DE2546511C3

DE2546511C3 - Hochleistungs-Gaslaser

Info

Publication number: DE2546511C3
Application number: DE2546511A
Authority: DE
Inventors: Robert A. Hill; James M. Kallis; Eugene R. Palos Verdes Peninsula Peressini
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1974-11-07
Filing date: 1975-10-17
Publication date: 1981-02-05
Also published as: SE414251B; IT1052206B; CA1031853A; DE2546511B2; JPS5169997A; FR2290771B1; FR2290771A1; JPS5245199B2; DE2546511A1; GB1485538A; IL48294A; US3970962A; IL48294A0; SE7512333L

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochleistungs-Gaslaser mit einem optischen Resonator, Einrichtungen zum Zuführen und Abführen eines stimulierbaren Gases zu bzw. von dem vom optischen Resonator begrenzten Anregungsbereich in offenem Kreislauf, die eine an ihrem Eingang eine Düse zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases aufweisende Gaskammer und eine sich stromab an die Gaskammer anschließende, sich quer zum Gasstrom erstreckende schlitzförmige Zone umfassen, in der sich der vom optischen Resonator begrenzte Anregungsbereich befindet, wobei sich die optische Achse in Längsrichtung der schlitzförmigen Zone senkrecht zur Richtung des Gasstromes erstreckt, und mit Einrichtungen zum elektrischen Anregen des stimulierbaren Gases in dem vom optischen Reaktor begrenzten Anregungsbereich.

Ein solcher Gaslaser ist aus der US-PS 3758874 bekannt. Bei dem bekannten Gaslaser besteht die Gaskammer aus einem zylindrischen Rohr, das an seinem Eintrittsende durch eine Bodenplatte mit einer als Düse dienenden zentralen Bohrung abgeschlossen ist. An diese Bodenplatte ist von außen das das Gas zuführende Rohr angeflanscht. Am anderen Ende ist die zylindrische Gaskammer ebenfalls von einer Platte verschlossen, in der sich ein im wesentlichen diametral zum Rohr angeordneter Schlitz befindet. Dieser

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Schlitz definiert den Anregungsbereich, der zugleich innerhalb eines optischen Resonators angeordnet ist. Der optishe Resonator wird von an den Enden des Schlitzes angeordneten Reflektoren gebildet. Zur Anregung des Gases im Bereich des Schlitzes dient eine Vielzahl von Nadelelektroden, die innerhalb des die Gaskammer bildenden Rohres einer Flächenelektrode gegenüberstehen, weiche sich über eine der beiden einander gegenüberstehenden, den Schütz begrenzenden Wandabschnitte erstreckt. Das zugeführte Gas steht innerhalb der rohrförmigen Gaskammer unter Überdruck, damit ein Gasaustritt durch den Schlitz in die Atmosphäre möglich ist.

Der bekannte Laser soil sowohl mit impulsmäßiger als auch mit kontinuierlicher Anregung betrieben werden können. Zur impulsmäßigen Anregung werden Impulse benötigt, deren Dauer in der Größenordnung von einigen 10 Mikrosekunden liegt und die eine sehr hohe Leistung haben. Die Erzeugung der benötigten, sehr großen Impulsleistungen erfordert sehr umfangreiche und komplizierte Hcchspannungseinrichtungen zur Leistungserzeugung und -'ege'ung. Diese Einrichtungen bestimmen daher in hohem Maße die Gesamtgröße, das Gewicht, die Kompliziertheit und die Kosten des Lasers.

Bei kontinuierlicher Anregung besteht die Gefahr, daß die gewünschte Glimmentladung zwischen den Nadelelektroden und der gegenüberstehenden Flächenelektrode in eine Bogenentladung umschlägt. Es bereitet erhebliche Schwierigkeiten, ein solches Umschlagen der Glimmentladung in eine Bogenentladung zu verhindern. Die hiermit verknüpften Probleme sind in der US-PS 3758874 selbst ausführlich behandelt.

Demgegenüber Hegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungs-Gaslaser der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß er bei einfachem Aufbau ohne Gefahr eines Durchschlages mit kontinuierlicher Anregung betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Gaskammer einen dem Querschnitt der schlitzförmigen Zone angepaßten, langgestreckten Querschnitt aufweist und das stimulierbare Gas einem sich an die Gaskammer anschließenden, den Anregungsbereich für das Gas enthaltenden Gaskanal zuführt, daß die Einrichtungen zum Anregen des stimulierbaren Gases zum Einleiten eines Elektronenstrahles in den Anregungsbereich in einer zur Strömungsrichtung des Gases und zur optischen Achse des Resonators senkrechten Richtung und zum Anlegen eines elektrischen Gleichfeldes an den Anregungsbereich parallel zur Richtung des Elektronenstrahles ausgebildet sind, daß zwischen der Gaskammer und dem Gaskanal und dem Abstand von dem Anregungsbereich weitere Düsen zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Gaskanal angeordnet sind, die bewirken, daß das Gas in den Anregungsbereich mit einer bestimmten Unterschallgeschwindigkeit, bei der bezüglich der Strahlungserzeugung ein maximaler Wirkungsgrad ohne Gefahr einer Instabilität des Gasflusses erzielt wird, und mit einem nur etwas über dem atmosphären Druck He= genden Druck eintritt, und daß die Einrichtung zum Abführen des Gases einen an das Ausgangsende des Gaskanals angeschlossenen, in die Umgebung mündenden Diffusor umfaßt, der eine Verlangsamung und leichte Kompression des Gases vor dessen Freigabe an die Atmosphäre bewirkt, so daß das Gas den Anregungsbereich mit einem ttwas unter dem Atmosphä-

rendruck liegenden Druck verläßt.

