DE2156340A1

DE2156340A1 - Combustion-fed chemical lasers and procedures for their operation

Info

Publication number: DE2156340A1
Application number: DE19712156340
Authority: DE
Inventors: Leon L. Odgen Utah Jones (V.StA.)
Original assignee: Thiokol Corp
Current assignee: ATK Launch Systems LLC
Priority date: 1970-12-29
Filing date: 1971-11-12
Publication date: 1972-07-27
Also published as: AU469120B2; JPS5322834B1; CA952220A; NL7115305A; AU3507271A; DE2156340B2; IT941147B; SE389773B; GB1325809A

Description

DIPL. ING. KLAUS BEHNDIPL. ING. KLAUS BEHN

DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER 2156340DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER 2156340

PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS

8 MÜNCHEN 22 WI D EN M A Y E R STR AS S E 6 TEL (0811) 222530 2951928 MUNICH 22 WI D EN M A Y E R STR AS S E 6 TEL (0811) 222530 295192

12. November I97I A 544 71 Ml/ibNovember 12, 1997I A 544 71 Ml / ib

Firma THIOKOL CHEMICAL CORPORATION, Postfach 27, Bristol, Pennsylvania I9OO7/USATHIOKOL CHEMICAL CORPORATION, PO Box 27, Bristol, Pennsylvania I9OO7 / USA

Durch Verbrennung gespeister chemischer Laser und Verfahren zu dessen BetriebCombustion-fed chemical lasers and procedures for their operation

Die Erfindung betrifft einen kontinuierlichen, durch Verbrennung gespeisten Laserverstärker und einen durch Verbrennung gespeisten chemischen Laser.The invention relates to a continuous combustion powered laser amplifier and a combustion powered one powered chemical laser.

Das Verstehen der Erfindung wird durch Verstehen der Wirkungsweise bekannter Laservorrichtungen erleichtert, und einige der bekannten Vorrichtungen sind schematisch in der Zeichnung dargestellt. Ganz allgemein gesagt besteht ein Gaslaser aus einem "optischen Hohlraum", der durch einen mit unter niedrigem Druck stehenden Gas gefüllten Behälter oder das Laserrohr mit einem hoch reflektierenden Spiegel an beiden Enden gebildet wird. Das Gas in dem Rohr, das Lasermedium, kann aus Atomen, metallischem Dampf oder Molekülen bestehen, und die Laserwirkung wird gewohnlicherweise inUnderstanding the invention is facilitated by understanding the operation of known laser devices, and some of the known devices are shown schematically in the drawing. Generally speaking, there is a Gas laser from an "optical cavity" that is passed through a container filled with gas under low pressure or the laser tube is formed with a highly reflective mirror at both ends. The gas in the pipe, the laser medium, can consist of atoms, metallic vapor or molecules, and the laser action is usually in

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s Merck Finck A Co. München. Nr 29 464 I Bankhaus H. Aufhauser, München. Nr 261300 Postscheck München 20904 s Merck Finck A Co. Munich. No. 29 464 I Bankhaus H. Aufhauser, Munich. No. 261300 Postscheck Munich 20904

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dem Gas durch eine elektrische Entladung erhalten, in der die energiereichen Elektronen, die bei der Entladung frei werden, die aktiven Gaspartikel durch Kollision anregen. Wenn dann die aktiven Gaspartikel einmal· auf eine höhere Energiestufe erregt sind, können sie auf die niedrigeren Energiestufen wieder zurückfallen, was von Energieemission inform von Fotonen oder Lichtquanten begleitet ist*The gas is obtained through an electrical discharge in which the high-energy electrons that are released during the discharge excite the active gas particles through collision. If then the active gas particles once · to a higher Energized, they can fall back to the lower energy levels, what is of energy emission inform is accompanied by photons or light quanta *

Spätere Laserentwicklungen führten auch zu dem gasdynamischen Laser, wie er als Beispiel in Pig. 1 dargestellt ist. Ein Laserstrahl 12 wird in einem optischen Hohlraum erzeugt, der von den Spiegeln 14 und 16 gebildet wird. In den optischen Hohlraum werden Verbrennungsprodukte wie Kohlenmonoxyd und Luft bei Anwesenheit von Stickstoff eingeleitet. Die erforderliche Besetzungsinversion geschieht durch Expansion der Verbrennungsprodukte durch eine Uberschalldüse.Later laser developments also led to the gas dynamic laser, as exemplified in Pig. 1 shown is. A laser beam 12 is generated in an optical cavity formed by mirrors 14 and 16 will. Combustion products such as carbon monoxide and air enter the optical cavity in the presence of nitrogen initiated. The required population inversion occurs through expansion of the combustion products a supersonic nozzle.

