DE3782426T2 - Repetitive gepulste raman-zelle, deren gaszirkulation durch ein vibrierendes blatt unterhalten wird. - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung einer thermischen Homogenität eines Gasmediums, insbesondere zur Verhinderung optischer Verzerrungen in Druckgas- Raman-Zellen.
• Obwohl die vorliegende Erfindung eine besondere Anwendung bei Druckgas-Raman-Zellen findet, ist es offensichtlich, daß sie grundsätzlich bei Vorrichtungen anwendbar ist, bei denen eine ungleichmäßige Heizung des Gases zu optischer Verzerrung führt. Im besonderen führt der Raman-Streuprozeß Wärme in ein unter Druck stehendes gasförmiges Medium durch Vibrationsanregung der Gasmoleküle durch einen Laserstrahl ein. Die Vibrationsenergie, die auf einzelne Gasmoleküle übertragen wird, setzt sich schnell in thermische Energie um, wodurch sich eine lokale Erwärmung des Gases ergibt. In einem statischen (nicht fließenden) Raman-Gasmedium wird eine optische Verzerrung entlang des Strahlenweges erzeugt, die mehrere Hunderte von Millisekunden nach jedem Laser-Puls erhalten bleibt. Typischerweise wird durch den optisch verzerrten Strahlengang die Raman-Laserpuls-Wiederholungsfrequenz (PRF) auf wenige Hertz begrenzt, sofern das Gas nicht zirkuliert wird.
• Eine solche Gaszirkulation wird in herkömmlicher Weise durch Eine solche Gaszirkulation wird in herkömmlicher Weise durch einen internen Motor und einen Ventilator durchgeführt, um die PRF zu vergrößern. Bei einer solchen Gaszirkulation bewegt ein Axialventilator Gas entlang eines geschlossenen Pfades innerhalb der Zelle. Das Gas wird entlang der fokussierten Laserstrahl- Achse verteilt und wird quer zur Strahlachse bewegt, um zwischen den Laser-Pulsen aufgeheiztes Gas aus dem Strahlengang zu entfernen. Gasverteiler, die mit dem Ventilator verbunden sind, verteilen das Gas entlang der Strahlenachse. Die maximale PRF wird durch die Zeit bestimmt, die notwendig ist, um das beeinträchtigte Gas aus dem Strahlengang zu entfernen.
• Eine zirkulierte Gaszelle ist offenbart in IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, Vol. QE-18, No. 8, August 1982, IEEE (New York, US), D.G. BRUNS et al.: "Scalable Visible Nd:YAG Pumped Raman Laser Source". Durch eine solche Zirkulation wird eine verbesserte PRF erreicht, jedoch auf Kosten einer erheblich vergrößerten Dimension und Komplexität der Zelle. Ferner werden durch den Motor und durch den Ventilator unerwünschte Materialien in das Zelleninnere eingeführt und führen dem Gas ein Mehrfaches der Wärmeenergie zu, als durch die Raman-Konversion selbst erzeugt wird. Isolierungsmaterialien der Windungen und durch die Motor-Ausgasung erforderliche Lagerschmierung begrenzen die Lebensdauer der Zelle, wenn diese auf lange Zeit als ein geschlossenes System betrieben wird. Die ungefähr 10 Watt von unerwünschter Wärme, die in das Gas durch den Motor eingeführt werden, verstärken die Schwierigkeit, eine gleichförmige Gastemperatur innerhalb des Strahlenpfades aufrechtzuerhalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Durch die vorliegende Erfindung wird eine neue Raman-Zelle angegeben, bei der das Gas innerhalb des Laserstrahlenganges ausreichend bewegt wird, so daß eine thermisch homogene Mischung von Gas innerhalb des Strahlenganges zur Verfügung steht, um auf diese Weise optische Verzerrungen des Laserstrahls zu verhindern, die durch lokale Erwärmung des Gases durch den Raman- Konversionsprozeß entlang des Strahlenganges bedingt sind.
• Um dies zu erreichen, wird ein vibrierendes Blatt innerhalb der Raman-Zelle neben dem Strahlenpfad angeordnet und eine Treibereinrichtung zur Aktivierung vorgesehen.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedes Blatt mit einem piezoelektrischen Biegeelement gekoppelt, durch das eine Vibration des Blattes erzeugt wird.