Bei einem solchen Gaslaser können Strömungsverhältnisse geschaffen werden, die in Verbindung mit der besonderen Art der Anregung unter Verwendung eines Elektronenstrahls dafür Sorge tragen, daß eine Instabilität des Gasflusses auch im Anregungsbereich, also im Bereich einer Glimmentladung, nicht eintritt und daher Spannungsüberschläge nicht zu befürchten sind. Der gleichmäßige Gasstrom bietet außerdem optimale Bedienung für die Stimulierung des kohärenten Lichtes. Daher zeichnet sich der neue Gaslaser durch optimale Betriebseigenschaften bei einfachstem Aufbau aus.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Hochleistungs-Gaslasers nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Lisse 2-2 durch den unteren Abschnitt des Gaslasers nach Tig. 1, der die Gaskammer und die Düsen der Einrichtung zum Zuführen des stimulierbaren Gases umfaßt,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 durch die Anordnung nach Fig. 2,

Fig. 4a und 4b Details der Fig. 2 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 durch einen Teil des Gaslasers nach Fig. 1, der den Diffusor der Einrichtung zum Abführen des Gases umfaßt, und

Fi g. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 durch einen Abschnitt des Gaslasers nach Fig. 1, der die Einrichtung zum elektrischen Anregen des stimulierbaren Gases und den Gaskanal mit dem Anregungsbereich umfaßt.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform eines Gaslasers weist eine Anzahl Gasleitungen 20 auf, die dazu dienen, ein stimulierbares Gas mit hohem Druck einer Gaskammer 20 zuzuführen, in der das Gas zu einem einzigen glatten Strom vereinigt wird. Ein BeispieHür ein spezielles stimulierbares Gas, das in einem solchen Gaslaser verwendet werden kann, ist eine Mischung von Helium, Stickstoff und Kohlendioxid in einem Volumenverhältnis von etwa 8:7:1. Es versteht sich jedoch, daß auch andere Gase und andere Mischungsverhältnisse benutzt werden können.

Der vereinigte Gasstrom fließt von der Gaskammer 22 durch eine Düsenanordnung in Form einer perforierten Platte in einen Gaskanal 24. Die von der perforierten Platte gebildete Düsenanordnung wird später anhand der Fig. 2, 3 und 4b näher erläutert. Am dieser Stelle soll die Feststellung genügen, daß durch die Düson der perforierten Platte das Lasergas im Bereich der Düsen auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird und das Gas unmittelbar hinter der Düse im Gaskanal 24 Überschallgeschwindigkeit erreicht. Danach wird es durch eine Anzahl von Schockwellen auf Unterschallgeschwindigkeit verzögert. Die resultierende Unterschallgeschwindigkeit ist durch den Druck in der Gaskammer 22 steuerbar.

Das stimulierbare Gas fließt dann durch einen Anregungsbereich 26, in dem es durch einen elektrischen Strom in einen Zustand der Besetzungsumkehr angeregt wird, der von e<nem mittels einer Elektronenkanone 28 erzeugten Elektronenstrom gesteuert wird. Der Strom wird zwischen einer Anode, die an einer Seite des Anregungsbereiches 26 von dem Folien-

f-'ensler für die Elektronenkanone 28 gebildet wird, und einer an der entgegengesetzten Seite des Anregungsbereiches 26 angeordneten Kathode erzeugt. Die Elektronen des Elektronenstromes und des Anregungsstromes fließen in einer Richtung, die zur '■ Strömungsrichtung des Gases senkrecht steht.

Ein optischer Resonator der zwei jenseits entgegengesetzter Enden des Anregungsbereiches 26 angeordnete Spiegel 32 und 34 umfaßt, ermöglicht die Erzeugungeines Laserstrahles längs einer optischen ^|n Achse 36, die sowohl senkrecht zur Richtung des Gasstromes als auch senkrecht zur Richtung des Elektronenstromes steht. Wie aus Fig. I ersichtlich, kann es sich bei dem Resonator um einen unstabilen konfokalen Resonator für nur einen Durchgang handeln, der ' ■ aus einem größeren konkaven Spiegel 32 und einem kleineren konvexen Spiegel 34 besteht. Statt dessen können auch andere Resonator-Anordnungen verwende! werden. Die Sⁿie^uc! 32 und 34 können **uf nicht dargestellten Trägern montiert sein, die in Rieh- '» Hing der optischen Achse 36 von dem Gaskanal 24 abstehen. Dabei kann der kleinere Spiegel 34 auf Stützen befestigt sein, die von dem zugeordneten Träger nach innen abstehen. Die Spiegel 32 und 34 sollen in der Lage sein, der hohen optischen Leistungsdichte standzuhalten, die das Ergebnis eines Betriebes bei Atmosphärendruck ist. Außerdem sollen die Spiegel 32 und 34so ausgerichtet sein, daß sie im wesentlichen eine Korrektur der Änderung der Gasdichte bewirken, die über dem Anregungsbereich vorliegt. Wci- i" terhin kann außerhalb des Spiegels 34 ein nicht dargestelltes, aerodynamisches Ausgangsfenster vorgesehen sein, um das Innere des Gassystems von der Atmosphäre der Umgebung zu isolieren, ohne daß das Austreten des Laser-Ausgangsstrahles behindert r. wird.

