DE69633292T2

DE69633292T2 - Überschall- und unterschalllaser mit rf-entladungsanregung

Info

Publication number: DE69633292T2
Application number: DE69633292T
Authority: DE
Inventors: Alexander Krasnov
Original assignee: Krasnov Alexander Bryan
Current assignee: Krasnov Alexander Bryan
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: US5682400A; DE69633292D1; WO1997012430A1; EP0852835A4; JP2002502548A; EP0852835A1; EP0852835B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Überschall- und Unterschall-Laser mit einem gasförmigen aktiven Medium, einer Düse, einem RF-Entladungsbereich, einem aktiven Laserbereich, einem optischen Resonator und einem Diffusor, um ein kleines, leichtes und geschlossenes Gassystem zu schaffen, das leicht und sehr effizient ist. Der Laser der vorliegenden Erfindung verwendet die Radiofrequenz-Anregung (RF-Anregung), um ein Nichtgleichgewichtplasma in dem Bereich der Schall/Unterschall- oder Überschall/Unterschall-Gasströmung zu erzeugen. Die Hochfrequenzentladungsanregung kann innerhalb des kritischen Bereichs der Überschalldüse oder stromabwärts des kritischen Bereichs geschehen, wobei sie durch RF-Vorionisierung, elektrische Vorionisierung oder UV-Vorionisierung des gasförmigen aktiven Mediums im vorkritischen Bereich der Überschalldüse verbessert werden kann.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bekannte Gaslasersysteme verwenden elektrische Entladungen zwischen Gleichstrom- oder Wechselstromelektroden innerhalb von Transferströmungen oder axialen Strömungen. Die Verwendung von Gleichstrom- oder Wechselstromelektroden innerhalb schneller Unterschallströmungen und insbesondere Überschallströmungen erzeugt jedoch instabile und ungleichmäßige Plasmaentladungen. Diese ungleichmäßigen Entladungen erzeugen eine aerodynamische Instabilität der Gasströmung. Diese Instabilität, die durch Schockwellen und Turbulenz gekennzeichnet ist, ist proportional zum statischen Druck der Strömung und dem Volumen im Entladungsbereich zwischen den Gleichstrom- oder Wechselstromelektroden. Diese Einschränkungen verhindern die Erzeugung eines stabilen, gleichmäßigen und kontinuierlichen Plasmas. Außerdem erzeugen die Wechselstrom/Gleichstrom-Entladungen aerodynamischen Widerstand für Gasströmungen, was eine Gaspumpe mit höherer Leistung erfordert. Die aerodynamische Instabilität der Überschall- und Unterschallströmungen, die in den bekannten Gaslasern erzeugt wird, erzeugt sowohl Bereiche mit erhöhter Temperatur, die mit den Schockwellen in Beziehung stehen, als auch ein Pulsieren der Temperatur, das mit der Turbulenz in Beziehung steht. Diese Faktoren sind für die Verringerung der Laser-Besetzungsinversion, des Wirkungsgrades des Lasers und der optischen Qualität der Strömung innerhalb des Resonatorbereichs verantwortlich.
Anregungen des Gasmediums unter Verwendung von Gleichstrom- oder Wechselstrom-Glimmentladungen sind außerdem wohlbekannt. Diese Laserkonstruktionen besitzen jedoch andere grundlegende Probleme. Die Plasmabogenbereiche oder diejenigen Bereiche, die Funkenbildungsinstabilität zeigen, erzeugen eine hohe Atomtemperatur des Lasergases, das deshalb keine Laser-Besetzungsinversion besitzt, die für das Erzeugen der Laseraktivität erforderlich ist, und verursachen einen Zusammenbruch der optischen Qualität. Außerdem kann eine derartige Funkenbildungsinstabilität zu einer Störung der chemischen Zusammensetzung des aktiven Gasmediums führen. Bezüglich der RF-Glimmentladungen besitzen die Gleichstrom- oder Wechselstrom-Glimmentladungen einen verringerten Energiebeitrag zum gleichen Volumen des stabilen Nichtgleichgewichtplasmas. Die typische RF-Energiedichteanforderung für die Anregung besitzt einen Bereich von 10 bis 100 Watt pro Kubikzentimeter, abhängig von der RF-Frequenz und dem Typ des RF-Plasmas (Alpha- oder Gamma-Betriebszustand oder -Betriebsart). Im Fall der Gleichstrom- oder Wechselstrom-Glimmentladungen für völlig gleiche Gaszustände liegt der Bereich der maximal möglichen Dichten nur zwischen 1 bis 5 Watt pro Kubikzentimeter, oberhalb dessen die Funkenbildungs-Plasmainstabilität stattfindet.
Es gibt außerdem einen prinzipiellen Unterschied zwischen den Arten der RF- und Gleichstrom/Wechselstrom-Plasmastrukturen. Die Gleichstrom- oder Wechselstrom-Entladungen basieren auf dem Gleichstrom von Elektronen und Ionen zwischen einer Anode und einer Katode. Die RF- oder Hochfrequenz-Entladungsanregung basiert auf der Hochfrequenzschwingung der Elektronengrenzen, die sich an den RF-Elektroden befinden, und der Anregung einer "positiven Säule" aus Ionen und negativen Elektronen zwischen den RF-Elektroden mit Hilfe der Hochfrequenzionisierung durch Kollisionsmechanismen. Dies bedeutet, dass die Gleichstrom- oder Wechselstrom-Entladungen viel mehr zur Zersetzung der chemischen Stabilität des Laser-Gasmediums basierend auf Dissoziationen, z. B. der CO₂-Moleküle in CO-Moleküle und O-Atome, imstande sind. Deshalb sind die RF-Entladungen den Gleichstrom/Wechselstrom-Entladungen in folgender Hinsicht überlegen: die chemische Stabilität des Lasergases; der Energiebeitrag zum Volumen des Plasmas; die optische Qualität des aktiven Mediums; und das erforderliche Leistungsniveau der Gaspumpe, um die Strömung des Gasmediums bereitzustellen.
US 4.686.681 offenbart einen Dauerstrich-Gaslaser im mittleren Infraroten unter Verwendung von RF-Anregung.
US 5.206.876 offenbart einen gasdynamischen CO-Laser. Eine Überschalldüse ist stromabwärts des Anregungsbereichs angeordnet, wobei das Lasergas hindurchströmt, und wobei sie einen laseraktiven Bereich aufweist, der durch einen Resonator-Laserstrahl penetriert wird. Das Lasergas wird im Anregungsbereich mittels einer Hochfrequenzentladung in einem Hochfrequenz-Entladungsbereich angeregt. Der Hochfrequenz-Entladungsbereich endet vor der Überschalldüse.
V. A. Lisovsky, "X-Y Transition Properties of an RF-Discharge in Argon", Plasma Science, 1997, IEEE Conference Record – Abstracts; 1997 IEEE International Conference of San Diego, CA, USA, 19.–22. Mai 1997; New York, USA, offenbart die Übergangseigenschaften einer RF-Entladung in Argon und das axiale Muster der Elektronentemperatur in der RF-Entladung von Plasmen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Laser mit hohem Wirkungsgrad, niedrigem Energieverbrauch und einer hohen Erhaltung der chemischen Stabilität des Laser-Gasmediums zu schaffen.
Die obenerwähnte Aufgabe wird durch den Gegenstand nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf die vorteilhaften Ausführungsformen gerichtet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist für einen Überschall- oder Unterschall-Laser mit Radiofrequenz-Entladungsanregung (RF-Entladungsanregung), der eine gasförmige Strömung des aktiven Mediums verwendet. Der Laser umfasst eine Gasversorgungsleitung, die das gasförmige Medium durch einen Kühlungsabschnitt in einen Empfängerbereich liefert. Das Gas kann mit einem vorgegebenen Druck, abhängig vom verwendeten spezifischen Typ des Gases, in den Laser geliefert werden. Das Gas geht durch die Versorgungsleitung, den Kühlungsabschnitt und den Empfänger mit niedrigen Unterschallgeschwindigkeiten.
Stromabwärts des Empfängerbereichs befindet sich eine Überschalldüse, die sich in einen optischen Resonatorbereich öffnet und die außerdem einen lokalisierten Anregungsbereich enthält. Stromabwärts des optischen Resonatorbereichs befin det sich ein Diffusor, der die Verzögerung der Überschall- oder Unterschallströmung des Gasmediums über den ganzen transversalen Querschnitt der Überschalldüse verursacht. Vorteilhaft besitzt der Laser der vorliegenden Erfindung ein klassisches zweidimensionales Düseninneres.