• Diese Anordnung führt zu einer kompakten und einfachen Zelle, die weitgehend frei von den obenerwähnten Problemen ist.
• Mehrere Vorteile ergeben sich aus diesem einfachen Aufbau. Ein Gasfluß entlang eines geschlossenen Pfades ist nicht notwendig; daher muß das innere Volumen der Zelle nicht größer sein als das Volumen, das durch den Strahlenpfad und die Blätter eingenommen wird.
• Die flexiblen Blätter und die piezoelektrischen Treiber weisen keine Materialien auf, die ausgasen und führen dem Gas nur sehr wenig Wärme zu.
• Andere Aufgaben und Vorteile sowie ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 ist eine Ansicht einer Zelle, bei der eine Seite offen ist, um deren Inneres darzustellen und
• Fig. 2 ist eine isometrische Darstellung, die Teile des Aufbaus und des innerhalb der in Fig. 1 dargestellten Zelle fokussierten Strahlengangs zeigt.
DETAILBESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist als eine Raman-Zelle 10 dargestellt, die ein Gehäuse 12 aufweist, das zum Zwecke der Darstellung aus einem zentralen Teil 14 und Seitenabdeckungen 16 und 18 besteht. Die Anordnung ist zusammengeschraubt durch Schraubbolzen, Muttern, Unterlegscheiben und Sicherungsscheiben, die insgesamt mit Ziffer 49 bezeichnet sind. Zwischen den betreffenden Abdeckungen 16, 18 und dem zentralen Teil 14 ist ein Paar von O-Ring-Dichtungen 20 angeordnet, von denen eine dargestellt ist. Das zentrale Teil 14 ist im wesentlichen ringförmig ausgebildet, um einen Hohlraum 22 zu bilden, und die Abdeckungen 16 und 18 können Vertiefungen 23 aufweisen.
• In den Hohlraum 22 wird Gas unter Druck von einer Gasquelle 24 durch ein Ventil 26 eingeführt, um eine geeignete Menge von Gas, wie zum Beispiel Methan, unter Druck zur Verfügung zu stellen. Ein Meßinstrument 28 zeigt den Druckpegel an.
• Am Mittelteil 14 sind rohrförmige Verlängerungen 30 und 32 mit Fenstern 34 und 36 (Fig. 2) an ihren Enden festgelegt, durch die ein Laserstrahl 40 ein- und austritt. Der Laserstrahl 40 wird durch eine Laserpumpe und Elektronik, die insgesamt mit der Ziffer 38 bezeichnet ist, zur Verfügung gestellt und kann als ein Nd:YAG-frequenzverdoppelter Pump-Laser ausgebildet sein, der Hunderte von Millijoule pro Pulswiederholungsfrequenz (PRF) in der Größenordnung von etwa 30 Hertz liefern kann. Andere Laser, aber auch andere Gase als Methan, z. B. Wasserstoff und Deuterium, können für die bzw. innerhalb der Zelle 12 verwendet werden. Bei Aktivierung liefern der Pump-Laser und die Elektronik 38 den Strahl 40, der durch eine Linse 42 fokussiert ist, um im allgemeinen an einem Punkt 44 zwischen den Fenstern 34 und 36 zu konvergieren.
• Während des normalen Betriebes wird das Gas durch die Fokussierung des Strahles 40 zwischen den Fenstern 34 und 36 und die demzufolge stimulierte Raman-Streuung aufgeheizt, und der auf jeden Laser-Puls folgende Strahl wird optisch verzerrt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine solch lokalisierte Aufheizung des Gases und eine daraus folgende optische Verzerrung durch Verwendung von einer oder mehreren vibrierenden Blätter 50 verhindert, die bei Resonanz durch piezoelektrische Biegeelemente 52 angetrieben werden. Solche Elemente 52 werden manchmal als piezoelektrische Bimorphe oder piezokeramische Biegeelemente bezeichnet. Kombinationen aus, dem' Blatt 50 und dem Treiber 52 werden als Ventilatoren verwendet, etwa als quadratische Ventilatoren, die von Piezo Electric Products, Inc., in Cambridge, Massachusetts und Metuchen, New Jersey, hergestellt werden. Ein piezoelektrischer Bimorph ist auch von Philips Electronics erhältlich. Piezoelektrische Bimorphe bestehen aus dünnen