DE2621058A1 - Laser - Google Patents

Description

Jersey Nuclear-Avco Isotopes, Inc., Bellevue (Washington), V.St.A.

IASER

Die Erfindung betrifft einen IASER, insbesondere einen IA SER-V er stärker, und vor allem eine Kammer zur Aufnahme und zur Anregung eines verstärkenden Materials.

3ei IASER-Anwendungen, wie einerIASER-Anreicherung (vgl. US-PS 3 772 519), erfordert eine wirksame IASER-Anwendung Impuls-Ausgangssignale hoher Intensität bei hohen Impulsfrequenzen. Die Forderung nach hoher Impulsfrequenz und hoher Intensität bei einem IASER-Verstärker erfordert nicht nur wirksame Wärmeabfuhr sondern auch schnelle Strömung des IASER-Strahlen aussendenden Materials durch den verstärkenden Kanal.

Die Intensität der IASER-Strahlung bei derartigen Anwendungen ist abhängig von der Verstärkung bzw. dem Gewinn im IASER-Strahlen erzeugenden Gerät, was seinerseits wieder abhängig ist von der Länge des aktiven, IASER-Strahlen verstärkenden Materials im Weg der IASER-Strahlung. Insbesondere

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wenn, wie bei der IASER-Anreicherung, genaue Frequenzsteuerung bzw. Überwachung erwünscht ist, besitzt ein IASER-Verstärker vorzugsweise ein langes aktives Material, wobei die Verstärkung durch die Länge des Weges bei einfachem Strahlungsdurchtritt erreicht wird anstatt durch mehrfache Reflektion durch das verstärkende Material. Folglich ist es wünschenswert, einen langen Verstärkungskanal aus aktivem Material vorzusehen, ohne Verzerrung oder Krümmung des Kanals infolge der Länge der Bauteile, die den Kanal bilden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der lASER-Verstärkung mit hohem Gewinn und hoher Intensität bei hoher LASER-Impulsfrequenz möglich ist.

Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gelöst. Bei dem IASER-Verstärker gemäß der Erfindung sind zv;ei längliche Kammern parallel zueinander angeordnet,um zwischen sich gegenüberliegenden Wänden der Kammern einen langen engen Kanal für die Strömung des aktiven IASER-Strahlen abgebenden Materials ₇kurζ IASER-Materials^ zu bilden. In jeder Kammer sind flüssigkeitsgekühlte Blitzlichtlampen vorsehbar, um eine Anregung durch die Kammern in das zwischen den sich gegenüberliegenden Flächen der Kammern im engen Kanal fließenden aktiven Material vorzusehen. Die Anordnung der Blitzlichtlampen in den Kammern ermöglicht deren Wärmeisolation bzw. Wärmedämmung vom fließenden Material, während gleichzeitig eine wirksame Anregung des Materials möglich ist.

Ein vorzugsweise zylindrischer Aufbau der Kammern aus Glas ermöglicht große Längen des verstärkenden Kanals ohne wesentliche Verzerrungen längs eines im wesentlichen geraden -

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optischen oder Lichtweges. Vielter ist die Herstellung gerader kreisförmiger zylindrischer Kammern besonders einfach und billig. Schließlich kann das IASER-Material bequem durch den IASER-Strahlen abgebenden Kanal mit hoher Strömungsgeschwindigkeit geführt v/erden, um außerordentlich hohe Impulsfrequenzen vorsehen zu können.

Die Erfindung gibt also einen .blitzlichtlampenangeregten Farbstoff-IASER an, durch den hohe Verstärkung und hohe Pulsfrequenz möglich ist. Ein aktiver Bereich der IASER-Verstärkung ist in einem strömenden Farbstoff (gasförmiges oder flüssiges Fluid) durch einen langen engen Kanal gebildet, der zwischen sich gegenüberliegenden rohrförmigen Kammern ausgebildet ist. Die IAS3R-Anregung ist in den Kanal durch die optisch oder lichtdurchlässigen Wände der Kammern von in jeder der Kammern enthaltenen Blitzlichtlampen geführt bzw. gerichtet, die jedoch vom Farbstoff- bzw. Fluidkanal wärmeisoliert sind. Eine besondere Geometrie der Kammern ermöglicht einen starren bzw. steifen Aufbau für lange Verstärkungskanäle .