In Strömungsrichtung hinter dem Gaskanal 24 strömt das Gas durch einen Diffusor 38, in dem das Gas verzögert und komprimiert wird, bevor es in die Atmosphäre der Umgebung ausgestoßen wird. Durch i< > das Verzögern und Komprimieren wird der Gasdruck am Ausgangsende des Anregungsbereiches 26 während des Betriebs des Lasers geringfügig unterhalb des Druckes der Umgebungsatmosphäre gehalten.

Der die Gaskammer umfassende Abschnitt der zur -n Gasführung dienenden Einrichtungen des Gaslasers nach Fig. 1 ist in den Fig. 2 und 3 näher dargestellt. Wie oben erwähnt wurde, wird das stimulierbare Gas mit hohem Druck der Gaskammer 22 über eine Anzahl Leitungen 20 zugeführt. Der Zweck der Gaskam- v> mer 22 besteht darin. Ungleichförmigkeiten und Turbulenzen im Gasstrom zu glätten, die in den Leitungen 20 entstanden sind, und eine Anzahl Gasströme zu einem einzigen, glatten Strom zu vereinigen. Als zur Erläuterung dienendes, spezielles Beispiel sei ange- v> nommen, daß das stimulierbare Gas der Gaskammer 22 mit einer Förderleistung von etwa 7,25 kg/s zugeführt wird und der Druck innerhalb der Gaskammer 22 auf etwa 10 bar oder mehr gehalten wird. Daher kann, um die strukturelle Festigkeit und Raumbestän- _bn digkeit zu erhöhen, an den Außenflächen der Längswände der Gaskammer 22 eine Anzahl Verstärkungsrippen 39 befestigt werden, die sich parallel zur Richtung der Achse 36 des Laserstrahles, also senkrecht zur Richtung des Gasstromes erstrecken. to

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Gaskammer 22 aus zwei Abschnitten, nämlich einem unteren Abschnitt 40. der im wesentlichen /ut Verteilung dc> Gases und Dämpfung von Turbulenzen dient, und einem oberen Abschnitt 42, der im wesentlichen zum Vermischen oder Vereinigen der Gasströme dient. Beide Abschnitte 40 und 42 der Gaskammer haben den Querschnitt eines langgestreckten Rechteckes, dessen Abmessungen beispielsweise 12,7 cm x 125 cm betragen können. Eine Anzahl von Zwischenwänden 44, die sich parallel zur Richtung des Gasstromes erstrecken, teilen den unteren Abschnitt 40 der Gaskammer in eine Anzahl von Hereichen für die einzelnen Ströme, die von den verschiedenen Leitungen 20 ausgehen. Die Zwischenwände 44 enden vor dem oberen Ende des unteren Kammerabschnittes 40, um ein Vermischen der verschiedenen Gasströme zu erlauben, und sind mit spitz zulaufenden Endabschnitten 46 versehen, um das Glätten und Mischen des Stromes zu erleichtern. Der obere Abschnitt 42 der Gaskammer ist ebenfalls mit pinrr Anzahl vnn Zwischenwänden 48 versehen, die mit den entsprechenden Zwischenwänden 44 des unteren Abschnittes fluchten. Die Zwischenwände 48 haben abgerundete Endabschnitte 50, die dem unteren Abschnitt 40 der Gaskammer zugewandt sind, und an ihren entgegengesetzten Enden spitz zulaufende Endabschnitte 52, um das Glätten und Vermischen des Gasstromes weiter zu fördern.

Dk Glättung des Gasstromes in der Gaskammer 22 erfHgt durch eine Anzahl von Hindernissen, die im Weg des Gasstromes angeordnet sind. Diese Hindernisse sind am Eingangsende der Gaskammer 22 grob und werden in Strömungsrichtung des Gases feiner. Zu diesem Zweck ist eine firste perforierte Platte 54 in dem unteren Abschnitt 40 der Gaskammer in einer zur Richtung des Gasstromes senkrechten Ebene dicht hinter dem Gaseintrittsbereich angeordnet. Eine zweite perforierte Platte 56 ist mit geringem Abstand hinter der ersten Platte 54 parallel zu dieser in dem Kammerabschnitt 40 angebracht. Die erste perforierte Platte 54, deren Porosität größer ist als diejenige der zweiten Platte 56, bildet ein erhebliches Hindernis, das die Strömungsgeschwindigkeit des Gases reduziert und dadurch den Strom glättet. Die zweite perforierte Platte 5b glättet den strom weiter und schützt weitere Hindernisse, die in Stromrichtung hinter den Platten 54 und 56 angeordnet sind, vor den aus der ersten Platte 54 austretenden Strahlen.

