DE3523926A1

DE3523926A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben eines elektrisch angeregten gaslasers

Info

Publication number: DE3523926A1
Application number: DE19853523926
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Phys Prein; Heinrich Karning
Original assignee: Eltro GmbH and Co
Current assignee: Hensoldt Optronics GmbH
Priority date: 1985-07-04
Filing date: 1985-07-04
Publication date: 1987-01-15
Also published as: GB8614491D0; GB2177538A; FR2584541A1; GB2177538B; FR2584541B1; DE3523926C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angeregten Gaslasers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art enthält die DE-OS 31 48 570. Hier werden insbesondere für extreme Temperaturen und in Abhängigkeit von hohen Gasdrücken oberflächen- und gasspezifische Maßnahmen vorgeschlagen, die eine stabile Laserfunktion und damit eine lange Lebensdauer gewährleisten. Soll nun ein solcher Laser auch mit hoher Energie- und Leistungsdichte - das ist das Verhältnis von Pumpenergie und -leistung zu Gasvolumen - und großer Gasdissoziation betrieben werden, wobei höhere Pulsfolgen erschwerend hinzukommen, reichen die bekannten Maßnahmen nicht aus. Größere Bauformen und eher gegensätzliche, daß heißt niedrige Energie- und Leistungsdichten sowie Pulsfolgefrequenzen wären die Folge.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Gaslasern hoher Energiedichte, die mit einem Katalysator ausgerüstet sind, einmal dessen Reaktion zu verbessern und zum anderen die Übersättigung seiner Oberfläche mit unerwünschten Molekülen zu verhindern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Mit einem Laser dieser Art lassen sich kompakte Bauformen erzielen, die sowohl für extreme Temperaturen und Temperaturschwankungen bezüglich Verlustwärme und Umwelttemperatur als auch für hohe Leistungs- und Energiedichten, Gasdissoziationen und Pulsfolgefrequenzen geeignet sind, so daß sich letztlich auch hier wieder eine stabile Funktion in den elektrischen Entladungseigenschaften, der mittleren Leistung, im Wirkungsgrad, der Pulsform, der Wellenlänge und - bei Pulslasern - der Pulsspitzenleistung und Reproduzierbarkeit ergibt.

Die Unteransprüche sehen Weiterbildungen der Erfindung vor.

Bei hohem Stoffumsatz, gemeint ist die Rückbildung von Dissoziationsprodukten pro Zeit, sowie eventuell auch niederer Temperatur und störenden Gasbeimischungen begrenzen folgende Eigenschaften die Anwendbarkeit von Katalysatoren:

An einem Katalysator werden bevorzugt, z. B. bie CO₂-Lasern, die Dissoziationsprodukte und Folgeprodukte, wie CO-, H₂-, NO- oder NO₂-Moleküle, angelagert. Dies geschieht meist wesentlich schneller als z. B. bei O₂-Molekülen. Ist nun das Verhältnis der Katalysatoroberfläche zu den anfallenden Dissoziationsprodukten, vor allem z. B. CO, zu klein, wobei niedere Temperaturen und Gasbeimischungen (Verschmutzungen) noch in besonderem Maße hinderlich wirken, so kommt es zu einem Sättigungseffekt oder - bildlich ausgedrückt - einer Blockade der aktiven Katalysatoroberfläche. Die Folge hiervon ist, daß die Zeit für die eigentlichen Reaktionen von CO + O → CO₂, NO₂ → N + O₂ usw. zunimmt und damit der Katalysator wesentlich an Effektivität verliert.

Kann nun weder die aktive Katalysatoroberfläche hinreichend vergrößert werden, worunter aber wieder die Kompaktheit leidet, noch die Temperatur erhöht werden, so steigt die Konzentration einiger weniger anlagernder Dissoziationsprodukte, wie z. B. von O₂, O₃, N₂O, stark an und die elektrische Entladung entartet z. B. zu einer Funkenentladung mit noch höherer Dissoziation. Gleichzeitig kommt es aufgrund der Zunahme der O₂-Konzentration zur Oxidbildung an Oberflächen des Laserinneren. Bei dieserart plasmachemischen Vorgängen können sogar Veränderungen der Katalysatoroberflächen beobachtet werden. Eine irreversible Zerstörung des Lasergases, des Katalysators, der Elektroden und der Laserspiegel kann die Folge sein.

