DE2261746A1 - Explosionslaser - Google Patents

Description

United States Atomic Energy Commission, Washington, D. C, U.S.A.

Explosionslaser. .

Die Erfindung bezieht sich auf Gaslaser und insbesondere auf thermisch gepumpte Gaslaser, bei welchen die Populationsinversion durch differentielle Schwingungsentspannung erzeugt wird, die infolge von Molekülzusammenstößen während der Oberschallausdehnung des Lasermediums hervorgerufen wird.

Es ist bereits bekannt, daß beträchtliche Populationsinversionen in Mischungen aus erhitztem Stickstoff und Kohlendioxyd oder Stickstoff und Kohlenmonoxyd bei Expansion dieser Mischungen durch eine überschalldüse erzeugt werden können. Unter der allgemeinen Bezeichnung "gasdynamischer Laser" wurde eine große Anzahl derartiger Laser-Systeme bereits angegeben. Dabei wird eine Mischung aus heißen Molekulargasen durch eine überschalldüse expandiert. Die Zusammensetzung der Gasmischung ist derart gewählt, daß bei der Expansion die Zusammenstoß-Entspannungs-Zeiten Γ_Λ und Γ_ο des unteren (1) und oberen (2)

I Δ j

Schwingungslaserniveaus der BedingungT _ΛΚΤ~ ist. Zudem sollte

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die Expansionsgeschwindigkeit hinreichend hoch sein, so daß die Verarmung von Niveau 2 infolge der Entspannung langsamer ist als infolge der adiabatischen Abkühlung der Gasmischung.

In gasdynamischen CO₂-Lasern ist es zweckmäßig, eine kleine Wassermenge in der heißen Molekulargasmischung vorzusehen. Das Wasser wirkt als Katalysator und bewirkt« daß sich das untere Schwingungsniveau im CO» in einer kürzeren Zeit entspannt als sie zur Expansion der Mischung durch die Düse erforderlich ist. Das Vorhandensein von zuviel Wasserdampf unterbindet jedoch den Laservorgang, weil der Wirkungsquerschnitt für die H₂O-Entspannung der CO₂-antisymmetrischen Betriebsart beträchtlich ist. Die tolerierbare Wasserdampfmenge scheint jedoch in einem beträchtlichen Ausmaß von der Expansionsgeschwindigkeit der Mischung durch die Düse abzuhängen.

Die Literatur stellte bis vor kurzer Zeit fest, daß bei Laser-Systemen mit kontinuierlicher Welle die erhitzte Mischung dadurch erreicht werden kann, daß man eine geeignete Mischung der Molekulargase (beispielsweise CO₂, N₂ und H₂O) mittel· eines elektrischen Bogens oder in einem Wärmeaustauscher öder mittels eines Kernreaktors oder durch Verbrennung einer geeigneten Brennstoff mischung zur Erzeugung der gewünschten Heißgasmischung erhitzt. Für gepulste Laser-Systeme konnte man die Hochtemperaturmischungen einfacherweise dadurch erreichen, daß man eine Stoßwelle durch das gasformige Medium schickte.

Das vielleicht am besten bekannte gasdynamische Laser-System ist das von E.T. Gerry in Laser Focus vom Dezember 1970 auf Seite 27 beschriebene Verbrennungssystem mit kontinuierlicher Welle. Dieses System ist durch die relativ niedrigen Temperaturen (in der Größenordnung von 1400⁰K) beschränkt-, auf die die Gasmischung durch den Verbrennungsprozess erwärmt wird. Bei höheren Temperaturen wird der in Schwingungen auftretende Energiebruchteil wesentlich verbessert. Zudem ist die bei derartigen Verbrennungslasern erforderliche äußerst hohe Massenströmung ein einschränkender Faktor. Zur Überwindung dieser Probleme offenbaren J. Tulip und H. Seguin einen explosionsgepumpten

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gasdynamischen CO2-Laser, in welchem eine Explosion aus einer Mischung gasförmigen Sauerstoffs und gasförmiger Brennstoffe, wie beispielsweise CO +H₃, natürliches Gas, Propan und Azetylen verwendet wird, um den erforderlichen Hochdruck- und Hochtemperatur-Reservoirzustand zu erreichen. Das System erreichte eine gepulste Laserwirkung bei Extremwerten des Sauerstoffüberschusses und der Erschöpfung. Eine maximale Reservoirtemperatur von 1700°K tritt dabei auf.

In Zh. Eksp. Teor. Fiz. Pis. Red. jh4, 116 (vom 20. Juli 1971) diskutieren V. M. Marchenko und A. M. Prokhorov die Möglichkeit der Erzeugung eines invertierten Mediums für Laser mittels einer Explosion (eine englische übersetzung dieser Schrift ist als JETP Letters 14, 76' (1971) verfügbar). Die Verfasser deuten dabei an, daß gezeigt wurde, daß bei der freien Expansion der Explosionsprodukte bestimmter explosiver Substanzen die zur Realisierung einer Populationsinversion in den Schwingungszuständen bestimmter Moleküle erforderlichen Bedingungen ohne Verwendung von gasdynamischen Vorrichtungen, wie beispielsweise Düsen, möglich sind. Da zur Stützung dieser Feststellung keine Quellen genannt werden, wird angenommen, daß diese.Feststellung sich auf einen im gleichen Artikel enthaltenen Nachweis bezieht.