Vorteilhaft schafft die Laservorrichtung eine hohe Ausgangsleistung der Lasererzeugung und eine im hohen Grade effiziente Verwendung des gasförmigen aktiven Mediums, um einen äußerst effizienten Laser zu erzeugen, während eine stark vereinfachende Konstruktion und eine relativ niedrige Energieversorgung verwendet werden. Der Laser kann verschiedene Gase oder Mischungen von Gasen in Kombination mit der Radiofrequenz-Entladungsanregung zwischen großen quadratischen und flachen RF-Elektroden im Bereich der Schall/Unterschall- oder Überschall/Unterschall-Strömung des aktiven Gasmediums verwenden. Vorteilhaft verwendet der Laser eine Radiofrequenz-Entladung (RF-Entladung) die ein Nichtgleichgewichtsplasma in einem "Alpha"- oder "Gamma"-Betriebszustand durch Ionisierung und Elektronenanregung hoher Zustände der Atome, Moleküle oder Ionen erzeugt, um eine hohe Besetzungsinversion zu erreichen, die notwendig ist, um die Laseraktivität im optischen Resonatorbereich zu erzeugen. Der Laser kann ein System mit offener oder geschlossener Schleife verwenden, das System mit geschlossener Schleife wird durch die Fähigkeit des Lasers verbessert, das zirkulierte Gas auf einer niedrigen statischen Temperatur aufrechtzuerhalten.
Vorteilhaft besitzt der Laser einen Hochfrequenz-Entladungsbereich zwischen breiten linearen RF-Elektroden im Bereich der Schall/Unterschall-Strömung (M = 1/M < 1) oder Überschall/Unterschall-Strömung (M > 1/M < 1) des gasförmigen aktiven Mediums. Die Radiofrequenz-Entladung (RF-Entladung) erzeugt eine nahezu gleichmäßige Verteilung der Ionen und Elektronen zwischen den ebenen Elektroden. Der Radiofrequenz-Entladungsbereich befindet sich zwischen den RF-Elektroden, wobei er sich innerhalb des kritischen Bereichs der Überschalldüse oder stromabwärts des kritischen Bereichs innerhalb des Überschallbereichs der Düse befinden kann. Der Anregungsbereich des Lasers kann abhängig vom aktiven Medium oder vom Druck des Gases einen ausgedehnteren Bereich bezüglich des Entladungsbereichs besitzen, wobei er innerhalb des kritischen Bereichs und des Überschallbereichs der Düse bis zum Anfang des optischen Resonatorbereichs auftreten kann. Alternativ kann sich der Ort der RF-Elektroden und des Entladungsbereichs mit dem optischen Resonatorbereich erstrecken.
Innerhalb des optischen Resonatorbereichs befindet sich der aktive Laserbereich. Dieser Bereich wird durch die Resonatorstrahlphasen durchquert, wobei dadurch das maximale Niveau der vorhandenen Laserinversion (Besetzungsinversion) ausgenutzt wird, wobei eine Resonanzphotonenverstärkung erzeugt wird. Die durch die Radiofrequenzanregung der vorliegenden Erfindung erzeugten Laser liegen im Wellenlängenbereich von 2,03 μm bis 10,6 μm.
Außerdem kann die Vorionisierung des gasförmigen Mediums im Empfängerbereich vor der Düse oder innerhalb des kritischen Bereichs der Düse stattfinden, um die Erzeugung des Hochfrequenzplasmas zu unterstützen, das für die Ionisierung und die Elektronenanregung des gasförmigen aktiven Mediums im Anregungsbereich erforderlich ist. Eine derartige Vorionisierung kann durch ein Vorionisierungs-RF-Gitter erzeugt werden, durch das das gasförmige Medium hindurchgeht. Alternativ kann die Vorionisierung unter Verwendung von Ultraviolettkolben oder anderen UV-Quellen als RF- oder Wechselstromplasma erzeugt werden. Die Vorionisierung des gasförmigen Mediums kann ferner verbessert werden, indem irgendein Anteil leicht ionisierbaren Gases oder Dampfes zum gasförmigen aktiven Medium hinzugefügt wird.
Stromabwärts und am Ende des Empfängerbereichs befindet sich eine Überschalldüse. Die zweidimensionale Überschalldüse besitzt ein optimales logarithmisches Profil, um eine ruhige Überschall/Unterschall-Strömung mit einer gleichmäßigen Querverteilung der thermodynamischen Parameter zu sichern, die die adiabatische Ausdehnung des Gases innerhalb der Düse erlaubt. Die Überschalldüse öffnet sich in den und innerhalb des optischen Resonatorbereichs, wobei sie einen kleinen Öffnungswinkel besitzt, um eine parallele Überschall/Unterschall-Strömung innerhalb des Überschallbereichs der Düse zu sichern. Der Überschallbereich der Düse tritt im Intervall zwischen den kritischen Abschnitt der Düse und dem stromabwärtigen Diffusor auf.
Der Laserkopf kann mit zwei Kühlungsabschnitten integriert sein, um für die Kühlung der Laser-Gasströmung an zwei Orten, stromaufwärts des Empfängers und stromabwärts des Diffusors, zu sorgen. Der Laserkopf kann außerdem mit dem RF-Resonator und dem RF-Leistungsverstärker integriert sein.
Insgesamt und vorteilhaft ist der Laser klein, leicht, außergewöhnlich leistungsfä hig und effizient, wobei er ein System des Gasmediums mit geschlossener Schleife verwenden kann, indem er das Fehlen des chemischen Abbaus des Gasmediums durch das Kombinieren der hohen Geschwindigkeiten mit der konstanten niedrigen Temperatur überall im Inneren des Laserkörpers ausnutzt.
Schließlich und vorteilhaft umfasst ein Radiofrequenz (RF)-Entladungslaser: (a) einen Einlassempfänger in Strömungsverbindung mit einem Entlass-Kühlungsabschnitt; (b) ein Gasmedium, das in den Einlassempfänger durch den Einlasskühlungsabschnitt eintritt und längs durch den Laser hindurchgeht; (c) einen Vorionisierer in Strömungsverbindung und stromabwärts von dem Einlasskühlungsabschnitt; (d) eine Überschalldüse in Strömungsverbindung und stromabwärts von dem Einlassempfänger; (e) erste und zweite RF-Elektroden, die an gegenüberliegenden Seiten des strömenden Gasmediums und in Strömungsverbindung angeordnet sind, sowie stromabwärts von dem Einlassempfänger; (f) erste und zweite dielektrische Platten, welche die erste und die zweite RF-Elektrode von dem Gasmedium isolieren; (g) einen optischen Resonator in der Überschalldüse; (h) einen Diffusor in Strömungsverbindung mit und stromabwärts von der Überschalldüse; (i) einen Auslassempfänger in Strömungsverbindung mit und stromabwärts von dem Diffusor, und (j) einen Laserstrahl, der den optischen Resonator penetriert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ein besseres Verständnis der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung zusammen mit der beigefügten Zeichnung erhalten, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen, und worin:
1A eine perspektivische Ansicht eines Lasers der vorliegenden Erfindung ist, der einen Abschnitt mit massiven RF-Elektroden für die Vorionisierung am Ende des Empfängerbereichs und RF-Entladungsanregung im kritischen Bereich der Düse besitzt;
1B eine Seitenschnittansicht des Lasers nach 1A ist;
1C eine Schnitt-Draufsicht des Zentralabschnitts des Lasers nach 1A ist;
2A eine perspektivische Ansicht eines Lasers der vorliegenden Erfindung ist, der einen Abschnitt mit massiven RF-Elektroden für die Vorionisierung am Ende des Empfängerbereichs und RF-Entladungsanregung stromabwärts des kritischen Bereichs der Düse und stromaufwärts des optischen Resonatorbereichs besitzt;
2B eine Seitenschnittansicht des Lasers nach 2A ist;
2C eine Schnitt-Draufsicht des Zentralabschnitts des Lasers nach 2A ist;
3A eine perspektivische Ansicht eines Lasers der vorliegenden Erfindung ist, der einen Abschnitt mit massiven RF-Elektroden für die Vorionisierung im kritischen Bereich der Düse und einen RF-Entladungsanregungsbereich im optischen Resonatorbereich und sich mit dem optischen Resonatorbereich erstreckend besitzt;
3B eine Seitenschnittansicht des Lasers nach 3A ist;
3C eine Schnitt-Draufsicht des Zentralabschnitts des Lasers nach 3A ist;
4A eine perspektivische Ansicht eines Lasers der vorliegenden Erfindung ist, der einen Vorionisierungs-UV-Kolben am Ende des Empfängerbereichs und einen RF-Entladungsbereich im optischen Resonatorbereich und sich mit dem optischen Resonatorbereich erstreckend besitzt;
4B eine Seitenschnittansicht des Lasers nach 4A ist;
4C eine Schnitt-Draufsicht des Zentralabschnitts des Lasers nach 4A ist;
5 eine vollständige schematische Seitenansicht des Laserinneren und des Weges des aktiven Gasmediums für den Laser nach 1A ist;
6A eine Seitenansicht der ebenen RF-Elektrode ist;
6B eine Vorderansicht der ebenen RF-Elektrode ist;
6C einer Untersicht der ebenen RF-Elektrode ist;
6D eine perspektivische Ansicht der ebenen RF-Elektrode ist;
7A eine Vorderansicht eines Vorionisierungsgitters ist;
7B eine perspektivische Ansicht des Vorionisierungsgitterabschnitts ist;
8A eine perspektivische Ansicht des zylindrischen Teleskop-Resonators mit einer zusätzlichen optischen Verbindung ist;
8B eine Draufsicht des Resonators nach 8A ist;
8C eine Seitenansicht des Resonators nach 8A ist;
9A eine perspektivische Ansicht des zylindrischen Teleskop-Resonators ist;
9B eine Draufsicht des Resonators nach 9A ist;
9C eine Seitenansicht des Resonators nach 9A ist;
10 eine allgemeine Ansicht der elektrischen Verbindungen der RF-Elektroden des Lasers nach den 1, 2, 3, 4 ist, in der der RF-Resonator mit den RF-Elektroden integriert ist, wobei der Resonator mit einer RF-Energieversorgung verbunden ist; und
11 eine allgemeine Ansicht der RF-Resonatorverbindung ist, in der die Elektroden des Lasers nach den 1, 2, 3, 4 mit dem RF-Leistungsverstärker integriert und mit der Gleichstromquelle und der Energiezufuhr-Steuerung elektrisch verbunden sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Am Anfang kann auf die folgenden Definitionen überall in dieser ganzen Beschreibung Bezug genommen werden. Die Überschall/Unterschall-Düse 1 wird oft als eine "zweidimensionale" Düse bezeichnet. Mit zweidimensional ist gemeint, dass das Profil der Düse 1 von zwei Achsen, X (Länge) und Y (Höhe), abhängt. Diese Düse wird außerdem als flache Düse bezeichnet. Die Verengung hinsichtlich der Y-Achse bei 1d nach 5, um den kritischen Abschnitt 1b der Düse zu erzeugen, verursacht die adiabatische Ausdehnung des hindurchströmenden Gases. Der Expansionskoeffizient A innerhalb der Überschalldüse 1 ist als A = H/h definiert, wobei H die Höhe der Gasströmung innerhalb des Resonatorbereichs ist, während "h" der Abstand zwischen den dielektrischen Platten 4a, 4b ist. Der Einmodenstrahl TEM₀₀ bezieht sich auf die Quermode niedrigster Ordnung, deren graphische Darstellung der Intensität eine Gaußsche Standardkurve ist.
