DE2303167A1

DE2303167A1 - LASER

Info

Publication number: DE2303167A1
Application number: DE19732303167
Authority: DE
Inventors: Roland John Hill; Norman Thomas Jewell; Robert Bryn Price
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1972-01-26
Filing date: 1973-01-23
Publication date: 1973-08-16
Also published as: GB1420932A; FR2169234A1; IT978531B; JPS4884587A; FR2169234B1; DE2303167C3; JPS558831B2; DE2303167B2

Description

Rolls-Royce (1971) Limited, London, England.Rolls-Royce (1971) Limited, London, England.

Laserlaser

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung kohärenter Bündel elektromagnetischer Strahlung durch Induzierung einer Lasereinwirkung in einem gasförmigen Medium. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Benutzung eines Gerätes zur Aufrechterhaltung der Detonation in einem gasförmigen Medium, wodurch die Aussendung von Laserwellen ermöglicht wird.The invention relates to a method for generating coherent beams of electromagnetic radiation by induction laser exposure in a gaseous medium. In particular, the invention relates to the use of a device for Maintaining the detonation in a gaseous medium, which enables the emission of laser waves.

Als Lasermedium können gewisse Gase benutzt werden. So ist es bereits vorgeschlagen worden, die Abgase einer Gasturbine oder anderer mit kontinuierlicher Verbrennung arbeitenden Einrichtungen zu benutzen, um die Lasereinwirkung aufrechtzuerhalten, indem schnell ihre Abgase, erforderlichenfalls mit einem Zusatzmittel, expandiert werden und jegliche resultierende optische Aktivität in einem optischen Resonator verstärkt wird. Diese optische Aktivität resultiert von einer Populationsinversion, die hauptsächlich durch die schnelle Expansion der Gase verursacht wird. Laser, die diese Prinzipien benutzen, werden als "dynamische Gaslaser" bezeichnet.Certain gases can be used as a laser medium. So it has already been proposed, the exhaust gases from a gas turbine or other continuous combustion equipment to maintain laser exposure by rapidly their exhaust gases are expanded, if necessary with an additive, and any resulting optical activity is amplified in an optical resonator. This optical activity results from population inversion, which is mainly caused by the rapid expansion of the gases. Lasers that use these principles are called "dynamic gas lasers" designated.

Es können jedoch gasförmige chemische Reaktionen in Laser-Apperaturen benutzt werden, weil die freigegebene chemische Energie benutzt werden kann, die Laserteile der Gase zu pumpen und dadurch die erforderliche Populationsinversion zu erzeugen. Laser, die chemi-However, there can be gaseous chemical reactions in laser apparatus because the released chemical energy can be used to pump the laser parts of the gases and thereby the generate required population inversion. Lasers that

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sehe Energie benutzen, können so gebaut werden, daß sie in Größenordnungen wirksamer sind und ebenso viel mehr Energie pro Gewichtseinheit der Gasströmung erzeugen als dynamische Gaslaser. Wenn ein gasdynamischer Prozeß stattfindet, nachdem oder während die chemische Energie freigegeben wird, dann sind offensichtlich zwei Energiequellen verfügbar zur Erzeugung der Populationsinversionen und diese Möglichkeit wird durch die Erfindung realisiert, gemäß welcher vorgeschlagen wird, daß Laserleistung entweder von chemischen oder gasdynamisehen Prozessen in "der Vorrichtung abgeleitet wird.see energy can be built so that it can be used in Are orders of magnitude more efficient and generate just as much more energy per unit weight of gas flow than dynamic gas lasers. If a gas dynamic process takes place after or while the chemical energy is released, then are obviously two energy sources available to generate the Population inversions and this possibility is realized by the invention, according to which it is proposed that laser power either chemical or gas dynamic processes in "of the device.

Geeignete chemische und gasdynamische Prozesse finden während und nach dem Durchtritt der Detonationswellen durch die brennbaren Mischungen von Gasen oder Aerosolen usw. statt. Der Ausdruck "Detonationswelle" soll einen Verbrennungsprozeß oder eine chemische Reaktion bezeichnen, die mit einer Geschwindigkeit fortschreitet, die größer als die Schallgeschwindigkeit in dem betreffenden Medium davor ist.Suitable chemical and gas-dynamic processes take place during and after the passage of the detonation waves through the combustible ones Mixtures of gases or aerosols etc. take place. The term "detonation wave" is intended to mean a combustion process or a chemical one Designate a reaction that progresses at a speed that is greater than the speed of sound in the subject Medium in front of it.

Es ist bekannt, kurzzeitige Laserimpulse mittels Detonationen in Stoßrohren zu erzeugen, vogl. beispielsweise die Veröffentlichung "SHOCK TUBE LASERS" by Russell, Christiansen and Hertzberg of the university of Washington, Seattle, Washington, USA.It is known, short-term laser pulses by means of detonations to produce in shock tubes, vogl. for example the publication "SHOCK TUBE LASERS" by Russell, Christiansen and Hertzberg of the university of Washington, Seattle, Washington, USA.