Piezokristallen, die mit beiden Seiten eines dünnen Metallstreifens verbunden sind und entgegengesetzt gepolt sind, so daß sich ein Streifen in Längsrichtung ausdehnt, während sich der andere kontrahiert, um eine Differenzverschiebung zu erzeugen, wenn eine Spannung zwischen den Elektroden an ihren äußeren Oberflächen angelegt wird. Wenn der piezoelektrische Bimorph an einem Ende fixiert wird, um eine freitragende Verbindung zu bilden, ist das freie Ende um einen Abstand versetzt. Ein solcher Transducer ist beschrieben in "Piezoelectric Ceramics", J. Van Randeraat und R. E. Setterington, Publications Department, Electronic Components and Materials Division, N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven, Niederlande, erste Ausgabe Juni 1968, zweite Ausgabe Januar 1974, Seiten 40-42.
• Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, weisen die vibrierenden Blätter dünne flexible Streifen auf, die zum Beispiel aus Mylar® bestehen und eine relativ große Fläche und eine kleine Dicke besitzen und deren freie Enden neben der Strahlenachse 40 angeordnet sind. Es sollte jedoch klar sein, daß jede beliebige andere Winkelanordnung der Blätter 50 in bezug auf den Strahl verwendet werden kann, wobei das Ziel darin besteht, das in dem Strahlenpfad vorhandene Gas ausreichend in Unordnung zu bringen, zu bewegen und zu mischen, um sicherzustellen, daß das Gasmedium nach jedem Laser-Puls sich schnell thermisch homogenisiert.
• Eine bestimmte Anzahl von Blättern und piezoelektrischen Treibern ist nicht notwendig. Jedoch hat es sich als ausreichend erwiesen, eine Zelle mit einem zentralen Abschnitt zu bilden, der eine Anzahl vibrierender Blätter aufweist und der sich etwa über ein Drittel des fokussierten Strahlenganges erstreckt. Die Fokussierungslinse 42 ist außerhalb des Eingangsfensters 34 derart angeordnet, daß sich der Strahlenfokus 44 etwa in der Mitte des Abschnittes befindet, der die vibrierenden Blätter aufweist. Die Fenster sind ausreichend voneinander beabstandet, so daß die beschichteten Fensteroberflächen durch die Intensität des Laserstrahls nicht beschädigt werden. Wie dargestellt, ist ein Ende 52a jedes Treibers 52 mit dem Gehäusemittelteil 14 verklebt oder auf andere Weise mit diesem verbunden, während das andere Ende 52b mit dem Blatt 50 verklebt ist. Bei Aktivierung bewegen die vibrierenden Blätter das Gas innerhalb des Strahles 40 lokal, so daß das Gas innerhalb des Laserstrahlenganges gut vermischt wird. Eine thermisch homogene Mischung von Gasen wird auf diese Weise in dem fokussierten Bereich des Pump-Strahles aufrechterhalten, wo das Gas durch den Raman- Konversionsprozeß aufgeheizt wird. Da die piezoelektrischen Elemente selbst sehr wenig Wärme erzeugen, werden die Gase nur durch den Raman-Prozeß aufgeheizt. Die Wärmeleitung zu den Zellenwänden reicht aus, um das Gas etwa auf Umgebungstemperatur zu halten.
• Eine Raman-Zelle mit vibrierenden Blättern gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung wurde hergestellt und mit Methangas unter Druck getestet. Der verwendete Pump-Laser war ein Nd:YAG- Multimode-Laser, der mit einer Ausgangsenergie von 175 mJ/Puls und bei 25 Hertz betrieben wurde. Bei diesem Pump-Input wurden 50 mJ/Puls Raman-Konversionsenergie erhalten. Die Raman-Laserstrahlendivergenz und die Ausgangsenergie bei 25 Hertz waren im wesentlichen unverändert im Vergleich zu einem niedrigen PRF, während die statische Zelle (das heißt bei nicht aktivierten Blättern) nicht mit mehr als einem Hertz betrieben werden konnte, ohne daß die Strahlendivergenz erheblich abfiel und die Raman- Ausgangsenergie unstabil war. Auf diese Weise wurde die Effektivität der durch die vorliegende Erfindung bewirkten Gaszirkulation demonstriert.