Es werden mehrere Ausführungsformen geschaffen und hierin beschrieben. Sie umfassen die in den 1A–1C, 2A–2C, 3A–3C und 4A–4C gezeigten Ausführungsformen. Die Ausführungsform nach 1A–1C verwendet ein Vorionisierungsgitter 6 im Empfänger 3a und die RF-Elektroden 4a, 4b im kritischen Bereich 1b der Überschalldüse. Die Ausführungsform nach den 2A–2C ist zu der nach 1A ähnlich, mit Ausnahme, dass die Elektroden 4a und 4b nach dem kritischen Bereich 1b aber vor dem Resonatorhohlraum 23 angeordnet sind. Die Ausführungsform nach den 3A–3C verwendet ein Vorionisierungsgitter 6 im kritischen Bereich 1b der Überschalldüse, wobei die Elektroden 4a, 4b innerhalb des Resonatorhohlraums 23 angeordnet sind. Schließlich verwendet die Ausführungsform nach den 4A–4C einen UV-Kolben 29 für die Vorionisierung, wobei die Elektroden 4a, 4b im Resonatorhohlraum 23 angeordnet sind.
Der Laser der vorliegenden Erfindung kann die folgenden gasförmigen aktiven Medien verwenden:

a: CO2:N2:He; b: CO:N2:He;

c: Xe:Ar:He; d: Xe:Kr:He;

e: He:Ne;
Für die gasförmigen Medien "a" und "b" verwendet der RF-Entladungslaser die molekularen Übergänge basierend auf der Ionisierung und der Elektronenanregung der hohen Schwingungs- und Rotationszustände der Moleküle. In diesem Fall ist der RF-Entladungslaser molekular, wobei er bei den Schwingungsübergängen Infrarotlaserstrahlung mit Wellenlängen von 9,6 μm bis 10,6 μm für "a" und etwa 5 μm für "b" erzeugt. Ein Kohlenmonoxidmolekül ist außerdem zur Erzeugung im Bereich der sichtbaren Strahlung (grünes Licht) mit einer zugeordneten Wellenlänge von etwa 0,5 μm unter Verwendung der Elektronenübergänge imstande. Für die aktiven Medien "c", "d" und "e" verwendet der RF-Entladungslaser atomare Übergänge mit einer Emissionserzeugung bei einer Wellenlänge von 2,03 μm für "c" und einer sichtbaren Laseremission mit der Wellenlänge von etwa 0,63 μm für "e".
Wie in den 1A, 2A, 3A und 4A gezeigt ist, wird das aktive Gasmedium durch eine Gasturbine 18 in das System eingeleitet, die das Gas unter einem vorgegebenen Druck in das und durch das Laserinnere zwingt. Die Turbine 18. kann mit dem Laserkörper integriert sein, oder sie kann durch die Verwendung eines kompakten Turbostrom-Gebläses mit einer Leistung von nur etwa 0,7 kW, das mit Verbindungsschläuchen mit dem Laserkörper verbunden ist, vom Laser getrennt sein. Das Gasmedium zeigt typischerweise einen statischen Druck im Bereich zwischen 13,3 kPa (100 Torr) und 133 kPa (1000 Torr), er kann aber signifikant höher sein. Das Gas zirkuliert vom Punkt der Einleitung in den Laserkörper am Einlasskühlungsabschnitt 17a stromabwärts durch den Empfänger 3a, durch die Düse 1, durch den Diffusor 2, durch den Auslassempfänger 3b und durch einen Auslasskühlungsabschnitt 17b. Eine Schnittzeichnung der obigen Bereiche ist in 5 gezeigt. Das Gas, das durch das System hindurchgeht, kann im Kreislauf zugeführt werden, wie in den 1A, 2A, 3A und 4A gezeigt ist, oder es kann ohne die Verwendung irgendeines Kühlungsabschnitts aus einem (nicht gezeigten) Gastank neu in den Laserkörper am Empfängerbereich 3a eingeleitet werden.
Der Gaskammerbereich der Ausführungsform des in den 1A–1C gezeigten Lasers enthält: den Einlasskühlungsabschnitt 17a; den Einlassempfänger 3a mit einem 45-Grad-Ablenker 39a, der in 1B gezeigt ist; ein Vorionisierungsgitter 6; eine obere und eine untere Radiofrequenzelektrode 4a bzw. 4b; eine obere und eine untere dielektrische Platte 20a bzw. 20b; einen Entladungsbereich 21, der mit dem kritischen Bereich 1b der Überschalldüse 1 übereinstimmt; einen Anregungsbereich 22, in dem die Besetzungsinversion wächst; einen optischen Resonatorbereich 23; die Resonatorspiegel 5c, 5f und 5d; einen aktiven Laserbereich 24, in dem die Besetzungsinversion maximiert ist; einen Diffusor 2; einen Auslassempfänger 3b mit einem 45-Grad-Ablenker 39b; und einen Auslasskühlungsabschnitt 17b.
Der Einlass in den Kühlungsabschnitt 17a befindet sich in Strömungsverbindung mit der Turbine 18 und der Versorgungsleitung 15. Der Bereich des statischen Drucks des Gases innerhalb des Empfängerbereichs 3a geht im Allgemeinen von etwa 100 bis 1000 Torr. Der Druck des Gases im Empfängerbereich ist vom verwendeten Typ des gasförmigen aktiven Mediums und außerdem vom durch die Laseraktivität verursachten Gasverbrauch abhängig. Dieser hängt außerdem sowohl von der Ausgangsleistung der Laseremission, der Größe des Spalts zwischen den RF-Elektroden als auch der Leistung und der Frequenz der RF-Anregung ab.
Die Laservorrichtungen der zusätzlichen Ausführungsformen, die in den 2A und 3A gezeigt sind, weisen einen typischen Bereich der Geschwindigkeit für die Gasströmung im optischen Bereich von etwa 0,1 M bis 5 M auf, wobei M eine Schallgeschwindigkeit ist. Der Bereich des absoluten Drucks im Empfängerbereich 3a kann typischerweise zwischen 13,3 kPa (100 Torr) und 665 kPa (5000 Torr) liegen. Die genauen Spezifikationen sind abermals vom verwendeten Gasmedium und der erforderlichen Ausgangsleistung des Lasers abhängig. Die Verwendung hoher absoluter Drucke vor der Überschalldüse 1c erlaubt dem Laser, ohne ein Abgassystem zu arbeiten und das Gas nach der Verzögerung der Überschall/Unterschall-Strömung im Diffusor 2 direkt in die Atmosphäre ausströmen zu lassen. Außerdem ist die Fähigkeit, den Anregungsbereich 22, den Entladungsbereich 21 und den Resonatorbereich 23 zu kombinieren oder den optischen Resonatorbereich 23 mit dem Entladungsbereich 22 einzuleiten, wie in den 2A bzw. 3A gezeigt ist, durch die Geschwindigkeit der Gasströmung, die Laser-Kinetik, den Typ der Übergänge und die Geschwindigkeit und die Lebensdauer der Ionisierung definiert, die mit dem statischen Druck der Gasströmung und anderen Faktoren in Beziehung stehen.
