CH615535A5

CH615535A5 - Device for forming the image of the discharge of an excitation source in a substance emitting laser radiation

Info

Publication number: CH615535A5
Application number: CH933576A
Authority: CH
Inventors: Michael E Mack; James L Munroe
Original assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes
Priority date: 1975-10-28
Filing date: 1976-07-21
Publication date: 1980-01-31
Also published as: FR2330171A1; IT1066412B; IL49936A0; IL49936A; NL7607632A; SE413960B; DE2630566A1; CA1067190A; AU500922B2; BE845280A; ES452584A1; GB1555232A; AU1547376A; JPS5254396A; SE7607394L

Abstract

In order to obtain a high efficiency of laser radiation with limited heating up as the conditions of power and of frequency of repetition increase, the device includes a channel (12) for a substance emitting laser radiation while circulating. This channel is delimited by two walls (14, 16) having windows (18, 20) in the form of lenses. An excitation source, preferably an illuminator lamp (22, 24) consisting of an envelope (26, 28) surrounding a region of plasma (30, 32), is opposite the curved face of each window. This source is partially surrounded by a reflector (34, 36). The radiation from the illuminator lamps (22, 24) is directed by the reflectors (34, 36) through the windows in such a way that it is focussed in a region (42) lying entirely within the emitting substance. The device is used for isotope separation and enrichment. <IMAGE>

Description

L'invention a donc pour but de fournir un dispositif de formation de l'image de la décharge d'une source d'excitation de laser dans une substance d'émission de rayonnement laser qui permet d'obtenir un rendement élevé avec un échauffement limité en confinant la région d'excitation de la substance émettrice dans une zone limitée éloignée de la limite de cette substance. Ceci contribue à obtenir un rendement élevé qui permet à son tour d'atteindre une forte puissance de sortie, en réduisant en même temps les effets qui contribuent à la détérioration de l'émission se produisant lorsque la limite entre la substance d'émission et la fenêtre d'application de l'excitation est excitée. The object of the invention is therefore to provide a device for forming the image of the discharge of a laser excitation source in a substance emitting laser radiation which makes it possible to obtain a high efficiency with limited heating. by confining the excitation region of the emitting substance in a limited area far from the limit of this substance. This contributes to obtaining a high efficiency which in turn achieves a high output power, at the same time reducing the effects which contribute to the deterioration of the emission occurring when the boundary between the emission substance and the excitation application window is excited.

Le dispositif permettant d'atteindre ce but est défini dans la revendication 1. The device enabling this object to be achieved is defined in claim 1.

D'autres avantages du dispositif selon l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant au dessin annexé sur lequel: Other advantages of the device according to the invention will be better understood on reading the description which will follow of an exemplary embodiment and with reference to the appended drawing in which:

la fig. 1 est une coupe du dispositif d'excitation de laser, et la fig. 2 est une coupe transversale du dispositif de la fig. 1. fig. 1 is a section through the laser excitation device, and FIG. 2 is a cross section of the device of FIG. 1.