Der Druck im Gas innerhalb der Brennkammer 18 ist sehr hoch,,wenngleich derartige Laser auch bereits bei Drücken unterhalb 17 Atmosphären betrieben wurden. Die Temperatur ist nicht übermäßig hoch und liegt im allgemeinen bei etwa 14OQ° K. Die Expansion der Verbrennungsgase- durch eine Verengungsstelle 20 in den Expansionsraum 22, dessen Querschnitt etwa 14 mal größer ist, bedingt eine Geschwindigkeit der Verbrennungsgase auf etwa 4 Mach. Die Tempera-The pressure in the gas within the combustion chamber 18 is very high, although such lasers have also been operated at pressures below 17 atmospheres. The temperature is not excessively high and is generally around 140 ° K. The expansion of the combustion gases through a constriction 20 into the expansion space 22, the cross section of which is approximately 14 times larger, causes the velocity of the combustion gases to about Mach 4. The tempera-

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tür der Kammer, in die die Verbrennungsgase expandieren, wird im allgemeinen auf etwa 500 K oder Raumtemperatur gehalten, und eine Vakuumpumpe 24 wird verwendet, um den für die Gasexpansion benötigten sehr niedrigen Druck zu erzeugen. Der Druck in der Expansionskammer muß sehr niedrig sein und darf in praktischen Fällen eine obere Grenze von etwa 100 Torr nicht überschreiten.door of the chamber into which the combustion gases expand, is generally around 500 K or room temperature held, and a vacuum pump 24 is used to drive the to generate very low pressure required for gas expansion. The pressure in the expansion chamber must be very low and in practical cases must not exceed an upper limit of about 100 Torr.

Diese Art Laser wird auch als durch Verbrennung gespeister Laser bezeichnet. Sie benötigt als Charakteristikum eine sehr schwere Konstruktion der Verbrennungskammer, damit diese den hohen Innendrücken standhalten kann, und weiter muß in der Expansionskammer ein Vakuum erzeugt werden, damit die hohe Gasgeschwindigkeit erreicht wird, die für die Besetzungsdichte unbedingt nötig ist.This type of laser is also known as a combustion powered laser. You need it as a characteristic a very heavy construction of the combustion chamber so that it can withstand the high internal pressures, and furthermore, a vacuum must be created in the expansion chamber so that the high gas velocity is achieved which is absolutely necessary for the occupation density.

Eine weitere Entwicklung ist der elektrisch erregte chemische Laser, der schematisch in Pig. 2 dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird Stickstoff unter etwa 1 Atmosphäre .©ruck in eine Kammer 26 eingeführt, in der er durch einen elektrischen Lichtbogen erhitzt wird, der zwischen einer konzentrisch angebrachten Elektrode 28 und einer Ringelektrode 50, die sich axial in Abstand zueinander befinden, erzeugt wird.Another development is the electrically excited chemical laser, which is shown schematically in Pig. 2 is shown. In this embodiment, nitrogen is introduced under about 1 atmosphere into a chamber 26 in which it is heated by an electric arc between a concentrically mounted electrode 28 and a Ring electrode 50, which are axially spaced from one another located, is generated.

Schwefelhexafluorid (SP^) wird dann mit dem erhitztenSulfur hexafluoride (SP ^) is then heated with the

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Stickstoff vermischt, so daß die Temperatur der Gasmischung etwa 25OO K erreicht. Bei dieser Temperatur ist das Schwefelhexafluorid stark dösoziiert, und die Gasmischung wird dann durch eine Düse 32 inform eines freien Uberschallstrahls 36, der atomares Fluor enthält, expandiert. Molekularer Wasserstoff (H₂) oder Deuterium (D₂) wird aus einer Vielzahl · von Löchern eines perforierten Rohres 34 quer in diesen Gasstrom eingeblasen. Die Besetzungsinversion wird durch exothere Reaktion erzielt:Nitrogen mixed so that the temperature of the gas mixture reaches about 25OOK. At this temperature the sulfur hexafluoride is strongly dissociated and the gas mixture is then expanded through a nozzle 32 in the form of a free supersonic jet 36 containing atomic fluorine. Molecular hydrogen (H ₂ ) or deuterium (D ₂ ) is blown transversely into this gas stream from a multiplicity of holes in a perforated tube 34. The population inversion is achieved by an exotic reaction:

H₂ + F > HF* + H, C¹)H ₂ + F> HF * + H, C ¹ )

wodurch die oberen Schwingungspegel des Fluorwasserstoff (HF) erregt werden. Der freie Strahl 36 tritt dann durch einen optischen Hohlraum, wo die Laserstrahlung erzeugt wird. Im freien Strahl herrschen Bedingungen wie eine Geschwindigkeit von etwa 4,5 Mach, eine Temperatur von etwa 400 K und ein Druck von 3,75 Torr p,005 Atmosphären).whereby the upper vibration levels of the hydrogen fluoride (HF) are excited. The free jet 36 then passes through one optical cavity where the laser radiation is generated. In the free jet, conditions such as speed prevail of about 4.5 Mach, a temperature of about 400 K and a pressure of 3.75 Torr p, 005 atmospheres).

Bei einer noch Jüngeren Entwicklung der chemischen Laser wurde die elektrische Erregung durch eine exotherme .In an even more recent development of the chemical laser, the electrical excitation was exothermic.