In der in den 4 gezeigten Ausführungsform kann der Laser einen typischen Bereich der Geschwindigkeit für die Gasströmung im optischen Resonatorbereich 23 von etwa 0,1 M bis 1 M aufweisen. Der Bereich des absoluten Drucks des Lasergases im Empfängerbereich 3a kann typischerweise zwischen 6650 Pa (50 Torr) und 26600 Pa (200 Torr) liegen. Wie in 4C gezeigt ist, erstreckt sich der optische Resonatorbereich 23 mit dem RF-Entladungsbereich 21. Die Spiegel 5c, 5d bringen die Laserstrahlphasen 13 senkrecht zur Gasströmung 10 in Resonanz, wobei sie die Besetzungsinversion ausnutzen, die mit maximalem Niveau in der Mitte vorhanden ist, wobei sie dadurch die Photonenverstärkung bei den Resonanzübergängen des aktiven Lasermediums erzeugen. Einer der Spiegel, 5f in 4A, ist durchlässig gemacht und erlaubt den Laserstrahlphasen, durch das klare Fenster 5f des Resonators 23 auszutreten und als der Ausgangslaserstrahl 14 verwendet zu werden.
In den 1A und 1B befindet sich stromabwärts des Empfängerbereichs 3a und vor der Überschalldüse 1b ein Vorionisierungsgitter 6. Alternativ kann die Vorionisierung unter Verwendung einer Ultraviolett-Quelle, wie z. B. der Ultraviolett-Emission aus dem RF-Plasma selbst oder einem UV-Kolben 29, der in 4A gezeigt ist, und dergleichen, ausgeführt werden. Die Verwendung der Vorionisierung vor dem oder innerhalb des Radiofrequenz-Entladungsbereichs verbessert die Zündung des Anregungsplasmas und die Verwendung der teuren Hochfrequenzenergie innerhalb des Systems. Durch die Vorionisierung des aktiven Mediums unter Verwendung entweder eines RF-Gitters 6 oder eines UV-Kolbens 29 wird die gleichmäßige Anregung des Nichtgleichgewichtplasmas im Spalt zwischen den dielektrischen Platten 20a und 20b, der im Radiofrequenz-Entladungsbereich 21 zu finden ist, erreicht.
Das in 7A gezeigte Vorionisierungsgitter 6 umfasst zwei massive Metallabschnitte 6a und 6b, die kleine ebene Sektoren 6C besitzen, die hier für die Klarheit vergrößert sind. Die Spalte zwischen den ebenen Sektoren 6c sind typischerweise 3–4 mm groß. Zwischen den oberen und unteren ebenen Sektoren 6c wird ein Schwachstrom-RF-Plasma im "Alpha"-Betriebszustand durch die RF-Energiequelle 8b erzeugt. Die Metall-Vorionisierungssektoren 6c bestehen aus Aluminium, wobei sie durch einen anodisierten Hartbeschichtungs-Überzug AlO₃ geschützt sind. Das RF-Vorionisierungsgitter 6 ist mit der Kleinleistungs-RF-Quelle 8b oder mit dem Zweig der Haupt-RF-Energieversorgung 8a elektrisch verbunden, wie in 1B gezeigt ist.
Wie in den 4A, 4B und 4C gezeigt ist, kann die Vorionisierung des gasförmigen Mediums 9 durch den UV-Kolben 29 erreicht werden, der teilweise von oben durch eine reflektierende zylindrische Oberfläche 31 umgeben ist. Die Gasströmung 9 von der Gasversorgungsleitung 15 tritt durch den Kühlungsabschnitt 17a in den Empfänger 3a ein. Das mit einem vorgegebenen Druck in der Turbine 18 enthaltene Gas geht durch den UV-Kolben 29, bevor es in den Anregungsbereich 22 des RF-Entladungsbereichs 21 zwischen den oberen und unteren ebenen Dielektrika 20a bzw. 20b eintritt. Die UV-Photoionisierung im Laser nach 4A befindet sich vor dem kritischen Bereich 1b der Düse 1. 4A stellt einen Laser mit der Schall/Unterschall-Gasströmung innerhalb des RF-Entladungsbereichs 21 zwischen den Platten 4a und 4b dar, wenn der Expansionskoeffizient der Düse A = 1 ist.
Alle Laserkonstruktionen besitzen Innenwände 50, die aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, mit Ausnahme der großen dielektrischen Platten 20a und 20b, die für die Isolierung der RF-Elektroden 4a und 4b erforderlich sind. Der Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Überzug 40 besitzt eine völlig aerodynamische innere Oberfläche eines nichtleitenden Überzugs, wobei er eine Dicke von etwa 0,0635 mm (0,0025 Zoll). oder mehr besitzt. Das nichtleitende Material, mit dem die Aluminiumoberfläche beschichtet ist, kann aus AlO₃ bestehen, das durch Hartbeschichtungs-Anodisierung erzeugt werden kann. Der nichtleitende Überzug kann außerdem erzeugt werden, indem die innere Oberfläche der Aluminiumabschnitte des Lasers 50 direkt mit Nickel mit geringem Phosphoranteil überzogen wird. Der Laserkörper kann außerdem aus dem dielektrischen Material wie bearbeitbarem Keramikmaterial hergestellt sein.
Stromabwärts des Vorionisierungsgitters 6 am Ende des Empfängerbereichs befindet sich die zweidimensionale Überschalldüse 1 nach 5. Die Düse 1 umfasst drei Teile: den Unterschallbereich 1a, den kritischen Bereich 1b und den Überschallbereich 1c. Die Düse 1 ist konstruiert, damit sie eine minimale Länge längs der Achse der Gasströmung X und eine glatte optimale aerodynamische Form besitzt, um eine gleichmäßige ruhige Überschall- oder Unterschallströmung innerhalb des optischen Resonatorbereichs 23 zu sichern. Der Überschallbereich 1c besitzt ein optimales logarithmisches Profil, das am kritischen Bereich der Düse beginnt und sich in den und innerhalb des optischen Resonatorbereichs 23 öffnet. Der Bereich der Geschwindigkeit der Gasströmung im Überschallbereich 1c der Düse 1 innerhalb des Resonatorbereichs 23 geht abhängig vom verwendeten aktiven Medium und vom Gradienten des statischen Drucks des Gases zwischen dem Unterschallbereich 1a und dem Überschallbereich 1c der Düse von der Unterschallgeschwindigkeit 0,1 M bis zur Überschallgeschwindigkeit 5 M (M = Schallgeschwindigkeit). Der Expansionskoeffizient der Überschalldüse A = H/h kann im Bereich von 1 (wie in 4 gezeigt ist) bis 30 liegen. Die Höhe "h" des kritischen Abschnitts 1b der Düse oder der Abstand zwischen den dielektrischen Platten kann den Bereich zwischen 4 mm und 40 mm aufweisen. Die Höhe "H" der Gasströmung innerhalb des Resonatorbereichs weist den Bereich von 4 mm bis zu 40 mm auf. Die Querschnittsbreite der Düse 1 oder der Empfänger 3a, 3b kann einen Bereich zwischen 10 und 100 cm aufweisen. Die typische Breite beträgt etwa 35 cm. Die durch den Entladungsbereich 21 definierte Länge der RF-Elektroden 4a und 4b längs der Achse der Gasströmung X kann von etwa 2 cm bis etwa 15 cm betragen. Die typische Länge beträgt etwa 4 cm.
Das logarithmische Überschallprofil der Düse 1c, das am kritischen Bereich 1b beginnt und sich bis zur Vorderseite des Diffusors 2 erstreckt, besitzt einen kleinen Ausdehnungswinkel von etwa 0,5 Grad innerhalb des optischen Resonatorbereichs 23, wie in 5 gezeigt ist. Der durch die logarithmischen Profile der Wände der Düse gebildete kleine Öffnungswinkel ist notwendig, um die wachsende Dicke der Randviskositätsüberzüge der Wände zu kompensieren, und um eine ruhige und parallele Überschall- oder Unterschallströmung zwischen dem kritischen Bereich der Düse 1b und dem stromabwärtigen Diffusor 2 zu sichern. Der optimale Öffnungswinkel hängt von der Geschwindigkeit des Gasmediums im Überschallbereich 1c, dem statischen Druck der Gasströmung und ihrer Temperatur ab. Die vorionisierte Lasergasströmung 9 und die Gasströmung 11 nach der RF-Anregung nach den 1A und 2A, die durch den kritischen Bereich der Düse 1b und stromabwärts in den optischen Resonatorbereich 23 geht, wo sich die Spiegel 5c, 5d befinden, ist eine ruhige Überschall- oder Unterschallströmung, die im Wesentlichen keine Schockwellen aufweist. Die Gasströmung 11 im Resonatorbereich 23 besitzt eine gleichmäßige Querverteilung der thermodynamischen Parameter, wie z. B. des statischen Drucks und der Geschwindigkeit, über ihre Höhe und Breite.