Nach Marchenko und Prokhorov besteht das Problem darin, eine explosive Substanz auszuwählen, deren Explosionsprodukte eine Gaszusammensetzung haben, die es ermöglicht, das erforderliche Entspannungsschema zu realisieren, welches beispielsweise analog dem bei den bekannten gasdynamischen Lasern verwendeten ist. Diesem Erfordernis kann durch eine Anzahl gasförmiger und kondensierter Explosionssubstanzen genügt werden. Die Ausdehnungsgeschwindigkeit der Explosionsprodukte, die entsprechend der Art äer Explosionssubstanz auf (2-5) χ 10 ⁰K erhitzt wurden, erreicht 10 -1O⁶ cm/Sek., d.h. ist vergleichbar mit und sogar höher als. die Gasströmungsgeschwindxgkeit in gasdynamischen Lasern. (Soweit Marchenko und Prokhorov).

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Obwohl Marchenko und Prokhorov kondensierte (verdichtete) Explosionsmittel sowohl als Energiequelle als auch als Quelle für die Lasermischung vorschlagen, erwähnen sie als Beispiel nur die Explosionsreaktion einer Gasmischung aus Azetylen und Luft. Die bei einer derartigen Reaktion erreichte Maximaltemperatur übersteigt offensichtlich 24OO^bK nicht.

In Zh Eksp. Teor. Fiz. Pis. Red. U, 73 (vom 20. Juli 1971) (ei-ne englische übersetzung befindet sich in JETP Letters 14, 47 - 1971 -) beschreiben Dzhidzhoev u.a. einen gasdynamischen Detonationslaser, bei welchem die anfängliche Hochtemperaturgasmischung durch Detonation eines Feststoffes erhalten wird. Die Explosionsreaktionsmischung bestand aus an einem Metallstab angefrorenen HN₃, CO₂ und Xenon. Druck und Temperatur in dem Reservoir lagen nach der Expansion der Detonationsprodukte offenbar in der Größenordnung von 10-20 atm und 20O0-3000°K, was von der Menge und Zusammensetzung der Mischung abhängt, wobei man eine maximale Laserenergie bei einem relativen Gehalt der Bestandteile erhält, die einer angenäherten Anfangsdetonationsprodukttemperatur von 2500 K entspricht. Die Verwendung dieser verdichteten Reaktionsmittel zur Erzeugung einer festen Explosionsmischung hat verschiedene Nachteile. Zunächst ist ein Vorrat mit flüssigem Stickstoff erforderlich, um die Reaktionsmittel zu verdichten. Zudem ist die Form des festen Explosionsmittels durch das Einfrieren der Reaktionsmittel beschränkt. Schließlich ist HN₃ ein äußerst empfindliches Explosionsmittel und macht äußerste Sicherheitsmaßnahmen bei seiner Anwendung erforderlich.

Die Erfindung vermeidet die Nachteile des Standes der Technik, wobei ihr die Erkenntnis zugrundeliegt, daß Reaktionsprodukte der Detonation verschiedener verdichteter Explosionsmittel bei der Expansion ein gasförmiges Medium bilden, welches niedrige Umsetzungstemperaturen (Translationstemperaturen), aber hohe Population der Schwingungszustände aufweist. Thermisches Pumpen des oberen Laserniveaus und Ent-Erregung des unteren Laserniveaus treten während der Expansion auf, wodurch sich eine Populationsinversion mit hohem Gewinn (Verstärkung) ergibt. Die Expansion

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kann frei oder wie bei einem gasdynamischen System durch eine Düse erfolgen» Die Verwendung einer Düse mit einem geeigneten _r Expansions verhältnis vermeidet mögliche■■· Brechungsprobleme {Refraktionsprobleme) , die durch sich verändernde Dichten der Detonationsprodukte in einer freien Expansion verursacht werden. Die verdichteten Explosionsmittel sind derart zugeschnitten,: daß ihre Detonationsprodukte im wesentlichen CO oder CO₉ und andere Stoffe sind, die die Laserwirküng von CO oder CO-, unterstützen oder wenigsten günstig beeinflussen. Sie können organische Verbindungen sein, welche ein geeignetes Verhältnis aus Kohlenstoff, Sauerstoff- und Stickstoff aufweisen, um Gasmischungen zu erzeugen, die bei den durch die Detonation erzeugten Temperaturen zu CO oder CO₂ Lasereffekten führen. Die verdichteten Explosionsmittel können nicht nur die bei Raumtemperatur festen Substanzen sein, sondern können auch aus Mischungen wie HN₃ und CO₂ oder ClN-, CO₂ und H₂O oder CO, O₂ und HN₃ bestehen, die in einfacher Weise gefroren werden können,, um eine verdichtete Explosionsmischung zu bilden, deren Detonationsprodukte CO₂-Laserwirkungen zeigen. Keinen Sauerstoff enthaltende organische Explosionsmittel, die als eines ihrer Detonatiönsprodukte freien Kohlenstoff erzeugen, sind — wenn sie allein zur Erzeugung des Lasermediums verwendet werden - nicht zweckmäßig, da freier Kohlenstoff für die durch die CO₂-Laserwirkung erzeugte 10,6 Mikron Strahlung undurchsichtig ist. Dieses Problem kann dadurch vermieden werden, daß man dem organischen Explosionsmittel ein Oxydationsmittel hinzufügt, oder dadurch, daß man die Detonation in einer genügend Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre vornimmt, um den freien Kohlenstoff während der ersten Stufen der Expansion der Detonationsprodukte zu oxydieren.

Die verdichtete Explosionsmittel verwendenden Laser-Systeme sind von Natur aus gepulste Systeme und sind in der Lage, Impulse mit sehr hoher Energie zu erzeugen, übliche organische,Explosionsmittel 'können Detonationsprodukte mit Temperaturen von mehr als 4000°K erzeugen. In diesem Temperaturbereich ist der Wirkungsgrad der übertragung von Schwingungsenergie von Stickstoff auf Kohlendioxyd beispielsweise viel größer als dies bei 1400 K oder sogar 25OO°K - der höchsten in der Literatur für gasdynamische Systeme

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berichteten Betriebstemperatur - der Fall ist.

