DE2258325C3

DE2258325C3 - Gepulster gasdynamischer CO-Laser

Info

Publication number: DE2258325C3
Application number: DE2258325A
Authority: DE
Inventors: Gunthard Dipl.-Phys. Dr.-Ing. Dr. 8000 Muenchen Born
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1972-11-29
Filing date: 1972-11-29
Publication date: 1978-10-05
Also published as: GB1444266A; US3919662A; FR2208218A1; DE2258325A1; DE2258325B2

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen gepulsten gasdynamischen Laser mit einer Heizkammer und einer von ihr durch eine Membran oder ein schnellöffnendes Ventil getrennten evakuierten Expansionskammer, welche in den Resortatorraunv und einen daran ausschließenden Auffangtank führt.

Solche Laser sind an sich schon aus den Druckschriften »Laser und Elektro-Optik« (1972), H. 1, 27-29 und der DE-PS 21 26 903 bekannt. Abgesehen davon, daß diese bekannten Anordnungen sich auf CO₂-Laser «" beziehen, enthalten diese Lavaldüsen. Nun hat sich gezeigt, daß es nur mit einem CO-Laser möglich ist, ohne Lavaldüsen auszukommen und dabei eine viel kleinere Relaxationsrate zu erzielen, als sie bei einem CO2-Laser je erreicht werden kann.

Aber auch die bisher bekannten CO-Laser setzen sich aus einer Heizkammer einer Lavaldüse, einem Resonator und einem Gasausstoßteil bzw. Diffusor zusammen. In der Heizkammer wird heißes CO — vorzugsweise mit H₂ und Argon gemischt — erzeugt, wobei die Temperatur T zwischen 1000 K und 4000 K liegt. Die Lavaldüse ist in diesen Fällen so gestaltet, daß das heiße Gas auf sehr niedrige Temperaturen im Bereich von 50 K bis 100 K abgekühlt wird, denn die niedrige Gastemperatur im Resonatorraum ist beim CO-Laser für die Erzeugung von Inversion entscheidend.

Nun haben aber diese Laserausführungen eine Reihe von Nachteilen. So erfordert die Abkühlung durch adiabatische Expansion um den erforderlichen Faktor 20 bis 80 Hyperschalldüsen (Mach 10 bis 20). Diese &o jedoch sind schwer in Betrieb zu setzen. Dicke Grenzschichten führen hier zu hohen Verlusten. Weiterhin erfordert die gewünschte hohe Leistung eine hohe Gasdichte im Resonator, was zu sehr hohen Drücken im 1000 bar-Bereich in der Brennkammer ^h"> führt. Technisch sind diese jedoch schwer zu beherrschen. Vor allem aber ist es technisch schwierig, die erforderlichen Hyperschall-Lavaldüsen für die hohe auftretende mechanische und thermische Belastung auszulegen.

Hier Abhilfe ?« schaffen und einen gasdynamischen CO-Laser zu schaffen, der eine hohe Leistung bei relativ niedrigen Drücken ohne Verwendung von Lavaldüsen aufweist, liegt als Aufgabe der vorliegenden Erfindung zugrunde.

Diese Aufgabe wird bei einem Laser der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß als Lasermedium CO-Gas verwendet wird, welches durch eine Vevdünnungswelle in den Inversionszustand gebracht wird.

Diese Verdünnungswelle entsteht beim Expandieren in eine zunächst evakuierte Expansionskammer, wobei die Masse des Gases in Strömungsrichtung beschleunigt wird. Das Gas verdünnt sich nun an der Grenze zum Vakuum. Dieser Verdünnungszustand wandert als Welle, annähernd mit Schallgeschwindigkeit und entgegen der Strömungsrichtung des in die Expansionskammer ausströmenden Gases, in dieses Gas hinein.

Durch diese Maßnahmen ist es nun möglich, einen gasdynamischen CO-Laser zu erhalten, der keine Lavaldüsen mehr erfordert und eine hohe Leistung bei relativ niedrigen Drücken erbringt.

