DE2356124C2

DE2356124C2 - Verfahren zum Betreiben eines Gaslasers mit in einem geschlossenen Kreislauf strömenden Gas

Info

Publication number: DE2356124C2
Application number: DE2356124A
Authority: DE
Inventors: Edward Tirrell Maclean Va. Gerry; Edward Valentine Rockport Mass. Locke
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1972-11-15
Filing date: 1973-11-09
Publication date: 1983-12-15
Also published as: CH584464A5; IT996400B; JPS4979799A; FR2206601B1; IL43526A0; US3810043A; JPS5756226B2; GB1390729A; DE2356124A1; FR2206601A1; CA1010544A; SE389774B; IL43526A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gaslasers mit in einem geschlossenen Kreislauf strömenden Gas, wonach ein laseraktives Gasgemisch aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium durch einen Arbeitsbereich umgewälzt und innerhalb des Gasgemisches im Arbeitsbereich eine elektrische Vorentladung aufrechterhalten wird, um im Arbeitsbereich in der Gasmischung eine räumlich einheitliche Dichte freier Elektronen mit einer durchschnittlichen Energie zu erzeugen, die nicht ausreichend ist, um eine Umkehr der Häufigkeitsverteilung im Gasgemisch zu erzeugen, und wonach im Arbeitsbereich ein elektrisches Feld zus Erhöhung der Elektronentemperatur der freien Elektronen erzeugt wird, so daß dadurch die Energie der freien Elektronen zur Umkehr der Häufigkeitsverteilung im Gasgemisch erhöht wird, und dadurch eine Strahlungsemission des Gasgemisches im Arbeitsbereich angeregt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der Zeitschrift »Optics and Laser Technology«, Juni 1972, Seiten 121 bis 128 bekannt. Die Gaslaseranlage mit geschlossenem Kreislauf zur Durchführung des eingangs definierten ^M Verfahrens kann ein Gasgemisch mit CO2-N2—He verwenden.

Von den vielen Lasertypen, die gegenwärtig in Entwicklung sind, wurden auch elektrisch angeregte, konvektionsgekühlte CXVLaser untersucht, die in einem geschlossenen Gassystem arbeiten. Derartige Konvektionslaser, die ein einziges großes Entladungsvolumen benützen erscheinen am besten zur Anwen dung in Hochleistungs-Lasersystemen geeignet, weil derartige Lasersysteme u. a. einen niedrigen Durckverlust im Laserkanal und ein einheitliches aktives Medium anbieten.

So zeigen wegen der hohen Massenflußraten der Lasergase und der großen Purapkapazitäten, die für Hochleistungsbetrieb erforderlich sind, Systembetrachtungec, daß der- Betrieb vorzugsweise in einem geschlossenen Gaskreislauf, d.h. in einer Betriebsart stattfindet, m welcher die Lasergase fortwährend umgewälzt und wiederbenützt werden. Jedoch wird die Leistung von CO^KonvektionsIasera vom elektrischen Entladungstyp, die im geschlossenen Gaskreislauf arbeiten, im Verhältnis zu der Höhe der Offenkreisleistung entsprechend des verringerten Entladungsbetriebes und/oder der Stabilitätsgrenzen verringert. Diese Verringerung der Entladungsenergie ergibt eine^leich^ zeitige Verringerung der optischen Ausgangskapazität des Lasergeräts, wenn es im bevorzugten geschlossenen Kreislauf betrieben wird.

Bei höheren entladungsspezifischen Energien (elektrische Ausgangsenergie pro Einheit der Massenflußrate, ein Parameter, der der Erhöhung der Gastemperatur proportional ist), nahe der wärmetechnischen Grenze der optischen Wirksamkeit, neigen derartige Entladungen dazu, unstabil zu sein. Die Instabilität kann sich selbst in der Ftvm eines Entladungszusammenbruchs darstellen, wobei der Entladungsstrom das Laserkanalvolumen in eingeschnürten, bogenähnlichen Fäden durchsetzt Nichtsdestotrotz stehen bei einem Betrieb, bei welchem die entsprechenden Lasergase durch den Hohlraum durchströmen und aufeinanderfolgend ausgeschieden werden, höhere entladungsspezifische Energien zur Verfugung, die sich der wärmetechnischen Grenze nähern, und zwar in einer Vielzahl von Abmessungen und Techniken.