Durch Detonation von verdichtetem explosivem Hexanitrosobenzol in eine unter Druck stehende sauerstoffreiche Atmosphäre in einem gasdynamischen Aufbau wurde vom Anmelder ein Gewinn (Verstärkung) von 3,12%/cm erreicht und beobachtet. Der höchste für \ gasdynamische Laser bisher berichtete Gewinn war kleiner als n/cm.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere auch aus den UnteranSprüchen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben eich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schema eines Explosionslasersystems, welches die freie Expansion der Detonationsprodukte verwendet;

Fig. 2 ein Schema eines Explosionslasersystems, welches die Expansion der Detonationsprodukte in einer gasdynamischen Anordnung benutzt;

Fig. 3 einen Querschnitt des Reservoirs, der überschalldüse und der Expansionskammer des Explosionslasersystems der Fig. 2.

Allgemeine Beschreibung ' ■ ■'

Das Konzept eines gasdynamischen Lasers besteht darin, daß man durch irgendein thermisches Verfahren schwingungsmäßig {vibrationsmäßig ) erregte Stickstoffmoleküle erzeugt und - durch schnelle Expansion durch eine Düse - die erregte Population schwingungsmäßig einfriert, während die Translatioris-Rotations-Temperaturen vermindert werden. Zusammenstöße zwischen den schwingungsmäßig erregten N₂-Molekülen und C0₂-Molekülen haben eine selektive Erregung durch Schwingungs-Schwingungs-Übertragung (V-V-Übertragung ; Vibrations-Vibrations-Übertragung) auf das OO°1-Niveau im CO₂ zur Folge, und die darauffolgende Populations-

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inversion-für den 10,6/A-m Laserübergang (00°i bis ID⁰O)*

Es ist bekannt, daß die Laserleistungsausgangsgröße und der Wirkungsgrad schnell bei N₂ Stagnationstemperatür ansteigen, und daß der V-V-übertragungsmechanismus die Population des CO* 00⁰I-Zustands bei N₂ Zuständen von V =1 bis 6 zur Folge hat. Fein u.a. in Appl. Phys. Lett. 14./ 337 (1969) haben für diesen Mechanismus einen Qualitätsfaktor wie folgt definiert:

f= Anzahl der verfügbaren "CQg'-

Anzahl der vorhandenen N₂-Moleküle j

dieser Faktor kann auch als die Anzahl der GO₂-Moleküle interpretiert werden, die durch ein (Durchschnitts) N"₂-Molekül gepumpt werden können. Für ein gegebenes System bestimmt also der Wert von f das optimale Mischungsverhältnis zwischen GQ₂ und N₂ und Systeme mit höheren f-Werten haben höhere Wirkungsgrade.

Zur Auswertung von f wird thermisches Gleichgewicht bei der . Stagnationstemperatur angenommen und statistische Formeln werden zur Bestimmung der relativen Populationen der N_o-erregten Zustän-

de verwandt. Der Schwingungsenergieabstand in N₉ beträgt 2331 cm ,

-20
was einer Energie von 4,63 χ 10 Joule entspricht. Die relative Population zwischen irgendwelchen zwei durch eine Energie Δ Ε getrennten Zuständen beträgt:

R=^= exp (-AE_ab/kT), ' V

b .

wobei k die Boltsmann'sche Konstante ist. Auf diese Weise berechnete Bruchteilspopulationen der N₂-Schwingungszustände sind für gegebene Temperaturen in der unten stehenden Tabelle I angegeben.

09826/0

-θ- 226174Θ

Tabelle I

(°k) ⁿo ⁿ1 ⁿ2 ⁿ3 ⁿ4 ⁿ5 ⁿ6

400 0.9998 Ο.ΟΟΟ23 —

1400 0.909 0.083 0.0075 Ο.ΟΟΟ69 —

4600 0.521 0.251 0.121 0.0584 0.0282 0.0136 0.0065

Der Qualitätsfaktor f für einen thermischen Nj/COj-Laser kann daher aus der folgenden Formel erhalten werden:

^f " β ^1/Λ* + 2e. ' + ... + ne ,

wobei gleicher Energieabstand angenommen wurde. Diese Reihe kann summiert werden durch Definition von

wobei bekanntlich

Π - x)²
ist.

Somit ergibt sich:

-AE₁AT
f = e

= ι _{+ 2x +} 3x² ₊ ... ügpiL κ*

₁ 2
(1 - e ) .

Der Qualitätsfaktor f ist in Tabelle II für verschiedene interessierende Temperaturen angegeben. Man erkennt ohne weiteres» daß der Wert bei T = 46OO°K viel größer ist als bei T - 1400°K.

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	Tabelle II
S ΓΚ)
400 1400 3000 4600	ι

Ο.ΟΟΟ23 ■-'■■■

0.1t "■'·■.

0.72
1.8

Die obenstehende Analyse kann"auch bei thermischen N₂/CO-Lasern angewandt werden. Aus. der Literatur ergibt sieh, daß Stickstoff - dessen Schwingungsenergienieveaus zu denjenigen von CO nahezu resonant sind - eine ähnliche Rolle wie CQ in N₂/CO₂-Lasern spielt, indem es als ein Energiereservoir dient, aus dem N₂ ^w Schwingungsenergie schnell direkt in die Schwingungszu.stände von CO übertragen wird.