Wie es Fi g. 4 a zeigt, weist die Platte 54 eine Anzahl zylindrischer Bohrungen 58 auf. Die Platte 56 ist in entsprechender Weise mit einer Anzahl zylindrischer Bohrungen 60 versehen. Die Bohrungen 58 und 60 haben vorzugsweise den gleichen Durchmess r, und es wird die größere Porosität der Platte 54 dadurch erzielt, daß die Löcher in der Platte 54 dichter angeordnet werden als die Löcher 60 in der Platte 56. Beispielsweise können die Löcher 58 und 60 jeweils einen Durchmesser von etwa 6 mm aufweisen. Während jedoch die Mittelpunkte der Löcher 58 an den Ecken eines gleichseitigen Dreieckes mit einer Seitenlänge von etwa 8 mm angeordnet sind, sind die Mittelpunkte der Bohrungen 60 an den Ecken eines gleichseitigen Dreieckes mit einer Seitenlänge von etwa 9,5 mm angeordnet. Diese Werte ergeben eine Porosität von 52% für die erste Platte 54 und eine Porosität von 43% für die zweite Platte 56. Es sei darauf hingewiesen, daß die vorstehend angegebenen speziellen Werte nur zur Erläuterung auf genommen worden sind und daß andere Lochgrößen und Porositäten der Platten benutzt werden können.

Hinc besonders gute Glättuiig des Gasstromes kann durch eine Anzahl von Dämpfungsnetzen 62 erzielt werden, die in dem Abschnitt 40 der Gaskammer parallel relativ dicht hinter der zweiten perforierten Platte 56 angeordnet sind. Die verschiedenen Netze 62 können verschiedene Maschenweite haben, derart, daß die feineren Netze in Strömungsrichtung hinter den grobeen angeordnet sind. Bei einem speziellen, zur Erläuterung dienenden Beispiel sind insgesamt vier Netze 62 vorhanden. Die beiden Netze, die der Platte 56 am nächsten sind, bestehen aus Draht von 0,4 mm Stärke und weisen 8 Maschen pro cm auf, was eine Porosität von 46% ergibt, während die beiden dem anderen Abschnitt 42 der Gaskammer benachbarten Netze aus Draht von 0,32 mm Durchmesser bestehen und 12 Maschen pro cm aufweisen, woraus sich eine Porosität von 37% ergibt.

Am Ausgangsende der Druckkammer 22 befindet sich eine perforierte Diisrnnlattr 70, welches das in der Gaskammer 22 unter hohem Druck stehende Gas in einen glatten und gleichförmig fließenden Gasstrom umwandelt, der in dem Anregungsbereich 26 des Lasers mit der gewünschten Unterschallgeschwindigkeit und mit einem solchen Druck erreicht, daß die gasdynamischen Bedingungen erfüllt sind, die für eine wirksame stimulierte Emission erforderlich sind. Um einen wirksamen Betrieb bei Atmosphärendruck zu ermöglichen, müssen die Dimensionen des Anregungsbereiches 26 und die Geschwindigkeit des Gasstromes in diesem Bereich sorgfältig gewählt werden, damit die hohe optische Verstärkung in dem Anregungsbereich 26 beibehalten wird. Wenn die Gasgeschwindigkeit zu gering ist, wird eine übermäßige Erwärmung eintreten, welche den Wirkungsgrad der Strahlungserzeugung vermindert. Wenn die Geschwindigkeit des Gasstromes zu hoch ist, kann in den Anregungsbereich 26 nicht ausreichend Energie eingebracht werden, ohne eine Unstabilität des Gasstromes zu verursachen. Im einzelnen wurde festgestellt, daß zum optimalen Betrieb des Lasers nach Fig. 1 bei eingeschaltetem, von der Elektronenkanone 28 erzeugtem Elektronenstrahl das Gas in den Anregungsbereich 26 mit einer Geschwindigkeit von etwa U,4 Mach und mit einem Druck von etwa 1,1 bar eintreten sollte.

Die perforierte Düsenplatte 70 ist in Fig. 4b im einzelnen dargestellt. Die Düsenplatte 70 besteht beispielsweise aus rostfreiem Stahl und ist mit einer Anzahl gestufter Bohrungen 72 versehen, die vorzugsweise in Reihen und Spalten angeordnet sind. Jede Bohrung 72 hat einen Abschnitt 74 mit größerem Durchmesser an ihrem stromaufwärtigen, der Gaskammerzugewandten Ende und einen dazu koaxialen Abschnitt 76 mit kleinerem Durchmesser an ihrem stromabwärtigen, dem Gaskanal zugewandten Ende. Wie dargestellt, erstreckt sich der Abschnitt 74 mit größerem Durchmesser fast über die ganze Länge der Bohrungen 72. Bei einem zur Erläuterung dienenden speziellen Beispiel hat die Düsenplatte eine Dicke von 38 mm. Die größeren Abschnitte 74 haben einen Durchmesser von etwa 6,3 mm, die kleineren Abschnitte 76 einen Durchmesser von etwa 2,5 mm und es sind die Mitten benachbarter Bohrungen 72 etwa 10 mm voneinander entfernt. Das Ergebnis ist eine Porosität der Düsenplatte 70 von etwa 5 %. Im Betrieb erreicht das Gas innerhalb der Abschnitte 76 der Bohrungen in der Düsenplatte 70 Schallgeschwindigkeit (Mach 1). In einem geringen Abstand hinter der Düsenplatte 70 expandiert das durch die Bohrungen 72 strömende Gas ais freier Strahl mit Überschallgeschwindigkeit. Der Strom wird dann durch eine Reihe Stoßwellen auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst, und es verschmelzen die einzelnen Strahlen ' zu einem gleichförmigen Strom mit Unterschallgeschwindigkeit.