Der Überschallbereich 1c der Düse 1 verursacht eine intensive adiabatische Ausdehnung des gasförmigen aktiven Mediums, die zu einer äußerst niedrigen statischen Gastemperatur des Überschall-Gasmediums führt und die Besetzung der unteren Energiezustände der Atome und Moleküle dieses Mediums verringert. Der Bereich der statischen Gastemperaturen in der Überschallströmung innerhalb des Überschallbereichs 1c hängt von der Geschwindigkeit der Gasströmung (zwischen 0,1 M bis 5 M) ab, wobei er typischerweise zwischen 50 und 285 Kelvin liegt. Für eine typische Überschallströmung, die eine Geschwindigkeit von Mach = 2 zeigt, beträgt die statische Temperatur 165 K. Diese niedrige statische Temperatur der Überschallströmung verringert die Besetzung der unteren Energiezustände der Moleküle und erzeugt eine zunehmende Laserinversion, einen zunehmenden Koeffizienten des Verstärkers des aktiven Mediums, eine zunehmende Ausgangsleistung und einen zunehmenden Gesamtwirkungsgrad des Lasers, wobei sie außerdem die vollständige Verwendung des durch die Radiofrequenz-Entladungsanregung erzeugten Nichtgleichgewichtplasmas unterstützt. Die Erzeugung der äußerst niedrigen Atomtemperaturen, die sich aus der dynamischen Kühlung der Gasströmung innerhalb der Überschalldüse 1c ergibt, ermöglicht dem Laser, die maximal mögliche Laserenergie und den maximal möglichen Wirkungsgrad des Lasersystems zu erzeugen. Für einen CO₂-Laser kann dies ein Niveau des Wirkungsgrads von bis zu 20–30% erreichen. Der Wirkungsgrad kann für einen CO-Laser 20% erreichen. Die durch die Hochgeschwindigkeits-Unterschall- oder -Überschall-Strömung erzeugte niedrige statische Temperatur des Gasmediums verhindert den chemischen Abbau der Moleküle und ermöglicht eine fortgesetzte langfristige Wiederverwendung und Verwendung des Gasmediums in dem geschlossenen Lasersystem. Außerdem bleibt, während der Plasmaentladungsbereich die Temperatur des Gasmediums vergrößern kann, infolge der Geschwindigkeit der Gasströmung und der Kühlungsabschnitte 17a, 17b die Gesamttemperatur relativ niedrig und verhindert den chemischen Abbau des Gasmediums. Dies ist äußerst vorteilhaft, weil der Laser der vorliegenden Erfindung folglich ein geschlossenes Gassystem verwenden kann, das das Gas im Kreislauf ohne die Anforderung des Wiederauffüllens des Gasmediums zurückführt.
Die Ausgangsleistung des vorliegenden Lasers kann für diese aktiven Medien den Bereich von mehreren Kilowatt erreichen, wobei sie weiter bis zu einem maximalen Pegel vergrößert werden kann, der durch die maximal mögliche innere Resonatorintensität der Laseremission, das Volumen des RF-Plasmas, die Frequenz der RF-Anregung, die Zeit der Erzeugung und die Erwärmung der Resonatorspiegel begrenzt ist. Außerdem erzeugen die optimalen aerodynamischen Formen der vorliegenden Laserinneren eine quasilaminare Überschall- oder Unterschallströmung innerhalb des Resonatorbereichs 23, wenn die Reynoldssche Zahl (ein dimensionsloser Gasparameter) unter dem kritischen Niveau von Re < 100000 liegt. Diese glatte quasilaminare Strömung ohne Schockwellen und Turbulenz erzeugt sowohl eine hohe optische Qualität als auch die optische Qualität des Ausgangslaserstrahls.
Die in den Ausführungsformen 1A, 2A, 3A und 4A gezeigten dielektrischen Platten 20a und 20b werden für die Isolierung der Metall-RF-Elektroden 4a und 4b vom Entladungsbereich 21 und von der Gasströmungskammer verwendet, um den direkten Kontakt zwischen den Metalloberflächen und dem Lasergas im Bereich der Plasmaaktivität zu vermeiden. Die dielektrische Isolierung der RF-Elektroden schafft außerdem eine Stabilisierung der RF-Entladung, die den Bereich frei von "Überhitzungspunkten" und Funkenbildung hält. Die dielektrischen Isolierungsplatten 20a und 20b bestehen aus bearbeitbarem nichtleitenden Keramikmaterial, Glas oder Glimmer.
Wie in 1B gezeigt ist, befindet sich stromabwärts des Empfängerbereichs 3a der Radiofrequenz-Entladungsbereich 21, der sich innerhalb des kritischen Bereichs 1b der Überschalldüse befindet, wobei der kritische Bereich in 5 besser gezeigt ist. Der Radiofrequenz-Entladungsbereich 21 ist zwischen zwei dielektrisch isolierten ebenen RF-Elektroden 4a und 4b erzeugt. Das durch die RF-Randelektronenschwingung erzeugte Nichtgleichgewichtplasma nimmt den Bereich der Schall/Unterschall-Strömung des vorionisierten Gases ein, der sich in dieser speziellen Ausführungsform im kritischen Bereich 1b der Überschalldüse 1 nach 5 befindet.
Der in 5 gezeigte Entladungsbereich 21 bildet den ersten Abschnitt des Anregungsbereichs 22 und verursacht dadurch, dass die Hochfrequenz-Entladungsanregung vor dem oder übereinstimmend mit dem optischen Resonatorbereich 23 auftritt. Die Überschall- oder Unterschallströmung des aktiven Lasermediums 10 stromabwärts des kritischen Abschnitts 1b geht zwischen den isolierten RF-Elektroden 4a und 4b durch, die mit einer Hochfrequenz-Energieversorgung 8 verbunden sind. Das gasförmige Medium ist durch ein RF-Gitter 6 oder einen UV-Kolben 29 in 4A vorionisiert worden, die sich in der Ausführungsform nach 3A innerhalb des verkürzten kritischen Bereichs der Düse 1b befinden können.
Der Anregungsbereich 22 in 5, der den Entladungsbereich 21 und eine Strecke stromabwärts des Entladungsbereichs enthält, ist der Bereich, indem die Besetzungsinversion wächst, die als die optische Anstiegszeit definiert ist. Dieser Bereich befindet sich unmittelbar vor dem optischen Resonatorbereich 23, in dem sich die in den 1C und 2C gezeigten optischen Resonatorspiegel 5c und 5d befinden. Der ganze als ein Abschnitt der Überschalldüse 1 definierte Bereich, der einen Abschnitt des Anregungsbereichs 22 und den ganzen optischen Resonatorbereich 23 enthält, ist der aktive Laserbereich 24. Dieser Bereich ist der Bereich, in dem die statische Temperatur der Überschallströmung ihr minimales Niveau erreicht und in dem die maximale Photonenverstärkung bei den Resonanzübergängen stattfindet. Die für die Erzeugung der Laserenergie erforderliche Besetzungsinversion erreicht innerhalb des aktiven Laserbereichs 24 ein maximales Niveau, insbesondere wenn sich die RF-Elektroden 4a und 4b innerhalb des kritischen Bereichs der Überschalldüse befinden, wie in den 1A und 4A gezeigt ist.
Die dielektrischen Platten 20a und 20b werden verwendet, um die Metalloberflächen der RF-Elektroden 4a und 4b vom Kontakt mit der ionisierten Gasströmung zu isolieren, und um die RF-Entladung im Spalt 21 zu stabilisieren, um den maximal möglichen Energiebeitrag der Energiequelle 8a zum Plasma zu vergrößern. Die Dicke der dielektrischen Platten 20a, 20b hängt vom Typ der RF-Betriebsart und der Dielektrizitätskonstanten des Isolationsmaterials ab. Im Fall des Schwachstrom-"Alpha"-Betriebszustandes beträgt die typische Dicke der keramischen Platten etwa 3–15 mm, während im Fall des Hochstrom-"Gamma"-Betriebszustands die Dicke den Bereich von etwa 0,5 mm bis 2,5 mm aufweist. Der Laser der vorliegenden Erfindung verwendet eine RF-Leistungsanregungsfrequenz, die nicht kleiner als 10 MHz ist.
Innerhalb des kritischen Abschnitts 1b der Überschalldüse in den 1A und 4A befinden sich die oberen und unteren ebenen RF-Elektroden 4a und 4b mit den dielektrischen Isolationsplatten 20a und 20b, um die Elektroden vor dem Plasma im Entladungsbereich 21 zu schützen. Die Elektroden 4a und 4b erzeugen eine stabile Radiofrequenzentladung für die Ionisierung und Elektronenanregung der vorionisierten Gasströmung 10. Eine der RF-Elektroden 4a ist mit der in 10 gezeigten Spule 32 verbunden, die als ein RF-Resonator wirkt. Die zweite RF-Elektrode 4b ist elektrisch geerdet. Ein Radiofrequenzgenerator 8 liefert an die Elektrode 4a RF-Energie für die Erzeugung eines Hochfrequenzplasmas im Entladungsbereich 21, um das vorionisierte gasförmige Lasermedium 10 weiter anzuregen und um die höheren Energiezustände der Moleküle oder Atome zu bevölkern. Diese Besetzung der hohen Energiezustände erzeugt die richtige Laserinversion, die für die Laseraktivität notwendig ist. Die ebenen RF-Elektroden 4a und 4b bestehen aus mit Silber überzogenem Messing oder aus Aluminium. Die in den 6A, 6B, 6C und 6D gezeigte Metall-RF-Elektrode 4a wird im Innern mit destilliertem Wasser gekühlt. Alternativ können die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Elektroden geteilt sein, um kleinere Elektrodenpaare zu erzeugen. Während die Länge eines Elektrodenbereichs längs der Achse der Gasströmung vorzugsweise etwa 4 cm beträgt, können die oberen und unteren Elektroden 4a, 4b in zwei Paar Elektroden getrennt sein, wie z. B. zwei Paar Elektroden, die 2 cm lang sind (die Länge längs Achse der Gasströmung). Dies kann zurückzuführen auf die Dynamik der Laserausführungsform, des verwendeten Gasmediums oder anderer spezieller Anforderungen erforderlich sein.