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in Seitenansicht einen IASER-Verstärker gemäß der

Erfindung;
Fig. 2 den Schnitt 2-2 gemäß Fig. 1;

Fig. 3 im Längsschnitt ein Blitzlichtlampen-Rohr und eine Kühleinrichtung für den IASER-Verstärker gemäß Fig. 2;

Fig. 4 im Schnitt die Blitzlichtlarapen-Anordnung gemäß Fig. 3.

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Die Erfindung wird anhand der Geometrie eines IASER-Verstärkers mit großer Kanallänge zum Betrieb mit hoher Verstärkung und hoher Impulsfrequenz ohne überschüssige (schädliche) Wärmeübertragung auf das IASER -Mater % ler läutert. Selbstverständlich ist die Erfindung auch auf andere als im dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigte Geometrien anwendbar.

Der im Ausführungsbeispiel dargstellte IASER-Verstärker ist zum Empfang und zur Verstärkung bestehender IASER-Strahlung vorgesehen, jedoch kann die Vorrichtung selbstverständlich auch für einen IASER-Oszillator oder einen abgestimmten Verstärker durch den Einbau von Reflektoren zur Bildung eines optischen oder Licht-Hohlraums verwendet werden.

Eine Seitenansicht des bevorzugten IASER-Verstärkers ist in Fig. 1 dargestellt. Eine im wesentlichen zylindrische Hülse bzw. ein Behälter 14 aus rostfreiem Stahl od.dgl. enthält ein aktives IASER-Material, das ihm mittels einer Pumpe 12 durch eine Einlaßleitung 16 zugeführt wird und das aus ihm durch eine Auslaßleitung 18 abgeführt wird. Die Länge der Vorrichtung ist für eine vorgegebene Verstärkung zur Erreichung eines gewünschten Ausgangspegels besonders gewählt. Wegen des extrusions- oder strangförmigen Aussehens des beschriebenen Verstärkeraufbaues können erhebliche Längen ohne für den IASER-Betrieb schädliche Deformationen erreicht -werden. Beispielsweise ist zur Verwendung bei der LASER-Anreicherung eine Länge von ca. 46 cm (IS") , üblich.

Ein Querschnitt des in Fig. 1 dargestellten IASER-Verstärkers ist in Fig. 2 wiedergegeben. Ein aktives Material, üblicherweise ein Farbstoff wie Rhodamine 6g in einem geeigneten Förder- oder Trägerfluid wird von der Einlaßleitung 16

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eineni rohrförniigen Einlaß-V erteiler 2C zugeführt. Der Einlaß-Verteiler 20 weist öffnungen 21 auf, die die Farbstoff-Eingangsströmung vom Verstärkerbereich wegführen, um Strömungsturbulenzen im kritischen Bereich des Farbstoff-Strömungsweges möglichst zu verringern. Ein Schirm oder Gitter ist im Farbstoff-Strömungsxveg angeordnet, um Turbulenzen zu verringern, wenn der Farbstoff durch den aktiven Bereich strömt. Ein rohrf or miger Auslaß-Verteiler 24 mit dem Einlaß-Verteiler 20 ähnlichem Aufbau ist zur Aufnahme der Farbstoff-Lösung nach Durchtritt durch den aktiven IASER-Strahlenerzeugenden Bereich angeordnet. Der aktive IASER-Strahlen erzeugende Bereich 2o des Verstärkers ist zwischen zwei Kammern gebildet, die durch zylindrische Rohre 28, 30 gebildet sind, die parallel zueinander im Behälter 14 angeordnet sind. Der aktive IASER-Strahleη erzeugende Bereich ist als ein Ort bzw. ein Bereich geringen Abstands von etwa 3 mm zwischen den parallelen sich gegenüberliegenden Außenflächen der Rohre 28 und 30 gebildet. Die Trennung bzw. der Abstand zwischen den Außenwänden der Rohre 28, 30 und der Innenwand des Behälters lh ist möglichst klein,um praktisch das gesamte Färbstoff-Fluid durch den Bereich 26 zu fördern bzw. zwangszubewegen.

