JPH0714082B2 - 高速軸方向ガスレーザとその出力向上方法 - Google Patents

高速軸方向ガスレーザとその出力向上方法

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JPH0714082B2
JPH0714082B2 JP60504321A JP50432185A JPH0714082B2 JP H0714082 B2 JPH0714082 B2 JP H0714082B2 JP 60504321 A JP60504321 A JP 60504321A JP 50432185 A JP50432185 A JP 50432185A JP H0714082 B2 JPH0714082 B2 JP H0714082B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はガス流の励起管からなる軸方向のガスレーザの
出力を高めるための方法に関し、その方法の実施のため
少なくともガス流励起管からなる軸方向ガスレーザ及び
軸方向ガスレーザのための励起管に関する。
背景技術 軸方向のガスレーザにおいて励起管の主断面は一般に真
直な管として形づくられている。ガス入口からの距離が
増加するにつれて管の周辺にガス流もしくは混合ガス流
の粘性力によって制限される所謂流れの境界層が形成さ
れる。この境界層の内部でのガスの流れ速度は管の中央
で最大値に増加し、管の壁で零値に減少する。この境界
層の厚さは流れ方向に増大している。妨げられない流れ
のために常にわずかの自由空間が残留し、それでもって
流れの下方へのガス速度は増加される。
しかし、再び増加するガス速度と共に粘性力も増加し、
そのため境界層は励起管の長さ方向において粘性力と釣
り合っている。今この管のなかでガスもしくは混合ガス
に熱が供給されると、これは電気的励起の場合である
が、ガス密度が減少し、もしくはガス容積が増大し、ガ
ス流れ速度はより大きくなり、再び境界層の成長を促進
する。励起管に沿ってガス速度の関係して真直な管では
基本的に３つの場合がある。
1.ガスが真直な管のなかを亜音速で入ると、正確に出口
では音速に達する。
2.ガスが超音速で入ると、管の端部で音速に遅くされ
る。
3.ガスが超音速で入り、圧縮推力で亜音速に遅くされ、
最後に管端で音速に加速される。
供給熱が増加するにつれて、そのためすべての場合、亜
音速から超音速の移行は真直な管の一定な横断面では物
理的理由から不可能であるとみなされる。熱供給が臨界
値な値を越えると上述の速度の移行は所謂「温度的閉塞
（thermal Choking）」を生じ、管を詰らせるように作
用するであろう。間欠的な流れが熱供給の断続により再
び起る。それ故に出力供給において先に述べた励起管か
らなるありきたりのガスレーザでは物理的現象により光
出力が制限されるのである。
換言すれば、本来、ガスレーザの出力を向上させるため
には、ガスの温度を高くしてエネルギーを増大させ、ガ
スの速度を早くすればよいのであるが、ガスの温度を高
くすればするほど、境界層の成長を促進させ、ついには
管を閉塞させてしまうとともに、このような現象と平行
して、境界層の剥離も生じ、管の閉塞を解消する。この
ように、管の閉塞と閉塞の解消が断続的に行われるため
に、安定した高いレーザー出力を得ることができないと
いう問題がある。
発明の開示 本発明には、先にのべた境界層の問題を除去する方法を
提案するという課題がある。従って、励起管のガス入口
領域において与えられた横断面積のとき、励起管に沿っ
て亜音速から超音速にガスの通過を強制することなしに
ガスが増加量の熱を吸収できるようにする簡単化が達成
されるべきである。
本発明によれば、ガス流励起管からなる軸方向のガスレ
ーザの出力を高める方法として管壁に発生し、妨げられ
ないガス流の有効な管の横断面に対して減少する境界層
がすくなくとも軸方向の断面に沿って励起管の横断面積
を変化させるように考慮させることを特徴とする方法に
より達成される。
横断面積の変化により得られ、生ずる境界層を考慮して
残った有効な流れの横断面積に影響を及ぼし、そのため
に生じた流れ速度に影響を及ぼす。横断面積を変化させ
ることは管に沿って達成される経過に対する措置により
物理的パラメータを決定する。そのようなパラメータと
して特に混合ガスの圧力もしくは混合ガスの温度、必要
な場合にはそれに依存するマッハ数等々の量をあげるこ
とができる。
達成されるべき経過はこのましくは特許請求の範囲第３
項の本文による横断面積を変化させることを現実化する
ことで達成され、通常挿入されるガスでは混合ガスが関
係し、そのためガスの状態式を考慮して実現化される。
上述のことから供給熱が高い場合にはそのため境界層が
増加し、この境界層の増加は励起管の拡大によって補償