So sind bei einem Betrieb im geschlossenen Kreislauf Entladungsinstabilitäten festgestellt worden, die vorzeitig einsetzen und die entladungsspezifische Energie auf ein Niveau begrenzen, das beträchtlich niedriger als das für den Betrieb bei einem offenen Zyklus liegt.

Man nimmt an, daß die beim Betrieb im geschlossenen Zyklus auftretenden Instabilitäten stark von Verunreinigungs- oder Ablagerungsprodukten beeinflußt werden, die infolge elektrochemischer Reaktion bei der Entladung entstehen. Einige der Verunreinigungsgase oder Ablagerungsprodukte wurden als Kohlenstoffmonoxid, Stickstoffoxid und Sauerstoff festgestellt und wiesen einen starken Destabilisierungseffekt auf die Entladung auf (sh. Zeitschrift »AIAA 5th Fluid and Plasma Dynamics Conference«, 26-28 June, 1972). Deshalb wurde zur Ausschaltung oder zur Verzögerung des Einflusses der Entladungsinstabilität vorgeschlagen (1) das umgewälzte Gas dauernd neu zu erzeugen, um eine Zusammensetzung aufrechtzuerhalten, bei der ein stabiler Betrieb durchgeführt werden kann, (2) Anordnungen und Betriebsarten zu benützen, um eine gleichmäßige Entladung vorzusehen und/oder im Entladungsplasma dissipative Mechanismen in Gang

zu setzen und (3) das—(Dichte des elektrischen Feldes

zu der der neutralen Teilchen) der Entladung und deshalb die Herstellrate der Verunreinigungsteile zu verringern. Die Einführung all dieser Maßnahmen führt unglücklicherweise zu einer Komplexität des Lasersystems.

Die erste Technik betrifft die Einführung eines katalyti-Reaktors im Gas-Umwälzsystem, um das Gas

immer zu erzeugen, die zweite Technik betrifft die Verwendung reiner und/oder zusätzlicher Hochfrequenzanregung, und die dritte Technik betrifft die Benützung von leicht ioiüsierbaren Gaszusätzen oder die Benutzung einer Elektronenstrahl-Ionisiening.

Die Benutzung von leicht ionisierbarem Gas, um einen hohen Grad der Ionisation bei niedrigem

Verhältnis — zu erzeugen, ist nicht befriedigend, da

geeignete Materialien wie Cäsium oder Quecksilber schwierige Handhabungsprobleme aufzeigen und mit einem geschlossenen Kreislaufsystem nicht verträglich sein könnten. Gase wie Xenon, die unproblematisch sind, weisen keine ausreichende Verringerung im E

—-Verhältnis auf.

Es hat sich gezeigt daß Elektronenstrahl-Ionisierung allein keine vollständige Lösung anbietet, weil ihre Entladungscharakteristik nach einigen Sekunden Betriebsdauer herabsinkt, wie später noch genauer beschrieben werden wird.

So zeigt sich die Elektronenstrahl· Lasern vom Typ, in dem die Besetzungsinversion eines Iaseraktivi.ii Gasgemisches von einer elektrischen Entladung herrührt, die durch einen Elektronenstrahl und ein elektrisches Stützfeld erzeugt wird, daß nach einer Zeitdauer von ungefähr 2 bis 3 Sekunden der Betrag des im Stützkreis fließenden Stroms bei einer bestimmten angelegten Spannnung beträchtlich abnahm. Die Anhebung dieses Stromes durch Anhebung der Spannung erwies= sich als unbefriedigend, da dies im allgemeinen zu der Erzeugung von Entladungsinstabilitäten führte.

Falls ein erneuertes Gas vorgesehen wird, wird die Abnahme im Strom und in der Ausgangsleistung für eine kurze Zeitdauer fortfahren und sich dann auf eine a Höhe einstellen, bei der der Laser einen steten Zustand erreicht

Aus der Zeitschrift »Physics Letters«, 27 A (1968), Nr. 7, Seiten 432 und 433 ist die Wirkung der Gasströmung auf die Zusammensetzung und die Ausgangsleistung eines CO2— He — NrLasers bekannt Bei den in dieser Zeitschrift beschriebenen Versuche wurde festgestellt, daß Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Sauerstoff umgewandelt wird, wobei das Ausmaß der Umwandlung in Beziehung zu Änderungen der Laserausgangsenergie steht

Bei sehr kleinen Strömungsgeschwindigkeiten nimmt die Menge von Kohlendioxid zu, und diejenige von Kohlenmonoxid nimmt ab Dabei konnte auch festgestellt werden, daß eine kleine Menge von Kohlenmon- v> oxid die Ausgangsleistung um einen geringen Betrag erhöht.