Im Gegensatz dazu erreicht bei einer üblichen Laval-Düse, die divergierende Düsenwandungen aufweist, das die Düse durchfließende Gas Überschallge-

i" schwindigkeit innerhalb der Düse. Die seitliche Ausdehnung des Gases ist durch die Düsenwände begrenzt. Wenn die Aufweitung der Düse zu stark ist. hat der Gasstrom die Tendenz, sich von den Wandungen in Form von Wirbeln und Strudeln abzulösen.

■> Dann ist die Möglichkeit zum Erzielen eines glatten, homogenen Stromes stark gestört, wenn nicht ausgeschlossen. Dagegen expandiert bei Anwendung der perforierten Düsenplatte 70 der Strom zu Überschall-

-'Ii der Düsenplatte. Daher ist die Expansion und die Verdichtung der Strahlen nicht beschränkt und es wird ein glatter, homogener Strom erzielt.

Ein sich stromab an die Düsenplatte 70 anschließendes Gehäuse 80 bildet einen ersten Abschnitt 82

.'■> des Gaskanales 24. Der Gaskanal 24 hat den Querschnitt eines langgestreckten Rechteckes, das schmaler ist als die Gaskammer 22. Seine Abmessungen können beispielsweise 4,2 cm X 125 cm betragen. Eine Anzahl von zur Dämpfung von Turbulenzen die-

«ι nenden Netzen 84 kann in dem Abschnitt 82 des Gaskanals senkrecht zur Richtung des Gasstromes angeordnet sein, um zu gewährleisten, daß alle Turbulenzen, die von der Düsenplatte 70 verursacht worden sind, verschwunden sind, bevor das Gas in

r. den Anregungsbereich 26 eintritt. Bei einem zur Erläuterung dienenden speziellen Beispiel sind insgesamt vier Netze 84 vorgesehen, von denen jedes aus Draht mit 0,4 mm Stärke besteht und acht Maschen pro cm aufweist. Die Porosität eines solchen Netzes

4(i beträgt 46%. Der Abschnitt 82 des Gaskanals kann auch einen Kanalhöhen-Reduzierabschnitt zur weiteren Reduzierung von Strömungsgrenzschichten im Anregungsbereich 26 aufweisen.

Das stimulierende Gas strömt dann durch einen

4ϊ eine Anregungskammer bildenden Abschnitt des Gaskanales 24, in dem sich der Anregungsbereich 26 befindet, wo das Gas von dem elektrischen Strom angeregt wird, der seinerseits von dem quer gerichteten Elektronenstrahl ausgelöst wird, der von der Elektro-

-,o nenkanone 28 ausgeht.

Durch den elektrischen Strom wird dem Gasstrom Energie zugeführt, wodurch das Gas zunehmend aufgeheizt wird. Als Ergebnis davon wird das Gas beschleunigt und es nimmt sein Druck ab, während es den Anregungsbereich 26 durchströmt. Bei einem speziellen Beispiel, bei dem die obenangegebenen Konstruktionsparameter verwirklicht wurden, kann das Gas in den Anregungsbereich 26 mit einer Temperatur von etwa 280 K, einer Geschwindigkeit von

etwa 0,4 Mach und einem Druck von etwa 1,1 bar eintreten. Infolge der Wirkung des elektrischen Stromes verläßt das Gas jedoch den Anregungsbereich 26 mit einer Temperatur von etwa 460 K, einer Geschwindigkeit von etwa 0,7 Mach und einem Druck

b5 von etwa 0,8 bar.

Da der statische Druck in einem Unterschallstrahi sich selbst an den Umgebungsdruck am Ausgang des Strahlkanales anpaßt, ist hinter dem Anregungsbe-

reich 26 ein Diffusor 38 angeordnet, um den Zustand des Gases so zu beeinflussen, daß die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit und der gewünschte Druck am Ausgangsende ties Anregungsbereiches 26 erzielt werden. Wie Fig. 5 zeigt, ist der Diffusor 38 mit zwei Seitenwänden 90 und 92 versehen, die nach außen unter einem Winkel Θ in bezug auf die Richtung des Gasstromes divergieren, so daß sie einen sich erweiternden Kanal bilden, in dem eine Verzögerung und Kompression des Gases eintritt. Die Seitenwände 90 und 92 des Diffusors sind verstellbar, so daß ein Betrieb des Diffusors 38 mit verschiedenen Divergenzwinkeln Θ möglich ist. Hierdurch ist es möglich, den Gasdruck und die Strömungsgeschwindigkeit am Eingang des Diffusors auf einen für den Wirkungsgrad des Lasers optimalen Wert auch dann einzustellen, wenn der Umgebungsdruck vom Atmosphärendruck abweicht. Demnach kann ein Betrieb des Lasers mit hohem Wirkungsgrad in einem größeren Bereich des Ümgebungsdruckes erzielt werden.

Die Verstellbarkeit der Seitenwände 90 und 92 des Diffusors kann durch eine Befestigung der Seitenwände 90 und 92 am Boden des Diffusors 38 mittels Gelenkbändern 94 und Verbindung der Seitenwände mit Längsträgern 96, die am Rahmen des Diffusors angebracht sind, durch Gewindebolzen 97 erfolgen. Die Gewindebolzen 97 sind in Schwenklagen 98 an den Seitenwänden 90 und 92 befestigt und werden in der gewünschten Stellung durch Muttern 99 gehalten.

