dem Gehäuse gehalten werden und quer zu der Strömungsrichtung des Gasstromes verlaufen, wobei die Elektroden aktive Teile aufweisen, mit denen eine elektrische Entladung quer zu dieser Pluidbahn erzeugt werden kann, durch eine elektrische Spannungs quelle (22), die mit den Elektroden verbunden ist, durch einen Laseroszillatorhohlraum (12) mit wenigstens zwei Spiegeln (17, 18), die an diesem Gehäuse in der Nähe der Elektroden und auf der stromabwärtigen Seite dieser Elektroden miteinander optisch ausgerichtet entlang der optischen Achse des Systems befestigt sind, wobei diese optische Achse quer zu der GasStrömungsrichtung verläuft, und durch eine Einrichtung (13)ι um die Gasmischung zu kühlen.

   2· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η - ζ e i c h η β t , daß die Gasmischung Kohlendioxyd enthält.

   3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Mischung zusätzlich Helium und Stickstoff enthält»

   4· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch g e k e η η ζ β i c h. η- et , daß die aktiven Teile der Elektroden (i9_f20) gerade und parallel zueinander Verlaufen

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   und daß die Achsen (A^, A₂) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, die senkrecht zu der Strömungsrichtung verläuft,

   5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden (19,20) röhrenförmig ausgebildet sind, und daß Einrichtungen (41» 42) vorgesehen sind, um zur Kühlung der Elektroden ein Fluid durch diese Elektroden zu leiten.

   6ο Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse in der Nähe der Elektroden zwei planparallele Wände (10a, 10b) aufweist, die in einem Abstand (T) voneinander angeordnet sind, der größer als die effektive Länge der Elektroden (19,20) ist, und die eine im wesentlichen keine Hindernisse aufweisende Fluidbahn bilden.

   7ο Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch geke nnzeichnet , daß eine äußere Strahlungsquelle (S) für eine kohärente Strahlung vorgesehen ist, die einen Strahl (B) aufweist, der so in die Kavität gerichtet ist, daß er wenigstens einmal quer zu der Gasströmungsrichtung läuft, wodurch die Energie dieses Strahls verstärkt wird.

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