In der Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, 40 (1969), Nr. 9, Seiten 3883 und 3884 ist die Zersetzung von CO-Molekülen in einem geschlossenen CC>2-Lasersystem behandelt Bei dieser Zersetzung entsteht Kohlenmonoxid und Sauerstoff, und um eine Langzeitabnahme des Sauerstoffs zu kompensieren wird der Vorschlag gemacht, den Stickstoff in dem Gasgemisch durch eine gleiche Menge an Kohlenmonoxid zu ersetzen. Anstatt also einfach mehr Sauerstoff zuzuführen, wird gemäß diesem bekannten Vorschlag Stickstoff durch eine gleiche Menge an Kohlenmonoxid ersetzt. Dabei wird jedoch das Gasgemisch nicht umgewälzt, da der Laser bei diesem System aus einem abgeschlossenen Laser»5 besteht. Bei diesem bekannten Vorschlag wird eine Erhöhung der Aussangsleistung um 35% erreicht.

Schließlich ist ims eic Zeitschrift »IEEE Journal of Quantum Electronics«, VoL QE-4, Nr. 11, November . 1968 der Einfluß von Kohlenmonoxid auf einen COz-Laser bekannt Hierbei handelt es sich ebenfalls um einen abgeschlossenen Laser, so daß also keine Umwälzung eines Gasgemisches durchgeführt wird. Als Gasmischung wird hier reines Kohlendioxid oder eine Mischung aus lediglich Kohlendioxid und Kohlenmonoxid oder eine Mischung aus lediglich Kohlendioxid und Helium verwendet

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Betreiben eines Gaslasers mit in einem geschlossenen Kreislauf strömenden Gas der eingangs definierten Art derart zu verbessern, d&ß eine Verringerung des Entladestromes im Arbeitsbereich und eine Verringerung der Laser-Ausgangsenergie nach dessen Zündung verhindert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merk male gelöst

Es hat sich gezeigt daß bei lediglicher Zugabe von CO zu dem Gasgemisch gemäß Anspruch 1 im Gegensatz zu dem aus »Journal of Applied Physrrs« 40 (1.969) Nr. 9, S. 3884 bekannten Effekt der LeistUEgserhöhung eine anfängliche Letstungsverminderung auftritt. Überraschenderweise wird damit aber nach Zünden des Lasers ein nennenswerter Leistungsabfall vermieden.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

-Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik und unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines in einem geschlossenen Kreislauf arbeitenden Lasergerätes zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Änderung des Stützstromes und der Ausgangsenergie eines Elektronenstrahl-Lasers, der mit herkömmlichen Laser-Gasgemischen betrieben wird, und

Fi g. 3 eine graphische Darstellung der Änderung des Stützstromes und der Ausgangsenergie eines Elektronen.-irahl-Lasers, der gemäß der Erfindung ein Lasergasgemisch mit zusätzlichem CO benutzt

In F i g. 2 ist schematisch ein typischer, im geschlossenen Kreislauf betriebener, konvektionsgekühiter elektrischer Entladungs-C02-Laser 10 dürgesteKt. Ein derartiger Laser kann enthalten geeignete elektrische Anregungs-Energieversorgungseinrichtungen 11, um eine elektrische Entladung im Entladeabschnitt 12 zu ermöglichen und auf konventionelle Weise die erwünschte Besetzungsinversion der durchfließenden Lasergase zu erzeugen, eine Umwälz-Pumpeinrichtung 13, um einen kontinuierlichen Durchfluß der Lasergase durch den Entladeabschnitt 12 zu verursachen, eine Wärmeaustauschereinrichtung 14 zur Entfernung der Hitze von den Lasergasen, um im wesentlichen eine gleichbleibende Gastemperatur im Entladeabschnitt 12 aufrechtzuerhalten, eine Vakuum-Pumpeinrichtung 15. um im Entladeabschnitt 12 den gewünschten, normalerweise subatmosptv'rischen Gasdruck zu erhalten, und eine Lasergas-Versorgungseinrichtung 16 zur Beladung des geschlossenen Gasflußsysiemes. Um das unerwünschte Auftreten von Verunreinigung η /u verhindern, hat es sich als wünschenswert herausgestellt, einen kleinen Teil des Lasergasgemisches kontinuierlich zu entfernen, und zwar durch die Vakuum-Pumpeinrichtung 15 oder ähnliche geeignete Putnpcinriehtungcn (nicht gezeigt) und kontinuierlich dem Gasflußsystem

neue Lasergase zuzuführen, beispielsweise durch die Gasversorgungseinrichtung 16 oder ähnliches, und zwar mit der gleichen Rate, mit der die gebrauchten Gase entfernt werden. Die Lasergase enthalten normalerweise CO₂. N₂ und He. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird CO in herkömmlichen Lasergasgemischen dazuaddiert.

