DE1639062A1 - Gekuehlte Laseranordnung - Google Patents

Description

? . München, den .10. NOV. 1967 *· ' ' W 526 - Dr.Hk/CS

Westinghouse Electric Corporation in Pittsburgh, Pa.,V.St.A.

Gekühlte Laseranordnung

Bei einer Laseranordnung sind der Laserstab und die Pumplichtquelle, die zur Erregung des Laserstabes dient, im allgemeinen in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, das außerdem Reflexionsflächen aufweist, um das Licht von der Pumplichtquelle auf den Laserstab zu konzentrieren.-Außerdem ist häufig eine Kühlvorrichtung für den Laserstab und die Licht-r quelle vorgesehen. Eine solcher Kühlvorrichtung ist insbesondere erforderlich, wenn der Laser größere Leistungen über längere Zeiten abgeben soll. Derartige Laseranordnungen mit hoher Durchschnittsleistung werden gegenwärtig insbesondere zum Schweißen, zur Metallbearbeitung und zur optischen Entfernungsmessung benötigt.

Die gegenwärtig verfügbaren Laseranordnungen haben nur einen Wirkungsgrad von etwa 5 %i weshalb der weitaus größte Teil der aufgewandten Energie in Wärme verwandelt wird, die bei einem Betrieb mit hoher Durchschnittsleistung abgeführt werden

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muß. Insbesondere kommen folgende Kühlaufgaben in Betracht:

1. Kühlung des Laserstabes oder Lasermaterials;

2. Abschirmung des Laserstabes gegen unerwünschte Wärmestrahlung von der Pumplichtquelle;

3. Kühlung der Pumplichtquelle;

4. Kühlung des optischen Kopplungshohlraumes,in welchem das Licht von der Pumplichtquelle auf den Laserstab gerichtet wird.

Der Laserstab muß aus mehreren Gründen auf einer nicht zu stark schwankenden Temperatur gehalten werden. Besteht der Laserstab z.B. aus Rubin, so nimmt der Wirkungsgrad oberhalb etwa 70 ⁰C rapide ab. Temperaturschwankungen führen also zu starken Schwankungen der Ausgangsleistung. Bei einer Erhitzung des Laserstabes leiden ferner die elektrischen oder metallischen Spiegel, die häufig auf den Stirnflächen des Laserstabes angebracht sind. Ferner kann sich der Laserstab durch Erwärmung verziehen, wodurch die Parallelität der Spiegel gestört wird.

Die Lebensdauer der Pumplichtquelle (nachstehend kurz Lampe genannt) ist eine Funktion ihrer Betriebsbedingungen, insbesondere der Betriebstemperatur. Bei zu hohen Temperaturen verdampfen die Elektroden und schlagen sich auf den Lampenwänden nieder, wodurch Wirkungsgrad und Lebensdauer der Lampe verringert werden.

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Wenn die gesamte von der Lampe ausgehende Strahlung auf den Laserstab gelangt, so kann dieser sich erhitzen, ohne daß die gewünschte Erregung eintritt. Bekanntlich sind nur ganz bestimmte Wellenlängen imstande, den Laserstab zu erregen, während die übrigen Lichtwellenlängen nur eine unerwünschte Erwärmung hervorrufen.

ist
SchließlichVes auch erwünscht, den Raum umd-en Laserstab und die Lampe-und zwischen ihnen zu kühlen, um hierdurch die Wärme von dem Laserstab und der Lampe besser abführen zu können.

Bisher sind folgende Verfahren zur Kühlung von Hochleistungslasern angewandt worden:

1. Kühlung der Lampe, des Laserstabes und des Kopplungshohlraumes mit einem Luftstrom;

2. Kühlung der Lampe und des Laserstrahles mit daran befestigten Kühlrippen und Spülung des Kopplungshohlraumes mit einem Luftstrom;

3. Kühlung der Lampe und des Kopplungshohlraumes mit einem Luftstrom iind Einbettung des Laserstabes in eine umlaufende Kühlflüssigkeit;

4. Kühlung des Laserstabes und des Kopplungshohlraumes mit einem Luftstrom und Einbettung der Lampe in eine umlaufende Kühlflüssigkeit;

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5· getrennte Flüssigkeitskühlung des Laserstabes und der Lampe und Luftkühlung des Kopplungshohlraumes.

