DE2848063A1

DE2848063A1 - Fluid-laser

Info

Publication number: DE2848063A1
Application number: DE19782848063
Authority: DE
Inventors: Richard G Morton
Original assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Current assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Priority date: 1977-11-17
Filing date: 1978-11-06
Publication date: 1979-05-23
Also published as: GB2008311A; NL7809708A; SE7810017L; IL55509A; ES475158A1; US4178565A; IT7869564A0; FR2409615A1; GB2008311B; AU4107678A; CA1109553A; JPS6315759B2; BE871037A; JPS5475997A; AU517597B2

Description

Jersey Nuclear-Avco Isotopes, Inc. Bellevue, Washington 98009* V.St.A.

Fluid-Laser

Die Erfindung betrifft einen Fluid-Laser und insbesondere Laser-Strömungskanäle, um vorzugsweise eine Erwärmung der Strömungskanalwände und die sich daraus ergebende Inhomogenität des Lasermediums zu verhindern.

Ein Flüssigfarbstoff-Laser wird gewöhnlich als Quelle einer Laseranregung oder -verstärkung bei Anwendungen der Laseranreicherung verwendet (vgl. z. B. US-PS 3 9^4 9**7). Bei derartigen Anwendungen liegen wenigstens drei Hauptziele für den Laseroszillator oder -verstärker vor, nämlich eine hohe Energie in jedem Laserimpuls, eine hohe Folgefrequenz und ein Ausgangsstrahl der Laserstrahlung von hoher optischer Qualität und geringer Divergenz. Bei diesen Anwendungen sind Ausgangsleistungen von einigen hundert W bei Impulsfrequenzen von einigen hundert Impulsen/s zusammen mit einem Ausgangsstrahl so nahe als möglich bei einer begrenzten Beugung oder Bre-

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chung gewünschte Ziele. Einer der wichtigen Fortschritte bei Lasersystemen zur Erreichung dieser Ziele war der Transversal-Pumplaser (vgl. US-PS 3 7²IO 665), bei dem die optische Achse quer zur Strömungsrichtung des strömenden Lasermaterials, wie insbesondere einer Flüssigfarbstoff-Lösung, verläuft. Dies erlaubt eine rasche Auffüllung des Farbstoffes in den Bereich der optischen Achse, um den verbrauchten Farbstoff zu ersetzen, wodurch Leistung und Folgefrequenz beide erhöht werden.

In einem gewissen Grad können Leistung und Folgefrequenz erhöht werden, indem der Pegel der auf die optische Achse einwirkenden Anregung und die Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Lasermaterials gesteigert werden. Eine zu große Erwärmung und ein Ausfall oder Durchbruch in den dynamischen Strömungseigenschaften des Fluids sind hier sowie eine Turbulenz aufgrund von Wärmeeffekten begrenzende Faktoren. Zusätzlich verschlechtert die durch die Temperaturänderung hervorgerufene Änderung der Brechungszahl durch das strömende Lasermaterial die Strahlqualität.

Eine Quelle für derartige Temperaturgradienten und Turbulenzen ist die Erwärmung der Strömungskanalwände stromauf des Laserbetriebsbereiches durch Absorption von Streufluoreszenz-Strahlung, die durch den Laserbetrieb des Flüssigfarbstoffes erzeugt wird. Für Strömungskanäle, in denen die Strömung stromauf der Laserzone nicht genau laminar ist, können die bei Bewegung der Flüssigkeit hinter der erwärmten Kanalwand erzeugten Temperatur- und zugeordneten Brechungszahl-Gradienten in der Laserzone während der folgenden Impulse auftreten. Dies verringert die Laser-Ausgangsenergie, was wiederum den Betrag der verfügbaren Fluoreszenz erhöht, um eine weitere Steigerung der

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Kanalwand-Erwärmung zu bewirken, wodurch die Laser-Ausgangssignale noch weiter herabgesetzt werden.

Die vorliegende Erfindung hat einen Flüssigfarbstoff-Laser mit einem Bereich, in dem ein durch den Laser strömendes Fluid anregbar ist, um im Laserbereich Laserstrahlung zu erzeugen. Eine laminare Strömung des Laserbetrieb-Fluids stromauf des Laserbereiches wird mittels Kanalwänden erhöht, die sowohl transparent für die Fluoreszenzstrahlung vom Laserbetrieb-Fluid als auch wärmeisolierend sind. Die Wirksamkeit dieser Wände stromauf des Laserbereiches kann erhöht werden, wenn ein Kühlfluid durchströmt.

