DE2423946A1

DE2423946A1 - Gasstrom-lasergenerator

Info

Publication number: DE2423946A1
Application number: DE2423946A
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Arpajon Crancon; Bernard Paris Lavarini; Jean-Yves Paris Thomas
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1973-05-17
Filing date: 1974-05-17
Publication date: 1986-06-05
Also published as: CA1203878A; DE2423946C2; NL7406157A; IT1125702B; GB1605242A; BE814871A; US4862100A

Description

PB/F/RCH .

F 8791 2 4 2 3 9 4 C

COMPAGNIE GENERALS D⁷ELECTRICITE 54, rue La Boetie, 75382 PARIS CEDEX 08 (Frankreich)

GASSTROM-LASERGENERATOR

Der vorliegende Zusatz betrifft wie das Hauptpatent einen Gasstrom-Lasergenerator. Aus Gründen der Vereinfachung wird nachfolgend für die Gesamtheit der in diesen beiden Texten beschriebenen Kennzeichen das Wort "Erfindung" benutzt.

Es sind beispielsweise durch eine Veröffentlichung von Lavarini, Bettini, Cranqon, Michon: "Laser ä excitation 61ectrique et detente adiabatique" (Laser mit elektrischer Anregung und adiabatischer Ausdehnung), (Comptes rendus ä l'Acadomie des Siencss de Paris, Band 272*, S. 335-338, 1. Februar 1971), Lasergeneratoren bekannt, bei denen in einem ersten Gas (Stickstoff), das auf sehr hohe Geschwindigkeit gebracht ist, eine elektrische

Entladung erzeugt wird und dieses erste. Gas mit einem zweiten (Kohlendioxyd) in einer Ausdehnungskammer gemischt wird, in ein optischer Resonanzraum angeordnet ist. Die elektrische ladung bewirkt, dass der Stickstoff mit Anregungsenergie hen wird, die durch molekulare Wechselwirkung beim Mischen auF das Kohlendioxyd übertragen wird. Die hohe Geschwindigkeit itar Mischung in der Ausdehnungskammer führt dazu, dass der Resonanzraum vor der Entregung des Kohlendioxyds erreicht so dass das Kohlendioxyd vom optischen Resonanzraum aus stimuliertes Licht, d.h. einen Laserstrahl, aussenden kann.

Stickstoffmoleküle können drei Erregungszustände aufweisen: einen thermischen, einen Rotations- und einen Vibrationszustand. Die Relaxationszeiten bei den beiden ersten Erregun^ozuständen sind sehr viel niedriger als die Relaxationszeit il«g letzten Erregungszustands. Wenn die Stickstoff- und Kohlendioxydmoleküle sich in der Ausdehnungskammer mischen, so bleibt allein die Vibrationsenergie übrig, die im Kohlendioxyd eine Bosetzungsumkehr hervorruft, durch die ein leistungsstarker Laserimpuls erzeugt wird.

Jedoch weisen solche Vorrichtungen einige Nachteile auf; insbesondere erlauben der Aufbau sowie die wechselseitige Anordnung der solche Generatoren bildenden Organe nicht die Erzielung von starken und homogenen elektrischen Entladungen im Stickstoff, woraus sich eine Begrenzung*der Leistung sowie des Wirkungsgrade«* der Laseremission ergibt.

Die Erfindung behebt diese Nachteile. Sie betrifft einen Gasstrom-Lasergenerator, mit dem besonders leistungsstarke und homogene elektrische Entladungen erzeugt und auf diese Weise leistungsstarke Laser-Emissionen erzielt werden; darüber hinaus ist der Aufbau eines solchen Generators sehr einfach und der Herstellungsaufwand gering.

Gegenstand der Erfindung ist also ein Gasstrom-Lasergenerator mit

- einem länglichen Gehäuse, dessen eines Ende mit Offnungen versehen ist,

- Mitteln zur Einspeisung mindestens eines ersten, durch eine elektrische Entladung anregbaren Gases ins Innere des Gehäuses, wobei diese Zuführungsmittel eine Einblasdüse umfassen, die in der Nähe des zweiten Endes in das Gehäuseinnere einmündet,

- im Innern des Gehäuses angebrachten Elektroden, die mit einer elektrischen Stromquelle verbunden sind und im ersten Gas eine elektrische Entladung hervorrufen,