Bei einem chemischen Detonationswellenlaser werden die Reaktionsmittel unter Bedingungen vorgemischt, unter denen nur eine geringe oder überhaupt keine Reaktion eintritt, bis sie durch eine äußere Quelle, z.B. eine Stoßwelle, eine Detonationswelle oder eine elektrische Entladung, getriggert wird. Soweit bekannt, ist bisher noch kein chemischer Detonationswellenlaser mit kontinuierlicher Wellenart im Gegensatz zur pulsierenden Art betrieben worden, bei dem der Laserstrahl intermittierend erzeugt wird. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Erzeugung sowohlIn a chemical detonation wave laser, the reactants are premixed under conditions that are only mild or no reaction at all until it is triggered by an external source, e.g. a shock wave, a detonation wave or a electrical discharge, is triggered. As far as is known, no chemical detonation wave laser with continuous Wave type has been operated in contrast to the pulsating type, in which the laser beam is generated intermittently. The invention is therefore based on the task of generating both

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eines pulsierenden als auch eines kontinuierlichen Laserstrahlsa pulsating as well as a continuous laser beam

laser zu erzeugen und zwar insbesondere bei Hochleistungsjtrahlen, wobei dies durch eine Vorrichtung erfolgt, bei der die Detonationswellen während jeder gewünschten Zeitdauer erhalten bleiben.to generate lasers, in particular with high-power beams, with this is done by a device in which the detonation waves are maintained for any desired length of time.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Induzierung eines Lasers in einem gasförmigen Medium in der Weise durchgeführt, daß wenigstens eine die Verbrennung einleitende Detonationswelle veranlaßt wird, in wenigstens einem endlosen Verbrennungskanal während einer kontrollierten Zeitdauer zu zirkulieren,und daß die elektromagnetischenWellenemissionen der Verbrennungsgase in einen elektromagnetischen Wellenresonator verstärkt werden.According to the invention a method for inducing a laser in a gaseous medium is carried out in such a way that at least one detonation wave initiating combustion is caused in at least one endless combustion channel during a controlled period of time and that the electromagnetic wave emissions the combustion gases are amplified in an electromagnetic wave resonator.

Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung zur Induktion eines Lasers in einem gasförmigen Medium umfaßt wenigstens eine endlose Brennkammer, die wenigstens eine kontinuierlich zirkulierende, die Verbrennung einleitende Detonationswelle während einer bestimmten Zeitdauer trägt, wobei ein elektromagnetischer Wellenresonator die elektromagnetischen Wellenemissionen der Brenngase verstärkt.A device designed according to the invention for the induction of a laser in a gaseous medium comprises at least one endless combustion chamber containing at least one continuously circulating, combustion-initiating detonation wave during a certain period of time, being an electromagnetic wave resonator amplifies the electromagnetic wave emissions of the fuel gases.

Der Verbrennungskanal kann kreisringförmig sein. Stattdessen kann auch eine von der Kreisform abweichende Gestalt benutzt werden.The combustion channel can be circular. Instead, a shape deviating from the circular shape can also be used.

Die Laserwelle kann entweder während der noch fortschreitenden Verbrennung hinter der Detonationswellenfront und innerhalb des Brennkanals induziert werden oder auch nach der Expansion der Brenngase durch konvergent-divergente Düsenanordnungen und in diesem Fall wird die Laserinduktion gasdynamisch erfolgen.The laser wave can either behind the detonation wavefront or within the combustion during the combustion Induced combustion channel or after the expansion of the combustion gases by convergent-divergent nozzle arrangements and in In this case, the laser induction will be gas-dynamic.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine von der Kreisform abweichende Gestalt des Verbrennungskanals benutzt und der Kanal weist wenigstens einen im wesentlichen linearen Abschnitt auf, der als Teil des Resonators benutzt wird.According to a preferred embodiment of the invention, the shape of the combustion duct deviates from the circular shape is used and the channel has at least one substantially linear section which is used as part of the resonator.

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wodurch Laser innerhalb des Kanalkörpers induziert wird.thereby inducing laser within the canal body.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Abgase mehrerer, im wesentlichen linear verlaufender, zueinander paralleler Abschnitte benutzt, um eine Ausdehnung in einer gemeinsamen Füllkammer zu bewirken und diese Füllkammer ■ wird als Teil des Resonators benutzt, um die Laserwirkung zu induzieren. Weitere Aus führ ungs formen er^en sich aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen.According to a further preferred embodiment of the invention the exhaust gases of a plurality of substantially linear, mutually parallel sections are used to expand in to effect a common filling chamber and this filling chamber ■ is used as part of the resonator to the laser effect induce. Further embodiments emerge from the following Description and claims.