Somit ist es in thermischen N₂/CO₂-und N^CO-Lasersystemen höchst erwünscht, daß man sehr hohe Stagnationstemperaturen erreicht. Diese hohen Temperaturen, d.h. Temperaturen oberhalb von 4000⁰K, können in einfacher Weise durch Detonation verdichteter Explosionsstoffe erzeugt werden. Zudem können verdichtete Explosionsstoffe so zugeschnitten werden, daß sie das Lasermedium als Detonationsprodukt erzeugen. Das heißt also, daß die Reaktionsprodukte der Detonation CO₂, CO, N₂ und andere Stoffe sind, welche die CO- oder CO₂-Laserwirkung unterstützen oder mindestens günstig beeinflussen. Für diesen Zweck sind organische Sprengstoffe wegen ihres Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffgehalts besonders geeignet. Organische Explosionsstoffe können einzeln oder in Mischungen verwendet werden, und sie können fest oder flüssig sein. Das Kriterium für ihre Verwendung besteht darin, daß sie ausreichende Mengen von CO und N₂ oder CO₂ und N₂ erzeugen,um das gewünschte Lasermedium zu liefern, ohne dabei für die Laserwirkung in dem Medium schädliche Stoffe zu erzeugen.

Der organische Explosionsstoff kann eine einzige Verbindung oder eine Mischung aus Verbindungen sein. Ein Beispiel für ein alleine

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verwendetes organisches Explosionemittel ist Pentanitroanilin, welches die folgende theoretische stöchoroetrische Reaktionsfolge aufweist:

■+ 3CO +

Der Stickstoff kann sich schwingungsmäßig sowohl mit dem CO₂ und dem CO koppeln, so daß es möglich ist, in diesen Reaktionsprodukten sowohl CO als auch CO₂-Laserwirkung zu erreichen. Was die C0₂-Laserwirkung betrifft, so ist CO günstig, d.h. nicht störend und H₂O wirkt dadurch unterstützend, daß es bei der Entspannung des unteren Schwingungsniveaus im CO, mithilft.

Beispiele für Mischungen aus Verbindungen, die verwendet werden können, um geeignete Detonationsprodukte für eine Laserwirkung zu erzeugen sind: Tetranitromethan (CN.Og) plus Acrylsäurenitril (C₃H₃N) oder Tetranitromethan plus Hexanitrosobenzol (auch als Benztrifuroxan bezeichnet) (CgNgOg). Die letztgenannte Mischung liefert theoretisch die folgenden Produkte:

NO	2	NO2 +	NO "\ I	NO	Γ NO
ι	.			Π	^-NO
I				U
NO	2		T NO

Hexanitrosobenzol ist allein ein Explosivstoff und kann zur Detonation gebracht werden; die berechneten Reaktionsprodukte pro Mol sind aber: 2,5 Mol CO₃, 1 Mol CO, 3 Mol N₃ und 2,5 Mol freier Kohlenstoff plus Spuren von O₂ und NO. Das Vorhandensein freien Kohlenstoffs ist äußerst schädlich gegenüber der CO₂-Laserwirkung,

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weil der Kohlenstoff für Strahlung bei 10,6 jam undurchlässig ist-, Der freie Kohlenstoff entsteht, weil das Hexanitrosobenzol einen Mangel an Sauerstoff aufweist. Dieser Mangel wird ohne weiteres dadurch geheilt, daß man es mit einer sauerstoffreichen Verbindung , beispielsweise mit - wie erwähnt - Tetranitromethan, mischtψ indem man ein inorganisches Oxydationsmittel, wie beispielsweise Perchlorsäure, hinzufügt, oder indem, man es in eine sauerstoffreiche Atmosphäre hineindetonieren läßt, so daß der freie Kohlenstoff schnell zu CO oder CO₂ oxydiert wird. Das letztgenannte Vorgehen erreicht man in einfacher Weise in einem gasdynamischen System durch Detonation von Hexanitrosobenzol in einem mit Sauerstoff unter Druck stehenden Stagnationsreservoir.

Eine große Anzahl verschiedener explosiver organischer Verbindungen oder Mischungenkann derart vorgesehen werden, daß die Detonatiönsprodukte Reaktionsprodukte enthalten, die für entweder CO- oder CO,- Laserwirkung geeignet sind. Obwohl es aus Konstruktionsgründen und der arbeitsmäßigen Vereinfachung zweckmäßig ist, solche verdichteten Explosionsstoffe zu verwenden, die' bei Raumtemperatur fest oder flüssig .sind, ist doch die Erfindung auf die Verwendung solcher Stoffe nicht beschränkt» Innerhalb des Bereichs der Erfindung befinden sich auch gasförmige und flüssige Explosionsaischungen, die nach dem Einfrieren Detonatiönsprodukte mit den gewünschten Reaktionsprodukten erzeugen. Das Erfordernis des Einfrierens derartiger Mischungen hat den Nachteil der Bereitstellung;von kryogenen Materialien, wie beispielsweise flüssigen Stickstoffs; andererseits ist es dadurch möglich, die Mischung ohne weiteres auf die gewünschte Zusammensetzung durch Hinzufügung bestimmter gasförmiger oder flüssiger Bestandteile zuzuschneidern.