Die Zwangskühlung mit Luft reicht nur bei geringer Durchschnittsleistung aus. Die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität der Luft sind zu gering, um die Wärme vom Laserstab mit einer Geschwindigkeit abführen zu können, die bei höheren Ausgangsleistungen ausreichen würde. Ferner strahlen die als Pumplichtquelle verwendeten Blitzlichtlampen häufig intensives ultraviolettes Licht aus, das auf Laserstäbe aus Neodym eine zerstörenden Einfluß hat. Eine Abschirmung ist aber bei Luftkühlung unmöglich.

Die Anbringung von Kühlrippen an den Enden des LaserStabes hat erhebliche Nachteile, weil in Längsrichtung_des Stabes starke Temperaturgradienten auftreten, welche den Wirkungsgrad verschlechtern.

Die Wasserkühlung des Laserstabes und/oder der Blitzlichtlampe führt zur Erhöhung der Lebensdauer der betreffenden Bauteile und gestattet einen Betrieb mit erhöhter Durchschnittsleistung. Durch die Verwendung getrennter Kühlkammern ergibt sich aber eine Herabsetzung des Wirkungsgrades in Folge von Reflexionen und Brechungen an den Zwischenflächen der Kammerwandungen zwischen der Lampe und dem Laserstab. Dies gilt sowohl für die Grenzflächen zwischen Luft und Glas, wie für die Grenzflächen zwischen Wasser und Glas. Außerdem benötigen die Kammerwände Platz, weshalb der Abstand zwischen der Lampe

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und dem Laserstab unter Umständen nicht auf den günstigsten Wert reduziert werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist demgemäß die Bereitstellung einer gekühlten Laseranordnung, bei der Laserstab und Pumplichtquelle sich in einem Gehäuse mit Reflexionsflächen befinden und bei der Umschließungen der Pumplichtquelle und/oder des Laserstabes vermieden sind, um so Reflexionen und Brechungen an den Grenzflächen dieser Umschließungen auszuschalten und den optimalen Abstand zwischen dem Laserstab und der Pumplichtquelle optimal wählen zu können.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das den Laserstab und die Pumplichtquelle gemeinsam um-schließende Gehäuse mit einer lichtdurchlässigen Kühlflüssigkeit angefüllt ist.

Hierdurch sind nicht nur Trennwände zwischen dem Laserstab und der Lampe vermieden, sondern die an der Gehäusewand angebrachte reflektierende Fläche steht auch in wärmeleitender Berührung mit der Kühlflüssigkeit und wird dadurch wirksam gekühlt.

Bei aner bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die reflektierende Fläche an der durchsichtigen Außenwand des Gehäuses angebracht, wodurch sie von der Kühlflüssigkeit nicht

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angegriffen werden kann und trotzdem ohne zusätzliche Maßnahmen tjelcühlt wird. ,

Die erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Hierin sind

Fig. 1 ein Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Laseranordnung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Kühlmittelkreislaufs bei der Anordnung nach Fig. 1 und

Fig. 3 ein Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen sog. Laserkopf 10, dessen zylindrischer Mantel 12 einen Laserstab 32 und eine zur Erregung der Laserstrahlung dienende Lampe 42 umschließt. Der Mantel 12 ist an einem Ende mit Schrauben 16 in einer entsprechenden Ausnehmung 18 eines Sockels 14 befestigt. Das andere Ende des Mantels 12 ist mit Schrauben 58 an einer zylindrischen Halterung 56 befestigt.

