DE3027590A1

DE3027590A1 - Absorber fuer laserstrahlung hoher leistung

Info

Publication number: DE3027590A1
Application number: DE19803027590
Authority: DE
Inventors: Michael Dr.phil. 8035 Stockdorf Langenwalter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-07-21
Filing date: 1980-07-21
Publication date: 1982-02-11
Also published as: DE3027590C2

Description

Absorber für Laserstrahlung hoher Leistung
In Verbindung mit dem zunehmenden Einsatz von Laserstrahling hoher Leistung, wie sie insbesondere von Lasern der Klassen III und IV geliefert wird, tritt (insbesondere im Wartungsbetrieb) das Problem auf, die im Strahlengang des Lasers transportierte Strahlungsenergie ohne Gefährdung von Personen und/oder Sachen abzuführen. Dieses Problem stellt sich insbesondere dann in voller Schärfe, wenn Laser nicht nur in Forschungslaboratorien, sondern beispielsweise auch in Fertigungseinrichtungen Anwendung finden, wo Sicherheitsfragen besondere Sorgfalt zu widmen ist. Im Prinzip kann die Strahlungsenergie dadurch abgeführt werden, daß der Laserstrahl aufgefangen und seine Energie vollständig in Wärme umgesetzt wird. Hierzu kann man den Laserstrahl beispielsweise mittels eines Planspiegels um 90° ab- und in einen Graphit-Hohlkegel lenken, der die Strahlung absorbiert. Dabei ist allerdings die Energiedichte, mit der der Laserstrahl auf die eigentliche Absorberfläche fällt, relativ groß, so daß es bei größerer Strahlungsleistung zu einer entsprechend starken, ggf.
selbst bei Wasserkühlung nur schwer zu beherrschenden Erwärmung des Absorbers kommen kann.
Die Erfindung stellt sich demgegenüber die Aufgabe, mit wesentlich geringerer Absorberbeanspruchung eine zuverlässige Eliminierung eines Laserstrahls zu ermöglichen.
Die Erfindung betrifft einen Absorber für Laserstrahlung, insbesondere hoher Leistung; dieser Absorber ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der in einem bis auf eine kleine Eintrittsöffnung allseitig geschlossenen Hohlkörper, an dessen Innenwänden die dort auftreffende Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt wird, aufgefangene Laserstrahl nach Eintritt in den Innenraum des Hohlkörpers zentral auf einen hochreflektierenden Kegelkörper auftrifft, der die Laserstrahlung auf die Hohlkörperinnenwand umlenkt. Die Erfindung bringt damit den Vorteil mit sich, daß die eigentlichen Absorberflächen nur durch wesentlich herabgesetzte Energiedichten beansprucht werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
In der Zeichnung ist in einem Schnittbild schematisch in einem zum Verständnis der Erfindung erforderlichen Umfang ein Ausführungsbeispiel für einen Absorber gemäß der Erfindung dargestellt. Dieser Absorber weist zunächst einen bis auf eine vergleichsweise kleine Eintrittsöffnung L allseits geschlossenen, einen Hohlraum umschließenden Körper (Hohlkörper) H auf, in dessen Hohlraum der in der Zeichnung mit seiner Achse S angedeutete, zu absorbierende Laserstrahl durch die genannte Eintrittsöffnung L eintritt. Der Hohlkörper H weist in seinem Inneren gegenüber der Eintrittsöffnung L einen Kegel oder kegelähnlichen Körper K auf,. dessen Kegelachse zumindest angenähert parallel zur Laserstrahlachse S verläuft und auf den der Laserstrahl zentral auftritt. An der Oberfläche des Kegelkörpermantels wird die Laserstrahlung nahezu total reflektiert und damit torusförmig auf die Hohlkörperinnenwand W umgelenkt. Hierzu besteht zumindest die Oberfläche des Kegelkörpermantels aus einem die auftreffende Laserstrahlung weitestgehend reflektierenden Material; zweckmäßigerweise ist die Kegelfläche poliert und vergo16t, während der darunterliegende eigentliche Kegelkörper K zweckmäßigerweise zumindest teilweise aus Kupfer oder einem anderen Material mit etwa in der gleichen Größenordnung liegendem Wärmeleitvérmögen besteht. Dabei steht der Kegelkörper K zweckmäßigerweise mit dem Hohlkörper H in wärmeleitender Verbindung, wozu der Kupfer körper mit seiner zylindrischen Basis mit geringer Toleranz (< 0,05 mm) in den Absorberboden eingepaßt und verschraubt sein kann, so daß zwischen Kegelkörper und Absorberboden ein guter Wärmeübergang sichergestellt ist.
Damit ist dem Umstand Rechnung getragen, daß ein an sich sehr geringer Prozentsatz von beispielsweise etwa 2 bis 3 % der Laserstrahlenergie von der Goldschicht absorbiert und in Wärme umgesetzt wird, die auf dem angegebenen Wege abgeführt wird. Des weiteren wird ein unzulässiges Ansteigen der Temperatur der reflektierenden Schicht des Kegelmantels verhindert, wenn etwa aufgrund von Veränderungen der reflektierenden Schicht der Anteil der vom Kegelmantel absorbierten Slrahlungsenergie größer wird.
Durch die Oberfläche des Kegelkörpermantels wird, wie schon gesagt, die durch die Öffnung L eingetretene Laserstrahlung nahezu total reflektiert und torusförmig mit erheblich reduzierter Energiedichte auf die Hohlkörperinnenwand W umgelenkt. Dazu muß die Erzeugende des Kegelkörpers K übrigens nicht notwendigerweise eine Gerade sein, sondern kann auch derart stetig oder auch stuckweise aus geraden Abschnitten zusammengesetzt gekrümmt sein, daß die in Richtung der Laserstrahlachse S durch die Öffnung L parallel einfallende Laserstrahlung nach der Spiegelung am Kegelkörper divergiert, womit die Energiedichte weiter herabgesetzt wird.