Reaktion von Stickoxid (NO) und Fluor (F₂) ersetzt, und ein· Laser dieser Art ist schematisch in Fig. 3 wiedergegeben. Bei diesem Laser wird Stickoxid und Fluor von entgegengesetzten Enden 38 und 40 eines T-förmigen Rohres 42 zugeführt, das mit einem Ende eines langgestreckten, gasgefüllten Behälters 41 verbunden ist. Die Fluoratome werdenReaction of nitric oxide (NO) and fluorine (F ₂ ), and a laser of this type is shown schematically in FIG. In this laser, nitric oxide and fluorine are supplied from opposite ends 38 and 40 of a T-shaped tube 42 which is connected to one end of an elongated container 41 filled with gas. The fluorine atoms will

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durch folgende Reaktion erhalten:obtained by the following reaction:

F₂ + NO > NOF + F (2)F ₂ + NO> NOF + F (2)

Auch Helium kann in das T-förmige Rohr 42 eingeführt werden, um den unteren C0₂~Laserpegel zu entleeren, um dadurch die benötigte Besetzungsinversion zu unterstützen. Molekulares Deuterium (D₂) wird zusammen mit Kohlendyoxid (COj in den Gasstrom injiziert, um nachstehende Kettenreaktion hervorzurufen:Helium can also be introduced into the T-shaped tube 42 in order _{to empty the lower CO 2} laser level in order to thereby support the required population inversion. Molecular deuterium (D ₂ ) is injected into the gas stream along with carbon dioxide (COj) to cause the following chain reaction:

F + D₂ > (DF)* + D (3)F + D ₂ > (DF) * + D (3)

D + F₂ } (DF)* + F (4)D + F ₂ } (DF) * + F (4)

Das so erzeugte Deuteriumfluorid (DF) wird zu Schwingungen angeregt und dazu verwendet, das Kohlendyoxid zu pumpen, indem Schwingungs-Rotationsenergie über einen intermolekularen Energieaustausch übertragen wird. Die strömenden Gase verlassen den Behälter 41 über ein Ausblasrohr 44, und die emittierten Lichtquanten werden innerhalb eines optischen Hohlraums reflektiert, der durch einen Spiegel mit großem Krümmungsradius, im allgemeinen 2 m, und einen Planspiegel 48 gebildet ist. Sowohl die elektrisch erregten als auch die ausschließlich chemischen Laser benötigen eine Sekundärinjektion von Wasserstoff oder Deuterium. Die Bestandteile für die chemische Reaktion müssen entweder als Flüssigkeit oder als Gas zugeführt werden, die Expansionszone muß etwa Raumtemperatur haben, das heißt circa 300° K, und der DruckThe deuterium fluoride (DF) produced in this way is excited to vibrate and used to pump the carbon dioxide by Vibration rotational energy is transmitted via an intermolecular energy exchange. Leave the flowing gases the container 41 via a blow pipe 44, and the emitted Light quanta are reflected within an optical cavity, which is reflected by a mirror with a large radius of curvature, generally 2 m, and a plane mirror 48 is formed. Both the electrically excited and the only chemical lasers require a secondary injection of hydrogen or deuterium. The parts for the chemical reaction must be supplied either as a liquid or as a gas, the expansion zone must be about Have room temperature, i.e. around 300 ° K, and the pressure

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muß sehr niedrig sein, z.B. niedriger als etwa 50 Torr.must be very low, e.g., less than about 50 torr.

Wegen dieser vorstehend genannten Nachteile der bekannten Laser ist es Hauptaufgabe der Erfindung, eine Reihe dieser Nachteile zu beseitigen und einen durch Verbrennung gespeisten chemischen Laser und Verstärker sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb zu schaffen, dem diese Nachteile nicht anhaften.Because of these above-mentioned disadvantages of the known lasers, it is the main object of the invention to provide a number to eliminate these drawbacks and use a combustion-powered chemical laser and amplifier as well to create a method for its operation which does not adhere to these disadvantages.

Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Laser oben genannter Art zu schaffen, bei dem der Verbrennungsstrahl gegen atmosphärischen oder gar noch höheren Druck ausgeblasen werden kann. Weiter soll bei einem derartigen Verfahren und Laser die Möglichkeit gegeben sein, ihn mit einem Verbrennungsstrahl unterhalb der Schallgeschwindigkeit zu betreiben. Im Laser soll weiter durch Betrieb bei hohem Druck und hoher Temperatur eine hohe Sättigungsintensität erreicht werden. Außerdem solνBaser der genannten Art geschaffen werden, in dem ausschließlich feste Brennstoffe verwendet werden, so daß Schwierigkeiten, die mit der Aufbewahrung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen auftreten, vermieden sind. Auch soll bei dem Laser oben genannter Art infolge verringerter Verbrennungsdrücke das Gewicht der Brennkammer geringer als das der bekannten Brennkammern sein und er soll keine Sekundärinjektion vonIt is also an object of the invention to provide a method and a laser of the type mentioned above, in which the Combustion jet can be blown out against atmospheric or even higher pressure. Next should be with one Such methods and lasers are given the opportunity to use a combustion beam below the speed of sound to operate. In the laser, a high intensity of saturation should also be achieved through operation at high pressure and high temperature can be achieved. In addition, solνBaser's mentioned type are created in which only solid fuels are used, so that difficulties that with the storage of liquid or gaseous fuels are avoided. Also with the laser of the type mentioned above, due to reduced combustion pressures, the weight of the combustion chamber is lower than that of the known ones Be combustion chambers and he shouldn't have any secondary injection of