Die Erfindung sieht also einen Fluid-Laser mit einem Strömungskanal zwischen einem Fluideinlaß und einem aktiven Laserbereich vor, der die Erwärmung des Mediums und sich daraus ergebende Störungen des Mediums verringert. Der Kanal hat eine dünne, optisch transparente, wärmeisolierende Schicht, die direkt an das Medium angrenzt. Die dünne Schicht bleibt auf einer metallischen Wärmesenke, die vorzugsweise gekühlt ist und von der aktiven Zone abgestrahlte Energie aufnimmt und abführt, wodurch verhindert wird, daß diese das Medium erwärmt. Durch die dünne isolierende Schicht kann die Wärmesenke kühler als das Medium sein, ohne Wärmeeffekte im Medium hervorzurufen. Das aufgrund einer derartigen Behandlung homogenere Medium trägt zu einer besseren Laserstrahlqualität bei.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt eines Transversal-Strömungs-Laser-Farbstoff-Kanales zur Erläuterung des Verfahrens, durch das eine Erwärmung von strom-

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auf gelegenen Wänden bei herkömmlichen Lasern aufgrund der Absorption der Streu-Fluoreszenz -Strahlung auftritt,

Fig. 2 einen Schnitt eines Lasers mit einem Aufbau nach der Erfindung, durch die eine derartige Erwärmung vermieden wird, und

Fig. 3 Kennlinien zur Erläuterung der Verbesserung der Ausgangsleistung aufgrund der Erfindung .

In flüssigen, organischen Farbstofflasern ist transversales Pumpen des Farbstoffes für einen Betrieb mit hoher Impuls-Folgefrequenz erforderlich. Ein derartiges Pumpen gewährleistet, daß für jeden folgenden Impuls ein frisches, optisch homogenes Lasermedium verfügbar ist. Optische Gradienten im Laserfarbstoff, die durch die Umsetzung in Wärmeenergie eines Teiles der Anregungsenergie erzeugt sind, werden dadurch aus dem Laserbereich vor dem nächsten Impuls genommen. Jedoch erzeugt der Laserbetrieb des Flüssigfarbstoffes kleine Beträge an Fluoreszenzenergie, die nicht aus dem System als Laserlicht gekoppelt sind. Diese Energie kann auf die Wand des Fluidkanales stromauf der Laserbereiche auftreffen und dadurch diese Wände erwärmen.

Dies kann anhand der Fig. 1 gesehen werden, die einen Querschnitt eines typisch transversal gepumpten Farbstofflaser-Strömungskanals zeigt. In Fig. 1 liegt ein Laserbereich 10 in der Strömung eines Flüssigfarbstoff-Laserbetrieb-Materials 12. Transparente Fenster Ik erlauben, daß der Laserbereich mittels Energie angeregt wird, die von einer äußeren Quelle, wie z. B. Blitz-

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lampen 11, eingeführt wird. Während der Periode des Laserbetriebs wird der größte Anteil der Energie im Laserbereich 10 aus dem System als kohärente Laserstrahlung auf einer Achse 13 quer zur Strömung der Farbstoff-Laser-Flüssigkeit 12 ausgekoppelt. Jedoch wird ein kleiner Betrag der Licht- oder Fluoreszenzenergie vom Laserbereich 10 in andere Richtungen gestrahlt. Wie schematisch durch Pfeile 16 angedeutet ist, kann ein Teil dieser Energie in einer Richtung stromauf des Laserbereiches 10 strahlen und auf stromauf gelegene Kanalwände 18 auftreffen. Wie oben erläutert wurde, bewirkt diese Streuverlustenergie eine steigende Temperatur der Kanalwände 18 und kann zu einer unerwünschten Erwärmung der Fluidströmung stromauf des Laserbereiches 10 führen.

Es hat sich gezeigt, daß das Problem der stromauf gelegenen Erwärmung der Strömungskanalwände wesentlich verringerbar ist, indem der Strömungskanal mit einem Material isoliert wird, das transparent gegenüber der Fluoreszenzstrahlung und wärmeisolierend ist. Dadurch kann die Fluoreszenzstrahlung durch das transparente Material verlaufen, um an einer kühleren Wärmesenke hinter dem transparenten Material absorbiert zu werden. Aufgrund des wärmeisolierenden Materials zwischen der Oberfläche der Wärmesenke und dem Laserbetrieb-Medium muß die Temperatur der Wärmesenke nicht weiter kritisch an die Temperatur des Flüssigfarbstoff-Laserbetrieb-Materials angepaßt werden.