Um diese Schäden abzuwenden, können die Katalysatoroberflächen oder auch nur einzelne Moleküle, wie z. B. das O₂-Molekül, mit Hilfe von Strahlung so aktiviert werden, daß der Vorgang der Anlagerung an den Zentren hoher Effektivität spezifischer und wesentlich schneller abläuft. Dies läßt sich entweder ohne Abschattung durch direkte Bestrahlung oder aber über optische Verbindungsmittel bewirken. Als Strahlungsquelle kommt grundsätzlich das Strahlungsfeld der Entladung oder eines Teils der Laserstrahlung oder der Sekundärwirkung der Laserstrahlung in Frage; bei pulsförmiger Entladung, z. B. eines TE-Lasers, kann es die zur Vorionisation des Gases vor der Hauptentladung durchgeführte Entladung sein. Auch zusätzlich eingebaute Strahlungsquellen oder indirekte Mittel zur Erzeugung von Strahlung, wie Blitzlampen, Funkenstrecken, Oberflächenentladungen, radioaktive Strahler, Glimmentladungen, Photodissoziationen an Oberflächen (z. B. Metallen) oder Elektrolumineszenz sind denkbar, wobei die laserspezifischen oder zusätzlichen Strahlungsquellen bedarfsweise auch mit Hilfsmitteln zur Wellenlängenänderung und/oder -selektion, z. B. entsprechenden Gläsern, Fluoreszenzmitteln, Filtern, Frequenzumformungsmitteln, wie nichtlinearen Kristallen oder Ramanzellen usw. versehen sein können. Die Wellenlängen können durch die Auswahl der Materialien (Emissionsspektren der Materialien) optimiert werden, wie dies besonders bei den genannten indirekten Mitteln der Fall ist.

Es hat sich sodann gezeigt, daß aus dem Absorptionsspektrum des O₂- Moleküls die Bereiche um 1200 Å bzw. 120 nm, von 1300-1700 Åbzw. 130-170 nm und um 1850 Å bzw. 185 nm in besonderer Weise zur Aktivierung geeignet sind; bei einem Pt-Katalysator auf Keramik z. B. auch noch derjenige um 6300 Å bzw. 630 nm.

Diese Maßnahmen können besonders effektiv realisiert werden, indem man den Katalysator und/oder Teile des Gases, z. B. in Gasführungskanälen, mit den Strahlungsmitteln, inklusive den zur Wellenlängenänderung oder -selektion vorgesehenen Vorrichtungen und zusätzlich verwendeten optischen Mitteln, verbindet, d. h. eine Integration aller dieser Komponenten durchführt. Die Bauform könnte z. B. vorteilhaft als Schichtenaufbau (sandwich) ausgeführt werden.

Läßt sich die Katalysatoroberfläche geometrisch vergrößern, daß heißt eine hinreichend große Bauform konzipieren, so kann für sich oder in Kombination mit der vorstehend beschriebenen Aktivierung durch Bestrahlung eine ausgewogene Behinderung der Umströmung der Katalysatoroberfläche, z. B. mit CO, O₂, eine Übersättigung dieser Katalysatoroberfläche verhindert werden. Abhängig vom Anfall der Dissoziationsprodukte und der Temperatur wird - evtl. steuerbar - durch Strömungskanäle und/oder zusätzliche teildurchlässige Wände (Membranen), poröse Flächen und/oder Filter und/oder adsorbierende Oberflächen und/oder einen gegebenenfalls steuerbaren Bypass die Anlagerungsgeschwindigkeit beeinflußt. Dadurch können z. B. CO-Moleküle relativ zu O₂-Molekülen im Anlagerungsverhalten so verlangsamt werden, daß beide Moleküle etwa in stöchiometrischem Verhältnis, das heißt chemisch ausgeglichen, an der Katalysatoroberfläche angelagert werden. Die Aufteilung des Gasstromes durch einen Bypass empfiehlt sich bei Lasern mit einer passiven oder aktiven, d. h. selbstätigen oder erzwungenen, Gasumwälzung, wobei eine entsprechende Einstellung bzw. Dimensionierung der Umströmung keine Übersättigung des Katalysators zuläßt.

Für sich genommen oder in Kombination mit der Bestrahlungs- und/oder der "geometrischen Methode" der vorstehend beschriebenen Art läßt sich gemäß der in Rede stehenden Erfindung auch noch eine Aktivierung der Bereiche oder Zentren hoher Katalysatoreffektivität durch stützende Maßnahmen erzielen. Man baut für diesen Fall den Katalysator so auf, daß an seinen Oberflächen neben den katalytisch wirksamen Bereichen, z. B. bestehend aus Edelmetall auf Keramik, die z. B. nur einige Prozent der Gesamtoberfläche ausmachen, spezifisch auf die wenig anlagernden Atome oder Moleküle, z. B. O₂-Moleküle, wirkende Beimischungen eingebracht sind. Letztere bestehen vorwiegend aus (Edel-) Metallen oder Metalloxiden, wie z. B. V₂ O₅ oder Os O₄. Diese Beimischungen lassen sich auch durch Zugabe von Molekülen zum Lasergas, z. B. Cs oder Th, erzeugen, bzw. in ihren Funktionen verbessern. Hierzu bedarf es spezieller Prozesse zur Konditionierung. Das sind Verfahren, bei denen durch chemische Vorbehandlung bestimmte Zustände der Oberflächen eingestellt und durch thermische Zyklen in Verbindung mit Vakuum und bestimmten Gasdrücken und -mischungen stabilisiert und aktiviert werden. Hierzu können z. B. Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Durch die atomare Nachbarschaft der umzuwandelnden Moleküle werden die gewünschten katalytischen Reaktionen, z. B. CO + O → CO₂, gefördert. Durch Anregung und Anlagerung - Adsorption, evtl. Chemisorption - der wenig anlagernden Atome der Moleküle, z. B. O₂-Moleküle, ergibt sich ein für die nachfolgende Reaktion mit dem CO-Molekül günstiger Energiezustand, eine Art Prädissoziation (= energetischer Zustand nahe der Dissoziationsgrenze) oder sterischer Zustand (= geometrische Lage vor und während der Reaktion), von dem aus dann die katalytische Umwandlung direkt und wesentlich schneller ablaufen kann.