Brfindungsgemäß ist ein zylindrisches inneres Gehäuse 20 aus einem durchsichtigen Isoliermaterial, z.B. Glas_; innerhalb des Mantels 12 angeordnet und umschließt den Laserstab 32 und die Lampe 42. Das eine Ende des Gehäuses 20 reicht in eine innere Ausnehmung 22 des Sockels 14. Eine Zuleitung 88 reicht

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von außen dux^ch den Sockel 14 in den vom Gehäuse 20 umschlossenen Pumphohlraum, um die Kühlflüssigkeit zuführen zu können. Zur Flüssiglcextsabdiclitung zwischen dem Sockel 14 und dem Gehäuse 20 ist ein O-Ring 24 in einer Ringnut 26 des Sockels 14 angeordnet. Ferner wird das Gehäuse 20 von einem Haltering 28 umgeben, der durch eine Mehrzahl von Schrauben gegen den Sockel 14 gedrückt wird, um so den O-Ring 24 gegen den äußeren Umfang des Gehäuses 20 zu pressen.

In gleicher Weise ist das andere Ende des Gehäuses 20 mit der Halterung 56 verbunden. Auch diese besitzt eine innere Ausnehmung 6O₁ in welche das Ende des Gehäuses 20 eingreift. Die Flüssigkeitsdichtung besteht ebenfalls aus einem O-Ring 62, der sich in einer Ringnut 64 an der Halterung 56 befindet und von einem Haltering 66 mit Hilfe von Schrauben 68 gegen den Umfang des Gehäuses 20 gepreßt wird. Eine Kappe 78 ist mit Schrauben 84 an der Halterung 56 befestigt. Zur Abdichtung der Kappe dient ein O-Ring 82, der in einer Ringnut 80 sitzt. Die Kappe 78 besitzt einen Auslaß 86, durch welchen die Kühlflüssigkeit das Gehäuse 20 verlassen kann.

Der Laserstab 32 ist im Mantel 10 mittels einer zylindrischen Halterung 34 befestigt. An diese schließt sich eine Bohrung 36 des Sockels 14 an, durch welche das von dem Laserstab erzeugte kohärente Licht austreten kann. Ein O-Ring 40,' der von einer Schraubkappe 38 auf die Halterung 34 gedruckt wird, dient zur Flüssigkeitsdichtung des Laserstabes 32. Das andere

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Ende des Laserstabes trägt eine Kappe 41, deren Inneres ebenfalls mittels eines nicht gezeichneten O-Ringes flüssigkeitsdicht von dem Pumphohlraum abgesperrt ist.

Zur Halterung der Lampe 42 dient ein Anschlußstift 44 derselben, der in-ein Loch 46 des Sockels 14 hineinragt und dort mittels einer Schraube 48 festgelegt ist. Am anderen Ende der Lampe.42 befindet sich ein entsprechender Anschlußstift 50,der über einen Anschlußdraht 72 mit einer Klemme 70 verbunden ist. Die Klemme ist mittels eines Gewindes 71 flüssigkeitsdicht durch die Halterung 56 durchgeführt. Zur Befestigung des Anschlußdrahtes' dienen Schrauben 74 und 76.

Zum elektrischen Anschluß an den Sockel 14 ist ein Anschlußleiter 33 in ein entsprechendes Loch 35 des Sockels eingeführt und mittels einer Schraube 37 dort festgelegt.

Die Außenfläche des Glasgehäuses 20 trägt eine reflektierende Schicht 52 aus Gold, Silber, Aluminium oder dgl., die beispielsweise aufgedampft ist. Die Keflexionsschicht 52 konzentriert das von der Lampe 42 erzeugte Licht auf öen Laserstab Die durch das Gehäuse 20 strömende Kühlflüssigkeit kommt nicht in Berührung mit der Reflexionsschicht 52, wodurch eine schädliche Beeinflussung derselben vermieden wird. Trotzdem wird die Reflexionsschicht 52 mittels Wärmeleitung durch das verhältnismäßig dünne Gehäuse 20 wirksam gekühlt. Zum Schutz

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der Reflexionsschicht 52 dient ein überzug 54 aus Pyrex-Glas oder Quarz. Dieser Schutzüberzug ist besonders während des Zusammenbaus nützlich. Die Reflexionsschicht 52 erstreckt sich im wesentlichen über die ganze Strecke zwischen den Lampenelektroden 44 und 50, auf der die Entladung stattfindet und Licht erzeugt. Die Endteile des Gehäuses bleiben von der Reflexionsschicht frei, so daß keine Kurzschlußbrücke zwischen den Klemmen 70 und 33 auftreten kann.