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Wasserstoff oder Deuterium benötigen. Es wird auch ein Laser angestrebt, der zur Erregung nicht einen .elektrischen Lichtbogen benötigt. Der erCLndungsgemäße Laser soll darüber hinaus leicht tragbar und einfach im Aufbau sein, und schließlich soll mit der Erfindung ein Laser geschaffen werden, der keine äußere Energiequelle für die Erregung oder zur Zuführung einer Pumpenergie benötigt.'Need hydrogen or deuterium. The aim is also to use a laser that does not use an electrical one for excitation Arc required. The laser according to the invention should above In addition, it should be easily portable and simple in construction, and finally the invention is intended to create a laser which does not require an external energy source for the excitation or for the supply of pump energy. '

Aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung wird die Erfindung mit ihren Merkmalen, Vorteilen und Eigenschaften nochmals deutlich offenbar. Es zeigen:The invention with its Features, advantages and properties again clearly apparently. Show it:

Fig. 1 ein Schemabild eines bekannten gasdynamischenFig. 1 is a schematic diagram of a known gas dynamic

oder verbrennungsgespeisten Lasers bereits angesprochener Art;or combustion-powered lasers Kind;

Fig. 2 ein Schemabild eines bekannten elektrisch erregten chemischen Lasers, der ebenfalls bereits besprochen ist;FIG. 2 is a schematic diagram of a known electrically excited chemical laser which is also already in use is discussed;

Fig. 5 ^eiⁿ Schemabild eines rein chemischen Lasers bekannter Art entsprechend vorstehenden Ausführungen; Fig. 5 ^e i ⁿ schematic diagram of a purely chemical laser of known type corresponding to the foregoing;

Fig. 4 ein Schemabild eines verbrennungsgespeisten Laserverstärkers nach der Erfindung;4 is a schematic diagram of a combustion-fed laser amplifier according to the invention;

Fig. 5 die Draufsicht auf eine Düse des Lasers nach Fig. 4;FIG. 5 shows the plan view of a nozzle of the laser according to FIG. 4;

Fig. 6 die Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel der Düse des Lasers nach Fig. 4;6 shows the plan view of a second exemplary embodiment of the nozzle of the laser according to FIG. 4;

Fig. 7 ein Schemabild eines verbrennungsgespeisten chemischen Lasers nach der Erfindung; und7 is a schematic diagram of a combustion-fed chemical laser according to the invention; and

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Pig. 8 ein Schemabild eines zweiten AusfUhrungsbeispiels des erfindungsgemäßen verbrennungsgespeisten chemischen Lasers.Pig. 8 is a schematic diagram of a second exemplary embodiment of the combustion-fed chemical laser according to the invention.

Im Gegensatz zu verbrennungsgespeisten Lasern, die eine Beschleunigung der Verbrennungsprodukte einer Flüssigkeit oder eines Gases auf Überschallgeschwindigkeit erfor-' dern, und im Gegensatz zu chemischen Lasern, die eine Sekundärinjektion einer Gasmischung benötigen, verwendet der verbrennungsgespeiste chemische Laser nach der Erfindung den Antriebsstrahl eines Peststoffraketenmotors, um auf chemische Weise Moleküle in angeregtem Schwingungszustand für den anschließenden Energieübergang nach Kohlenstoffdyoxid für den Laserbetrieb zu erzeugen.In contrast to combustion-powered lasers, which accelerate the combustion products of a liquid or a gas at supersonic speed and unlike chemical lasers that use a secondary injection need a gas mixture, uses the combustion-fed chemical laser according to the invention the propulsion jet of a pesticide rocket engine in order to chemically move molecules in an excited state of oscillation for the subsequent energy transfer to carbon dioxide for laser operation.

Es wird jetzt auf den in Fig. 4 schematisch dargestellten Laserverstärker nach der Erfindung Bezug genommen, bei dem der Verbrennungsstrahl eines Feststoffraketenmotors 50 bei Atmosphärendruck in einen geeigneten Rohrleitungskörper 52 abgegeben wird. Die Verbrennungsprodukte des Raktenmotors 50 enthalten molekularen Stickstoff (Np), Kohlenstoffmonoxyd (CO) und Wasserstoffchiorid (HCL) in angeregten Zustand, und der schnelle Temperatur- und Druckwechsel bei der Expansion des VerbrennungsStrahls durch eine konvergierende Düse erzeugt die erforderliche Besetzungsinversion. Außerdem führt die hohe Geschwindigkeit der Gase It is now on the in Fig. 4 shown schematically Laser amplifier according to the invention referred to, in which the combustion jet of a solid rocket motor 50 at atmospheric pressure in a suitable pipe body 52 is delivered. The combustion products of the rocket engine 50 contain molecular nitrogen (Np), Carbon monoxide (CO) and hydrogen chloride (HCL) in excited State, and the rapid changes in temperature and pressure when the combustion jet expands through a converging nozzle creates the required population inversion. It also leads to the high speed of the gases

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zu einer großen Sättigungsintensität und somit zu hoher Energie.to a great saturation intensity and thus too high energy.

Die konvergierende Düse 5j5 erzeugt den Verbrennungsstrahl .Die Düse braucht keinen divergierenden Abschnitt zu haben und kann im großen und ganzen rechteckig mit abgerundeten Ecken sein, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.The converging nozzle 5j5 generates the combustion jet. The nozzle does not need a diverging section and can be generally rectangular with rounded corners, as shown in FIG.