Die Rohre 28 und 30 sind üblicherweise gerade kreisförmige zylindrische Glasrohre aus einem wärmebehandelten haltbaren Werkstoff, wie z. B. der unter der Warenbezwichnung PYREX erhältliche, der von der Firma Corning Glass Works, Corning, New York, USA hergestellt wird. Ein derartiges Glas hat die gewünschten Eigenschaften eines optischen Filters zum Abschirmen unerwünschter Ultraviolett-Strahlung zur Verringerung unerwünschter Anregung des IASER-Fluids und weist im allgemeinen geringe Wärmedehnung auf. Der gerade kreisförmige zylindrische Aufbau ist zweckmäßig, da dadurch

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die Verwendung vieler einfach hergestellter Teile möglich ist. Selbstverständlich können auch andere Werkstoffe ähnlicher optischer und physikalischer Eigenschaften verwendet werden.

Die Rohre 28 und 30, die jeweils eine Kammer bilden, sind vorzugsweise mit einem inerten getrockneten Sas, wie Stickstoff, gefüllt, um eine Kondensation auf und eine Verschmutzung deren inneren lichtdurchlässigen Flächen zu vermeiden.

In jeder der beiden Kammern ist eine Blitzlichtlampen-Anordnung 32 nahe dem aktiven IASER-Strahlen erzeugenden Bereich 2.6 angeordnet. Die Blitzlichtlampen-Anordnung 32 wird zum Vorsehen einer Inversionsenergie für das aktive Material im aktiven LASER-Strahlen erzeugenden Bereich 2.6 betrieben. Die Blitzlichtlampen-Anordnung 32 ist ausführlich in Fig. 4 dargestellt und enthält ein langes U-f örrniges Kanalelement 34, dessen gekrümmte Innenfläche mit einem als ein Diffusorreflektor J>6 wirkendenjkreidigen oder kalkigen Werkstoff beschichtet? "Geeignete Ref lekt or-Werkstoffe sind Magnesiumoxid oder Bariumsulfat. Der Diffusorref lekt or 36 erzeugt eine Streureflektion der Blitzlichtlampen-Strahlung in den aktiven IASER-Strahlen erzeugenden Bereich 26. Die Verwendung eines derartigen Diffusorref lektors ^>6 vereinfacht den Aufbau und ermöglicht die Anordnung der Blitzlichtlampen-Anordnung 32 so nahe wie möglich am aktiven Bereich 26, wodurch die höchste Wirkung erreichbar ist.

In der Blitzlichtlampen-Anordnung 32 ist ein Kühl-Mantel enthalten, der im Kanalelement 34 angebracht und mit Kühlwasser von einem in Fig. 3 dargestellten Verteiler 40 versorgt ist. Der Verteiler 40 ist vorzugsweise elektrisch nichtleitend. Eine Blitzlichtlampe 44 ist innerhalb des Kühl-Man-

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tels 38 so angeordnet,daß sie vom Kühlwasser vollständig umgeben ist. Der Verteiler 40 besitzt einen durch ihn ragenden leipf ähigen Stab 42 zur elektrischen Verbindung mit der Blitzlichtlampe 44. Ein ähnlicher Verteiler und ein ähnlicher leitender Stab sind (nicht dargestellt) am entgegengesetzten Ende der Blitzlichtlampe 44 vorgesehen. Die Blitzlichtlampe 44 enthält ein Gas, das zur Aufrechterhaltung einer Bogenentladung zur optischen Anregung der Farbstoff-Lösung geeignet ist.

Der lichtdurchlässige Werkstoff für die Blitzlichtlampe und den Kühl-Mantel 38 ist vorzugsweise ein künstlicher oder synthetischer Quarz, wie er beispielsweise unter der Warenbezeichnung SUPRASIL, hergestellt durch Amersil,Inc, Hillside, New Jersey, USA, oder SPECTROSIL, hergestellt durch Thermal American Fused Quartz Company, Mountville, New Jersey, USAyerhältlieh ist. Diese Werkstoffe sind insbesondere deshalb geeignet, da sie im weiten, entfernten Ultraviolett-Bereich optisch oder lichtdurchlässig sind und da sie keine Durchlässigkeitverluste infolge Solarisation aufweisen.