In 1B bedeckten die zwei dielektrischen Platten 20a und 20b die Umfänge der oberen und unteren RF-Metallelektroden 4a und 4b. Die Dicke der dielektrischen Platten 20a, 20b sollte größer als die des Spalts 21 zwischen den RF-Elektroden 4a, 4b sein. Eine breite dielektrische Isolierung oder Luftisolierung der RF-Elektroden 4a, 4b vom Laserkörper 50 ist notwendig, um die Impedanz bezüglich des Metallkörpers 50 zu vergrößern und um die Impedanz bezüglich des Entladungsspalts 21 zu verkleinern. Die typische Anpassungsimpedanz zwischen den RF-Elektroden beträgt etwa 50 Ohm. Der typische Abstand zwischen den RF-Elektroden 4a, 4b und dem Laserkörper 50 sollte wenigstens 5mal größer als die Höhe des Entladungsspalts 21 sein.
Die oberen und unteren linearen Elektroden 4a und 4b sind senkrecht zur Strömung 10 des vorionisierten gasförmigen Mediums orientiert, wobei sie vom Radiofrequenzgenerator 8 mit Energie beliefert werden. Die Elektroden 4a und 4b erzeugen ein Hochfrequenzplasma für die Anregung des Lasergases innerhalb des Entladungsbereichs 21, wie in 5 gezeigt ist. 10 zeigt ein allgemeines Schema der RF-Elektrode 4a, die mit einem RF-Resonator 32 integriert ist. Es ist außerdem gezeigt, dass diese Abschnitte an der RF-Energieversorgung 8 angeschlossen sind, die für die Erzeugung der Radiofrequenzentladung erforderlich ist. Die Verbindung zwischen der RF-Energieversorgung 8 und dem RF-Resonator 32 ist durch ein RF-Kabel 33 vervollständigt, das aus einem TEFLON^®-Koaxialkabel besteht.
11 stellt eine allgemeine Ansicht der Laserelektrode 4a mit einer alternativen RF-Energieversorgung 8a und 8b dar, in der der Laserkopf mit einem RF-Resonator 32 und einem RF-Leistungsverstärker 8a integriert ist. Die Integration des Resonators 32 und des Leistungsverstärkers 8a in einer Einheit verhindert das Erfordernis einer dicken Hochleistungs-Koaxialverbindung 33, die in 10 als das Element 33 gezeigt ist, zwischen der Energieversorgung 8 und dem RF-Resonator 32. In dieser Ausführungsform verbindet ein Gleichstrom-Koaxialkabel 34 den Energieversorgungsabschnitt 8b mit dem RF-Leistungsverstärker 8a. Der Energieversorgungsabschnitt 8b, der die Gleichstromquelle enthält, besitzt außerdem die Steuerschaltungsanordnung 36. Die Steuerschaltungsanordnung 36 ist über ein Niederspannungs-Gleichstrom-Koaxialkabel 37 mit dem RF-Leistungsverstärker 8a verbunden. Die zweite RF-Elektrode 4b ist elektrisch geerdet.
Die in den 3A, 3B und 3C gezeigte Vorrichtung verwendet eine obere RF- Elektrode 4a und eine untere Elektrode 4b. Übereinstimmend mit dem RF-Entladungsbereich 21 ist ein zylindrischer Teleskop-Resonator 5c, 5d und 5f zu finden, in dem die Laserstrahlphasen 13 in Resonanz sind und unter Verwendung der maximalen Laser-Besetzungsinversion im aktiven Überschall- oder Unterschall-Gasmedium 11 mit Energie versorgt werden. Das vorliegende Lasersystem kann einen optischen zylindrischen Teleskop-Resonator, der in den 9A–9C gezeigt ist, oder den zylindrischen Teleskop-Resonator mit einer zusätzlichen optischen Verbindung, der in den 8A–8C gezeigt ist, verwenden. Der Ausgangsspiegel 5d ist ein wenig durchlässig gemacht, sodass der Ausgangslaserstrahl 14 den optischen Resonatorbereich 23 verlassen kann und verwendet werden kann.
Die in den 4A, 4B und 4C gezeigte Laservorrichtung kann mit Schall- oder Unterschallgeschwindigkeiten der Gasströmung arbeiten, wobei sie einen Expansionskoeffizienten der Überschalldüse von A = 1 besitzt. Der Entladungsbereich 21, der Anregungsbereich 22 und der optische Resonatorbereich 23 erstrecken sich gemeinsam. Es können zwei Typen zylindrischer Teleskop-Resonatoren, die oben dargestellt worden sind, verwendet werden, um für die Erzeugung eines Einmodenstrahls TEM₀₀ mit einem minimalen Divergenzwinkel im Ausgangsstrahl zu sorgen. Die Vorionisierung wird durch den UV-Kolben 29 bereitgestellt, wie in 4A gezeigt ist, der sich nah an der und stromaufwärts der Düse 1 befindet. Der Diffusor 2 in dieser Ausführungsform ist ein Überschall-Diffusor, wobei er ohne das in 1A verwendete Zentralelement 2c vorliegen kann.
Die in den 2, 3 und 4 dargestellten Lasermodelle können optimal für Situationen ausgewählt sein, in denen die aktiven Lasermedien eine kurze Ionisierungszeit, eine kurze Anregungszeit und/oder eine kurze Lebensdauer der Laser-Besetzungsinversion besitzen, die für kurze Wellenlängen der Laseremission typisch sind. Diese Ausführungsformen können außerdem verwendet werden, falls der Laser einen hohen statischen Druck der Überschall/Unterschall-Strömung innerhalb des Überschallbereichs 1c der Düse verwendet, wie z. B. ein CO₂-Laser, der einen Druck über 100 Torr besitzt, oder wenn der Laser mit Unterschallgeschwindigkeiten der Gasströmung arbeitet.
Der Laser der vorliegenden Erfindung verwendet instabile optische asymmetrische zylindrische Teleskop-Resonatoren, wie in den 1A, 2A, 3A und 4A gezeigt und in den 8A–8C und 9A–9C gezeigt ist. Die in dieser Erfindung dargestellten optischen Resonatoren können von zwei Typen sein. Der erste Typ ist ein zylindri scher Teleskop-Resonator mit einer zusätzlichen optischen Verbindung, wie in den 8A–C gezeigt ist. Dieser Resonator umfasst drei optische korrelierte zylindrische maximal reflektierende Spiegel: einer von ihnen ist flach 5a, der Zweite ist längs der X-Achse zylindrisch konkav 5c und der Dritte ist längs der X-Achse zylindrisch konvex 5d. Alle drei Spiegel sind miteinander optisch korreliert, um die für Verstärkung des zentralen Einmodenstrahls TEM₀₀ zu sorgen. Das zusätzliche optische Element 5a erlaubt dem instabilen Resonator, eine symmetrischere Gaußsche Verteilung der Mode TEM₀₀ zu erzeugen. Die geometrischen Beziehungen der Abmessungen der Spiegel und ihrer Radien folgen wohlbekannten Formeln der Verwendung von Teleskopspiegeln. Der Ausgangslaserstrahl 14 geht durch die Seite des Ausgangsspiegels 5d und verlässt den Resonator durch das absolut durchlässige klare Fenster 5f, das verwendet wird, um den Hohlraum des Laserresonators gegen die Atmosphäre zu versiegeln.
Der zweite Typ des Resonators ist der in den 9A–9C gezeigte asymmetrische zylindrische Teleskop-Resonator, der zwei teleskopisch korrelierte maximal reflektierende Spiegel umfasst: einen zylindrischen konkaven Spiegel 5c längs der X-Achse und einen zylindrischen konvexen Spiegel 5d längs der X-Achse. Das Prinzip dieses Resonators ist ähnlich zum Resonator nach den 8A–8C. Er kann außerdem einen hochreinen Laser im Einmodenstrahl TEM₀₀ schaffen.
Die Vorteile der in den8A–8C und den 9A–9C gezeigten vorliegenden Resonatoren sind, dass der Laserstrahl innerhalb des Resonators eine minimale Anzahl von Phasen 13 besitzt. Dies ist ein wichtiger Aspekt, infolgedessen der Ausgangslaserstrahl 14 minimale optische Aberrationen aufweist. Dieser Resonator verwendet außerdem nur die Verstärkung des zentralen Einmodenstrahls TEM₀₀.