Es ist bekannt, daß die durch schnelle chemische Reaktionen hinter einer Detonationswelle freige^ene Energie nicht momentan über die verfügbaren Freiheitsgrade in der gleichen Weise verteilt wird wie in einer Gleichgewichtsmischung bei der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck. Durch Wahl der Detonationsmischung kann eine für die Laserwirkung günstigere verteilung .erlangt- werden. Beispielsweise kann für einen Laser auf der Grundlage von Kohlenstoffdioxyd 001 - 100 Transition ein System gewählt werden, in dem die Vibrationserregung von Kohlenstoffdioxyd und Stickstoff (wenn vorhanden) auf einem höheren wert ist als auf dem Gleichgewichtswert. Das Gas in diesem Zustand läßt man dann vorzugsweise durch eine Konvergent-Divergent-Düse expandieren, so daß eine Populationsinversion in der üblichen Weise eines dynamischen Gaslasers erzeugt wird. Stattdessen kann das Gas hinter der Detonationswelle als Lasermedium ohne Expansion benutzt werden, wenn eine genügende Erregung der jeweiligen Pegel erlangt werden kann ohne eine Population der niedrigeren pegel.It is known that the chemical reactions behind it The energy released by a detonation wave is not momentarily distributed over the available degrees of freedom in the same way becomes like in an equilibrium mixture at the same temperature and pressure. By choosing the detonation mixture, a more favorable distribution for the laser effect can be achieved .be obtained. For example, for a laser on the Based on carbon dioxide 001 - 100 transition a system can be chosen in which the vibration excitation of carbon dioxide and nitrogen (if any) is higher than the equilibrium value. The gas in this state is then preferably passed through a convergent-divergent nozzle expand so that population inversion is generated in the usual manner of a dynamic gas laser. Instead of this can use the gas behind the detonation wave as a laser medium without Expansion can be used when sufficient excitation of the respective levels can be obtained without a population of the lower level.

Diese Verfahren können benutzt werden, um einen einzigen Laserenergieimpuls aus einer einzigen Detonation zu erzeugen, z.B. in einem Laboratoriümsstoßwellen- oder Detonationsrohr, so kann auch eine kontinuierliche Detonation für ununterbrochene verbrennung erforderlich sein. Vorrichtungen, die eine kontinuierli-These methods can be used to generate a single pulse of laser energy from a single detonation, e.g. in a laboratory shock wave or detonation tube, so can also a continuous detonation for uninterrupted combustion to be required. Devices that provide a continuous

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ehe Detonation erzeugen, sind in den GB-PS 1 069 127 und 1 213 551 beschrieben. Sie bestehen allgemein aus einer Brennkammer oder einem "Kanal" mit Durchtritten in den Wandungen, durch die die frische Mischung hindurchtreten kann und durch die Detonationsprodukte abgezogen werden können. Derartige Vorrichtungen können mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden einschl. flüssigen Kohlenwasserstoffen und man kann mit Sauerstoff angereicherte oder erhitzte Luft als Oxydationsmittel benutzen.Wenn der Kanal als Kreisring ausgebildet ist, kann ein stabiles System erhalten werden, welches aus einer oder mehreren Wellen besteht, die kontinuierlich in dem Kanal rotieren.before generating detonation are in GB-PS 1,069,127 and 1 213 551. They generally consist of a combustion chamber or a "channel" with passages in the walls through which the fresh mixture can pass and through the detonation products can be deducted. Such devices can be operated with different fuels incl. liquid hydrocarbons and oxygen-enriched or heated air can be used as an oxidizing agent the channel is designed as a circular ring, a stable system can be obtained, which consists of one or more shafts, which rotate continuously in the channel.

Die Bedingungen, unter denen stabile Systeme erlangt werden können, hängen kritisch von dem Verhältnis von Einlaßfläche zu Auslaßfläche im Kanaldurchraesser ab (dies wird als seitliches Relief bezeichnet) und außerdem von der Zusammensetzung, von der Temperatur und von dem Druck der Mischung, die in die Vorrichtung eintritt. Dies kann rechnerisch und experimentell bestimmt werden.The conditions under which stable systems can be obtained critically depend on the ratio of inlet area to outlet area in the duct diameter (this is called the side relief and also on the composition, temperature and pressure of the mixture entering the device. This can be determined mathematically and experimentally.

Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiein ist eine kontinuierlich umlaufende Detonationswelle vorhanden, so daß aus den gasförmigen Produkten Leistung als Laserstrahl abgezogen werden . kann. Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Fig. la,Ib und Ic schematische Schnittansichten zweier Ausführungsformen der Erfindung zur Erzeugung von Verbrennungsgasen, indem wenigstens eine sich kontinuierlich bewegende Verbrennungseinleitungsdetonationswelle in einer Brennkammer aufrechterhalten wird,In the exemplary embodiments according to the invention, one is continuous rotating detonation wave present, so that power can be extracted from the gaseous products as a laser beam. can. Exemplary embodiments of the invention are illustrated below described in the drawing. In the drawing: FIGS. 1 a, 1b and 1c show schematic sectional views of two embodiments of the invention for the production of combustion gases by at least one continuously moving Combustion initiation detonation wave in a combustion chamber is maintained

Fig. 2 eine mögliche Zirkulationsreihe von Detonationswellen, Fig. ^a,j5b,J5c eine schaubildliche Darstellung des Apparates, abgewandelt zur Erzeugung eines Strahles kohärenter Strahlung durch Anordnung eines Laserhohlraums,2 shows a possible series of circulation of detonation waves, Fig. ^ A, j5b, J5c a diagrammatic representation of the apparatus, modified to generate a beam of coherent radiation by arranging a laser cavity,

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Fig. 4, 5 und 6 weitere Ausführungsbeispiele von Laserhohlräumen und Gaserzeugungsgeräten.Figures 4, 5 and 6 show further embodiments of laser cavities and gas generating equipment.

Brennkammern, die in der Lage sind, kontinuierlich sich bewegende Detonationswellen zu tragen, sind bereits aus den GB-PS 1 O69 217 und 1 213 551 bekannt. Die Fig.la und Ib zeigen die Grundgestalt in'der Ausführungsform gemäß GB-PS 1 O69 217, wobei eine Brennkammer 19 mit mehreren, dauernd offenen schlitzartigen Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen 25 bzw. 26 vorgesehen ist. Prallkörper 27 bzw. 28 trennen die ströme, die durch Einlaß- und Auslaßöffnungen hindurchtreten und bilden Leitungen 29.Combustion chambers which are able to carry continuously moving detonation waves are already from GB-PS 1 O69 217 and 1,213,551 known. The Fig.la and Ib show the basic shape in'der embodiment according to GB-PS 1 O69 217, wherein a combustion chamber 19 is provided with a plurality of continuously open slot-like inlet and outlet openings 25 and 26, respectively. Impact body 27 or 28 separate the streams passing through inlet and outlet ports and form lines 29.

Eine solche Brennkammer könnte in Verbindung mit einem Kompressor benutzt werden, der ein gasförmiges Mittel, z.B. Luft, unter Druck der Kammer 19 zuführt. Unmittelbar stromoberseitig der Einlaßleitung 29 zur Zuführung eines atomisierten flüssigen Brennstoff, z.B. Kerosin, ist ein Brennstoffinjektor 30 angeordnet, der den Brennstoff in die Druckgasströmung einspritzt.Such a combustion chamber could be used in conjunction with a compressor using a gaseous medium such as air under pressure the chamber 19 supplies. Immediately upstream of the inlet line 29 for supplying an atomized liquid fuel, e.g. kerosene, a fuel injector 30 is arranged, which feeds the fuel injected into the pressurized gas flow.

Stattdessen könnte die Brennkammer I9 mit einer Mischung aus gasförmigem Brennstoff und gasförmigem Oxydationsmittel gespeist werden. Instead, the combustion chamber could I9 with a mixture of gaseous Fuel and gaseous oxidizing agent are fed.

Ein Detonationsstarter Jl, z.B. ein elektrischer Ho chspannungs zünder, steht mit der Brennkammer I9 so in Verbindung, daß eine Verbrennung, die die Detonationswelle einleitet, gestartet wird.A detonation starter Jl, for example an electrical high voltage igniter, is connected to the combustion chamber I9 in such a way that a combustion which initiates the detonation wave is started.

Fig. Ic ist ein schema tischer Schnitt durch eine andere Art einerFig. Ic is a schematic section through another type of one

die
Brennkammer yin der Lage ist, eine sich drehende Detonationswelle aufrechtzuerhalten. Die Brennkammer ist allgemein von jener Bauart, die in der GB-PS 1 213 551 beschrieben ist.the
Combustion chamber y is able to maintain a rotating detonation wave. The combustion chamber is generally of the type described in GB-PS 1,213,551.

Ein torusförmig oder aerodynamisch gestalteter Detonationskanal 1 mit Einlaßkanälen 2,3 liefert Brennstoff bzw. Oxydationsmittel einerA toroidal or aerodynamically designed detonation channel 1 with inlet channels 2, 3 supplies fuel or an oxidizing agent

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Mischkammer 4, wo Brennstoff und Oxydationsmittel vorgemischt werden, bevor diese durch einen einzigen Einlaß nach dem Kanal 1 gelangen.In dem Kanal wird die Zündung durch nicht-dargestellte Mittel, beispielsweise einen Hochspannungszünder, gezündet. Die Brenngase expandieren durch die Düse 5 hindurch.Mixing chamber 4 where fuel and oxidizer are premixed before they pass through a single inlet to channel 1. In the channel, the ignition is through not-shown Means, for example a high-voltage igniter, ignited. the Fuel gases expand through the nozzle 5.