- einer länglichen Ausdehnungskammer, in die das Gehäuse über die Ubergangsöffnungen mündet, wobei der Querschnitt der Ausdehnungskammer von ihrem ersten, neben dem Gehäuse liegenden Ende zum zweiten Ende langsam zunimmt,

- Ableitmitteln zur Aufrechterhaltung eines niedrigen Drucks am zweiten Ende der Ausdehnungskammer und zur Hervorrufung einer Zirkulation des ersten Gases-von der Einblasdüse bis zum zweiten Ende der Ausdehnungskammer durch die Ubergangsöffnungen,

- Zuführungstnitteln für mindestens ein weiteres, durch molekulare

< Λ-

Wechselwirkung mit dem ersten, in angeregtem Zustand befindlichen Gas anregbares Gas in die Ausdehnungskammer, wobei diese Zuführungsmittel in der Nähe des Gehäuses angebracht sind, so dass eine Mischung des ersten und zweiten Gases erreicht wird, - einem optischen Resonanzraum, mit dem bei Vorhandensein des zweiten, im angeregten Zustand befindlichen Gases eine Laser-Emission hervorgerufen werden kann, wobei dieser Resonanzraum in der Ausdehnungskammer so angebracht ist, dass er von dem Gasgemisch durchlaufen wird,

wobei der Generator dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abmessungen des Gehäuses, der Durchmesser und die Lage der Einblasdüse, die Einblasgeschwindigkeit des ersten Gases sowie die Abmessungen der Übergangsöffnungen so gewählt werden, dass im gesamten Innenraum des Gehäuses eine Turbulenzströmung des ersten Gases hervorgerufen wird.

Weitere Kennzeichen und Vorteile der Erfindung werden an Hand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren verdeutlicht.

Die Figuren 1 und 3 stellen schematisch einen Schnitt durch eine erste und zweite Ausführungsform eines erfindungsgemässen Generators dar.

Fig. 2 zeigt perspektivisch einen beim erfindungsgemässen Lasergenerator verwendete Injektor.

Die Figuren 4 und 5 stellen schematisch eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemässen Generators im Schnitt

durch eine horizontale Ebene bzw. durch eine senkrechte Ebene dar. Die sich in den verschiedenen Figuren entsprechenden Bauteile sind mit denselben Referenzen versehen.

Gemäss Fig. 1 besteht ein Gasstrom-Lasergenerator aus einem zylindrischen Gehäuse 1 mit dem Durchmesser 01, in das eine Einblasdüse 2 mündet, die eine Anode bildet und mit einem Spannungsgenerator G über einen Widerstand R verbunden ist. Dieno Düse 2 umfasst eine axial liegende Leitung 3, die mit einer untoi* Druck stehenden Stickstoffquelle SN in Verbindung steht, die schanktisch eingezeichnet ist. Ihre Vorderseite weist eine Einblasoffnung 4 auf, die sich zum Innern des Gehäuses 1 hin erweitert. Am anderen Ende des Gehäuses 1 und in der Entfernung L vom Ende mit der Düse 2 sind praktisch gleichweit voneinander entfernte Kohlendioxyd-Injektoren 5 angeordnet, die von einer Kohlendioxydquelle SC gespeist werden und unter Bezugnahme auf die Fig. 2 genauer beschrieben werden; diese Injektoren sind elektrisch mit dem anderen Pol des Spannungsgenerators G über Leitor 13 verbunden.

Die oben erwähnten Ubergangsöffnungen werden aus den

; freien Zwischenräumen wie beispielsweise 50 zwischen zwei Injektoren bzw. einem Injektor und der Wandung des Gehäuses 1 gebildot.

Das Gehäuse 1 mündet durch diese Übergangsöffnungen in eine Ausdehnungskammer 6, die mit zwei Spiegeln 7 und 8 versehen ist, die einen optischen Resonanzraum bilden, wobei der Spiegel b halblichtdurchlässig ist und so die Laseremission in Richtung des Pfeils F ermöglicht.

242394G

Das breitere Ende der Ausdehnungskammer wird mit Hilfe von aus Leitungen, über die sie mit einem Unterdruckbehälter SV verbunden ist, bestehenden Ableitmitteln unter einem sehr niedrigen Druck gehalten; dieser Unterdruckbehälter ist genügend gross ausgelegt, damit der Druck praktisch während der gesamten Funktionsdauer des Lasergenerators Null bleibt.