Der Entladungsabschnitt 12 kann ebenso wie die dadurch erzeugte elektrische Entladung auf verschiedene bekannte Art und Weise erzeugt werden. Deshalb wird der Aufbau und die Wirkungsweise der Entladungsabschnitte, die einen Teil der konvektionsgekühlten, COi-Laser mit elektrischer Ladung bilden, hier nicht wiederholt werden.

Wir wenden uns nun Fig.2 zu, die graphisch die r, Änderung des Stromes im Stützkreis bei gleichbleibender Stützspannung und die Änderung der Laserausgangsenergie als Funktion der Zeit für einen CO₂-Elektronenstrahl-Laser des vorher erwähnten Typs zeigt,

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iicnci'cn lascrbarcn Gasgemischen (COi, _·υ N₂ und He) betrieben wird. Die Betrachtung des Stützstrom- und der Ausgangsenergie-Kurven zeigen, daß nach einigen Sekunden Betriebsdauer die Ausgangsenergie wie auch der Betrag des im Stützkreis fließenden Stromes bei einem bestimmten konstant y> angelegten Elektronenstrahl und Stützspannung beträchtlich absinkt. Eine Einstellung der Spannung des Stützkreises, um einen konstanten Stützstrom zu erzeugen, erwies sich als unbefriedigend, da dies die Neigung erzeugte, Instabilitäten in der Entladung zu erzeugen. Beim speziellen, in Fig.2 gezeigten Experiment nimmt der Stützstrom und die Ausgangsenergie kontinuierlich für eine bestimmte Zeitdauer ab und regelt sich dann zu einem mehr oder weniger konstanten Wert ein. Dieses Einregeln ist auf die js Entfernung der benützten Lasergase und das Vorsehen neuer Lasergase mit einer Rate von ungefähr '/2 bis 1% zurückzuführen, was ungefähr alle 80 Sekunden einen Lasergasaustausch im Gerät ergibt Bei solchen Arbeitsbedingungen würde man über diesen Zeitraum -10 hinaus keine weitere Verminderung erwarten, weil das Gerät dann einen stetigen Betriebszustand erreicht haben würde.

F i g. 3 ist eine graphische Darstellung des Stützstroms und der Ausgangsenergie für den gleichen Laser und die gleichen Arbeitsbedingungen, die bei der Erzielung der in F i g. 2 gezeigten Daten verwendet wurden, ausgenommen die Hinzuaddieren von CO zum Gasgemisch. Eine Betrachtung der Fig.3 zeigt, daß, verglichen mit Fig.2, die Verringerung des Stützstro- w mes und der Ausgangsenergie erheblich niedriger ist, die Ausgangsenrrgie im wesentlichen eher gleichförmig als abnehmend ist, wie das in Fig.2 bei der Abwesenheit von CO in der Mischung der Lasergase der Fall ist.

Bei weiteren darauffolgenden Experimenten, die die Daten von Fig.3 benützten und die verbesserte Mischung der Lasergasse mit CO verwendeten, aber die Stützkreis-Spannung anhoben, um bei Betriebsbeginn einen konstanten Stützstrom vorzusehen, wurde sogar ein Anwachsen der Ausgangsenergie als Funktion der Zeit gegenüber den vorher erhaltenen Daten beobachtet.

Aus dem obigen kann ersehen werden, daB die Beimischung von CO in konvektionsgekühlten CO2-Lasern mit elektrischer Entladung und geschlossenem Kreislauf einen sehr positiven Einfluß auf die Entladungsinstabilitätcn ausübt, die bei Verwendung mit herkömmlichen Gasgemischen inderartigen Lasern mit geschlossenen Kreislauf häufig auftreten. Die Beimischung eines geringes Betrages von CO ist besonders vorteilhaft beim Betrieb von Elektronenstrahl-Lasern des oben erwähnten Typs, wobei die Ionisierung durch einen Elektronenstrahl vorgesehen ist, und vorzugsweise ein kleiner Abschnitt der verwendeten Lasergase fortlaufend entfernt und neu aufbereitete Lasergase während des Betriebes zugeführt werden.