Durch geeignete Wahl der Größe von Einlaß- und Auslaßöffnungen und Zuführungsgeschwindigkeit von Brennstoff und Oxydationsmittel können eine oder mehrere (vorzugsweise mehrere) Detonationswellen W₁* W„, W-, in der Vorrichtung aufrechterhalten werden, die entweder gemäß Pig.le,Ib oder lc ausgebildet ist. Ein solches System von Detonationsweilen ist schematisch in Fig.2 dargestellt.By suitable choice of the size of the inlet and outlet openings and the feed rate of fuel and oxidizing agent, one or more (preferably several) detonation waves W ₁ * W ", W-, can be maintained in the device, which either according to Pig.le, Ib or lc is trained. Such a system of detonation times is shown schematically in FIG.

In Fig.^a ist ein Schema gezeigt, bei welchem Spiegel 7,8 vorgesehen sind, um einen Resonatoraufbau 6 zu schaffen, d essan Achse senkrecht zur Bewegungsrichtung der Welle liegt. Dies ist für den Fall dargestellt, wo die Produkte durch eine Konvergent-Divergent-Düse 5 expandieren. Fig.3b zeigt eine Ansicht in Richtung des Pfeiles B gemäß Fig.^a. Es ist klar, daß diese Figuren nur schematisch gezeichnet sind und daß bei einer praktischen Ausführungsform eine Mehrzahl von Düsen 5 oder Düsen-A'quivalenten, z.B. stromlinienförmig gestalteten Schaufeln, angeordnet sind.In Fig. ^ A a scheme is shown in which mirrors 7, 8 are provided to provide a resonator assembly 6 which is on an axis perpendicular to the direction of movement of the shaft. This is for the Case shown where the products pass through a convergent-divergent nozzle 5 expand. Fig.3b shows a view in the direction of Arrow B according to Fig. ^ A. It is clear that these figures are only are drawn schematically and that in a practical embodiment a plurality of nozzles 5 or nozzle A 'equivalents, e.g. streamlined blades, are arranged.

In Fig.^e ist ein Fall dargestellt, bei dem der Kanal einen Teil eines Laserhohlraums bildet. Die Verbrennungsprodukte dürfen nicht in Berührung mit den Resonatorspiegeln 7,8 gelangen, weil Fenster 9 in der Wandung oder andere Schutzvorrichtungen vorgesehen sind, um die Spiegel gegenüber einer Beschädigung zu schützen. Ein solches Fenster muß offensichtlich aus einem Material bestehen, das im wesentlichen gegenüber Infrarotstrahlung transparent ist und es sind gewisse Gläser verfügbar, die diese Eigenschaft besitzen.In Fig. ^ E a case is shown in which the channel is a part of a laser cavity. The combustion products must not come into contact with the resonator mirrors 7, 8 because windows 9 are provided in the wall or other protective devices to protect the mirror from damage. One such Window must obviously be made of a material that is substantially transparent to infrared radiation and certain glasses are available which have this property.

Bei der Konstruktion eines Laserresonators ist es von Vorteil, ein großes Verhältnis von Länge zu Durchmesser des Resonators zuWhen designing a laser resonator, it is advantageous to have a large length to diameter ratio of the resonator

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haben. Es ist daher zu bevorzugen, die Achse des Resonators in die gleiche Richtung zu legen,wie die welle verläuft, wie dies in Fig.4 dargestellt ist, v/o der Detonationskanal 10 lange gerade Seiten 10a,!Ob besitzt. In diesem Fall kann der Laserhohlraum mit Spiegeln 12,IJ.so angeordnet werden, daß seine optische Achse entweder in den Abgasen verläuft, die aus der Konvergent-Divergent-Düse austreten, oder mit der Längsachse der Kanalabschnitte 10a und/oder 10b zusammenfallen und in diesem Falle werden wiederum Fenster 11 in den Enden des Kanalabschnitts 10b benötigt.to have. It is therefore preferable to place the axis of the resonator in the to lay the same direction as the wave runs, as shown in Fig.4 is shown, v / o the detonation channel 10 has long straight sides 10a,! Ob. In this case, the laser cavity can be made with mirrors 12, IJ.be arranged so that its optical axis is either in the Exhaust gases flowing out of the convergent-divergent nozzle, or coincide with the longitudinal axis of the channel sections 10a and / or 10b and in this case again windows 11 are in the Ends of the channel section 10b required.