Ein zusätzlicher Vorteil der in den 8A und 9A gezeigten Resonatoren 23 ist, dass sie technologisch einfach sind, leicht zu korrigieren sind und die mit thermischen Deformationen in Beziehung stehenden Probleme fehlen. Dies ist so, weil die Leistungsdichte auf den großen Oberflächen der Spiegel 5c und 5d des Resonators gleichmäßig verteilt ist. Deshalb können die vorliegenden optischen Resonatoren eine hohe optische Qualität im Einmodenstrahl TEM₀₀ des Ausgangslaserstrahls schaffen. Die Abmessungen der Spiegel sind in Übereinstimmung mit den Abmessungen des optischen Resonatorbereichs 23, die eine Höhe der Spiegel auf der Y-Achse zeigen, die ein wenig größer als die Höhe der Gas strömung im optischen Resonatorbereich 23 ist.
Stromabwärts der Überschalldüse 1 befindet sich der Überschall-Diffusor 2. Wie in den 1B, 2B, 3B am besten gezeigt ist, umfasst der Diffusor 2 zwei Teile: den Überschall-Diffusor 2 und den Unterschall-Diffusor 2b. Der vorliegende Diffusor 2 besitzt außerdem ein Zentralelement 2c, das zwei Schockverzögerungen der Überschallströmung erzeugt, eine innerhalb des Überschallbereichs 2a und eine zusätzliche Verzögerung in der nun Unterschallströmung innerhalb des Unterschallbereichs 2b.
Die Ausgangsgasströmung 12 verlässt den Diffusor 2 durch den Auslassempfänger 3b und den Kühlungsabschnitt 17b, sie wird in der Rückleitung 16 eingefangen und dann im zweiten Einlasskühlungsabschnitt 17a, der Turbine 18 und der Versorgungsleitung 15 wiederverwendet. Die Kühlungsabschnitte 17a und 17b sind Standardwärmetauscher, durch die Wasser zirkuliert, wobei dieses Wasser auf einer Temperatur von etwa 20°C gehalten wird.
In der in den 4A–4C gezeigten Ausführungsform befindet sich stromabwärts der Düse 1 der Unterschall-Diffusor 2. Wie in 4B am besten gezeigt ist, umfasst der Diffusor 2 nur den Unterschallabschnitt 2b, wobei er das Zentralelement 2 nicht aufweist. Der Auslass des Diffusors besitzt die gleichen Gasverbindungen und Gasströmungen mit den anderen Elementen, wie in den vorausgehenden Ausführungsformen beschrieben worden ist.
Die Überschall- und Unterschall-Diffusoren besitzen optimale Abmessungen und Formen, wobei sie dadurch die effiziente Verwendung des in der Gasströmung vorhandenen absoluten Drucks erzeugen. Der typische Wirkungsgrad der vorliegenden zwei Schock-Diffusoren, die in den graphischen Darstellungen (den 1A–3C) gezeigt sind, liegt ziemlich nah am klassischen Ideal. Für eine Gasgeschwindigkeit von etwa Mach = 2 beträgt der Wirkungsgrad etwa 90%. Dies bedeutet, dass der Wellenverlust im vorliegenden Lasersystem sehr niedrig ist. Die viskosen Verluste der kinetischen Energie innerhalb der Gasströmung hängen von der Mach-Geschwindigkeit und dem absoluten Druck des Gases innerhalb der Düse 1 ab. Für eine typische Gasströmung mit einer Geschwindigkeit von etwa Mach = 2 und einem absoluten Druck von 200 Torr, der sich innerhalb des Empfängers befindet, beträgt der Verlust der kinetischen Energie etwa 40%. Dies bedeutet, dass der Gesamtverlust der kinetischen Energie innerhalb der Gasströ mung im Laser etwa 50% beträgt. Das vorteilhafte Ergebnis dieser Konstruktion mit einem derartigen 50%-Verlust der kinetischen Energie ist auf die verringerten Energieanforderungen zurückzuführen, um den Druck des Gases zu vergrößern, das sich in der Rückleitung für die Einspeisung zurück in den Empfänger 3A befindet. Wenn es eine 50%-Verringerung der kinetischen Energie gibt, d. h. 100 Torr (1 Torr ≈ 133,3 Pa) vom im Empfänger 3A erforderlichen absoluten Druck von 200 Torr, erfordert die Gasturbine 18 relativ niedrige Energie, um den Druck auf 200 Torr zu erhöhen, der innerhalb des Einlassempfängers 3A erforderlich ist. Deshalb ist es offensichtlich, dass die Leistung und die Abmessung der Rückleitungs-Turbine 18 direkt mit dem Diffusor 2 und dem aerodynamischen Wirkungsgrad der gesamten Laservorrichtung in Beziehung stehen. Für einen typischen CO₂-Laser mit einer Ausgangsleistung von 1,5 kW sollte die Rücklaufturbine eine Leistungsanforderung von nur etwa 2–3 kW besitzen.
Für die in den 4 dargestellte Schall/Unterschall-Laservorrichtung beträgt der typische Wirkungsgrad des Unterschall-Diffusors 2b etwa 95%. Dies bedeutet, dass von der Position der aerodynamischen Verluste der kinetischen Energie die Verwendung einer Unterschall-Gasströmung wirtschaftlicher ist. Der elektrooptische Wirkungsgrad des RF-angeregten Lasers ist jedoch kleiner, da er mit einer höheren Temperatur des Lasergases im Resonatorbereich 23 in Beziehung steht. Der Gesamtwirkungsgrad der Überschall- und Unterschall-Laservorrichtungen unter Verwendung der CO₂-Version beträgt etwa 15%.
Die Verwendung des Diffusors 2 im Laser der vorliegenden Erfindung ist in denjenigen Situationen nicht notwendig, in denen der Laser in einer Umgebung mit niedrigem äußeren Druck arbeitet, z. B. in der Stratosphäre oder im freien Raum. Die Gesamtabmessungen des Lasers der vorliegenden Erfindung sind außergewöhnlich kompakt. Die Längsabmessung des Laserkopfs mit den Kühlungsabschnitten ohne die RF-Energieversorgung reicht von 30 cm bis 100 cm. Die Breite des Laserkopfs liegt zwischen 30 cm und 70 cm, bei einer zugeordneten Höhe zwischen 5 und 20 cm. Das Gewicht des Lasers kann etwa 45 kg betragen. Der Bereich der Ausgangsleistung für den Laser der vorliegenden Erfindung kann zwischen 1 kW und 20 kW der Laseremission liegen, abhängig von der erforderlichen Leistung und anderen Spezifikationen der Implementierung.
DAS BEISPIEL 1
Unter Verwendung der Konstruktion des Laserkörpers in 4A wurde ein Laser entwickelt. Das verwendete Gas war Kohlendioxid mit einer Mischung aus Stickstoff und Helium. Der statische Druck des Gases innerhalb des Laserkörpers beträgt etwa 90 Torr. Die Geschwindigkeit des Gasmediums beträgt etwa 0,2 M. Zwischen den dielektrischen Platten befindet sich ein Spalt von etwa 1,8 cm, wobei der Raum zwischen den Elektroden etwa 2,2 cm beträgt. Die Elektroden erzeugen ein Gamma-Plasma innerhalb des Anregungsbereichs. Die Länge der Elektroden längs der Achse der Gasströmung beträgt etwa 4 cm. Die Breite der Elektroden beträgt etwa 35 cm. Der Öffnungswinkel des Überschallbereichs der Düse beträgt etwa 0,5 Grad. Der Laser verwendet einen instabilen zylindrischen optischen Teleskop-Resonator, wie in 8A gezeigt ist. Die Elektroden emittieren eine durchschnittliche Effektivleistung von 7,5 kW mit einer RF-Leistungserregungsfrequenz von 13,56 MHz bei einer Spannung von etwa 0,7 kV. Die durchschnittliche Laserausgangsleistung beträgt etwa 1500 W, wobei der Laser außerdem eine Impulsleistung von bis zu 3 kW erzeugen kann. Die zwischen den RF-Elektroden festgestellte Impedanz beträgt etwa 50 Ohm, wobei die Leistungsdichte pro Einheitsvolumen des Plasmas etwa 35 W und bis zu 50 W pro Kubikzentimeter beträgt. Diese Dichte hängt von der Frequenz ab, die in diesem Fall im 13,5-Bereich liegt. Dieser Laser kann außerdem andere Anregungsfrequenzen verwenden, wie von der speziellen Anwendung verlangt wird, z. B. 27,12 MHz, 40,68 MHz und 81,36 MHz. Im Fall der höheren Frequenz von 81,36 MHz wird der RF-Energiebeitrag zum gleichen Volumen des Plasmas 4,5mal vergrößert. Die Ausgangsleistung beträgt im Durchschnitt etwa 5 kW, während die Geschwindigkeit der Strömung des Gasmediums ebenfalls durchschnittlich 4,5mal auf etwa 0,9 M vergrößert werden sollte. Um eine Gaszirkulation mit geschlossenen Kreislauf der vorliegenden Ausführungsform zu schaffen, ist es möglich, ein kompaktes Turbostrom-Gebläse mit einer Leistung von nur etwa 0,7 kW zu verwenden, das durch flexible Schläuche mit dem Laser verbunden ist (auf diese Weise ist die Turbine separat und unabhängig vom Laserkörper). Diese Turbine kann außerdem mit dem Laserkörper integriert sein, wobei dadurch die Gesamtabmessungen des Lasers selbst ein wenig vergrößert werden.