Für ein am Ende brennendes körniges Treibmittel von 4 cm Durchmesser, das 8O# Oxydationsmittel wie Ammoniumparchlorat und 20# eines Bindemittel auf Kohlenwasserstoffbasis, wie Polybutadien-Acrylnitril enthält, wird mit einer 1,25 mal 0,5 cm Düse ein Druck von ca 0,7 kp/cm über Atmosphärendruck und eine Verstärkung von 9# cm erreicht.For a granular propellant 4 cm in diameter that burns at the end, the 80 # oxidizing agent such as ammonium parchlorate and 20 # of a hydrocarbon-based binder, such as polybutadiene-acrylonitrile, comes with a 1.25 by 0.5 cm nozzle a pressure of about 0.7 kp / cm above atmospheric pressure and achieved a gain of 9 # cm.

Gleiche Ergebnisse konnten mit einem Treibmittel erzielt werden, das Ruß und Anthracen enthielt und bei etwa einer Atmosphäre Q-uek verbrannte, wobei die Düsenabmessungen etwa 1,25 mal 0,25 cm betrugen.The same results could be achieved with a propellant which contained soot and anthracene and burned at about one atmosphere Q-uek, with the nozzle dimensions were about 1.25 by 0.25 cm.

Andere Treibmittelzusammensetzungen, die zufriedenstellend arbeiteten, enthielten zwischen 73 und 88$ Oxydationsmittel. Es können auch andere Binder wie Polyäther (z.B. Polypropylenglycol) verwendet werden.Other propellant compositions that work satisfactorily worked, contained between $ 73 and $ 88 oxidizing agents. Other binders such as polyethers (e.g., polypropylene glycol) can also be used.

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Der Druck in der Verbrennungskammer kann zwischen weniger als 0,07 atü bis über 3*5 atü schwanken, doch konnte die beste Verstärkung bei Drücken unter 2,8 atü erzielt werden. Der Verstärkungsgrad kann auch abhängig sein von dem Abstand zwischen der brennenden Oberfläche des Brennstoffs und der Düse wie auch von dem Material, das zur Auskleidung des Raketenmotorgehäuses benutzt wird.The pressure in the combustion chamber can vary between less than 0.07 atmospheres and over 3 * 5 atmospheres, but the best amplification can be achieved at pressures below 2.8 atmospheres. The degree of reinforcement may also depend on the Distance between the burning surface of the fuel and the nozzle as well as the material used to make the liner of the rocket motor housing is used.

Eine andere als die in Pig. 4 und 5 gezeigte Düse ist die Vielfachschlitzdüse nach Fig. 6. Diese Düse weist ein? Anzahl von öffnungen 55 auf, die sämtlich rechteckig sind und nahe beieinander liegen sowie parallel zueinander und quer zur Achse des optischen Hohlraums.Different from the one in Pig. The nozzle shown in 4 and 5 is the multi-slot nozzle according to FIG. 6. This nozzle has a? Number of openings 55, all of which are rectangular and are close to one another and parallel to one another and transversely to the axis of the optical cavity.

Ein üblicher, wechselspannungserregter Kohlendyoxidlaser 54 mit einem durch Spiegel 56 und 58 gebildeten optischen Hohlraum konnte mit Erfolg verwendet werden. Der Spiegel 56 kann beispielsweise ein sphärischer Germaniumhohlspiegel mit 1o m Radius und der Laser in einem Gehäuse mit Wassermantel und Kupferenden eingeschlossen sein. Die Elektroden können Nickel und die Fenster 57 Natriumchlorid sein. Der Spiegel 58 ist ein Planspiegel aus Germanium und zu 25# durchlässig. Goldplattierte Planspiegel (nicht gezeigt) können dazu verwendet werden, den Laserstrahl auf die Achse der Düse auszurichten, und andere Mittel wie ein goldplattierterA common, alternating voltage excited carbon dioxide laser 54 with an optical formed by mirrors 56 and 58 Cavity could be used with success. The mirror 56 can, for example, be a spherical concave germanium mirror with a radius of 10 m and the laser must be enclosed in a housing with a water jacket and copper ends. The electrodes may be nickel and the windows 57 may be sodium chloride. The mirror 58 is a plane mirror made of germanium and 25 # permeable. Gold-plated plane mirrors (not shown) can be used to direct the laser beam onto the axis of the Align nozzle, and other means such as a gold-plated

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sphärischer Spiegel mit 2 m Kugelradius (nicht gezeigt) kann dazu verwendet werden, den Laserstrahl auf einen Punkt nahe der Düse 53 zu fokussieren.Spherical mirror with 2 m spherical radius (not shown) can be used to close the laser beam to a point the nozzle 53 to focus.