Außer dem Vorsehen einer Einrichtung zur ganz

genauen Kontrolle von -^ gestattet die Elektronenstrahl-lonisierung die Steuerung der Gleichmäßigkeit der Entladung. Bei anderen herkömmlichen Entladungstypen kann die Spannung, die zur Erzeugung der erforderlichen Ionisierung für den Laserbetrieb verwendet wird, beispielsweise infolge der Anwesenheit oder der Erzeugung von unerwünschten Materialien, welche lonisationspotentiale aufweisen, die niedriger liegen als die H„-T!->tlasergase. Instabilitäten verursachen.

Zahlrei.'··; Versuche v.'urden ausgeführt, die den Nutzen des . ^rher r,whinten CO2-Elektronenstrahl-Lasers mit geschlossenem Kreislauf aufzeigten. Es zeigte sich, daß" ein Bereich des CO-Anteiles von einer unteren Grenze bis zu einer Obergrenze kleiner 16 Vol.-% reichte und daß die beste Leistung mit einem Gasgemisch (gemessen in Vol.-%) von 50% He, 34% N2, 8% CO₂ und 8% CO bei einem Gasbetriebsdruck von 76 Torr erzielt wurde. Der Betrieb eines Lasers mit einem konventionellen Lasergasgemisch von He, N₂ und CO₂ bei einem günstigsten Relativverhältnis erzeugte eine Ausgangsenergie von ungefähr 11 kW bei Versuchsbeginn und eine nachfolgende Abnahme der Ausführungsenergie nach ungefähr 25 Sekunden auf ungefähr 7 kW. Die Benutzung des vorher erwähnten Gasgemisches mit zusätzlichem CO erbrachte im gleichen Laser eine im wesentlichen konstante Ausgangsleistung von über 10 kW für die gesamte Versuchszeit

Ein weiterer Versuch, der lediglich ca. 4% CO verwendete, erbrachte eine erhöhte Ausgangsleistung gegenüber einer Abwesenheit von CO, aber weniger als bei einer Beimengung von 8% CO. Eine Verdoppelung des CO-Anteiles auf ungefähr 16% erbrachte eine anfängliche Ausgangsenergie von nur ca. 8 kW, aber keine Verringerung der Ausgangsenergie während der Versuchsdauer.

Aus den obigen Ausführungen ist ersichtlich, daß ein Bereich des CO-Anteiles mit einem optimalen Wert, der zwischen den hohen und den niedrigen Grenzen liegt, zur Verfügung steht, wobei der optimale Wert von den Laserbetriebs-Parametern abhängt

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben eines Gaslasers mit in einem geschlossenen Kreislauf strömenden Gas, wonach ein laseraktives Gasgemisch aus Kohlend!- oxid. Stickstoff und Helium durch einen Arbeitsbereich umgewälzt und innerhalb des Gasgemisches im Arbeitsbereich eine elektrische Vorentladung aufrechterhalten wird, um hn Arbeitsbereich in der Gasnüschung eine räumlich einheitliche Dichte freier Sektronen mit einer durchschnittlichen Energie zu erzeugen, die nicht ausreichend ist, um eine Umkehr der Häufigkeitsverteilung im Gasgemisch zu erzeugen, und wonach im Arbeitsbereich ein elektrisches Feld zur Erhöhung der Elektronen- '5 temperatur der freien Elektronen erzeugt wird, so daß dadurch die Energie der freien Elektronen zur Umkehr der Häufigkeitsverteilung im Gasgemisch erhöht wird, und dadurch eine Strahlungssmission des Gasgemisches im Arbeitsbereich angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem umgewälzten laseraktiven Gasgemisch zusätzlich Kohlenmonoxid in einer solchen Menge beigemischt wird, daß nach dem Start' der Läsererzeugung eine Verschlechterung der Laserausgangsleistung im wesentlichen verhindert wird. ' 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch ca. 8 VoL-% Kohlenmonoxid, ca. 8 VoL-% Kohlendioxid, ca. 34 VoL-% Stickstoff und ca. 50 Vol.-% Helium enthält »

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des laseraktiven Gasgemisches mit dem Kohlenmonoxid während der Umwälzung desGasgemisches ersetzt wird.

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