Natürlich wäre auch denkbar, solche zusätzlich eingebrachte Bereiche oder Zentren indirekt, über für diesen Zweck besonders angelagerte Moleküle, erzeugen und aktivieren zu lassen. So können z. B. angelagerte Kohlenwasserstoff- Moleküle die Adsorption und Reaktion des O₂-Moleküls entsprechend beeinflussen.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines elektrisch angeregten Gaslasers oder Laserverstärkers mit einem abgeschlossenen Gehäuse, mit Spannungszufuhr sowie mit einem Katalysatorsystem zur Herstellung und Erhaltung des chemischen Gasgleichgewichts, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Katalysatoroberflächen und/oder schlecht anlagernde Moleküle mit Strahlung beaufschlagt werden und/oder
b) die Gasumströmung der Katalysatoroberflächen geregelt oder eingestellt wird und/oder
c) in die Katalysatoroberflächen außer den katalytisch wirksamen, der Gasregenerierung dienenden Bereichen weitere, die katalytische Umsetzung nur unterstützende, sie jedoch selbst nicht bewirkende Beimischungen eingebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß O₂-spezifische Beimischungen verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Beimischungen Metalle, Edelmetalle oder Metalloxide, z. B. V₂O₅ oder OsO₄, verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beimischungen durch Zugabe von spezifischen Molekülen, z. B. Kohlenwasserstoffen, Caesium oder Thorium, zusätzlich aktiviert und stabilisiert werden.

5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlung des Absorptionsspektrums des O₂-Moleküls, z. B. die Bereiche um 1200 Å, von 1300-1700 Å und um 1850 Å, verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pt-Katalysator auf Keramik mit Strahlung des Bereichs um 6300 Å aktiviert wird.

7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoroberflächen bzw. die umzusetzenden Atome oder Moleküle durch das Strahlungsfeld der elektrischen Entladung, das Strahlungsfeld der Vorionisation, die Strahlung des Lasers, durch Sekundärwirkungen der Laserstrahlung oder durch zusätzlich vorgesehene Strahlungsquellen direkt oder über optische Mittel indirekt mit Strahlung beaufschlagt werden.

8. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasumströmung, die erzwungen oder selbsttätig erfolgt, mit Strömungskanälen, porösen Flächen, Membranen, Filtern, absorbierenden Oberflächen oder einem steuerbaren Bypass eingestellt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorausgehenden Ansprüche, deren Gehäuse mit einem eine Spannungszufuhr und einen Katalysator aufweisenden Resonatorraum versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoroberflächen bzw. die umzusetzenden Atome oder Moleküle entweder ohne Abschattung direkt im Strahlungsfeld der Entladung, der Vorionisation, der Strahlung des Lasers oder der Sekundärwirkung der Laserstrahlung oder zusätzlich vorgesehener Strahlungsquellen angeordnet oder über optische Mittel mit demselben verbunden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator und/oder Gasführungskanäle mit den Strahlungsquellen und zusätzlich verwendeten optischen Mitteln, z. B. nach Sandwichart, verbunden(intergriert)sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch wirksamen Zentren oder Bereiche und die die Katalyse unterstützenden Beimischungen jeweils für sich alleine nicht die gesamte Katalysatoroberfläche umfassen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die die katalytische Umsetzung unterstützenden Beimischungen O₂-spezifisch sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Beimischungen aus Metallen, Edelmetallen oder Metalloxiden, z. B. V₂ O₅ oder Os O₄, bestehen, die bedarfsweise zusätzlich durch Zumischungen, wie z. B. Kohlenwasserstoffe, Caesium oder Thorium, aktiviert sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Strahlungsquelle eine Blitzlampe, eine Funkenstrecke, eine Oberflächenentladung, eine Photodissoziation an Oberflächen, eine Elektrolumineszenz, ein radioaktiver Strahler oder eine Glimmentladung vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen mit Hilfsmitteln zur Wellenlängenänderung und/oder -selektion, z. B. entsprechenden Gläsern, Filtern, Frequenzumform- oder Fluoreszenzmitteln, versehen sind.