Gewöhnliche Natriumchloridfenster 60 und 62, die im Brewster-Winkel und senkrecht zu dem Fenster 57 des Laserraums angeordnet sind, werden dazu benützt," Teile des Strahls durch Fresnel-Reflexion auszuspiegeln. Die Teile des so durch die Fenster 60 und 62 herausgespiegelten Strahls werden durch Diffusoren 64 und 66, die Natriumchloridplatten sein können, die auf beiden Seiten mit Sandpapier einer Körnigkeit von 500 aufgerauht sind, zerstreut,und in gewöhnliche, mit flüssigem Stickstoff gekühlte, goldüberzogene Germaniumstrahlungsdetektoren 68 und 70 geleitet wie die Westinghouse-Type 812. Nicht gezeigte Zerhacker können auf beiden Seiten des Raketenmotors 50 eingesetzt sein und die Anzahl der durch den Glasstrahl des Raketenmotors hindurchtretenden Laserstrahlen nach belieben erhöht werden.Ordinary sodium chloride windows 60 and 62 set at Brewster's angle and perpendicular to window 57 of the laser room are arranged, are used to "parts of the beam to be reflected out by Fresnel reflection. The portions of the beam thus reflected out through windows 60 and 62 become through diffusers 64 and 66, which can be sodium chloride plates, sandpapered on both sides with a graininess of 500 are roughened, scattered, and in ordinary, With liquid nitrogen cooled, gold-coated germanium radiation detectors 68 and 70 conducted like the Westinghouse type 812. Chopper not shown can open be used on both sides of the rocket motor 50 and the The number of laser beams passing through the glass beam of the rocket motor can be increased at will.

Wie in Verbindung mit Fig. 4 erläutert wurde, kann der Laserstrahl eines gewöhnlichen, wechselspannungserregten Kohlenstoffdyoxidlasers 54 durch Hindurchleiten des Strahls durch den Abgasstrahl eines Raketenmotors 50 verstärkt werden. Statt aber den Laserstrahl außerhalb des optischen Hohlraums zu verstärken, wie dies schematisch inAs has been explained in connection with FIG. 4, the laser beam of an ordinary, alternating voltage can be excited Carbon dyoxide laser 54 amplified by passing the beam through the exhaust jet of a rocket engine 50 will. Instead of amplifying the laser beam outside the optical cavity, as shown schematically in FIG

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Verbindung rait Fig. 4 angedeutet ist, kann der Laserstrahl auch durch den Abgasstrahl des Raketenmotors hindurchgeleitet werden, der sich innerhalb des optischen Hohlraums befindet, der durch die Spiegel 56 und 58 gebildet wird, wie dies schematisch Fig. 7 zeigt.Connection rait Fig. 4 is indicated, the laser beam can also be passed through the exhaust jet of the rocket engine, which is located inside the optical Is cavity which is formed by the mirrors 56 and 58, as shown schematically in FIG.

In Fig. 7 sind die Teile, die mit denen der Fig. 4 übereinstimmen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen, damit das Verständnis für die Erfindung erleichtert wird. Der Spiegel 58, der das eine Ende des optischen Hohlraums bildet, ist vom Spiegel 56 soweit abgerückt, daß der Verbrennungsstrahl des Raketenmotors 15 den optischen Hohlraum durchsetzen kann. Der Spiegel 58 kann ein 25$ durchlässiger Germaniumspiegel sein, wie er im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben wurde, oder er kann ein Lochspiegel (hole coupled mirror) sein. Zusätzlich zu dem Aufspüren in der bereits früher beschriebenen Weise durch die Spiegel und 64 und den Detektor 68 kann ein Teil des Laserstrahls von dem Spiegel 62 auf ein Thermoelement 72 gegeben werden.In Fig. 7 the parts which correspond to those of Fig. 4 are provided with the same reference numerals, so that the understanding of the invention is facilitated. The mirror 58 which is one end of the optical cavity forms is moved away from the mirror 56 so far that the combustion jet of the rocket motor 15 can penetrate the optical cavity. The mirror 58 can be a $ 25 transmissive Be a germanium mirror, as it was described in connection with FIG. 4, or it can be a perforated mirror (hole coupled mirror). In addition to being tracked down by the mirrors as described earlier and 64 and the detector 68, a portion of the laser beam from the mirror 62 can be applied to a thermocouple 72.

Wenn der Brennstoff 8O# Oxydationsmittel aus Ammoniumperchlorat und 20$ Bindemittel aus Polybutadien-Acrylnitril aufweist, dann läßt sich eine Verstärkung von 5$ mit dem Thermoelement 72 bei einer Düse von 1,25 mal 0,25 cm feststellen, die etwa 6mm vom Laserstrahl entfernt angeord-If the fuel is 8O # oxidizing agent from ammonium perchlorate and $ 20 polybutadiene-acrylonitrile binder has, then a gain of $ 5 can be used the thermocouple 72 with a nozzle of 1.25 by 0.25 cm, which is located about 6 mm away from the laser beam.

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net ist.net is.

Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lasers ist schematisch in Pig. 8 dargestellt. Auch in dieser Figur haben gleiche Teile wieder dieselben Bezugszeichen, und der wechselspannungserregte Kohlendyoxidlaser 54 aus Fig. 5 ist aus dem optischen Hohlraum entfernt worden. Der Spiegel 56 hat einen etwas größeren Radius erhalten, z.B. 12 cm, und der Spiegel 58 ist durch einen mit einem Loch versehenen Planspiegel "Jk ersetzt, dessen Lochdurchmesser 0,75 mm ist.A second embodiment of the laser according to the invention is shown schematically in Pig. 8 shown. In this figure, too, the same parts have the same reference numerals, and the AC-excited carbon dioxide laser 54 from FIG. 5 has been removed from the optical cavity. The mirror 56 has been given a somewhat larger radius, for example 12 cm, and the mirror 58 is replaced by a plane mirror "Jk" provided with a hole, the hole diameter of which is 0.75 mm.