Es wurde festgestellt, daß bei einem Laser, der mit den oben angegebenen Konstruktionsparameterp hergestellt worden ist, der Diffusor 38 optimale Eigenschaften hat, wenn das Verhältnis der Diffusorlänge L zur Breite W des Einlasses 15 beträgt und wenn, bei einem Umgebungsdruck von 1 bar, ein Divergenzwinkel Θ von 3,5° verwendet wird. Es sind jedoch auch andere Konstruktionswerte für den Diffusor möglich. Weiterhin ist es möglich, den Diffusor mit leicht unterschiedlichen Divergenzwinkeln für die Seitenwände 90 und 92 zu betreiben, auch wenn es allgemein vorzuziehen ist, daß beide Wände 90 und

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Der die Anregungskammer mit dem Anregurtgsbereich 26 enthaltende Abschnitt des Gaskanals 24, in dem das Gas in einen Zustand der Besetzungsumkehr angeregt wird, ist in Fig. 6 im einzelnen dargestellt. Dieser Abschnitt des Gaskanals 24 weist zwei miteinander fluchtende Wandungsteile 100 und 102 auf der Elektronenkanonenseite des Gaskanals und zwei miteinander fluchtende Wandungsteile 104 und 106 auf der entgegengesetzten Seite auf. Die Wandungsteile 100,102,104 und 106 bestehen aus einem isolierenden Material, wie beispielsweise Glas oder Keramik. Ein Elektronenstrahlfenster 108 ist zwischen den Wandungsteilen 100 und 102 auf einem Tragteil 110 an den Anregungsbereich 26 angrenzend derart angeordnet, daß seine Außenfläche mit der durch die Wandungsteile 100 und 102 gebildeten Kanalwand fluchtet. Das Elektronenstrahlfenster 108 gestattet den von der Elektronenkanone 28 ausgehenden Elektronen, mit der gewünschten Geschwindigkeit in den Anregungsbereich 26 einzutreten, während es gleichzeitig ermöglicht, die erforderliche Druckdifferenz zwischen dem Anregungsbereich 26 und dem Inneren der Elektronenkanone 28 aufrechtzuerhalten. Außerdem dient das Elektronenstrahlfenster 108 als

Anode für den elektrischen Strom, der in dem Anregungsbereich 'Ifi aufrechterhalten wird.

Zwischen den Wandungsteilen 104 und 106 ist an der zum Elektronenstrahlfenster 28 entgegengesetzten Seite des Anregungsbereiches 26 eine Kaltkathode 112 angeordnet. Ein Beispiel für eine spezielle Materialkombination, die für die Kaltkathode 112 geeignet ist, ist ein Aluminiumträger, der mit entsprechenden Beschichtungen aus Molybdän, B₄C und AI₂O, versehen ist. Es versteht sich jedoch, daß auch andere Kathodenmaterialicn verwendet werden können. Zwischen der Kaltkathode 112 und den Wandungsteilen 104 und 106 sind Isolatoren 114 und 116 angeordnet, welche die sich aus dem Kathodenprofil ergebenden Hohlräume ausfüllen und dadurch für eine durchgehende, glatte Wand des Gaskanales sorgen. Hinter der Kaltkathode 112 ist eine isolierende Abdeckung 118angeordnet. Eine elektrische Verbindung zur Kaltkathode 112 ist durch einen Stift 120 hergestellt, der die Abdeckung 118 durchdringt und mit der Kathode 112 in Berührung steht. Der Stift 120 ist seinerseits elektrisch mit dem Anschluß 122 eines Netzgerätes verbunden, daß der Kaltkathode 112 die benötigte Betriebs-Gleichspannung V₁. zuführt.

Von den Wandungsteilen 104 und 106 steht eine Anzahl Stützglieder 124 ab, die dem Gaskanal zusätzliche Festigkeit und Steifigkeit verleihen. Weiterhin sind zwei Wandungsteile 126 und 128 des Gaskanales vorhanden, die aus isolierendem Material bestehen und sich nach oben an die Wandungsteile 102 und 106 fluchtend anschließen, um den Gaskanal 24 bis zum Bereich des Diffusors 38 zu verlängern. Die Wandungsteile 126 und 128 haben breite Seitenflächen, die im wesentlichen in die breiten Seitenflächen der Seitenwände 90 und 92 des Diffusors übergehen.

Wie Fig. 6 zeigt, ist das Tragteil 110 in einem Fortsatz 146 des Gehäuses für die Elektronenkanone 28 angeordnet. Der Gehäusefortsatz 146 ist elektrisch mit dem Anschluß 148, bei dem es sich beispielsweise auch um Erde handeln kann, eines Netzgerätes verbunden, das die erforderliche Betriebsgleichspannung V_t iüi pie da» Eickiiuiieiisiiahiieiisier IGo bildende Metallfolie liefert. Weiterhin weist der GehäusefortsBtz 146 eine länggestreckte öffnung 150 auf, die im wesentlichen auf die Öffnungen 144 in dem Tragteil 110 ausgerichtet ist und einen Durchlaß für den erzeugten Elektronenstrahl bildet.