Bei der Detonation verdichteter Explosionsmittel expandieren die Reaktionsprodukte anfangs mit Geschwindigkeiten von 10 -10 cm/Sek. Diese freien Expansionsraten sind höher als die normalerweise in gasdynamischen Lasern erreichten, so daß dann, wenn die sich ausdehnende Mischung "der Detonationsprodukte eine geeignete Zusammensetzung hat, die Schwingungseinfrierung im Prin-

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zip derart möglich sein sollte, daß sich eine wesentliche Populationsinversion im - beispielsweise - CO₂ ergibt. Es wurde festgestellt, daß dies bei der freien Expansion von Öetonationsprodukten eines verdichteten Explosionsmittels sogar dann der Fall ist, wenn die Mischung der Detonationsprodukte einen Überschuß an H₂O enthält und daher nicht optimal für die CO.-Laeerwirkung ist.

Ein Problem bei der freien Expansion explosiver Laser-Systeme besteht darin, daß innerhalb der sich expandierenden Gasmischung Dichtegradienten vorhanden sein können. Diese Dichteunterschiede können eine Brechung des Lichtstrahls derart bewirken, daß zusätzliche optische Mittel erforderlich sind, um einen ordnungsgemäß fokussierten Strahl aus der Lasennischung zu erhalten. Dieses Problem kann in einfacher Weiße dadurch überwunden werden, daß man die Detonation innerhalb des Stagnationsreservoirs eines gasdynamischen Lasers auftreten läßt. Die Detonationsprodukte laufen dann durch eine überschalldüse in der gleichen Heise wie die Verbrennungsprodukte in einem typischen gasdynamischen Laser. Nach dem Durchlauf durch die Düse haben die Detonationsprodukte eine gleichförmige Dichte und die Brechung bildet kein Problem mehr. Ein Explosionslaser in einem gasdynamischen Aufbau hat den zusätzlichen Vorteil, daß das Stagnationsreservoir in einfacher Weise mit Sauerstoff oder Gasmischungen unter Druck gesetzt werden kann, welche die Ausbildung eines geeigneten Lasermediums in der Expansionskammer des Systems unterstützen.

Besehre!bung bevorζ ugte r AusführungsbeispieIe In Fig. 1 ist ein Schema einer Versuchsausbildung für einen Explosionslaser dargestellt, der die freie Expansion der Detonationsprodukte verwendet. Ein verdichtetes Explosionsmittel 3 ist am einen Ende einer Vakuumkammer 1 angeordnet, und Volumen 5 innerhalb der Kammer 1 ist evakuiert. In der Kammer 1 sind optische Fenster 4 für den Durchgang eines Strahls von einem Probenlaser 6 angeordnet; der Strahl wird durch Kammer 1 in einer Richtung senkrecht zur Strömung der expandierenden Detonationsprodukte hindurchgeleitet, und zwar an einer Anzahl von Abständen gegenüber der ursprünglichen Oberfläche des verdichteten Explo-

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sionsmittels. Ein Detektor 7 wird- zur Messung der IntensitätST-, Veränderungen des Probenlaserstrahls nach_; dem, Durchgang durch die expandierenden Detonationsprodukte verwendetί Das System, wird durch Einschalten des Probenlasers in Betrieb gesetzt, worauf dann die Explosionsmittel 3 durch eine Detonationsvorrichtung 2 zur Detonation gebracht werden. Wenn die CO₂-Laserwirkung bestimmt wird, dann ist der Probenlaser 6 ein CO₉-Schwingungslaser und der Detektor 7 ist ein schneller Infrarot-Detektor. Die in Fig. 1 ge^ zeigte Ausbildung ist grundsätzlich ein verstärkender"Explosionslaser. Durch Ersetzen der optischen Fenster 4 durch geeignete . Spiegel kann die Vakuumkammer 1 in einfacher Weise in einen optischen Hohlraum umgewandeltwerden, so daß das System als ein Oszillator arbeitet. - .

Um zu demonstrieren, daß eine beträchtliche Populationsinversion in der freien Expansion der Detonationsprodukte eines verdichteten organischen Explosionsmittels erreicht werden kann, wurden EC3Q-Detonationskappen in einer experimentellen Anordnung ähnlich der in Fig. 1 gezeigten detoniert. Diese Detonationskappen bestanden aus 30 mg Penta-Erythrit-Tetranitrat (PETN) und enthielten einen elektrischen Brückendraht. Die Detonationsprodukte von einem Mol PETN ergaben sich durch Messung als:

C(CH₂O NO₂) ₄ ->3.5CO₂ + 2N₂ + 3.5H₂O+ 1.5C0

Ein 50 W COj-Laser mit kontinuierlicher Welle wurde als Probenlaser (Testlaser) verwendet. Der Ausgahgsstrahl wurde zur Definition des Strahles und zur Intensitätsverminderung auf 3 W abgeblendet. Die Höhe des Testlaserstrahls oberhalb der Oberfläche des Explosionsstoffs betrug ungefähr 0,25 cm. Die abgetastete Weglänge durch die Expansionsprodukte betrug bei dieser Höhe ungefähr 0,5 cm. Bei zwei Versuchslaufen wurden Gewinne von 1,15 (15%/cm) und 1,10 beobachtet. Positiver Gewinn trat in beiden Läufen bei ungefähr 150 uSek. auf.

PETN wurde bei diesen Experimenten anfangs nur wegen seiner leichten Verfügbarkeit und seiner einfachen Handhabungsweise verwendet.

,PETN- ■

Die/Detonationsprodukte: bilden keine optimale, ja nicht einmal " eine gute COj-Lasermischung wegen des im Überschuß vorhandenen

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H₂O. Somit erzeugten Teats in der Expansionszone ein und zweA -u Zentimeter oberhalb der Achse des Explosionsmittels nur eine ^- Dämpfung des Strahls, Dies wurde erwartet, weil die durch die; An.-fangsexpansion erzeugte Populationsinversion schnell durch sionen mit der sehr hohen H₂Q~Konzentration in den Detonations-^ produkten von PETN beseitigt wird.