Bei Verwendung eines Arnmoniumperchloratoxydationsmittels zu 80# und zu 20# eines Binders Polybutadien-Acrylnitril ließ sich eine Laserwirkung erzielen, wobei der Laserstrahl in einer Entfernung von etwa 0,75 mm von der Düse verlief. Ein (nicht gezeigter) Zerhacker innerhalb des optischen Hohlraums zwischen dem Spiegel 56 und dem Raketenmotor 50 konnte mit Erfolg zur Modulation des Laserstrahls eingesetzt werden. When using an ammonium perchlorate oxidizing agent to 80 # and to 20 # of a binder polybutadiene-acrylonitrile left a laser effect can be achieved with the laser beam at a distance of about 0.75 mm from the nozzle. A Chopper (not shown) within the optical cavity between mirror 56 and rocket motor 50 can be used successfully to modulate the laser beam.

Der durch Verbrennung gespeiste chemische Laser und Verstärker gemäß der Erfindung hat gegenüber den bekannten Lasern eine Reihe von Vorteilen. Es brauchen beispielsweise keine starken elektrischen Energiequellen für die Er-The combustion fed chemical laser and amplifier according to the invention has over the known Lasing has a number of advantages. For example, there is no need for strong electrical energy sources for the

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regung der chemischen Laser verwendet zu werden oder als Pumpenergiequellen für wechselspannungerregte Laser, wo durch die Vorrichtungen viel leichter transportierbar werden, und es brauchen keine großen Mengen an Flüssigkeit und/oder Gasen gespeichert zu werden, wie dies bisher nötig war.excitation of chemical lasers to be used or as pump energy sources for alternating voltage excited lasers, where the devices become much more easily transportable and do not require large amounts of liquid and / or gases to be stored, as was previously necessary.

Die bereits sehr bewährten Feststofftreibmittel ermöglichen eine Vereinfachung in der Auslegung und eine erhöhte Zuverlässigkeit,und die größeren Strömungsmengen erlauben eine höhere Sättigungsintensität und damit einen Laserstrahl von stark erhöhter Energie. Da außerdem es nicht mehr nötig ist, den Verbrennungsstrahl des Raketenmotors in einen Bereich niedrigen Druckes eintreten zu lassen, werden die ganzen Einrichtungen nochmals einfacher, wozu weiterhin auch beiträgt, daß keine Sekundärinjektion «ehr erforderlich ist. DarUberhinaus kann das Gewicht wegen der niedrigen Verbrennung sdrücke bedeutend reduziert werden und auch dadurch, daß keine flüssigen und gasförmigen Stoffe »ehr gespeichert werden müssen.The solid propellants, which have already proven themselves, make it possible a simplification in the design and an increased reliability, and the larger flow rates allow a higher saturation intensity and thus a laser beam of greatly increased energy. Since besides, it is not more is necessary to let the combustion jet of the rocket engine enter a low pressure area The whole facilities are even simpler, which also contributes to the fact that no secondary injection is required is. In addition, the weight can be significantly reduced because of the low combustion pressures and also by that no liquid or gaseous substances are stored Need to become.

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Claims

PATENT CLAIMS

1. I Chemical laser amplifiers fed by combustion, characterized by a combustion chamber (50) with a converging nozzle (53) * a source of oxygen within the chamber, a source of halogen within the chamber, a carbon containing fuel within the chamber and means for igniting the fuel in the chamber so that the combustion gases released during combustion of the fuel arise, exit through the nozzle from the chamber and form a gas jet, and one outside the chamber arranged laser, which allows its laser beam to pass through the gas jet of the nozzle.

2. Amplifier. -According to claim 1, characterized in that in the space outside the chamber (50) in which the gas jet is formed, there is a pressure of more than 100 Torr.

J). Amplifier according to Claim 2, characterized in that the pressure is above 600 Torr.

k. Amplifier according to Claim 1, characterized in that

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the carbon containing fuel is a plague fuel is.

5. An amplifier according to claim 1, characterized in that the source of oxygen is a pesticide material.

6. Amplifier according to claim 1, characterized in that the source for the halogen is a solid.

7. Amplifier according to claim 1, characterized in that the halogen is chlorine.

8. Amplifier according to claim 1, characterized in that the source for the oxygen, for the halogen and for the fuel is a common granular pesticide propellant mixture.

9. Amplifier according to claim 8, characterized in that the propellant mixture ammonium perchlorate and polybutadiene-acrylonitrile contains.

10. Amplifier according to claim 1, characterized in that that the pressure in the chamber (50) during the combustion of the fuel is less than 5.5 kgf / cm.

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11. Amplifier according to claim 1, characterized in that that the temperature in the chamber (50) is above 500 ° K during the combustion of the fuel.

12. Amplifier according to claim 11, characterized in that that the temperature is over 2000 ° K.

13 · Amplifier according to claim 1, characterized in that » that the velocity of the combustion gases when passing through the nozzle (53) is less than 4 Mach.