Le dispositif est de préférence destiné à appliquer un rayonnement d'excitation à une substance émettrice de rayonnement laser dans un volume cylindrique limité de cette substance afin d'augmenter le rendement et de limiter la région d'échauffement, et particulièrement à l'excitation d'une substance en circulation, par exemple une solution colorante utilisée pour une opération de photo-excitation sélective appliquée à l'enrichissement de l'uranium. Le dispositif selon l'invention sera mieux compris en se reportant à la coupe du mode de réalisation de la fig. 1. Sur cette figure, un canal 12 pour le liquide colorant comporte des parois 14 et 16 opposées comprenant des fenêtres de quartz 18 et 20 sous forme de segments cylindriques se prolongeant de part et d'autre du plan du dessin. Le canal 12 contient une solution colorante en circulation, telle que celle utilisée dans les oscillateurs ou les amplificateurs à laser destinés à la séparation des isotopes, comme le décrit le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3772519 précité. De l'autre côté des fenêtres 18 et 20, à l'opposé du canal 12, sont disposées des lampes éclairs 22 et 24 qui peuvent être de type courant, bien qu'il soit préférable que leur section transversale soit réduite. Les lampes éclairs 22 et 24 sont constituées par des enveloppes extérieures 26 et 28 dans lesquelles une décharge électrique dans un gaz développe des régions de plasma 30 et 32, de forme générale cylindrique et allongée. Les plasmas 30 et 32 sont généralement produits par des décharges puisées qui présentent un intérêt particulier dans le cas de la séparation d'isotopes. The device is preferably intended to apply excitation radiation to a substance emitting laser radiation in a limited cylindrical volume of this substance in order to increase the yield and limit the region of heating, and in particular to the excitation d 'a substance in circulation, for example a coloring solution used for a selective photo-excitation operation applied to the enrichment of uranium. The device according to the invention will be better understood by referring to the section of the embodiment of FIG. 1. In this figure, a channel 12 for the coloring liquid has opposite walls 14 and 16 comprising quartz windows 18 and 20 in the form of cylindrical segments extending on either side of the plane of the drawing. Channel 12 contains a circulating coloring solution, such as that used in oscillators or laser amplifiers intended for the separation of isotopes, as described in the aforementioned US Patent No. 3,772,519. On the other side of the windows 18 and 20, opposite the channel 12, are arranged flash lamps 22 and 24 which may be of the standard type, although it is preferable that their cross section is reduced. The flash lamps 22 and 24 are constituted by external envelopes 26 and 28 in which an electric discharge in a gas develops plasma regions 30 and 32, of generally cylindrical and elongated shape. Plasmas 30 and 32 are generally produced by pulsed discharges which are of particular interest in the case of the separation of isotopes.

Les lampes éclairs 22 et 24 sont entourées partiellement par des réflecteurs cylindriques 34 et 36, de section elliptique et dont The flash lamps 22 and 24 are partially surrounded by cylindrical reflectors 34 and 36, of elliptical section and of which

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les axes sont parallèles aux axes des fenêtres cylindriques 18 et 20. Les réflecteurs 34 et 36 réfléchissent entièrement le rayonnement d'excitation 38 provenant des lampes éclairs 22 et 24, suivant des trajets 40 qui sont concentrés par les fenêtres cylindriques 18 et 20 dans une région 42, en y créant ainsi une image réelle de chaque région de plasma 30 et 32. the axes are parallel to the axes of the cylindrical windows 18 and 20. The reflectors 34 and 36 fully reflect the excitation radiation 38 coming from the flashlights 22 and 24, along paths 40 which are concentrated by the cylindrical windows 18 and 20 in a region 42, thereby creating a real image of each plasma region 30 and 32 there.

Les fenêtres 18 et 20 comportent des surfaces planes 44 et 46 en contact avec la solution colorante qui circule dans le canal 12, et ces surfaces sont dans le même plan que les surfaces intérieures régulières des plaques de parois latérales 14 et 16. Les surfaces opposées 50 et 52 des fenêtres 18 et 20 sont incurvées pour permettre, conjointement avec les réflecteurs 34 et 36, la focalisation des régions de plasma 30 et 32 dans la région 42. Dans le cas où les réflecteurs 34 et 36 sont elliptiques, comme cela a été mentionné ci-dessus, les surfaces incurvées 50 et 52 des fenêtres 18 et 20 présentent une section circulaire et, si le prix n'est pas une limitation, une surface asphérique qui optimise la focalisation. D'autres sections des réflecteurs 34 et 36 et des surfaces 50 et 52 des fenêtres formant lentilles sont possibles pour permettre la formation d'une image réelle des régions cylindriques 30 et 32 dans la région 42. The windows 18 and 20 have flat surfaces 44 and 46 in contact with the coloring solution which circulates in the channel 12, and these surfaces are in the same plane as the regular interior surfaces of the side wall plates 14 and 16. The opposite surfaces 50 and 52 of the windows 18 and 20 are curved to allow, together with the reflectors 34 and 36, the focusing of the plasma regions 30 and 32 in the region 42. In the case where the reflectors 34 and 36 are elliptical, as has was mentioned above, the curved surfaces 50 and 52 of the windows 18 and 20 have a circular section and, if the price is not a limitation, an aspherical surface which optimizes the focusing. Other sections of the reflectors 34 and 36 and of the surfaces 50 and 52 of the lens windows are possible to allow the formation of a real image of the cylindrical regions 30 and 32 in the region 42.