Da die Blitzlichtlampen-Anordnung 32 einer kräftigen Erwärmung unterliegt, sind zusätzliche Kühleinrichtungen vorgesehen. In Fig. 4 ist eine Kühlleitung 46 in Wärmekontakt mit dem Kanalelement 34 dargestellt. Üblicherweise wird Wasser von einem der Verteiler 40 der Leitung 46 an einem Ende zugeführt und von der Blitzlichtlampen-Anordnung 32 am entgegengesetzten Ende abgeführt. Wasser ist das bevorzugte Kühlmittel für die Blitzlichtlampen^Anordnung 32, da es vorteilhaft sowohl hohe spezifische Wärme als auch gute Lichtdurchlässigkeit besitzt.

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Die Kühleinrichtung für die Blitzlichtlampe 44 ist deswegen besonders vorteilhaft, da dadurch sowohl eine thermische als auch körperliche Trennung der Blitzlichtlampen-Anordnung J52 vom aktiven IASER-Strahlen Erzeugenden Bereich 26 möglich ist. Die Regelung, Steuerung oder Überwachung der Wärmebedingungen im aktiven IASER-Strahlen erzeugenden Bereich 26 ist wichtig, um die Qualität des optischen oder Lichtstrahls aufrechtzuerhalten und Strahlabweichungen zu begrenzen.

Zur weiteren überviachung bzw. Steuerung der Fluidströmung durch die Vorrichtung ist eine Strömungsumlenkeinrichtung 48 stromab des Bereichs 26 vorgesehen. Die S tr ömungs umlenke inrichtung 48 sieht eine konstantere Querschnittsfläche im Bereich unmittelbar stromab des IASER-Strahlen erzeugenden Bereichs 26 vor. Das begrenzt eine Trennung der Fluidströmung, die sonst in einem divergierenden Strömungskanal auftreten würde und Störungen in der Strömung durch den Bereich 26 hervorrufen würde, die für den IASER-Betrieb schädlich wären.

Die zylindrischen Rohre 28, 30 sind üblicherweise an den Enden des Behälters 14 über (nicht dargestellte) O-Ringe abgedichtet zur Bildung eines f luiddichten Inneren des Behälters 14. Ähnliche oder andere geeignete Dichtungen können zwischen den Rohren 28 und 30 und den Leitungen 38 und 46 über eine geeignete (nicht dargestellte) Halterung verwendet werden.

Die extrusionsförmige oder strangförmige Ausbildung des Verstärkers des bevorzugten Ausführungsbeispiels ist deshalb vorteilhaft, da dadurch der Aufbau sehr langer und entsprechend sehr leistungsfähiger IASER-Verstärker möglich ist, ohne Schwierigkeiten im Aufbau_fum die Form aufrechtzuerhalten.

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Eine zylindrische Form ist wegen der einfachen Ausführung besonders vorteilhaft. IASER-Verstärker gemäß der Erfindung wurden für hohe Impulsfrequenzen erprobt, wobei Impulsleistungen von mehr als einem halben Joule erreicht wutfden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere geeignet zur Anwendung bei der isotopen-Verarbeitung und-Erzeugung (vgl. z. B. US-PS 3 772 519). Selbstverständlich ist die Erfindung aber auch auf anderen Gebieten anwendbar.

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Claims (1)

1. - ίο -

   Ansprüche

   1 .{Vorrichtung zum Anregen eines Fluid-IASER-MateriaIs,

   dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich gegenüberliegende Wände parallel zueinander angeordnet einen Fluidkanal für die Strömung des Fluid-IASER-Katerials zwischen den Wänden bilden,

   daß die Wände optisch bzw. lichtdurchlässige Abschnitte in Längsrichtung des Fluidkanals quer zur FluidstrSarong aufweisen,

   daß den lichtdurchlässigen Abschnitten der Wände ein Pumpmechanismus zur optischen Anregung des Fluid-IASER-MaterlaIs vom Pluidkanal wärmeisoliert benachbart ist, und

   daß eine Fördereinrichtung das Fluid-IASER-Material durch den Fluidkanal zwangsbewegt.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß der Pumpmechanismus von einer Kühlleitung umgeben ist und eine Isolation zum Isolieren der Kühlleitung vom Fluidkanal aufweist.

   ^. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässigen Wand-Abschnitte zur Vermeidung einer unerwünschten Fluid-IASER-Material-Anregung für ein bestimmtes optisches Spektrum undurchlässig sind.