14. Amplifier according to claim 13, characterized in that that the speed is between 0.5 and 1.5 Mach.

15. Amplifier according to claim 1, characterized in that the nozzle (53) has a substantially rectangular shape.

16. Amplifier according to claim 1, characterized in that the nozzle has a plurality of openings arranged directly next to one another in the axis of the beam (55) owns.

17. A method for amplifying a laser beam, characterized by the following steps:

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a) burning a solid propellant,

b) passing the combustion product through a nozzle for generating a gas jet, and

c) Passing the laser beam to be amplified through the gas beam emerging from the nozzle.

18. A method for amplifying a laser beam, characterized by the following steps:

a) burning a propellant,

b) Passing the combustion product through a converging nozzle to generate a gas jet with a flow rate below 4 Mach, and

c) Passing the laser beam to be amplified through the gas jet near the nozzle.

19 · Amplifier according to claim 16, characterized in that that the gas jet flows at a speed between about 0.5 and 1.5 Mach.

20. Chemical laser fed by combustion, characterized by one provided with an opening (52) Combustion chamber (50), a source of oxygen within the chamber, a source of halogen within the chamber, a carbon-containing propellant in the chamber,

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an optical cavity outside the chamber at a pressure above 100 torr and means to ignite the fuel inside the chamber so that the combustion gases and non-coherent light emitted by the
Combustion of the fuel arises in the optical
The cavity enters through the opening provided in the chamber and generates a beam of coherent light.

21. Laser according to claim 20, characterized in that the pressure within the optical cavity is over 600 torr.

22. Laser according to claim 20, characterized in that the carbon-containing fuel is a pesticide.

25 · Laser according to claim 20, characterized in that

the source of oxygen is a pesticide. {

24. Laser according to claim 20, characterized in that the halogen source is a pesticide.

25. Laser according to claim 24, characterized in that the halogen is chlorine.

26. Laser according to claim 20, characterized in that

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the source of oxygen, the source of the halogen, and the fuel form a granular fuel propellant mixture.

27. Laser according to claim 26, characterized in that the mixture contains ammonium perchlorate and polybutadiene-acrylonitrile.

28. Laser according to claim 20, characterized in that

the pressure in the chamber (50) during the combustion of the

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Fuel is below 3 * 5 kp / cm.

29. Laser according to claim 20, characterized in that the temperature in the combustion chamber (50) during the combustion of the fuel is over 500 K.

JO. Laser according to Claim 29, characterized in that the temperature is higher than 2000 ° K.

31. Laser according to claim 20, characterized in that the speed of the from the chamber (50) through the nozzle (53) the exiting gas jet is less than 4 Mach.

32. Laser according to claim 31 *, characterized in that the speed is less than 1 Mach.

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33 · Laser according to claim 20, characterized in that the nozzle (53) has an essentially rectangular shape.

34. Laser according to claim 20, characterized in that the nozzle consists of a large number of openings lying close to one another and lined up on the axis of the laser beam (55) consists.

35 · Chemical laser fed by combustion, characterized by a combustion chamber provided with an opening (53) (50), a source of oxygen within the chamber, a source of halogen within the chamber, one Carbon containing fuel within the chamber, an optical cavity outside the chamber and means to ignite the fuel within the chamber so that the combustion gases and the incoherent light of combustion enter the optical cavity through the opening (53) at a speed below 4 Mach Generation of a coherent beam of light.

36. Chemical lasers fed by combustion, characterized by a combustion chamber provided with an opening (53) (50), a carbon-containing plague fuel inside the chamber, an optical cavity outside the chamber and means for igniting the fuel inside

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half of the chamber, so that the combustion gases and the incoherent incoherent material produced during the combustion of the fuel Light can enter the optical cavity through the opening (53) to generate a coherent light beam.

37. A method for generating a laser beam, characterized by the steps:

a) Burning a plague fuel, and

b) Passing the combustion products through a Nozzle into an optical cavity to generate a beam of coherent light.

38. The method according to claim 37 *, characterized in that that the ratio of oxidizing agent and binder in the fuel is between 3.5: 1 and 4.5: 1.

39 · The method according to claim 37 * characterized in that that the nozzle. a rectangular slot with a plurality of carbon rods closely spaced apart which are arranged substantially transversely to the slot.

40. The method according to claim 37 *, characterized in that the nozzle opening has a substantially rectangular shape.

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41. The method according to claim 37, characterized in that that the propellant comprises ammonium perchlorate and polybutadiene acrylonitrile.

42. A method for generating a laser beam, characterized by the steps:

a) burning a carbonaceous fuel,

and "

b) Passing the combustion products through a converging nozzle into an optical cavity at a speed below Mach 4 to produce a coherent beam of light.

43. Process for generating a beam of coherent light, characterized by the steps:

a) combusting a fuel to produce a gas mixture of Kohlendyoxid, hydrogen chloride, nitrogen and carbon monoxide, etc.,

b) introducing the gas mixture into an optical cavity, and

c) Creating a population inversion through a combination a gas dynamic and a vibrational energy transfer to the carbon dioxide from the hydrogen chloride, Nitrogen and carbon monoxide, which creates coherent light.

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