Il résulte de cette formation d'image la production dans le canal 12 d'une image réelle des plasmas 30 et 32, avec un grossissement minimal, c'est-à-dire à peu près la même dimension d'image, et un minimum d'aberrations. Le flux des lampes éclairs est donc concentré selon une distribution étroite, avec un rayonnement intense, dans le volume de la solution colorante, cette distribution convenant particulièrement pour l'utilisation efficace du rayonnement d'une lampe éclair. The result of this image formation is the production in channel 12 of a real image of plasmas 30 and 32, with a minimum magnification, that is to say roughly the same image size, and a minimum aberrations. The flux of flash lamps is therefore concentrated in a narrow distribution, with intense radiation, in the volume of the coloring solution, this distribution being particularly suitable for the efficient use of the radiation of a flash lamp.

Les considérations de réalisation de forme des réflecteurs 34 et 36 et de fenêtres 18 et 20 avec leurs surfaces courbes 50 et 52 Considerations for the shape of the reflectors 34 and 36 and of the windows 18 and 20 with their curved surfaces 50 and 52

comprennent le rendement maximal de transfert d'énergie; la surface minimale de la section de l'image 42; un rayonnement minimal à l'extérieur de l'image centrale 42; et la compensation des aberrations produites par les enveloppes 22 et 24 des lampes, s Dans le cas de réflecteurs elliptiques 34 et 36, ces résultats sont obtenus avec des fenêtres 18 et 20 qui produisent une déviation minimale du rayonnement des lampes. D'autres combinaisons de formes de fenêtres et de réflecteurs, paraboliques par exemple, peuvent convenir bien que l'exemple illustré soit préférable. include the maximum energy transfer efficiency; the minimum area of the section of image 42; minimal radiation outside the central image 42; and compensation for the aberrations produced by the envelopes 22 and 24 of the lamps, s In the case of elliptical reflectors 34 and 36, these results are obtained with windows 18 and 20 which produce a minimum deviation of the radiation from the lamps. Other combinations of window shapes and reflectors, for example parabolic, may be suitable although the illustrated example is preferable.

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Pour compléter la description de l'amplificateur ou l'oscillateur à laser comprenant le dispositif de concentration illustré, il faut se reporter à la fig. 2 qui est une coupe suivant la ligne 2-2 de la fig. 1. Comme le montre la fig. 2, ces parois du canal 12 qui 15 sont au-dessus et au-dessous du plan de la fig. 1, sont formées par des fenêtres 54 et 56 par lesquelles le faisceau de laser à amplifier le dispositif selon l'invention, ou le faisceau de laser produit dans le cas d'un oscillateur, passe sous la forme du faisceau 58. La section transversale du faisceau 58 correspond à celle de la région 20 excitée 42. Cette région est une partie limitée de la surface totale disponible dans le canal 12, entre les surfaces 44 et 46, qui limite la production de chaleur près des surfaces à l'intérieur de la substance émettrice, ce qui pose généralement un problème dans le cas des lasers à pompage transversal. En outre, la limitation de 25 la région d'excitation à une surface limitée telle que la région 42, correspondant à la section transversale du faisceau laser 58 voulu, permet d'obtenir un rendement maximal dans l'utilisation du rayonnement des lampes éclairs 22 et 24. Une fréquence d'impulsions élevée est également possible puisqu'il n'existe qu'une faible 30 excitation de la substance émettrice à l'extérieur de la région 42, particulièrement le long des lignes de circulation. To complete the description of the amplifier or the laser oscillator including the illustrated concentration device, reference should be made to fig. 2 which is a section along line 2-2 of FIG. 1. As shown in fig. 2, these walls of the channel 12 which are above and below the plane of FIG. 1, are formed by windows 54 and 56 through which the laser beam to be amplified the device according to the invention, or the laser beam produced in the case of an oscillator, passes in the form of the beam 58. The cross section of the beam 58 corresponds to that of the excited region 20 42. This region is a limited part of the total surface available in the channel 12, between the surfaces 44 and 46, which limits the production of heat near the surfaces inside the emitting substance, which is generally a problem in the case of transversely pumped lasers. Furthermore, the limitation of the excitation region to a limited surface such as the region 42, corresponding to the cross section of the desired laser beam 58, makes it possible to obtain maximum efficiency in the use of the radiation from flash lamps 22 and 24. A high pulse frequency is also possible since there is only a weak excitation of the emitting substance outside the region 42, particularly along the circulation lines.