Das Gas innerhalb des Resonatoraufbaus hat eine Zusammensetzung,die sich von einer Stelle hinter der Detonationswelle längs der Verdünnungswelle nach dem Start der nächsten Detonationswelle verändert. Es ist zweckmäßig, eine Populationsinversion über einen so großen Bereich als möglich vorzusehen und jegliche Bereiche zu vermeiden, in denen die Laseremission zu stark absorbiert wird. Im Unterschied zu dem Querresonator werd/jedoch, wenn mehrere Wellen ständig in dem Hohlraum vorhanden sind, die durchschnittlichen Eigenschaften im Hohlraum im wesentlichen konstant.The gas within the resonator structure has a composition that from behind the detonation wave along the dilution wave changed after the start of the next detonation wave. It is useful to have a population inversion over such a large one Provide an area as possible and avoid any areas in which the laser emission is excessively absorbed. In the difference to the transverse resonator, however, if several waves are constantly in are present in the cavity, the average properties in the cavity are substantially constant.

Wenn die Detonationsprodukte expandiert werden, um eine Laseremission zu erzeugen, können die Ausgänge mehrerer Kanäle oder mehrerer Abschnitte eines kontinuierlichen Kanales in den Resonatorbereich Ausgelassen werden.Eine Anordnung eines Kanales hierfür ist in Fig.5 dargestellt, woraus ersichtlich ist, daß der Kanal 16 vier gerade Abschnitte I6a,I6b,l6c und I6d besitzt und mit Expansionsdüsen längs des Umfangs versehen ist. Es sind Spiegel 14 vorgesehen, um einen optischen Pfad 17 zu schaffen, der von allen vier Seiten I6a,l6b,l6c und I6d durch die nach außen expandierenden Abgase E hindurchtritt. Der Spiegel I5 ist entweder teilweise versilbert oder mit einem Loch versehen, so daß der Ausgangs strahl austreten kann. Ein solcher Laserhohlraum ergibt eine durchschnittliche optische Emission für alle Abgase, die durch seinen aktiven Teil hindurchtreten.When the detonation products are expanded, there is a laser emission to generate, the outputs of several channels or several sections of a continuous channel in the resonator area An arrangement of a channel for this is shown in Fig. 5, from which it can be seen that the channel 16 four has straight sections I6a, I6b, l6c and I6d and with expansion nozzles is provided along the circumference. Mirrors 14 are provided to provide an optical path 17 shared by all four Pages 16a, 16b, 16c and 16d through the outwardly expanding Exhaust E passes through. The mirror I5 is either partial silvered or provided with a hole so that the output beam can emerge. Such a laser cavity gives an average optical emission for all exhaust gases passing through its active Step through part.

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ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

In Fig.6 sind gerade Kanalabschnitte I8a,l8b mit Düsen 20a,20b vorgesehen, die nach innen und konvergierend ausströmen lassen, so daß ein Bereich kombinierter Strömung bei 21 erhalten wird. Der optische Hohlraum 22 mit Spiegeln 23,24 ist mit seiner optischen Achse in Längsrichtung des Bereiches kombinierter Strömung und in dem Bereich optischer Aktivität angeordnet. Wenn geeignete Bedingungen bestehen, wird ein Strahl 25 erzeugt.In Figure 6 are straight channel sections I8a, 18b with nozzles 20a, 20b provided which flow out inwardly and convergingly so that a region of combined flow at 21 is obtained. Of the optical cavity 22 with mirrors 23,24 is with its optical Axis in the longitudinal direction of the area of combined flow and located in the area of optical activity. If suitable conditions exist, a beam 25 is generated.

Die der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführte Mischung muß in der Lage sein, eine kontinuierlich umlaufende Detonationswelle aufrechtzuerhalten und es müssen außerdem gasförmige Produkte erzeugt werden, die eine für die Laserwirkung geeignete Zusammensetzung haben.The mixture supplied to the device according to the invention must be capable of a continuously rotating detonation wave and there must also be generated gaseous products that have a composition suitable for laser action to have.

Wenn Kohlenwasserbren»stoffe, _Z.B. Flugbenzin (Kerosin), in Verbindung mit Sauerstoff/Stickstoffmischungen benutzt werden, dann ergibt sich als Produkt Kohlendioxyd und Wasser zusammen mit einigen Stickoxyden und unvollständigen Verbrennungsprodukten, z.B. Kohlenstoffmonoxyd. Die Laserwirkung basiert auf Übergängen von Kohlenstoffdioxyd, Kohlenstoffmonoxyd oder das Wassermolekül kann unter geeigneten Bedingungen erhalten werden. Es ist bekannt, daß in einem Gaslaser Kohlenstoffdiaxyd eine Laserwirkung in Verbindung mit einer Mischung zustandebringt, die in der rechten Spalte der Tabelle 1 ersichtlich ist und es können ähnliche Zusammensetzungen durch eine Detonationsverbrennung erzeugt werden.If Kohlenwasserbren "materials, _Z .B. Aviation fuel (kerosene), if used in connection with oxygen / nitrogen mixtures, then results as a product carbon dioxide and water together with some nitrogen oxides and incomplete combustion products, e.g. carbon monoxide. The laser effect is based on transitions of carbon dioxide, carbon monoxide or the water molecule can be obtained under suitable conditions. It is known that in a gas laser, carbon dioxide produces a laser action in conjunction with a mixture shown in the right column of Table 1, and similar compositions can be produced by detonation combustion.