Claims (6)

1. Raman-Gas-Druckzelle zur Erzeugung eines Raman-Konversionsprozesses, die einen Laserstrahlenpfad (40) festlegt, der optischer Verzerrung durch Aufheizung des Gases über den Raman-Konversionsprozeß unterworfen ist, bei der eine allgemeine thermische Homogenität des Gases in der unmittelbaren Umgebung des fokussierten Strahles (40) erreicht wird und die Mittel aufweist, mit wenigstens einem vibrierenden Blatt (50) und mit einer Einrichtung (52) zum Antreiben der vibrierenden Klinge, und die neben dem fokussierten Strahl (40) angeordnet ist, um das Gas an dem fokussierten Strahl (40) zu mischen.

2. Zelle gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung (52) zum Antreiben der vibrierenden Klinge (50) wenigstens ein piezoelektrisches Biegeelement aufweist, das mit dem Blatt (50) verbunden ist, um dieses in Vibration zu versetzen.

3. Zelle gemäß Anspruch 1, bei der das vibrierende Blatt (50) bzw. die Einrichtung (52) zum Antreiben des vibrierenden Blattes eine Anzahl flexibler Blätter und piezoelektrischer Biegeelemente darstellen, die jeweils mit entsprechenden Blättern (50) gekoppelt sind, wobei die Einrichtung (52) zum Antreiben der Klinge ferner eine Einrichtung zum Aktivieren der piezoelektrischen Biegeelemente aufweist, um die Blätter in Vibration zu versetzen und so das Gas in deren Umgebung zu bewegen und zu mischen.

4. Zelle gemäß Anspruch 3, bei der die vibrierenden Blätter (50) dünne flexible Streifen aufweisen, die jeweils eine 4. Zelle gemäß Anspruch 3, bei der die vibrierenden Blätter (50) dünne flexible Streifen aufweisen, die jeweils eine relativ große Fläche und eine geringe Dicke besitzen, die an einem Ende frei sind und an dem anderen Ende an den piezoelektrischen Biegeelementen (52) befestigt sind, durch die die Blätter (50) in Vibration versetzt werden.

5. Zelle gemäß Anspruch 4, bei der die vibrierenden Blätter (50) so angeordnet sind, daß die Vibration quer zur fokussierten Strahlenachse erfolgt, wobei die freien Enden neben der Strahlenachse angeordnet sind und die vibrierenden Blätter (50) entlang der Strahlenachse rechtwinklig dazu angeordnet sind.

6. Zelle gemäß Anspruch 4, bei der die vibrierenden Blätter (50) entlang der fokussierten Strahlenachse und winklig in bezug auf die Strahlenachse angeordnet sind.

6. Zelle gemäß Anspruch 1, bei der der Laserstrahl (40) durch einen Nd:YAG-Pump-Laser erzeugt wird, der mit der Zelle gekoppelt ist, die unter Druck stehendes Methan, Wasserstoff oder Deuterium aufweist.