In Fig. 2 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In Fig. 2 ist ein transversal gepumpter, Flüssigfarbstoff-Laser ähnlich dem Laser der Fig. 1 gezeigt, der eine Strömung eines Flüssigfarbstoff-Laserbetrieb-Materials 12 durch einen Laserbereich 10 zwischen transparenten Fenstern 14 aufweist. Die stromauf gelegenen Wände 18 des Strömungskanales sind auf die folgende Weise aufgebaut. Neben und in Berührung

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mit dem durch den Kanal strömenden Flüssigfarbstoff-Laserbetrieb-Material besteht eine Kanalwand 24 aus einem Material, das bei Frequenzen, bei denen die Fluoreszenzstrahlung 16 durch den Flüssigfarbstoff-Laser erzeugt wird-, transparent oder lichtdurchlässig ist. Vorteilhafte Dicken betragen 0,5 mm. Zusätzlich zur Durchlässigkeit gegenüber der Fluoreszenzstrahlung ist es vorteilhaft, daß die Kanalwände 24 wärmeisolierend sind. Geeignete Materialien sind verschiedene Kunststoffe einschließlich Teflon und Glas.

Unmittelbar hinter der transparenten Wand 24 liegt eine Wärmesenke 26 zum Absorbieren der Fluoreszenz-Strahlung und zum Abführen der durch diese Absorption hervorgerufenen Wärme. Die Wirksamkeit der Wärmesenke 26 kann erhöht werden, indem ein Kühlfluid durch öffnungen 28 gepumpt wird, die durch die Wärmesenke 26 verlaufen.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, verläuft die durch den Laserbetrieb im Laserbereich 10 erzeugte Fluoreszenzstrahlung 16 durch die transparenten Kanalwände 24 und trifft auf die Wärmesenke 26 auf, wo sie in Wärmeenergie umgesetzt wird. Diese Energie wird durch die Wärmesenke und ggf. durch das durch die Kühlöffnungen 28 strömende Kühlfluid abgeführt. Aufgrund der wärmeisolierenden Eigenschaften der transparenten Kanalwand 24 muß die Temperatur der Wärmesenke 26 und des durch die Kühlöffnungen 28 strömenden Kühlfluids nicht genau gesteuert werden. Wenn die Wärmesenke 26 in direktem Wärmekontakt mit dem Flüssigfarbstoff-Laserbetrieb-Material 12 ist, erzeugt jede Temperaturdifferenz, dazwischen einen unerwünschten Wärmegradienten im Flüssigfarbstoff-Material. Es sei darauf hingewiesen, daß die Oberfläche der Isolierwand 24 und die Verbindung zwischen der Strömungskanalwand 24 und den Glasbereichen 14 so glatt und kontinuierlich als möglich sein sollte, um die Erzeugung einer Turbulenz

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zu vermeiden. Auch ist eine langsam konvergierende Kanalbreite vorteilhaft.

In Fig. 3 ist ein Diagramm dargestellt, das die Wirksamkeit der Erfindung zeigt. In diesem Diagramm ist auf der Y-Achse 3^ die relative Laserausgangsleistung und auf der X-Achse 36 die Zeit aufgetragen. Im Zeitpunkt T=O wird der Laserbetrieb im Laserbereich 10 eingeleitet. Eine Kurve 38 in Fig. 3 zeigt die relative Laserausgangsleistung, die mit dem in Fig. 1 gezeigten Strömungskanalaufbau erzeugt wird. Wie zu sehen ist, fällt die Laserausgangsleistung rasch von einem anfänglichen Spitzenwert auf einen viel geringeren Wert ab, der Leistungsverluste aufgrund von Wärmeeffekten andeutet. Eine Kurve 40 zeigt die relative Laserausgangsleistung, die durch einen transversal gepumpten Laser mit der Erfindung nach Fig. 2 erzeugt wird, bei dem die Kanalwände mit einem klaren Kunststoffisolator mit einer Dicke von 0,051 cm (0,020 in) ausgekleidet sind. Es ist zu sehen, daß die Laserausgangsleistung einen höheren Anfangspegel erreicht und viel langsamer als bei der Kurve 38 abfällt.

Das oben erläuterte System zur Erhöhung der von einem transversal gepumpten Fluid-Farbstoff-Laser verfügbaren Leistung kann auch mit Abwandlungen des speziell beschriebenen Aufbaues erzielt werden.