Die Elektronenkanone 28, die an der Oberfläche des Fensterelementes einen gleichförmigen Elektronenstrahl mit einem Querschnitt von etwa 5 cm X 125 cm und einer Stromdichte von etwa 100 μΑ/cm² liefert, befindet sich in einem rohrförmigen äußeren Gehäuse 152, das beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen kann und an dem Fortsatz 146 befestigt ist. Das Gehäuse 152 weist eine langgestreckte öffnung 154 auf, die mit der öffnung 150 in dem Fortsatz 146 fluchtet, um einen Durchgang für den erzeugten Elektronenstrahl zu bilden. Das Innere des Gehäuses 152 der Elektronenkanone ist auf den gewünschten Betriebsdruck evakuiert, beispielsweise auf 6,7 x 10"³ Pa oder weniger. Koaxial in dem Gehäuse 152 ist beispielsweise mittels einer Anzahl Keramikstützen 158 eine zylindrische innere Kanonenanordnung 156 gehalten. Bei dieser inneren Kanonenanordnung 156 kann es. sich beispielsveise um eine Elektronenkanone vom Pierce-Typ handeln, die eine langgestreckte, indirekt beheizte Kathode 160

aufweist, welche auf die öffnung 154 der Elektronenkanone ausgerichtet ist. Nahe der Kathode 160 ist eine FokussiercSektrode 162 vom Pierce-Typ angeordnet, die auf Kathodenpotential gehalten wird. An der Vorderseite der Kathodenanordnung 156 befindet sich zwischen der Kathode 160 und der öffnung 154 für den Elektronenstrahl eine zur Strahlverbreiterung dienende Elektrodenanordnung 164, die eine Divergenz-Driftzone 166 für die emittierten Elektronen bildet und bewirkt, daß der das Fensterelement 108 erreichende Elektronenstrahl, dessen gesamte Breite ausleuchtet. Die Elektrodenanordnung 164 ist mit dem Anschluß 170 eines Netzgerätes verbunden, das eine Betriebs-Gleichspannung V liefert, während die Kathode 160 mit einem Anschluß 172 des Netzgerätes verbunden ist, der eine Betriebs-Gleichspannung V_k liefert. Die zur Kathode 160 und zur Elektrodenanordnung 164 führenden Leitungen können zusammen mit weiteren, nicht dargestellten Leitern für die Kathodenbeheizung durch eine Endwand des Gehäuses 152 hindurcf aus dem Gehäuse nach außen herausgeführt sein.

Für den vorstehend beschriebenen Laser können beispielsweise die folgenden Betriebsspannungen verwendet werden, auch wenn es sich versteht, daß die Anwendung anderer Betriebsspannungen möglich ist:

= 12 kV
= 0

= 149,5 kV
= 15OkV.

Beim Betrieb des vorstehend beschriebenen Lasers wird zunächst das Gassystem eingeschaltet, so daß das stimul'erbare Gas durch die Gaskammer 22, den Gaskanal 24 und den Diffusor 38 fließt. Dann werden die Betriebsspannungen V_k und V für die Elektronenkanone eingeschaltet, so daß die Elektronenkanone 28 einen Elektronenstrahl emittiert, der durch das Fensterelement 108 in den Anregungsbereich 26 des Gaskanales eintritt. Dann wird die Betriebsspannung V_c eingeschaltet, so daß quer zum Anregungsbereich 26 zwischen der von der Folie des Fensterelementes 108 gebildeten Anode und der Kathode 112 ein Strom zu fließen beginnt, der das stimulierbare Gas anregt, so daß der Laser einen Dauerstrich-Ausgangsstrahl liefert. Nachdem der Laserstrahl die gewünschte Zeit beibehalten worden ist, wird die Versorgungsspannung V abgeschaltet, wodurch das Ausgangssignal des Lasers beendet wird. Danach weiden die Betriebsspannungen V_g und V_k abgeschaltet und endlich der Gasstrom unterbrochen.

Wie ersichtlich, ist ein Laser nach der Erfindung in der Lage, einen Dauerstrich-Laserstrahl mit hoher Leistung zu liefern. Dabei weist der Lasef zahlreiche Vorteile gegenüber bekannten Lasern mit vergleichbarer Ausgangsleistung auf.

Die Gaskammer-Düsen-Anordnung transformiert auf einfache und wirksame Weise unter hohem Druck zugeführtes Gas in einen glatten, gleichförmigen, mit Unterschallgeschwindigkeit fließenden Strom. Hierdurch wird das Gesamtvolumen des Lasers reduziert, da er aus kompakten, unter hohem Druck stehenden Speichertanks gespeist werden kann!

Weiterhin bewirkt die für Strömungen mit Schallgeschwindigkeit perforierte Düsenplatte eine gasJynamische Isolierung zwischen der Gaskammer und dem Anregungsbereich, so daß die Flußleistung des stimuüerbarer! Gases unabhängig vor; dem Energie betrag ist, der dem Gas durch die elektrische Entladung zugeführt wird. Hierdurch wird der Betrieb des Lasers vereinfacht, insbesondere während der Übergangszeit unmittelbar nach Einschalten des Errrgungsstromes.

Weiterhin ermöglicht der Auslaß-Diffusor, daß der statische Druck am Ausgangsende des Anregungsbereiches etwas geringer ist als der Umgebungsdruck. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Lasers erhöht und eine Unabhängigkeit von den Bedingungen des Umgebungsdruckes erzielt.