Pig. 2 zeigt schematisch die ganze Laseranordnung. Ein Impulserzeuger 90 legt periodisch einen Hochspannungsimpuls an die Klemmen 70 und 33. Dadurch wird die Blitzlichtröhre 42 periodisch gezündet und erzeugt einen kräftigen Lichtblitz, der auf den Laserstab 32 konzentriert wird. Der Laserstab wird hierbei in bekannter Weise angeregt, und bei seiner Rückkehr in den Ruhezustand wird ein kohärenter Lichtstrahl erzeugt, der durch die Bohrung 36 austritt. Es gehen jedoch etwa 95 % der auf den Laserstab 32 konzentrierten Energie hauptsächlich in Form von Wärme verloren, weshalb die überschüssige Wärmeenergie abgeführt werden muß, wenn höhere Durchschnittsleistungen erreicht werden sollen. Hierzu wird eine Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, von einer Pumpe durch den Einlaß 88 in den Kopplungshohlraum innerhalb des Gehäuses 20 geführt und verläßt diesen durch den Auslaß 86. Die Kühlflüssigkeit strömt dann durch einen Voratsbehälter und einen Wärmetauscher 96, wo die Wärmeenergie an die Umgebung

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abgegeben wird. Bei einem ausgeführten Beispiel betrug die Eingangsleistung der Lampe 42 etwa 300 ¥ und die Pumpe 94 förderte das Kühlwasser in einer Menge von etwa 4 1 je Minute durch das Gehäuse. Um zu gewährleisten, daß das Kühlwasser seine Isolationsfähigkeit beibehält und daß keine elektrische Entladung zwischen den Elektroden 46 und 50 über das Kühlmedium stattfindet, ist zwischen der Pumpe 94 und dem Einlaß 88 ein Entsalzer 98 in den Kreislauf eingebaut. Ein solcher Entsalzer kann in bekannter Weise eine Kunstharzfüllung besitzen. Die Wärmeabsorption des Kühlmittels kann verbessert werden, wenn statt Wasser beispielsweise ein flüssiges Silikon verwendet wird.

Der Mantel 12 besteht beispielsweise aus Preßstoff auf Textilgrundlage, um eine elektrische Entladung zwischen den Teilen 14 und 70 über den Mantel zu verhindern. Die Halterung 56 besteht aus einem Isoliermaterial, z.B. Nylon oder Teflon, die beide hohe Spannungen aushalten und einen hohen Korrosionswiderstand haben, so daß sie das Kühlmittel nicht verunreinigen können. Ferner sind beide Stoffe leicht bearbeitbar. Der Sockel 14, der z.B. auf Erdpotential liegt, besteht beispielsweise aus Edelstahl.

Wie erwähnt, hat das Licht der Lampe 42 einen starken Ultraviolettanteil. Es wurde festgestellt, daß die Wirksamkeit von