Fig. 2 stellt im einzelnen den Aufbau der Injektoren 5 dar, die jeweils aus einem Metallkörper 9 bestehen, in den einerseits eine Leitung 10, die mit ihren beiden Enden an eine Kohlendioxyd- (C02) und Heliumquelle angeschlossen ist, und andererseits eine Leitung 11 gebohrt ist, in der ein Kühlmittel zirkuliert, in diesem Fall Wasser (H₂O). Über die Leitung 10 werden mehrere röhrchenförmige Offnungen 12 mit konstantem Querschnitt zum Einblasen von Kohlendioxyd gespeist.

Ein solcher Generator arbeitet folgendermassen:

Unter Druck durch die axial liegende Leitung 3 der Düse 2 zugeführter Stickstoff wird durch die Einblasöffnung 4 mit Überschallgeschwindigkeit in das Gehäuse 1 eingeleitet. Wenn bestimmte Generator-Parameter, beispielsweise die zuvor definierten Grossen L und der Durchmesser01 geeignet gewählt sind, ergibt sich eine Hauptturbulenzströmung des Stickstoffs im Gehäuse 1. Diese Strömung wird durch die ausgezogenen Pfeile 14 dargestellt. Sie sorgt für eine gleichmässige Verteilung der elektrischen Entladung, die durch Speisung der Anode 2 und der Leiter 13 mit Hilfe des Spannungsgenerators G ausgelöst wird.

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Ein Teil des durch die Hauptströmung mitgerissenen Stickstoffs entweicht zwischen den Injektoren 5 und der Gehäusewandung und bildet dabei eine mit gestrichelten Pfeilen dargestellte Sekundärströmung, die das durch die röhrchenförmigen Offnungen 12 eingeblasene Kohlendioxyd und Helium mit sich nimmt. Das Kohlendioxyd wird dabei auf die weiter oben beschriebene Weise angeregt und erzeugt in Richtung des Pfeils F eine Laser-Emission.

Gemäss der in der Fig. 1 entsprechenden Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wird die Leitung 3 in zwei Leitungen l6 und 17 unterteilt, die in zwei Einblasöffnungen 18 bzw. 19 münden, die sich zum Innern des Gehäuses 1 hin weiten.

Der Aufbau und die Arbeitsweise des Generators entsprechen im grossen und ganzen denen des an Hand der Fig. 1 oben beschriebenen Generators. Jedoch ergibt sich bei geeigneter Wahl der zuvor definierten Parameter eine doppelte Turbulenzströmung des Stickstoffs im Gehäuse 1, die durch die Pfeile 20 und 21 symbolisiert wird. Hierdurch wird eine besonders homogene Verteilung der elektrischen Entladung gewährleistet, die durch Speisung der Anode 2 und der Leiter 13 mit Hilfe des (in Fig. 3 nicht dargestellt) Spannungsgenerators ausgelöst wird.

Selbstverständlich ist es auch möglich, eine Düse 2 zu verwenden, die mehr als zwei Einblasöffnungen aufweist, ebenso mehrere Düsen 2 mit einer oder mehreren Einblasöffnungen.

Darüber hinaus kann das Gehäuse eine nicht zylindrische

Form, beispielsweise eine parallelepipedische, besitzen. Die Einblasdüse 2 kann in diesem Fall angepasst werden, so dass sie ins Innere des Gehäuses 1 nicht einen Stickstoffstrahl mit kreisförmigem Querschnitt, sondern einen sehr breiten und dünnen Stickstoffstrahl einbläst, der parallel zu einer der Gehäusewandungen verläuft.

Eine solche Ausführungsform ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt.

Die Einblasdüse 2 weist eine spaltförmige Einblasöffnung 40 auf, die in senkrechter Richtung sohmal ist und deren Breite fast gleich der horizontalen Breite des Gehäuses 1 ist. Die HauptstickstoffStrömung erfolgt in diesem Fall in Form von horizontalen Schichteni eine durch die Pfeile 41 repräsentierte Mittelschicht strömt von der Einblasdüse 2 in Richtung auf die Injektoren 5, während zwei Gasschichten, eine obere und eine untere, die durch Pfeile 42 bzw. 43 bezeichnet sind, von den Injektoren 5 zur Düse 2 verlaufen.