Zur Druckrückgewinnung können hinter der Resonatorkammer ein Diffusor angeordnet und die Heiz- sowie Expansionskammer in Gasströmungsrichtung divergent ausgebildet sein. Diese Maßnahmen führen zu einer Verstärkung des Expansions- bzw. des Abkühleffektes. Um nun eine optimale Abkühlgeschwindigkeit zu erhalten, kann die Abmessungen der Heizkammer in Strömungsrichtung von der Massendichte des gewählten Gases und den Temperaturen im Reservoir bzw. an der Meßstelle bestimmt werden.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel kann die Expansionskammer als sogenannte Stoßrohr-Trommel ausgebildet sein, womit ebenfalls eine gegenüber den bekannten Ausführungen wesentliche Verstärkung des Expansionseffektes erzielt wird. Hier setzt sich der gepulste Vorgang aus vielen aufeinanderfolgenden gepulsten Expansionen zusammen, soc'aß nunmehr von einer Dauerstrich-Laser-Anordnung gesprochen werden kann. Stoßrohr-Trommeln sind hinsichtlich ihrer Ausbildung bekannt und beispielsweise beschrieben in: Oertel, H. »Stoßrohre« - Wien, New York 1966, Seiten 632 bis 634.

Im Gegensatz zu einem gepulsten gasdynamischen CO₂-Laser, wo die mit einer Expansionswelle erreichbaren Abkühlraten bei den interessierenden Gerätegrößen (^ dm³) und Drücken (> 10 bar) nicht zum »Einfrieren«, des oberen Laser niveaus ausreichen, ist die Lebensdauer bei oberen CO*Laserniveaus so groß, daß die angeführte Expansion mittels Verdünnungswelle gemäß der Erfindung die erforderlichen Abkühlraten erbringt. Die Abkühlung erzeugt hier Inversion, so daß am Ort des Resonators Laserenergie ausgekoppelt werden kann.

Die Erfindung ist nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben und gezeichnet. Die Figur der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung das beschriebene Ausführungsbeispiel im Querschnitt.

In einer abgeschlossenen Heizkammer 10 wird unter hohem Druck heißes CO erzeugt. Die Temperatur liegt hierbei zwischen 1000K bis 4000K und der Druck zwischen 10 und 1000 bar. Die Erhitzung erfolgt im beschriebenen Beispiel durch Verbrennung einer Cyanverbindung (z. B. C₂N₂ oder C₆N₄) mit einem Stickoxid (z. B. NO, NO₂, N₂O) oder mit Luft. Bei Erreichung der vorbestimmten Temperatur und des

etzten Druckes wird schlagartig das Ventil 11 η bzw, platzt die Membrane, so daß das heiße die vorher auf einen niedrigen Druck evakuierte iionskammer 12 eindringt, Die Evakuierungseing ist mit 13 bezeichnet. Hierbei pflanzt sich eine inungswelle — auch Verdünnungsfächer genannt der Stelle der Membran in das heiße Gas hinein odurch das in Richtung auf den Resonator 14 :unigte Gas stark abgekühlt wird, und zwar auf eine Inversion erforderliche Temperatur von 50 K bis 100 K. Das Gas wird nach dem itrömen des Resonators 14 in einem angeschlos-

10 senen Ballasttank 15 aufgefangen oder durch einen Diffusor rückverdichtet und in die Atmosphäre ausgestoßen. Die Abkühlung des heißen Gases erzeugt Inversion, so daß am Ort des Resonators Uaserenergie ausgekoppelt werden kann.

Durch die beschriebene Ausbildung sind nun große Kammerquerschnitte möglich, so daß Randschichten keine Rolle mehr spielen. Durch Abkühlung des Lasergases mittels einer Verdünnungswelle nach der Erfindung wird ein Laser mit hoher Leistung bei einfachem Aufbau der Anordnung geschaffen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Gepulster gasdynamischer Laser mit einer Heizkammer und einer von ihr durch eine Membran oder ein schnellöffnendes Ventil getrennten evakuierten Expansionskammer, welche in den Resonatorraum und einen daran anschließenden Auffangtank führt, dadurch gekennzeichnet, daß als Lasermedium CO-Gas verwendet wird, welches I" durch eine Verdünnungswelle in den Inversionszustand gebracht wird.

2. Laser nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß zur Druckrückgewinnung hinter der Resonatorkammer (14) ein Diffusor angeordnet ist.

3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz- (10) und die Expansionskammer (12) in Gasströmungsrichtung divergent ausgebildet ist

4. Laser nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Heizkammer (10) in Strömungsrichtung von der Massendichte des gewählten Gases und der Temperatur im Reservoir bestimmt werden.

5. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- ^M net, daß die Heiz- (10) und Expansionskammer (12) als sogenannte Stoßrohr-Trommel ausgebildet ist.