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eerseite

Claims

Ansprüche

einem Kanal, durch den eine Strömung eines laseranregbaren Fluids führt,

einer Einrichtung zum Anregen des laseranregbaren Fluids im Kanal, um eine Laserstrahlung einschließlich einer Fluoreszenzstrahlung in einem Bereich des Kanales zu erzeugen, und

eine Leitung für die Strömung des Fluids stromauf des Kanales,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Leitung aufweist:

wenigstens einen gekühlten Wandteil (18), und

eine Isoliereinrichtung (24) zum Wärmeisolieren des Wandteiles (18) von der Strömung (12) in der Leitung,

wobei die Isoliereinrichtung (24) für die Fluoreszenzstrahlung durchlässig ist, so daß die Fluoreszenzstrahlung durch die Isoliereinrichtung (24) zu den gekühlten Wandteilen (18) verläuft, um eine Erwärmung der Strömung (12) in der Leitung zu vermeiden.

2. Fluid-Laser nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Laserbereich (10) sich transversal zur Strömungsrichtung erstreckt.

052-(JNA 99)-KoE

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3. Flüssigfarbstoff-Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Wandteil (18) Mittel (28) zum Leiten eines Kühlfluids aufweist.

4. Fluid-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Isoliereinrichtung (24) wenigstens teilweise aus Glas besteht.

5. Fluid-Laser nach Anspruch 1, dadur ch geke nn ζ e i chne t,

daß die Isoliereinrichtung (24) wenigstens teilweise aus Kunststoff besteht, der für die Fluoreszenzstrahlung durchlässig ist.

6. Fluid-Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliereinrichtung (24) aus Teflon besteht.

7. Flüssigfarbstoff-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Kanal festlegende Einrichtung aufweist: wenigstens einen optisch durchlässigen Bereich (14),

Mittel (11) zum Einwirken optischer Anregung auf den

Laserbereich (10) hindurch.

8. Flüssigfarbstoff-Laser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß der optisch durchlässige Bereich (14) und die Isoliereinrichtung (24) nebeneinander liegen und zusammenwirken, um zwischen dem Kanal und der Leitung einen übergang zu bilden, wobei die Grenze neben der Fluidströmung zwischen dem

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optisch durchlässigen Bereich (14) und der Isoliereinrichtung (24) eine an den Kanal grenzende Fläche aufweist, die glatt und kontinuierlich ist, um keine Turbulenz in der Fluidströmung hervorzurufen.

9. Verfahren zum Erzeugen von Laserstrahlung, mit

Leiten einer Strömung eines laseranregbaren Fluids durch einen Strömungskanal,

Festlegen eines Laserbereiches im Kanal,

Erzeugen einer Laserstrahlung einschließlich einer Fluoreszenz in einem Bereich des Kanales,

gekennzeichnet durch

Absorbieren von Fluoreszenzenergie in einem Bereich der Fluidströmung stromauf des Kanales, und

Wärmeisolieren der Fluidströmung von dem Bereich der Fluoreszenzabsorption.

10. Verfahren nach Anspruch 9_S
dadurch gekennzeichnet,

daß sich der Laserbereich (10) transversal zur Strömung erstreckt.

11. Verfahren nach Anspruch 10,
gekennzeichnet durch

Kühlen des Bereiches der Fluoreszenzabsorption.

12. Verfahren nach Anspruch 9,
gekennzeichnet durch

Strömen eines Kühlfluids hinter dem Absorptionsbereich.

13. Verfahren nach Anspruch 9»
dadurch gekennzeichnet,

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daß das Isolieren ein Verhindern der Wärmeströmung zwischen der Strömung und dem Bereich mit Isolation aufweist.

lh. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Isolation Glas verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,

daß für die Isolation Kunststoff verwendet wird, der für die Fluoreszenzstrahlung durchlässig ist.

16. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,

daß für die Isolation Teflon verwendet wird.

17. Fluid-Laser-Zelle, mit

einem Kanal, durch den ein laseranregbares Fluid strömt, einer Einrichtung zum Anregen des laseranregbaren Fluids im Kanal, um eine Laserstrahlung einschließlich einer Fluoreszenzstrahlung in einem Bereich des Kanales zu erzeugen, und einer Leitung für die Strömung des Fluids stromauf des Kanales,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Leitung aufweist:

wenigstens einen gekühlten Wandteil (18),

eine Isoliereinrichtung (2k) zum Wärmeisolieren des Wandteiles (18) von der Strömung in der Leitung,

wobei die Isoliereinrichtung (24) für die Fluoreszenzstrahlung durchlässig ist, so daß die Fluoreszenzstrahlung durch die Isoliereinrichtung (24) zu der gekühlten Wand (18) verläuft, um eine Erwärmung der Strömung in der Leitung zu verhindern.

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