Das Gasführungssystem kann weiterhin mit offenem Kreislauf arbeiten, d. h., daß das stimulierbare Gas in die umgebende Atmosphäre abgeblasen wird, nachdem es einmal den Anregungsbereich des Lasers durchlaufen hat. Hierdurch wird die Notwendigkeit für Pumpen, Wärmeaustauscher und andere Einrichtungen zur Gasumwälzung vermieden.

Weiterhin werden solche Komponenten, wie das Elektronenstrahlfenster, von dem Strom des stimulierbaren Gases selbst gekühlt, wodurch spezielle Kühleinrichtungen unnötig werden.

Endlich ist es möglich, den erfindunesgemäßen Laser unter Verwendung einfacher Netzgeräte drekt zu speisen.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß durch die Erfindung ein durch elektrische Entladung angeregter Hochleistungs-Gaslaser geschaffen wird, der kleiner, leichter, weniger kompliziert und wirtschaftlicher ist sowie in einem größeren Bereich optischer Wellenlängen wirksamer arbeitet als bekannte Laser mit vergleichbarer Ausgangsleistung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hochleistungs-Gaslaser mit einem optischen Resonator, Einrichtungen zum Zuführen und Ab- "> führen eines stimulierbaren Gases zu bzw. von dem vom optischen Resonator begrenzten Anregungsbereich in offenem Kreislauf, die eine an ihrem Eingang eine Düse zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases aufweisende "> Gaskammer und eine sich stromab an die Gaskammer anschließende, sich quer zum Gasstrom erstreckende schlitzförmige Zone umfassen, in der sich der vom optischen Resonator begrenzte Anregungsbereich befindet, wobei sich die optische ι > Achse in Längsrichtung der schlitzförmigen Zone senkrecht zur Richtung des Gasstromes erstreckt, und mit Einrichtungen zum elektrischen Anregen des stimulierbaren Gases in dem vom optischen Resonator begrenzten Anregungsbereich, da- -'<> durch gekennzeichnet, daß die Gaskammer (22) einen dem Querschnitt der schlitzförmigen Zone angepaßten, langgestreckten Querschnitt aufweist und das stimulierbare Gas einem sich an die Gaskammer (22) anschließenden, den Anre- r> gungsbereich (26) für das Gas enthaltenden Gaskanal (24) zuführt, daß die Einrichtungen (28, 108,112) zum Anregen des stimulierbaren Gases zum Einleiten eines Elektronenstrahles in den Anregungsbereich (26) in einer zur Strömungs- m richtung des Gases und zur optischen Achse des Resonators senkrechten Richtung und zum Anlegen eines elektrische? GIeicfc^fetdes an den Anregungsbereich parallel zur Richtung des Elektronenstrahles ausgebildet sind, <Jaß zwischen der r> Gaskammer (22) und dem Gaskanal (24) und im Abstand von dem Anregungsbereich (26) weitere Düsen (72) zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Gaskanal angeordnet sind, die bewirken, daß das Gas in den Anregungsbereich mit einer bestimmten Unterschallgeschwindigkeit, bei der bezüglich der Strahlungserzeugung ein maximaler Wirkungsgrad ohne Gefahr einer Instabilität des Gasflusses erzielt wird, und mit einem nur etwas über dem Atmo- 4> sphärendruck liegenden Druck eintritt, und daß die Einrichtung zum Abführen des Gases einen an das Ausgangsende des Gaskanals (24) angeschlossenen, in die Umgebung mündenden Diffusor (38) umfaßt, der eine Verlangsamung und >« leichte Kompression des Gases vor dessen Freigabe an die Atmosphäre bewirkt, so daß das Gas den Anregungsbereich mit einem etwas unter dem Atmosphärendruck liegenden Druck verläßt.

2. Hochleistungs-Gaslaser nach Anspruch 1, vs dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Gas in den Anregungsbereich (26) mit einem Druck von etwa 1,1 bar eintritt.

3. Hochleistungs-Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare on Gas den Anregungsbereich (26) mit einem Druck von etwa 0,8 bar verläßt.

4. Hochleitungs-Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Gas in den Anregungsbereich ι,-, (26) mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,4 Mach eintritt.

5. Hochleistungs-Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Gas den Anregungsbereich (26) mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,7 Mach verläßt.

6. Hochleistungs-Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Gas den Anregungsbereich (26) mit einer Temperatur von etwa 460 K verläßt.

7. Hochleistungs-Gaslaser nach einem ier Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Gas aus einer Mischung von Helium, Stickstoff und Kohlendioxid in einem Volumenverhältnis von etwa 8:7:1 besteht.

8. Hochleistungs-Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (72) am Übergang zum Gaskanal (24) von den Öffnungen einer perforierten Platte (70) gebildet werden.

9. Hochleistungs-Gaslaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässigkeit der die weiteren Düsen (72) bildenden Platte (70) far den Gasstrom wesentlich geringer ist als die Durchlässigkeit der am Eingang der Gaskammer (22) angeordneten, vorzugsweise von perforierten Platten (54, 56) gebildeten Düsen.

10. Hochleistungs-Gaslaser nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die weiteren Düsen (72; bildenden Öffnungen der perforierten Platte (70) einen in Strömungsrichtung des Gases abnehmenden Querschnitt aufweisen.

11. Hochlejstungs-Gaslaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen als gestufte zylindrische Bohrungen ausgebildet sind, deren Abschnitte (74) mit dem größeren Durchmesser sich über den größeren Teil der Länge der Bohrungen erstrecken.