DE2900675C3

DE2900675C3 - Kohlendioxidlaser

Info

Publication number: DE2900675C3
Application number: DE19792900675
Authority: DE
Inventors: Peter 7000 Stuttgart Hoffmann
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5300 Bonn; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1979-01-10
Filing date: 1979-01-10
Publication date: 1981-09-17
Also published as: DE2900675B2; DE2900675A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kohlendioxidlaser mit einem zwei Spiegel umfassenden Resonator, in dem sich angeregtes Kohlendioxid sowie ein gegenüber diesem abgegrenztes Volumen mit Kohlendioxid erhöhter Temperatur befindet.

Bei der Übertragung von Strahlungsenergie über größere Entfernungen mit Hilfe von Kohlendioxidlasern wird der Verhältnis zwischen ankommender Energie zu ausgesandter Energie u. a. dadurch begrenzt, daß ein Teil der Strahlung durch die Kohlendioxidmoleküle in der Atmosphäre absorbiert wird.

Es ist bekannt, daß sich mit Hilfe von erhitztem Kohlendioxid, das sich in einer Zelle innerhalb des optischen Laserresonators befindet, der Schwingungsübergang im Kohlendioxid verändern läßt, so daß die Laserstrahlung leicht in der Wellenlänge verschoben ist und von dem kalten Kohlendioxid der Luft nicht mehr absorbiert werden kann. Durch Absorption werden in dieser Zelle alle Vibrationsübergänge, die vom -Schwingungsniveau oder einem niedrigeren Niveau des CO2-Moleküls ausgehen, unterdrückt. Bei genügend hoher Anregungsenergie werden dann Übergänge von höheren Niveaus aus begünstigt, die zu der Aussendung einer ein wenig verschobenen Wellenlänge (Sequenzbande) führen.

Die Aiissendung derart frequenzverschobener Strahlung konnte bisher nur mit Lasern von sehr kleiner Daiierleistung im Wattbereich oder mit im ns-Bereich gepulsten Lasern durchgeführt werden (J. Appl. Phys. 48, 1977. S. 2712-2717 bzw. Opt. Lett. 2. 1978, S. 16-18). Rei diesen Vorrichtungen bestand der Gesamtaufbau aus getrennten Einheiten, nämlich mindestens einem Laserrohr mit zwei Fenstern, in dem Kohlendi oxid angeregt wird, einer Gaszelle mit zwei Fenstern, in welcher sich das erhitzte Kohlendioxid zur Unterdiük-ϊ kung des normalen Schwingungsüberganges befindet, sowie dem Resonator, bestehend aus zwei ebenfalls getrennten Spiegeln oder Reflexionsgittern. Mit derartigen Abordnungen erhält man nur sohr geringe Laserleitungen in den verschobenen Wellenlängen, zum

i" einen deshalb, weil mit einer Laserröhre r.ur geringe Strahlungsdauerleistungen erzielbar sind, und zum anderen, weil die Vielzahl der Fenster eine hohe Gesamtverstärkung im Resonator verhindert.

Es sind darüber hinaus gasdynamische und chemisch

'■' angeregte CCh-Laser mit einem schnellen Gasstrom quer zur Laserachse bekannt, bei denen durch die Kombination eines Laseroszillators und eines Verstärkers eine erhöhte Laserleistung bei verbesserter Charakteristik der Laserstrahlung erreicht werden kann (Optics and Laser Technology, Juni 1972, S. 124 bis 128). Diese Laseranordnungen sind jedoch nur zur Erzeugung einer unverschobenen Laserstrahlung geeignet. Dasselbe gilt für eine Laseranordnung, bei welcher innerhalb eines Resonators eine Absorptionszelle und

2". ein vom angeregten Kohlendioxid durchströmter Kanal angeordnet ist (Applied Physics Letters, Bd. 29 (1976). Nr. 6, S. 360 bis 362). Bei dieser Anordnung dient die Absorptionszelle der Unterdrückung eines möglichen Laserübergangs, nicht dagegen einer Verschiebung der

in Wellenlänge der Laserstrahlung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kohlendioxidlaser mit einer Wellenlängenverschiebung der beschriebenen Art derart zu verbessern, daß Ausgangsleistungen von mehr als 100 W für längere Zeiten als

r> 1 ms erreichbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Kohlendioxidlaser der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.

tu Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruche^.