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mit Neodym dotierten Laserstäben durch ultraviolettes Licht etwa um den Faktor 2-3 herabgesetzt wird und daß das ultraviolette Licht auch eine mechanische Beschädigung des Laserstabes 32 hervorruft. In diesem Zusammenhang ist Wasser als Kühlmittel besonders geeignet, weil es gleichzeitig die unerwünschte ultraviolette Strahlung absorbiert. Um die Intensität des auf den Laser 32 fallenden ultravioletten Lichtes weiter zu verringern, kann die Reflexionsschicht 52 aus Silber bestehen und eine Dicke von etwa 500 - 800 Angström haben. "In diesem ■ Falle wird der größte Teil des ultravioletten Lichtes von der Schicht 52 durchgelassen, also nicht auf den L'aserstab 32 reflektiert. Auch der Werkstoff des Gehäuses 20 kann als Filter für unerwünschte Wellenlängen dienen. Soll wie im vorliegenden Falle das ultraviolette Licht ausgefiltert werden, so macht man das Gehäuse 20 beispielsweise aus einem diese Wellenlängen durchlassenden Glas; ein solches ist unter dem Namen Nonex bekannt. Es wurden Messungen unter Verwendung eines mit Neodym dotierten Laserstabes ausgeführt, der eine Länge von 30 cm und einen Durchmesser von 1,3 cm hatte. Dieser Laserstab hatte in der erfindungsgemäßen Laseranordnung einen Wirkungsgrad von etwa 3 %, während er in einer Laseranordnung der bekannten Art nur einen Wirkungsgrad von etwa 1 % erreichte.

Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier wird statt der spiegelnden Reflexionsschicht 52 ein

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diffuser Reflektor 53 verwendet, der beispielsweise aus Pulver von MgO oder MgCO₃ besteht, das zwischen das Gehäuse 20 und ein zweites zylindrisches Gehäuse 21 mit etwa.s größerem Durchmesser eingefüllt ist. Das größere Gehäuse 21 kann aus Glas oder Kunststoff bestehen. Durch die diffuse Reflexion an dem Pulver 53 wird das Licht von der Lampe 42 gleichmäßig auf den Raum innerhalb des Gehäuses 20 und damit auf den Laserstab verteilt. Versuche haben gezeigt, daß bei Verwendung dieses diffusen Reflektors eine gleichmäßigere Erregung des Laserstabes erreicht werden kann, wodurch die erzeugten Laserstrahlen eine gleichmäßigere Intensitätsverteilung im Querschnitt und eine minimale Strahldivergenz aufweisen. Ferner wird die Lebensdauer der Reflexionsflächen verlängert, denn das Magnesia- oder Magnesitpulver ist außerordnetlieh stabil und nicht wie dünne Metallschichten gegen Kratzer oder Oxydation anfällig.

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Claims (9)

MpL-k«. G. Wdnhauser n ag 4| . _ W 526 - Dr.Hk/CS Teieaeiae Westinghouse Electric Corporation in Bae*· Pittsburgh, Pa.,V.St.A. Patentansprüche

1. Gekühlte Laseranordnung, bei der Laserstab und Pumplichtquelle sich in einem mit Reflexionsflächen versehenen Gehäuse befinden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (20) mit einer lichtdurchlässigen Kühlflüssigkeit angefüllt ist. .

2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Gehäuses (20) mit Zu- und Ableitungen (88,86) für die Kühlflüssigkeit versehen ist.

3. Laseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit diejenigen Wellenlängen des Pumplichtes, die keine Erregung des Laserstabes hervorrufen , nichty&urchläßt.

4. Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (20) für diejenigen Wellenlängen des Pumplichtes, welche den Laserstab nicht erregen können, durchlässig ist.

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5. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse für diejenigen Wellenlängen des Pumplicht es,

ι die den Laserstab anregen, durchlässig ist und daß die Eeflexionsflache (52, 53) sich auf der Außenseite des Gehäuses befinden.

6. Laseranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche für diejenigen Wellenlängen des Pumplichtes, welche den Laserstab nicht anregen, mindestens

™ teilweise durchlässig ist.

7. Laseranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstab (32) aus einem mit Neodym dotierten Kristall besteht und daß die Reflexionsfläche (52) aus einer Silberschicht mit einer Dicke von etwa 500 - 800 Angström besteht.

8. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch fc gekennzeichnet, daß die Reflexionsflache (53) das Pumplicht diffus reflektiert.

9. Laseranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die diffus reflektierende Fläche aus einem Pulver besteht, das zwischen dem Gehäuse (20) und einem dasselbe umschließenden weiteren Gehäuse (21) angeordnet ist.

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10; Laseranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver aus MgO oder MgCO_ besteht.

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