Die vorausgehende ausführliche Beschreibung ist hauptsächlich für die Klarheit des Verständnisses gegeben worden, wobei keine überflüssigen Einschränkungen daraus zu entnehmen sind, wobei für die Fachleute auf dem Gebiet beim Lesen dieser Offenbarung Modifikationen offensichtlich sein werden, wobei sie ausgeführt werden können, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

Radiofrequenz (RF)-Entladungslaser mit: (a) einem Einlassempfänger (3A) in Strömungsverbindung mit einem Einlass-Kühlungsabschnitt (17A); (b) wobei der Laser so aufgebaut ist, dass ein Gasmedium in dem Einlassempfänger (3A) durch den Einlasskühlungsabschnitt (17A) eintreten und längs durch den Laser hindurchgehen kann; (c) ein Vorionisierer (6) in Strömungsverbindung und stromabwärts von dem Einlasskühlungsabschnitt (10A); (d) einer Überschalldüse (1) in Strömungsverbindung und stromabwärts von dem Einlassempfänger (3A); (e) ersten und zweiten RF-Elektroden (4a, 4b), die an gegenüberliegenden Seiten des strömenden Gasmediums und in Strömungsverbindung angeordnet sind, sowie stromabwärts von dem Einlassempfänger (3A); (f) ersten und zweiten dielektrischen Platten (20a, 20b), welche die erste und die zweite RF-Elektrode von dem Gasmedium isolieren; (g) einem optischen Resonator (5) in der Überschalldüse (1); (h) einem Diffusor (2) in Strömungsverbindung mit und stromabwärts von der Überschalldüse (1); (i) einem Auslassempfänger (3B) in Strömungsverbindung mit und stromabwärts von dem Diffusor; wobei (j) ein Laserstrahl dem optischen Resonator penetriert.
Laser nach Anspruch 1, bei dem der Einlassempfänger (3A) in Strömungsverbindung mit einer Turbine (18) und/oder einem Gastank steht.
Laser nach Anspruch 1, bei dem der Vorionisierer (6) ein Metall-Vorionisierungsgitter umfasst, vorzugsweise verbunden mit einer RF-Energieversorgung, und/oder mindestens einer Ultraviolett-Quelle.
Laser nach Anspruch 1, bei dem die Überschalldüse (1) ein logarithmisches Profil mit einem Öffnungswinkel von ungefähr 0,5° innerhalb des optischen Resonators (5) hat.
Laser nach Anspruch, bei dem die dielektrischen Platten (20) eine Oberfläche aufweisen, die größer ist als die Oberfläche der RF-Elektroden (4).
Laser nach Anspruch 1, bei dem die dielektrischen Platten (20) eine Dicke von zwischen 0,5 und 3,0 mm haben.
Laser nach Anspruch 2, der ferner einen Einlasskühlungsabschnitt (17A) stromabwärts von und in Strömungsverbindung mit der Turbine sowie in Strömungsverbindung mit dem Einlassempfänger aufweist.
Laser nach Anspruch 1, bei dem die Überschalldüse (1) einen Unterschallbereich, einen kritischen Bereich und einen Überschallbereich umfasst.
Laser nach Anspruch 8, bei dem die Elektroden (4) innerhalb des kritischen Bereiches der Düse liegen oder sich mit diesem erstrecken, oder sich mit einem optischen Resonator (5) oder dem Überschallbereich der Düse (1) erstrecken.
Laser nach Anspruch 8, bei dem die Höhe des kritischen Bereiches der Überschalldüse von ungefähr 4 mm bis ungefähr 40 mm geht.
Laser nach Anspruch 1, der ferner einen Auslasskühlungsabschnitt (16B) umfasst, benachbart zu und in Strömungsverbindung mit dem Auslassempfänger (3B).
Laser nach den Ansprüchen 2 und 11, bei dem die Gasturbine (18) das Gasmedium von dem Auslasskühlungsabschnitt (17B) zu dem Einlasskühlungsabschnitt (17A) zirkuliert.
Laser nach Anspruch 1, der ferner einen Ablenker (39A) in dem Einlassaufnehmer (3A) umfasst, der sich in einem Winkel von ungefähr 45° erstreckt und/oder einen Deflektor in dem Auslassaufnehmer (39B), der sich in einem Winkel von ungefähr 45° erstreckt.
Laser nach Anspruch 1, bei dem Gasmedium aus mindestens einem Anteil Kohlenmonoxid oder -dioxid, Stickstoff und Helium oder deren Gemische besteht, oder aus mindestens einem Anteil von Xenon, Argon, Krypton, Helium oder deren Gemischen.
Laser nach Anspruch 3, bei dem das vorionisierte Gitter (6) gegenüberliegende Metall-RF-Elektroden umfasst, die eine Vielzahl von Sektoren aufweisen, welche in einem Abstand von ungefähr 3 bis 4 mm voneinander beabstandet sind.
Laser nach Anspruch 1, bei dem der Diffusor (2) ferner ein Zentralelement (2C) aufweist, welches den Gasstrom in eine obere und eine untere Ausströmbahn teilt.
Laser nach Anspruch 1, bei dem der Laser einen Innenkörper hat, der Aluminium aufweist.
Laser nach Anspruch 20, bei dem das Aluminium-Innere einen anodisierten Hartbeschichtungs-Überzug aufweist.
Laser nach Anspruch 1, bei dem die RF-Elektroden silberplattiertes Messing aufweisen.
Laser nach Anspruch 1, bei dem die dielektrischen Platten bearbeitbares, nicht leitendes Keramikmaterial umfassen.
Laser nach Anspruch 1, bei dem die erste RF-Elektrode in elektrische Verbindungen mit einem RF-Resonator steht, wobei der RF-Resonator in elektrische Verbindungen mit einer RF-Energieversorgung steht.
Laser nach Anspruch 1, bei dem die zweite RF-Elektrode elektrisch geerdet ist.
Laser nach Anspruch, bei dem der optische Resonator (5) einen optischen, zylindrischen, Teleskop-Resonator umfasst.
Laser nach Anspruch 1, bei dem der optische Resonator einen optischen, zylindrischen Teleskop-Resonator mit einer zusätzlichen optischen Verbindung umfasst.
Laser nach Anspruch 23, bei dem der Teleskop-Resonator ferner einen konkaven zylindrischen Spiegel und einen konvexen zylindrischen Ausgangsspiegel in optischem Verhältnis umfasst.
Laser nach Anspruch 24, bei dem Teleskop-Resonator mit einer zusätzlichen optischen Verbindung ferner einen Flachspiegel, einen konkaven zylindrischen Spiegel und einen konvexen zylindrischen Ausgangsspiegel umfasst, die alle in optischem Verhältnis miteinander stehen.
Laser nach Anspruch 25 oder 26, bei dem die konkaven und konvexen Spiegel ein kreisförmiges Profil oder ein Parabelprofil haben.
Laser nach Anspruch 23 oder 24, bei dem optische Resonator durch ein optisches, übertragendes Ausgangs-Emissionsfenster versiegelt ist, durch welches der Laserstrahl hindurchgeht.
Laser nach Anspruch 8, bei dem die RF-Elektroden 4 innerhalb des optischen Resonators (5) angeordnet sind oder stromabwärts von dem kritischen Bereich der Düse (1) und stromaufwärts von dem optischen Resonator (5), und/oder wassergekühlt sind.
Laser nach Anspruch 8, bei dem der Vorionisierer (6) innerhalb des kritischen Bereiches der Düse angeordnet ist.
Laser nach Anspruch 1, bei dem die erste RF-Elektrode mit einem RF-Resonator und einem RF-Verstärker integriert ist, wobei der RF-Verstärker elektrisch mit einer Gleichstromquelle und einem Energiezufuhr-Einstellelement verbunden ist.
Laser nach Anspruch, bei dem das Gasmedium eine Geschwindigkeit von ungefähr 0,1 Mach bis ungefähr 5 Mach in dem optischen Resonator aufweist.
Laser nach Anspruch 1, bei dem der Gasdruck innerhalb des Einlassaufnehmers (3A) von ungefähr 6650 Pa (50 Torr) bis ungefähr 665 kPa (500 Torr) geht.
Laser nach Anspruch 1, bei dem die Überschalldüse einen Expansionskoeffizientenbereich von 1 bis 20 hat.
Laser nach Anspruch 1, bei dem ein RF-Plasma in den RF-Elektroden einen „Alpha"-Betriebszustand oder einen „Gamma"-Betriebszustand aufweist.
Laser nach Anspruch 1, bei dem die RF-Elektroden eine Gasströmungslänge von ungefähr 2 bis 15 cm aufweisen.
Laser nach Anspruch 1, bei dem das Innere des Lasers mit AlO₃, Nickel mit geringem Phosphoranteil oder einer nicht leitenden Keramik beschichtet ist.