Nichtsdestoweniger zeigen diese einfachen Versuche, daß einer brauchbare CO^-Populationsinversion für die Laserverstärkung in der freien Expansion der Detonationsprodukte der meisten verdichteten Explosionssysteme möglich ist* die Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff enthalten. Optimalere Explosionsmischungen sind diejenigen, deren Produkte die Lasermischung eines üblichen CQ₂~Lasers (d.h. CO₂, N₂ und H₂O) besser annähern, und, zwar in Mengen zur Erzeugung höchsten Gewinns und höchsten Wirkungsgrades.

Zur Vermeidung möglicher Probleme im Zusammenhang mit der Brechung eines Laserstrahls in expandierenden Detonationsprodukten wegen Dichteveränderungen wurde ein Explosionslasersystem in der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Gestalt vorgesehen. Diese Gestalt stimmt grundsätzlich mit derjenigen eines gasdynamischen Lasers überein. Ein verdichtetes Explosionsmittel 12 ist in einem Stagnationsreservoir 25 angeordnet. Eine dem Explosionsmittel 12 zugeordnete Detonationsvorrichtung ist mit Zünd- und Zeitverzöge^ rungseinheiten 1o mittels elektrischer Leitungen 23 verbunden. Die Leiter 23 treten in das Reservoir 25 durch elektrische Durchlaßöffnungen 32 ein, die auch einen Zugang zum Reservoir 25 zum Zwecke der Anordnung des Explosionsmittels 12 bilden. Ferner ist eine Membran 30 vorgesehen, so daß Reservoir 32 und Düse 27 durch Gaseinlaßöffnung 31 mit einem Gas oder einer Gasmischung unter Druck gesetzt werden können, über Einlaßleitungen 22 werden Gase in eine Gasmischkammer 13 eingeführt und in dem gewünschten Verhältnis gemischt, bevor sie an das Reservoir 25 und die Düse weitergeleitet werden. Die Anordnungsstelle der Membran 30 ist nicht kritisch. Sollte es nicht zweckmäßig oder nicht notwendig sein, ein Gas oder Gase mit den Detonationsprodukten des Explosivstoffs 12 zur Reaktion oder gegenseitigen Beeinflussung zu bringen.

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dann käna die Membran 30 ohne weiteres entfernt werden und das .--Reservoir 25 wird von der Gasmischkammer 13 durch Ventile 9 „und 33 abgedichtet. Strömungsabwärts gegenüber der Membran 30 ist eine Expansionszone 28 und eine Vakuumkammer 15 vorgesehen. Im, Rohr 35 sind optische Fenster 24 vorgesehen, so daß ein Strahl 29 des Testlasers 11 senkrecht durch die Expansions-Reaktionsprodukte von der Detonation des Explosionsmittels 12 laufen kann. Der Strahl 29 vom Testlaser 11 ist durch Spiegel 21 und 20 auf den Detektor 19 fokussiert. Die Ausgangsgröße des Detektors; W wird -.-,.. auf einem Oszillöskopi8 abgelesen. Ferner ist eine Probenflasche 17 vorgesehen, so daß Proben der Reaktionsprodukte zum Zwecke der chemischen Analyse aus der Vakuumkammer 15 abgezogen werden können. Derjenige Teil des Systems, in dem die Detonation und die anfängliche Ausdehnung der Reaktionsprodukte auftritt, ist von einer Stoßschutzhülle 14 umgeben.

Das System wird dadurch in Betrieb genommen, daß man das gewünschte Explosionsmittel im Reservoir 25 anordnet und Reservoir 25 und Düse 27 mit einem Gas oder einer Gasmischung unter einen gewünschten Druck setzt.Die Höhe des angewandten Druckes hängt von der gewünschten Aufeinandereinwirkung und Reaktion zwischen den Detonatxonsprodukten und dem Gas oder der Gasmischung ab; In Rohr 35 und Vakuumkammer 15 wird durch eine Vakuumpumpe 16 ein Vakuum erzeugt. Der Testlaser 11 wird aktiviert, so daß sein Strahl 29 durch die Detonationsprodukte hindurchläuft, wenn diese durch Rohr 35 gehen und.das Explosionsmittel 12 detoniert ist. Das anfängliche Ergebnis der Detonation bestehtnin einem. Druckanstieg bei dem im Reservoir 25 und der Düse, 27 befindlichen Gas. Dieser Anstieg zerstört die Membran 30 und leitet eine Oberschallgasströmung durch den Düsenhals 26 ein. Anfangs besteht das durch den Strahl 29 laufende Material nur aus Zerstörungsteilen von der Membran 30 und aus dem keiner Reaktion unterworfenen Gas (oder Gasen), welches sich in der Düse 27 befand. Sodann tritt eine Zeitperiode auf, wo die durch den Strahl 29 laufenden Gase aus den Detonatxonsprodukten des Explosionsstoffs .12 bestehen, die mit der im Reservoir 25 vorhandenen Gas^tmqsphäre, reagiert hatten. Schließlich tritt eine verunreinigte Mischung aus Gasen und festem

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Material von der Detonationsvorrichtung und dem Gehäuse auf, welches das Explosionsmittel 12 enthielt. Dem Fachmann der Sprengstofftechnik sind Mittel bekannt, durch welche die Detonationsprodukte des Explosionsmittels 12 durch die Düse 27 und durch Strahl 29 geleitet werden können, bevor die Verunreinigungsprodukte von den Detonationsvorrichtungen, Gehäusen, usw. auftreten.