Die reflektierte und dabei in ihrer. Energiedichte reduzierte Strahlung trifft dann auf die Innenwand W des Hohlkörpers H, die derart ausgebildet ist, daß die Strahlung zum größten Teil sofort absorbiert wird.
Hierzu ist die Oberfläche W der Innenwand des Hohlkörpers H zweckmäßigerweise, wie bei einem sog.#schwarzen Körper üblich, geschwärzt; der Hohlkörper H selbst besteht zweckmäßigerweise aus einem Material hohen Wärmeleitvermögens, vorzugsweise aus Aluminium, wobei die Schwärzung der Innenwand W vorteilhafterweise durch Eloxieren bewirkt werden kann. Die Oberfläche der Hohlkörperinnenwand W wird außerdem zweckmäßigerweise so ausgebildet, daß der nicht sofort absorbierte Anteil der Strahlung möglichst diffus gestreut wird( um bei erneutem Auftreffen auf die Innenwand W ebenfalls weitestgehend absorbiert zu werden); hierzu weist die Oberfläche der Innenwand W des Hohlkörpers H zweckmäßigerweise eine Raütiefe auf, die zumindest angenähert in der Größenordnung der Wellenlänge der Laserstrahlung liegt.
In der angegebenen Weise wird die eingestrahlte Laser energie praktisch vollständig in Wärme umgesetzt, die dann vom Hohlkörper H vollständig durch Wärmeleitung und Konvektion abgegeben werden kann. Zur Vergrößerung der konvektiv wirksamen Flächen ist der Hohlkörper H zweckmäßigerweise mit Kühlrippen R versehen, wie dies auch in der Zeichnung angedeutet ist. Mit einem solchen Absorber, der, wie dies in der Zeichnung angedeutet ist, beispielsweise aus zwei Absorber-Halbteilen bestehen kann; deren innere Form Kugelhaibschalen bildet und deren äußere Gestalt durch die Kühlrippen gegliedert ist, kann beispielsweise ein 10 600-nm-Laserstrahl von 470 W Dauerstrichleistung bei TEMoo absorbiert werden. Alternativ oder auch zusätzlich dazu kann, ohne daß dies in der Zeichnung noch näher dargestellt ist, die im Hohlkörper H durch Strahlungsabsorb#tion entstandene Wärme auch mittels aktiver Kühlung, beispielsweise durch Lüfterkühlung, Wasserkühlung oder Kühlung mit Kältemitteln, abgeführt werden, was ggf.
auch die Absor#tion wesentlich höherer Laserleistungen erleichtert.
Abschließend sei noch bemerkt, daß die Ausbildung der reflektierenden Oberfläche des Kegelkörpers sich nach der Wellenlänge der jeweiligen Laserstrahlung richtet.
So liegt der für das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel erwähnten Vergoldung des Kegelkörpers ein (C02-) Laser zugrunde, der einen Laserstrahl im Infrarotbereich, im Beispiel mit einer Wellenlänge von 10.600 nm, erzeugt; bei im sichtbaren Bereich arbeitendem Laser wird der Kegelkörper mit einer bei der dann gegebenen Wellenlänge hochreflektierenden Oberfläche zu versehen sein, beispielsweise mit einer üblichen optischen Spiegelfläche.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche 1. Absorber für Laserstrahlung, insbesondere Strahlung hoher Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß der in einem bis auf eine kleine Eintrittsöffnung (L) allseitig geschlossene Hohlkörper (H), an dessen Innenwand (W) die dort auftreffende Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt wird, aufgefangene Laserstrahl nach Eintritt in den Innenraum des Hohlkörpers (H) zentral auf einen hochreflektierenden Kegelkörper (K) auftrifft, der die Laserstrahlung auf die Hohlkörperinnenwand (w) umlenkt.
2. Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelachse zumindest angenähert parallel zur Laserstrahlachse (S) ist.
3. Absorber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelkörper (K) zumindest teilweise aus einem Material hohen Wärmeleitvermögens besteht, das mit dem Hohlkörper (H) in wärmeleitender Verbindung steht.
4. Absorber'nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Kupfer ist.
5. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kegelkörpermantels aus einem die auftreffende Laserstrahlung weitgehend reflektierenden Material besteht.
Absorber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche poliert ist.
7. Absorber nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche vergoldet ist.
8. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugende des Kegelkörpers (K) eine derart gekrümmte Linie ist, daß die parallel einfallende Laserstrahlung nach Reflektion am Kegelkörpermantel divergiert.
9. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (H) aus einem Material hohen Wärmeleitvermögens besteht.
10. Absorber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Aluminium ist.
11. Absorber nach einem der AnsprUche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Innenwand (W) des Hohlkörpers (H) geschwärzt ist.
12. Absorber nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand-Oberfläche schwarz eloxiert ist.
13. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Innenwand (W) des Hohlkörpers (H) eine zumindest angenähert in der Größenordnung der Wellenlänge der Laserstrahlung liegende Rauhtiefe aufweist.
14. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (H) mit Kühlrippen (R) versehen ist.
15. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis , daß im Hohlkörper (H) durch Strahlungsabsorbition entstandene Wärme mittels aktiver Kühlung abgeführt wird.
16. Absorber nach einem der Ansprüche 1 bis 16, in Verbindung mit Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kegelkdrpermantels eine optische Spegelfläche ist.