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Bestandteilcomponent ZustandState Typische %
von Verbrennungs
gasen für ungefähr
75:1 Luftbrennstoff-
verhältnisTypical %
of combustion
gas for about
75: 1 air fuel
relationship Molar % einer Mischung
erforderlich zur Durch
führung der Laserwir
kung .Molar % of a mixture
required for through
leadership of the laser wir
kung. N₂
co₂
CO
H₂ON ₂
co ₂
CO
H ₂ O Energie
Pumpen
Lasing
species
"Gift"
Ausnutzung
in kleiner
Quantitä
tenenergy
pump
Lasing
species
"Poison"
Exploitation
in small
Quantity
th 76.99
. 2.79
0
2.7576.99
. 2.79
0
2.75 Bis zu 15$ zugelassen,
vorausgesetzt daß die
Düse in geeigneter Wei-
se eingestellt ist.Approved up to $ 15,
provided that the
Nozzle in a suitable position
se is set.

Es ist ersichtlich, daß ein Luft-Brennstoffverhältnis von 75:1 (ein Verhältnis, das bei Pluggasturbinen benutzt werden kann), V^rbrennungsprodukte in Anteilen liefert, die im allgemeinen dicht bei jenen liegen, die für eine Laserwirkung erforderlich sind. Indem das Luft-Brennstoffverhältnis geändert wird oder indem eine gesonderte Substanz oder Substanzen, z.B. Kohlendioxyd, in die Brennkammer eingespritzt werden, können geeignete Mischungen erzeugt werden.It can be seen that an air-to-fuel ratio of 75: 1 (a ratio that can be used with plug gas turbines), Provides combustion products in proportions that are generally dense lie with those that are required for laser action. By changing the air-fuel ratio or by a If separate substance or substances, e.g. carbon dioxide, are injected into the combustion chamber, suitable mixtures can be created will.

Andere Mischungen können hergestellt werden, um eine Detonation zu erreichen und es hat sich gezeigt bzw. ist es zu erwarten, da£Other mixtures can be made to detonate and it has been shown or is to be expected that £

ein Lasermittel CO + 0_o, CS₀+ 0_o, H₀ + P₀, H₀ + Cl₀, H₀ + 0_o, enthält d d d d d d d d d NH, + O₀Z In Fällen, wo Sauerstoff einen Teil der Mischung bildet, kann ein Teil dieses Sauerstoffs aus der Luft abgezogen werden, wenn der Anteil von Stickstoff nicht eine Detonation oder Laserwirkung verhindert.a laser means CO + 0 _o , CS ₀ + 0 _o , H ₀ + P ₀ , H ₀ + Cl ₀ , H ₀ + 0 _o , contains ddddddddd NH, + O ₀ Z In cases where oxygen forms part of the mixture, some of this oxygen can be withdrawn from the air if the amount of nitrogen does not prevent detonation or laser action.

Die gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung ist in der Lage, energiereiche Strahlen kohärenter elektromagnetischer Strahlung zuThe device designed according to the invention is capable of generating high-energy beams of coherent electromagnetic radiation

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erzeugen und es können hierbei die Vorrichtungen gemäß Fig.5 , 6 und möglicherweise gemäß Pig.3 benutzt werden. Derartige kontinuierliche Wellenlaser besitzen Anwendungen auf jedem Gebiet, wo ein kompakter wirksamer Hochleistungslaser gefordert wird, beispielsweise bei der Leistungsübertragung,bei industriellen Anwendungen, zur Triggerung,für die Einleitung einer Kernfusion und auf dem Schlachtfeld.generate and it can here the devices according to Figure 5, 6 and possibly according to Pig. 3. Such continuous wave lasers have applications in every field, where a compact, effective high-power laser is required, for example in power transmission, in industrial applications, for triggering, for initiating a nuclear fusion and on the battlefield.

Claims

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Claims

- Patent claims:

Process for inducing laser radiation in a gaseous medium,

characterized,

that at least one detonation wave (W ₁ ) initiating combustion is caused to circulate in at least one endless combustion duct (1) for a controlled period of time, and that the electromagnetic wave emissions of the combustion gases are amplified in an electromagnetic wave resonator (6).

2. The method according to claim 1,

characterized,

that the laser radiation is induced in the combustion gases behind each detonation wave.