Es ist ein besonderer Vorteil dieser Anordnung, daß durch den zweiten Kanal laufend neues Absorbergas zugeführt wird, so daß sich das Absorbergas nicht

•f' erschöpfen kann, d. h. die Absorptionsfähigkeit des laufend neu nachgelieferten Absorbergases bleibt auch bei Hochleistungsbetrieb erhalten.

Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß das angeregte CXVGas im ersten Kanal und das

'*> erhitzte CO-2-Gas im zweiten Kanal bei dieser Anordnung aus derselben Gasquelle stammen können. Bei gasdynamischen Lasern der beschriebenen Bauart wird derart vorgegangen, daß ein unter relativ hohem Druck stehendes CO₂-GaS in einer Überschalldüse

~>^r> entspannt und auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird. Dieses Gas strömt durch den ersten Kanal und wird in diesem durch verschiedene Mechanismen angeregt, d. h. in einen Inversionszustand gebracht, so daß die Ausstrahlung von Laserstrahlung möglich ist.

W) Bei der Entspannung in der Überschalldüse kühlt sich das Cas in erheblichem Maße ab.

Wenn man gleichzeitig einen Teil des Gases aus der Gasquelle ohne Entspannung oder mit geringerer Entspannung in den /weiten Kanal einleitet, erhält

^ dieses Gas eine höhere Temperatur, d. h. es ist gegenüber dem l.asergas »erhitzt«. Es ist auf diese Weise möglich, das Absorbergas direkt von dem Ciasstrom abzuzweigen, der auch das angeregte

Lasergas bildet. Darüber hinaus kann auch der physikalische Zustand des Absorbergases eingestellt werden, in dem man dessen Entspannung so wählt, daß sich die gewünschte Temperatur des Absorbergasstromes einstellt.

Man erhält mit einem solchen Aufbau eine besonders einfache Konstruktion, die im Betrieb keinerlei Schwierigkeiten bereitet, da eine Quelle für das COj-Gas zur Erzeugung des angeregten Gases sowieso vorhanden ist.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Diese zeigt eine bevorzugte A'jsführungsform eines Kohlendioxidlasers mit verschobener Emission.

Ein Kanal 40 mit zwei Seitenwänden 41, 42 wird durch eine parallel zu den Seitenwänden verlaufende Trennwand 43 in zwei Teilkanäle, den ersten Kanal 44 und den zweiten Kanal 45 unterteilt. Im ersten Kanal 44 befindet sich angeregtes Kohlendioxidgas, im zweiten Kanal 45 erhitztes Kohlendioxidgas. In die Seitenwand 41 sind ein total reflektierender Laserspiege¹ 46 sowie ein total reflektierender Umlenkspiegel 47 eingesetzt, in die Seitenwand 42 in Höhe des total reflektierenden Laserspiegels 46 ein gegebenenfalls teildurchlässiger Umlenkspiegel 48 und in Höhe des Umlenkspiegels 47 ein teildurchlässiger Laserspiegel 49. Ferner weist die Trennwand 43 ein für die Laserstrahlung durchlässiges Fenster 50 auf, das sich — wie in der Zeichnung dargestellt — über den mit den Laser- und Umlenkspiegeln versehenen Bereich des Kanals erstreckt. Das Fenster 50 kann auch aus mehreren Einzelfenstern bestehen, die derart angeordnet sind, daß ein Durchtritt der zwischen den Spiegeln laufenden Strahlung ermöglicht wird.

Im Betrieb ist der erste Kanal 44 von einem angeregten Kohlendioxidgas durchströmt, welches eine Schwingungsenergie aufweist, die einer Temperatur von mindestens 2470 K entspricht. Die Anregung des CCh-Gas kann beispielsweise durch innige Vermischung mit angeregtem, molekularem Stickstoff erfolgen, der bei einer oberhalb der Dissoziationstemperatur des CO2 liegenden Temperatur angeregt, anschließend rasch abgekühlt und mit dem CO2-Gas vermischt wird, wie dies bei herkömmlichen N₂-COrMischungslasern bekannt ist.