R R

1 feuille dessins 1 sheet of drawings

Claims

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1. Device for forming the image of the discharge of a laser excitation source (22, 24) in a substance emitting laser radiation, characterized in that it comprises at least one such source (22 or 24 ), this source comprising an elongated region (30, 32) which emits excitation radiation (38) in all directions; a circulation channel (12) having at least one window (18 or 20) in one of two walls (14, 16), said walls being parallel to each other and forming the channel (12), this window (18 or 20) s 'extending in the longitudinal direction of said region (30, 32); a laser radiation emitting substance circulating in the channel (12) in a direction perpendicular to the longitudinal direction of said region and capable of being excited in order to emit laser radiation, and an optical means (34, 36) partially surrounding the source (22 or 24) and allowing the formation of a real image (42) of the radiation coming from the region (30, 32) in a limited part of the emitting substance between the walls (14,16) and distant from them to provide an excited region of generally cylindrical and elongated shape.

2. Device according to claim 1, characterized in that the source (22, 24) comprises a flash lamp, and that the region (30, 32) which emits the excitation radiation (38) contains a plasma.

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3. Device according to claim 2, characterized in that the plasma is pulsed.

4. Device according to claim 1, characterized in that the substance consists of a circulating coloring solution.

5. Device according to claim 1, characterized in that the optical means form the image in the excited substance, with approximately the same dimensions as the region which emits the excitation radiation.

6. Device according to claim 1, characterized in that the optical means comprises a reflector (34, 36) partially surrounding the source (22, 24) as well as a convex surface (50, 52) in the window (18, 20 ) opposite the source for receiving the radiation from the reflector allowing the focusing of the image of the linear region (30, 32) in the emitting substance.

7. Device according to claim 4, characterized in that the surface (44, 46) of the window making contact with the coloring solution is in the same plane as the corresponding surface of the wall.

8. Device according to claim 4, characterized in that it comprises a second source, a second reflector and a second window placed on the side of the coloring solution in circulation, opposite the first source, the first reflector and the first window.

9. Device according to claim 8, characterized in that the first and second reflectors consist of elliptical reflectors.

10. Device according to claim 8, characterized in that the first and second windows consist of cylindrical quartz lenses.

11. Device according to claim 10, characterized in that the lens is of a shape allowing a minimum deflection of the radiation of the source reflected by the reflector.

12. Device according to claim 11, characterized in that the lens comprises a flat surface in contact with the substance and a circular surface facing the source.

The excitation of a substance emitting laser radiation, for example a circulating coloring solution, is generally done by applying excitation radiation from a flash lamp or a laser source to this substance in order to create the population inversion used for the program. In many applications, and particularly in isotope separation or uranium enrichment, high power laser pulses of high repetition frequency produced by a circulating dye solution are desirable to produce the energy of radiation required for selective photo-excitation. U.S. Patent No. 3,772,519 describes an application of such a laser to a uranium enrichment process.

As the power and repetition frequency conditions increase, it becomes increasingly important to make efficient use of the sources of excitation radiation creating population inversion and, at the same time, to avoid excitation and the resulting heating from parts of the emission substance other than those directly used for the production of a laser beam. The efficiency in the production of the excitation of the emitting substance allows the realization of a beam of maximum power and maximum repetition frequency while the limitation of the excited region, particularly in the emitting substances pumped laterally, prevents progressive deterioration laser emission, within the limit of the emitting substance with the pump window.