3. The method according to claim 1,

characterized,

that the laser radiation is induced in the combustion gases after the gases through the convergent-divergent nozzle (5), the forms a combustion gas outlet from the combustion duct (1), are expanded.

4. The method according to claim 2,

characterized,

that pulses of laser radiation are induced in the gases in the combustion channel (1) by the optical axis of the resonator (6) is oriented so that it runs across the combustion duct t, and that windows (9), which are transparent to the wavelength of the stimulated radiation, in opposite walls of the Channel are aligned with the optical axis.

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5. The method according to claim 3,

characterized in that pulses of laser radiation in the combustion gases are induced by the gases being expanded through the resonator (6), and that the optical axis of the resonator runs transversely to the combustion channel (1) and in front of the nozzle (5).

6. The method according to claim 2,

characterized in that the laser radiation in at least one, essentially linear section (10a) of the combustion channel (10) is induced, wherein the optical axis of the resonator (12,15) is essentially coincides with the longitudinal axis of the section of the combustion duct.

7. The method according to claim 3,

characterized in that the combustion gas outlet of at least one, essentially linear section of at least one combustion channel (16) into the resonator area via at least one convergent-divergent nozzle is ejected, the optical axis of the resonator (14,15) being substantially parallel to the longitudinal axis of that Section of the combustion duct runs.

8. The method according to claim 7,

characterized in that the fuel gases of several, substantially linear Combustion channel sections (I6a, l6b, l6c, l6d) in the resonator area are omitted, these channel sections have the effect that the overall shape of the channel (16) is at least partially the shape of a geometric figure that has several straight sides, and that the resonator (14,15) is optical Has axes which run substantially parallel to the longitudinal axis of the respective linear channel sections, and that the optical axes cooperate so that a continuous optical path (17) is created.

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9. The method according to claim 7,

characterized in that the combustion gases of several substantially linear, Combustion channel sections (I8a, l8b) running parallel to one another expand into a common filling chamber, which in the Resonator (22) is used.

10. Device for performing the method according to the claims 1 to 9 to induce laser radiation in a gaseous medium,

characterized in that at least one endless combustion channel (1) is provided to carry at least one continuously circulating detonation wave (W ₁ ) initiating combustion for a certain period of time, and that an electromagnetic wave resonator (6) is provided for the electromagnetic wave emission to amplify the fuel gases.

11. The device according to claim 10,
characterized in that the combustion channel (1) is annular.

12. Apparatus according to Anspiuih,

characterized in that laser radiation pulses in the combustion gases behind. at least one detonation wave (W ₁ ) are induced by the resonator (6), the optical axis of which is oriented so that it runs transversely through the combustion channel, and that windows (9) which are transparent to the wavelength of the stimulated radiation, in opposite directions Walls of the channel are provided aligned with the optical axis.

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j.3. Device according to claim 11,

thereby marked c h η e t,

that induces laser radiation pulses into the combustion gases by the gases flowing through a resonator (6) after these gases expands through a convergent-divergent nozzle (5) are, which forms the combustion gas outlet from the combustion channel (1) ^ and that the optical axis of the resonator is arranged transversely to the combustion channel and in front of the nozzle.

14. Apparatus according to claim 10,
characterized,

that the combustion channel (10) has a tortuous shape with at least has a linear section (10b).

15. Apparatus according to claim 14,
characterized,

that the linear section (10b) is used in the resonator (12,13) is that a laser radiation is induced in the combustion gases behind the detonation wave that the longitudinal axis of the linear section substantially coincides with the optical axis of the resonator, and that the linear section is provided with pensters (11) at each end to avoid the laser radiation to pass and that a clear path for the radiation is obtained along the length of the optical axis.

16. The device according to claim 14,

that the linear section (16a) with a convergent-divergent exhaust nozzle is provided through which the combustion gases can expand, the laser action in the combustion gases is generated when these gases move through the electromagnetic wave resonator (14,15), the optical axis of which is essentially runs parallel to the longitudinal axis of the linear section.

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17 ·. Device according to claim 16,

d characterized by

that several linear sections (16a, 16b, 16c, 16d) in the circle of the Combustion channel (16) are provided, whereby the combustion channel at least partially has the shape of a geometric figure with several straight sides and that the resonator (14,15) has several optical axes, each of which is substantially parallel to the longitudinal axis of the respective linear sections of the Channel runs, and that the optical axes form a continuous winding optical path (17).

18. Apparatus according to claim 16,
characterized ,

that the combustion channel (18) with several, essentially linear, mutually parallel sections (10a, 10b) ystent and that the combustion gases expand therefrom into a common filling chamber which is used as part of the resonator (22).

19. Device according to claims I3 and 16 to 18, characterized in that the convergent-divergent nozzle 5, 20a, 10b) from a row consists of streamlined nozzle guide vanes.

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