Die in dem mit angeregtem Kohlendioxidgas gefüllten, ersten Kanal 44 erzeugte Strahlung tritt durch , das Fenster 50 in den mit erhitztem Kohlendioxid gefüllten, zweiten Teilkanal 45 ein, wird dort vom Umlenkspiegel 48 entweder vollständig oder im Falle eines teildurchlässigen Spiegels teilweise durch das Fenster 50 auf den Umlenkspiegel 47 im ersten Kanal 44

ι., geleitet, der die Strahlung wieder zurück durch das Fenster 50 auf den teildurchlassigen Laserspiegel 49 lenkt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Umlenkspiegel 47 und 48 vorgesehen, es ist jedoch möglich, eine größere Anzahl von Umlenkspiegeln zu . verwenden, so daß der Strahl öfter vom ersten in den zweiten und umgekehrt vom zweiten in den ersten Teilkanal gelenkt wird.

Wenn teildurchlässige Umlenkspiegel verwendet werden, dann kann ein Teil der Strahlung an diesen aus

.'Μ dem Kanal austreten; dies ist durch den gestrichelten Pfeil beim Umlenkspiegel 48 angedeutet.

In dem aktiven Lasermedium wird ein^ Laseremission induziert, die nicht die übliche Wellenlänge aufweist, sondern eine dieser gegenüber leicht verschobene, da

-·'. die mit der üblichen Wellenlänge emittierte Strahlung beim Durchtritt durch den zweiten Kanal 45 weitgehend absorbiert wird.

Es wird daher ein Anschwingen des Resonators für die normale CG>Sirahlung unterbunden, so daß

in lediglich die Emission der frequenzmäßig leicht verschobenen Strahlung erfolgt.

Es ergibt sich der Vorteil, daß die Querabmessungen des zweiten Kanals 45 sehr klein gewählt werden können, so daß diese Laseranordnung besonders

<■· kompakt ist.

Die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen ermöglichen die Erzeugung einer Laserstrahlung hoher Leistung über längere Zeiträume, deren Frequenz gegenüber der normalen Laseremission leicht vtrscho-

■'<> ben ist. Diese Strahlung wird beim Durchgang durch die Atmosphäre von dem kalten CO; nicht absorbiert, da die entsprechenden Zustände bei normalen Temperaturen nicht besetzt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kohlendioxidlaser mit einem zwei Spiegel umfassenden Resonator, in dem sich angeregtes Kohlendioxid sowie ein gegenüber diesem abgegrenztes Volumen mit Kohlendioxid erhöhter Temperatur befindet, gekennzeichnet durch einen von angeregtem Kohlendioxid durchströmten, ersten Kanal (44), der von dem Laserlicht senkrecht oder unter einem Winkel zwischen 45 und 90° zur Strömungsrichtung durchstrahlt wird, sowie einen neben dem ersten Kanal (44) angeordneten, von Kohlendioxid erhöhter Temperatur durchströmten zweiten Kanal (45), wobei beide Kanäle durch eine mit einem für die Strahlung durchlässigen Fenster (50) versehene Trennwand (43) voneinander getrennt sind.

2. Kohlendioxidlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seitenwand (41) des ersten Kanals (44; einen total reflektierenden Laserspiegel

(46) und mindestens einen gegenüber dem Laserspiegel (46) versetzt angeordneten Umlenkspiegel

(47) und eine Seitenwand (42) des zweiten Kanals (45) einen teilreflektierenden Laserspiegel (49) sowie mindestens einen diesem gegenüber versetzt angeordneten, gegebenenfalls teildurchlässigen Umlenkspiegel (48) tragen, wobei die Spiegel (46,47,48, 49) und das Fenster (50) derart angeordnet sind, daß die im ersten Kanal (44) entstehende Strahlung die beiden Kp.näle (44, 45) nacheinander mehrfach durchläuft, bevor sie durch den teildurchlässigen Lüserspiegel (49) ausl.itt.