Bei den soeben beschriebenen Ausführungsweisen erfolgt die elektrische Entladung in Längsrichtung, d.h., dass sie parallel zur mittleren Strömungsrichtung des Stickstoffs im Gehäuse ausgerichtet ist. Jedoch kann die Erfindung ebenso gut eingesetzt werden, wenn die Entladung in Querrichtung stattfindet, d.h. senkrecht zur Strömungsrichtung. Es ist lediglich notwendig, dass der grösste Teil des Gehäusevolumens von der elektrischen Entladung berührt wird.

Nachfolgend wird genauer angegeben, wie die verschiedenen Parameter des erfindungsgemassen Lasergenerators gewählt werden müssen, um eine gute Arbeitsweise zu erzielen.

Ein wichtiges Ziel besteht darin, einen guten Energiewirkungsgrad, d.h. ein möglichst hohes Verhältnis zwischen erzeugter Lichtenergie und durch die Entladung im Gehäuse 1 verbrauchter elektrischer Energie zu erreichen. Dazu muss es sich bei der Entladung um eine Luminiszenzentladung handeln. Bekanntlich wird eine solche Entladung durch Elektronen unterhalten, die im wesentlichen von der Sekundär-Elektoonenstrahlung der kalten, durch Ionen oder andere Partikel bombardierten Kathode oder auch von einer durch Feldeffekt bewirkten Emission der kalten Kathode stammen. Es ist auch bekannt, dass sie sich deutlich von einem elektrischen Lichtbogen unterscheidet, in dem es zu einer starken Temperaturerhöhung, Gasionisierung und thermoionischen Ausstrahlung an der Kathode kommt.

Bei einer Luminiszenzentladung ist die Geschwindigkeit der Elektronen in der positiven Säule so, dass ihre kinetische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad, mehr als 80$, auf die angetroffenen Stickstoffmoleküle unter Erregung deren Vibrationszustands übertragen wird.

Bei einem elektrischen Lichtbogen wird aufgrund der hohen erreichten Temperatur der Ubertragungswirkungsgrad im Gehäuse 1 gering. Darüber hinaus wird der Energiewirkungsgrad der in der Ausdehnungskammer 6 ablaufenden Prozesse ebenfalls verringert ·

~ Al

Will man die Leistung bekannter Lasergeneratoren erhöhen, indem das Volumen des Gehäuses 1, der Stickstoffdruck und die elektrische Stromdichte in diesem Gehäuse vergrössert werden, so wird die homogene Luminiszenzentladung instabil und schlägt in eine Vielheit von fadenförmigen elektrischen Lichtbögen um. Die Leistung solcher Generatoren sinkt daraufhin stark ab. Dank der erfindungsgemässen Turbulenzströmung bleibt die Luminiszenzentladung homogen erhalten und ermöglicht zugleich hohe Leistungen.

Daher muss für den Fall gemäss den Figuren 1 und 2, d.h. für ein zylinderförmiges Gehäuse und eine elektrische in Längsrichtung erfolgende Entladung zunächst das Verhältnis der Länge L des Gehäuses zu seinem Durchmesser 01 zwischen etwa 5 und 7 gewählt iverden:

5 < L/01 < 7.

Es ist vorteilhaft, dass die pro Sekunde durch die Düse 2 eingeblasene Bewegungsmenge Qm, d.h. das Produkt des Massendurchflusses mit der Einblasgeschwindigkeit, zwischen eins und dreissig liegt, wenn als Einheiten das Meter, die Sekunde und das Kilogramm genommen werden:

1 kg.m/s² < Qm < 30 kg.m/s².

Der Ausgangsdurchlässigkeitskoeffizient K, d.h. das Verhältnis der zwischen den Injektoren 5 freigelassenen Ausgangsoberfläche zur Oberfläche des GehäusequerSchnitts, liegt vorteilhafterweise zwischen 5 und 50%: 5% < K < 50$.

-JÄ-

Es ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, dass der Druck im Gehäuse 1 etwa das Zweifache oder mehr des Drucks in der Ausdehnungskammer 6 betragt, so dass die Stickstoffströmung zwischen den Injektoren 5 die Schallgeschwindigkeit erreicht.

Was den Druck P des Stickstoffs im Gehäuse 1 betrifft, so ist es im Rahmen der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn er über 0,1 Bar liegt. Er kann, ohne dass ein elektrischer Lichtbogen auftritt, mehrere Bar erreichen.

Die Einblasgeschwindigkeit V des Stickstoffs durch die Düse 2 ist höher als 100:
V > 100 m/s.