   4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis ~5, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpmechanismus eine Zylinder-Blitzlichtlampe (44) und eine diese teilweise umgebende so angeordnete Reflektionsflache (3β) aufweist, daß Strahlung der Blitzlichtlampe (44) in den Fluidkanal gerichtet ist.

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   - li -

   5. Vorrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß ein lichtdurchlässiger Mantel (38) die Blitzlichtlampe (44) umgibt,und daß zu deren Kühlung ein Fluid in den Bereich zwischen dem Mantel (38) und der Blitzlichtlampe (44) geführt ist.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5.» gekennzeichnet durch eine Leitung (46) in Wärmekontakt mit der Reflektionsflache (36), durch die ein Kühlmittel geführt ist.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (46) für die Strömung des Kühlmittels mit dem Mantel (38) in Verbindung steht.

   8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Strömungseinrichtung zur Turbulenzverringerung im durch den Pluidkanal zwangsbewegten Fluid-ΙΑ SER -Ma t er ia 1 .

   9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

   die sich gegenüberliegenden Wände durch zwei parallel zueinander angeordnete zylindrische Rohre (28, 30) gebildet sind, wobei der Fluidkanal (Bereich 26) zwischen den sich gegenüberliegenden Wandteilen der Rohre (28, 30) längs deren wesentlicher Längsausdehnung gebildet ist, diese Wandteile längs des Fluidkanals lichtdurchlässig sind, und der Pumpmechanismus zumindest in einem der Rohrw (28, 30) angeordnet ist.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,daß die Rohre (28, 30) ein trockenes Gas enthalten.

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   11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch einen die Rohre (28, 30) enthaltenden Behälter (14) mit Kreisquerschnitt mit einem Einlaß und einem Auslaß, durch einen mit dem Einlaß verbundenen Einlaß-Verteiler (20) mit Kreisquerschnitt im Behälter (14) mit vom Fluidkanal abgewandten Öffnungen (21) zur Zufuhr des Fluid -IA SER -Mat er la Is in den Fluidkanal, und durch einen mit dem Auslaß verbundenen Auslaß-Verteiler (24) mit Kreisquerschnitt im Behälter (14) mit vom Fluidkanal abgewandten Öffnungen zur Aufnahme des Fluid-IASER-Materials vom Einlaß-Verteiler (20) durch den Fluidkanal.

   12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Staudruckeinrichtung stromab des Fluidkanals im Strömungsweg des Fluid-IASER-Materials zur Aufrecht haltung eines Druckgefälles, und durch ein Gitter (22) stromauf des Fluidkanale zur Turbulenzunterdrückung im Fluid-IASER-Material.

   15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

   daß zur Bildung eines IASER-Verstärkers

   im Behälter (14) zwei parallele Rohre (28, 30) angeordnet sind,

   in den Rohren (28, 30) je eine gerade zylindrische Blitzlichtlampe (44) nahe dem Fluidkanal angeordnet ist, die eine Bogenentladung enthalten und für die dabei erzeugte Strahlung durchlässig sind,

   je ein Kühl-Mantel (38) die beiden Blitzlichtlampen (44) umgibt und aus strahlungsdurehlässigem Merkstoff besteht,

   zwei Reflektionsflächen (^6) jeweils eine Blitzlichtlampe (44) einschließlich Kühl-Mantel (38) umgeben,

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   das lichtdurchlässige Kühlmittel durch die Kühl-Mäntel (38) und um die Blitzlichtlampen (44) geführt ist,

   Einlaß- und Alis laß-Verteiler (20, 24) geradlinig ausgeführt sind, und

   eine Strömungsumlenkeinrichtung (48) stromab des Fluidkanals und parallel zu ihm Strömungsturbulenz im Fluid-IASER-Material herabsetzt.

   14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines IASER-Verstärkers der Behälter (14) zur Bildung des Fluidkanals zwei strangförmige Glieder, die im Bereich sich gegenüberliegender Flächen nur für ein bestimmtes optisches Spektrum durchlässige Abschnitte aufweisen, um eine unerwünschte Anregung des Fluid-IASER-Materials im Fluidkanal zu vermeiden, und zwei Blitzlichtlampen nahe dem Fluidkanal enthält, und ein Strömungswiderstand stromab des Fluidkanals Strömungsturbulenz im Fluid-IASER-Material herabsetzt.

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