Man erkennt ohne weiteres, daß das schematisch in den Fig. 2 und 3 dargestellte versuchsmäßigeExplosionslasersystem ohne weiteres zur Ausbildung eines verstärkenden Lasersystems geeignet ist. Durch Ersetzen der optischen Fenster 24 durch geeignete Spiegel im Rohr 35 kann das Explosionssystem zum Betrieb auf einer Schwingungsart gebracht werden.

Die schematisch in den Fig. 2 und 3 dargestellte Vorrichtung wurde zur Bestimmung der Lasereigenschaften der sich expandierenden Detonationsprodukte von Hexanitrosobenzol (HNB) verwendet. Der Durchmesser des Düsenhalses 26 betrug 0,036 Zoll {0,036 χ 2,54 cm) und der Austrittsdurchmesser (bei Membran 30) betrug 0,780 Zoll (0,780 χ 2,54 cm), was ein Expansionsverhältnis von 469,4 ergibt. Die kleine Halshöhe ist durch die Schwingungsentspannungszeit der CO₂ + N₂~Mischungen diktiert und durch folgende Formel gegeben:

D_t/C⁺

wobei D. der Halsdurchmesser, C die Schallgeschwindigkeit am Hals und 2~⁺ die Entspannungszeit ist. Wenn die Bedingungen dieser Formel vorliegen, dann dehnen sich die Gase schnell genug aus, um mit der Schwingungspopulationsverteilung "einzufrieren", die für die Gleichgewichtsbedingungen im Reservoir 25 charakteristisch ist. Das große Ausdehnungsverhältnis der Düse ist nicht notwendig (es können auch Verhältnisse bis hinunter zu 15 verwendet werden); jedoch ist diese spezielle Düse zur Annäherung freier Expansionsbedingungen ausgebildet.

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Die Explosionsprodukte werden mit einem 50 W Lasersystem mit . kontinuierlicher Welle untersucht. Die Strahlleistung ist auf ungefähr 5 W abgeblendet, wobei der Strahl durch die Produkte gerade etwas, stromabwärts gegenüber dem in Fig. 2 gezeigten Düsenausgang hindurchgeführt wird. Nach Durchlaufen der expandierten Produkte wird der Teststrahl 29 mit einem eine Brennweite von 30 Zoll aufweisenden Spiegel 21 auf das empfindliche Element eines mit flüssigem Stickstoff gekühlten Au-Ge-Detektor 19 fokussiert. Die Ausgangsgröße des Detektors 19 wird auf einem Zweistrahloszilloskop 18 angezeigt.

3 HNB ist bei Zimmertemperatur fest und hat eine Dichte von 1,7 g/cm und die chemische Formel C,N,-O_r. Gemäß dem Fachwissen ergeben

ο b ο ' _f

sich bei der Detonation dieses Explosionsmittels die folgenden berechneten Produkte:

^Cc^Nc^oc "*" 2.5 CO₀ + CO + 3N_O + 2.5C

O Ό Ό £» c*

plus Spuren von O₀ und NO. Diese Produktzusammensetzung konnte nicht verifiziert werden, wenn HNB detoniert wurde und die Produkte in ein Vakuum expandierten. Bei den berechneten Chapman-Jouquet-Bedingungen (43OO°K) würde ein Verhältnis von CO₂ zu N₂ von 2,5 eine Lasermischung bilden, so daß diese Produktzusammensetzung ein stickstoffreiches System darstellt, das für Laserzwecke geeignet sein sollte. Das CO in den Reaktionsprodukten ist für die CO₂-Laserwirkung nicht schädlich; der feste Kohlenstoff ist jedoch für die 10,6 Jim CO₂-Wellenlänge undurchsichtig. Durch Unterdrucksetzen des Reservoirs 25 und der Düse 27 mit ansteigenden Mengen reinen O₀ und durch Detonation von 50 mg Ladungen von HNB ergab sich, daß die Absorption des Teststrahls 29 auf Null

vermindert wurde, und zwar bei einem Druck von 200 lbf/in

ο
(200 englischen Pfund pro 6,45 cm ) von O₂. Es wurde festge^ stellt, daß bei diesem Druck sämtlicher fester Kohlenstoff in den Reaktionsprodukten entweder zu CO oder CO₂ oxydiert war, bevor er den Strahl 29 erreichte.

Unter Verwendung der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausbildungsform wurden 50 mg HNB im Reservoir 25,zur Detonation gebracht, und zwar

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mit einer in der Mischkammer 13 zubereiteten Gasmischung aus 2 Teilen O₇ und 1 Teil He. Der gesamte Gasdruck im Reservoir 25

2 kurz vor der Auslösung betrug 262 lbf/in . Dem O₂ wurde Helium hinzugefügt, um als ein Katalysator während der Oberschallexpansion bei der Entpopulatidn des unteren Schwingungsniveaus des CO₂ zu wirken. Das HNB hatte die Form eines Kügelchens und war an ungefähr 5 mg PETN befestigt, welches als Zündverstärker diente. Das PETN wurde durch einen explodierenden Brückendraht detoniert, und brachte seinerseits das HNB zur Detonation. Eine Qszilloskopaufzeichnung des Durchgangs von Material durch den Strahl zeigte eine anfängliche Absorption infolge des Durchgangs von O₂ und/oder Teilen der Membran 30. Sodann folgte eine Periode cter Verstärkung, wenn die Reaktionsprodukte des HNB vorbeiströmten? darauf folgte schließlich eine große Absorption, die offensichtlich durch die Verbrennungsprodukte des Kunststoffgehäuses hervorgerufen wurde, welches zur Aufnahme des HNB benutzt wurde. Die maximale beobachtete Verstärkung betrug 1,3%/cm.