Die Stromdichte j im Gehäuse, d.h. das Verhältnis der Stromstärke zur Oberfläche des Gehäusequerschnitts, muss vergrössert werden, wenn man die Leistung des Generators erhöhen will. Hohe Stromdichten wurden vor der Erfindung lediglich bei Gehäusen geringen Querschnitts erreicht. Dabei entstand eine homogene elektrische Entladung. Wenn man jedoch die Leistung des Generators durch Vergrösserung des Gehäusequerschnitts erhöhen wollte, traten fadenförmige elektrische Lichtbögen auf. Mit Hilfe der Erfindung ist es nun möglich, bei hohen Stromstärken den Querschnitt des Gehäuses 01 zu vergrössern. Vorteilhafterweise gilt:

10 mA/cm² < j < 200 mA/cm².

Die pro Masseneinheit des Stickstoffs eingeblasene elektrische Energie Wm kann in Joule pro Gramm ausgedrückt werden: 500 J/g < Wm <5000 J/g.

Es kann interessant sein, das Verhältnis E/N, d.h. zwischen dem Elektronenfeld E im Gehäuse 1 und der Anzahl N der Stickstoffmolekule pro Kubikzentimeter, zu berechnen, da dieses Verhältnis mit der Durchschnittsgeschwindigkeit eines auf ein Stickstoffmolekül treffenden Elektrons in Zusammenhang steht:

10"¹⁷ V/cm² -C E/N < 10"¹⁴ V/cm².

Nachstehend folgt eine Tabelle mit den zuvor definierten Parameterwerten für zwei Anwendungsbeispiele des erfindungsgemassen Lasergenerators, der der Ausführungsweise gemäss Fig. 1 entspricht:

PARAMETER	EINHEIT	1. BEISPIEL	I 2. BEISPIEL
L	mm	300	300
0 1	mm	50	50
Q m	Kgm/s²	3,5	17,5
K	%	10	15
P	Millibar	200	500
V	m/s	320	580
j	mA/cm	20	60
Wm	J/g	690	1600

- Patentansprüche -

Αζ

Leerseite -

Claims

-13- PATENTANSPRUCHE 2423346

1.) Gasstrom-Lasergenerator gemäss Anspruch 1 des Hauptpatents mit

- einem länglichen Gehäuse, dessen eines Ende mit Offnungen versehen ist,

- Ableitmitteln zur Aufrechterhaltung eines niedrigen Drucks am zweiten Ende der Ausdehnungskammer und zur Hervorrufung einer Zirkulation des ersten Gases von der Einblasdüse bis zum zweiten Ende der Ausdehnungskammer durch die Ubergangsöffnungen,

- Zuführungsmitteln für mindestens ein weiteres, durch molekulare Wechselwirkung mit dem ersten, in angeregtem Zustand befindlichen Gas anregbares Gas in die Ausdehnungskammer, wobei diese Zuführungsmittel in der Nähe des Gehäuses angebracht sind, so dass eine Mischung des ersten und zweiten Gases erreicht wird,

OeeiNAL INSPECTED I-,

- einem optischen Resonanzraum, mit dem bei Vorhandensein des zweiten, im angeregten Zustand befindlichen Gases eine Laser-Emission hervorgerufen werden kann, wobei dieser Resonanzraum in der Ausdehnungskammer so angeordnet ist, dass er von dem Gas~ gemisch durchlaufen wird,

wobei der Generator dadurch gekennzeichnet ist, dass es sich bei dem Gehäuse (1) um einen Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt handelt, dessen Lange zwischen dem Fünf- und Siebenfachen seines Durchmessers liegt, wobei die Abmessungen dieses Gehäuses, der Durchmesser und die Lage der Einblasdüse (2), die Einblasgeschwindigkeit des ersten Gases sowie die Abmessungen der Übertragungsöffnungen (50) so gewählt werden, dass eine Turbulenzströmung des ersten Gases im gesamten Innenraum des Gehäuses erzeugt wird.

2. Generator gemäss Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, dass die Einblasdüse (2) in Richtung der Längsachse des Zylinders ausgerichtet ist, so dass in der Nähe dieser Achse die Turbulenzströmung vom zweiten zum ersten Ende des Gehäuses und in der Nähe der Seitenwandungen des Gehäuses vom ersten zum zweiten Ende verläuft.

3. Generator gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Quelle (G) und die Elektroden (2, 5) so angeordnet sind, das3 sie im ersten Gas eine LuEinissanzantladung hervorrufen.