Das vorangegangene Beispiel wurde mit den folgenden Abänderungen wiederholt. Ungefähr 10 mg von zusätzlichem HNB wurden vor dem Standard-HNB-Kügelchen angeordnet, so daß dessen Explosionsprodukte direkt auf den Düsenhals 26 zu geblasen wurden. Zudem wurden Reservoir 25 und Düse 27 mit einer 80/20 Mischung von O₀ /He

2 ^Λ (nach Volumen) bei einem Druck von 300 lbf/in gefüllt. Alle anderen Arbeitsbedingungen blieben diegleichen und es wurde ein maximaler Gewinn von 3,12%/cm beobachtet. Der höchste bisher in der Literatur für gasdynamische Laser berichtet« Gewinn betrug weniger als 1 %.

Die hier beschriebenen Explosionslaser beschränken sich nicht auf CO oder CO₂ als Lasermedien. Es können auch zahlreiche ander· Lasermedien durch Detonationsprodukte verdichteter Explosions" mittel geschaffen werden. Grundsätzlich ist es möglich, eine spezielle Lasersubstanz in einem verdichteten Explosionsmittel aufzulösen oder diese mit dem Explosionsmittel «* mischen, wobei die Lasersubstanz nicht direkt an der Reaktion teilnimmt, aber dennoch während der Explosion und der darauffolgenden Expansion

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thermisch gepumpt wird. Der beschränkende Faktor für dieses letztgenannte Verfahren besteht darin, daß die sich ergebende Mischung natürlich noch immer detönierbar sein muß. Auch beschränkt sich die Erfindung nicht auf die hier als Beispiel dargestellten Formen von Explosionslasern. So kann beispielsweise ein explosives CO₂-Lasersystem bei atmosphärischem Druck betrieben werden, und nicht durch Expansion in ein Vakuum, wie dies bei den obenstehenden Beispielen gezeigt wurde. Bei einem derartigen .System gestattet die Druckerweiterung der Schwingungs- . niveaus den.Entzug von Energie in sehr kurzen Impulsen. Das System ist auch wesentlich vereinfacht, weil kein Vakuumsystem erforderlich ist. Andere erfolgreich anwendbare Abwandlungen sind die folgenden: a) Flüssige hoch explosive Stoffe können verwendet werden; b) die Temperaturen können so gesteuert werden, daß gasförmige oder flüssige Explosionsstoffe verfestigt werden, oder um Gase zu verflüssigen; e) die Detonationsmaterialien brauchen nicht intern angeordnet sein, sondern können eine Detonationsstoßwelle von außerhalb des Systems durch die Umhüllungswand schicken; d) geformte Ladungen können verwendet werden, um während der Explosxonsreaktionen einen speziellen Druck-Temperatur-Zeit-Ablauf zu erzeugen, damit·die Explosionsprodukte wirkungsvoller auf ihre Aufgaben zugeschnitten sind.

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Claims (17)

1. Patentansprüche /. <£ D ι /46

   VjVerfahren zur Ausbildung eines Lasermediums mit einer Populationsinversion mit hoher Verstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß ein verdichtetes Explosionsmittel zur Detonation gebracht wird und aus der Klasse von Explosionsmitteln oder explosiven Mischungen ausgewählt ist, die bei Raumtemperatur fest oder flüssig sind und Detonationsprodukte aufweisen, die CO₂ oder CO oder andere Stoffarten sind, die die CO- oder CO-Laserwirkung entweder unterstützen oder nicht ungünstig gegenüberstehen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detonationsprodukte sich frei ausdehen können.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

   die Detonationsprodukte sich in ein Vakuum hinein ausdehnen.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

   das Explosionsmittel bei Raumtemperatur fest oder flüssig ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Explosionsmittel eine Verbindung oder eine Mischung aus Verbindungen ist, die im wesentlichen aus Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff bestehen.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

   das verdichtete Explosionsmittel ein Oxydationsmittel enthält.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detonationsprodukte sich durch eine überschalldüse in ein Vakuum ausdehnen.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,' daß die überschalldüse ein Expansionsverhältnis von mindestens 15 besitzt. .
9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

   das verdichtete Explosionsmittel bei Raumtemperatur fest oder flüssig ist.

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10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Explosionsmittel eine Verbindung oder eine Mischung aus Verbindungen ist, die im wesentlichen aus Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff besteht.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Explosionsmittel ein Oxydationsmittel enthält.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

    die Detonationsprodukte mit der Gasatmosphäre zusammenwirken, bevor sie durch die überschalldüse expandieren.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre Sauerstoff mit einem Druck enthält, der ausreicht, um sämtlichen durch die Detonation erzeugten ·■ freien Kohlenstoff zu oxydieren.
14. .14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre eine Mischung aus Sauerstqff und Helium ist.
15. 15. Verfahren nach Anspruch ,13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre Sauerstoff ist.
16. 16. Verfahren, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines CO^-Lasermediums mit einer Populationsinversion von hoher Verstärkung ein verdichtetes Explosionsmittel zur Detonation gebracht wird, welches aus der Klasse ausgewählt wurde, die Explosionsmittel oder explosive Mischungen enthält, welche im wesentlichen Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff als Elementarbestandteile aufweisen, wobei die Detonation in einem Stagnätionsreservoir erfolgt, welches gasförmigen Sauerstoff mit einem Druck enthält, der zur Oxydation allen freien Kohlenstoffs ausreicht, der durch die Detonation erzeugt wird, und wobei die Reaktionsprodukte durch eine Überschalldüse expandiert werden.

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17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Stagnationsreservoir eine Mischung aus Sauerstoff und Helium enthält.

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