することができ、さらに熱が供給されるときには流れる
ガスは亜音速から超音速の臨界的ガス速度の移行を果す
に及ばないと思われる。特許請求の範囲第３項による式
の解析はガスのなかで特別に一定に保たれる圧力に対し
て特許請求の範囲第４項に与えられる定性的な横断面積
の経過を生ずる。すなわち、横断面積がすくなくともガ
ス流れ方向においてほぼ線状に増加し、一定に保持され
る温度に対してすくなくとも指数的に増大するよう選択
されることを特徴としている。
上記方法の実用化のために形づくられる軸方向のガスレ
ーザは特許請求の範囲第５項の本文すなわち励起管は長
さ方向に沿ってすくなくとも断面的には連続して変化す
る内部横断面積を持つことを特徴としている。
励起管はこれに対して特許請求の範囲第10項の本文、す
なわち励起管の内部断面はすくなくとも断面が連続的に
変化し、このましくはその端部に対して拡大され、すく
なくとも軸方向に関して線状もしくは指数的になってい
ることを特徴としている。
さらに励起管に沿って釣り合いのとれた流れを確保する
ために大範囲の渦巻の発生及び同時に混合により促進さ
れる小範囲の渦巻の発生は管がすくなくとも円形から異
なるたとえば三角形，四角形，楕円形のような導管の横
断面を有するところの断面で取り囲まれることにより促
進できる。この形状により個々の渦巻の生成は本発明に
よる励起管では阻止される。
本発明による励起管に関する別の措置は電気的に励起さ
れるレーザに電極配置を設けるのにすくなくとも殆ど管
の内壁周辺の半径方向に段階なし、そして半径方向にス
リットなしにすることである。このことにより電極が電
場に置かれるときには励起管に沿って先に述べた渦巻の
生成は阻止される。そのような電極は連続的に横断面積
を変化させることを確実にするために円錐形に形成され
ている。
つづいて本発明の実施例を図面をもちいて説明する。
図面の簡単な説明 第１図は電気的に励起される軸方向レーザの１段階また
は多段階レーザに関して、本発明の措置を説明するため
に「２段階」の高出力ガスレーザの原理図を示してい
る。
第2a図は公知の励起管に関する定性的な流れの状態を示
している。
第2b図は本発明による励起管に関する定性的な流れの状
態を示している。
第2c図は一定に保持されるガス圧ｐ（Ｘ）及び温度Ｔ
（Ｘ）のときの管の長さ方向の座標Ｘに沿う第2b図の装
置の横断面積の定性的な依存性を示している。
第3a図，第3b図，第3c図は第２図による本発明の励起管
の大範囲渦巻を阻止する横断面の形を示している。
第４図は第2b図による管壁に配置された電極を有する励
起管の断面図を示している。
発明を実施するための最良な形態 第１図には電気的に励起される軸方向の高出力ガスレー
ザの配置が原理的に示されている。点線の標線の左側の
第１段落と、左側の第２段階とからなる２段階レーザで
ある。レーザ装置は励起管１を取り囲み、その端部には
陰極３と陽極５とが配されている。励起管１の一端には
入口領域７に入口管７が励起管１のなかに合流し、他端
には励起管１の出口領域13から出口管11が通じている。
送風器15を用い、熱交換器17と19がその前と後に接続さ
れ、たとえば炭酸ガス，窒素，ヘリウムからなる混合ガ
スを励起管１に矢印の方向に駆動している。両側の開い
た励起管１の中心軸Ａは同時にレーザ光の光学軸であ
る。別に示されるように電極３と５とは高電圧電源21を
経て制御素子23たとえば電子管の形で駆動され、そのと
き電子管23を用いて電極電流の制御された電流調節に合
わせられている。
本発明は励起管１の形成に関係がある。
第２図には概略的に記入された陽極98と陰極100を有す
るありきたりの真直な励起管を示している。流れの粘性
力に制約されて、陽極領域もしくは入口領域から距離Ｘ
の増加につれて流れの境界層が形成される。横断面Ｆで
示される定性的の流れ速度の断面は、座標Ｘに沿って管
の中心においてＸ座標に依存して最大値の速度Ｖから管
壁において零の速度Ｖまで減少しているのが明示されて
いる。境界層102の厚さは流れ方向Ｒに対して座標Ｘの
増加に一致して増大することは明白である。ガスの輸送
に有効な管の断面はＸ座標の増加とともに減少し、常に
僅少な自由空間が妨げられないガスの流れに対して残留
していることは流れの断面から明確にすることができ
る。連続性の考慮からガス速度は残留の流れの輸送に有
効な横断面において増大し、再び粘性力の増加に作用
し、さらに境界層の増加に作用することが生ずる。正帰
還の意味で平衡する系が関係している。軸方向の電場が
置かれる場合に励起管１のガスに追加的の熱が供給され
るとガスの容積は増大し、それで流れ速度及びそのため
に再び境界層は増大する。管のなかの速度増加は亜音速
から超音速への移行によって克服できない限界に置かれ
る。この現象はここで純粋に見いだされたものであり
「熱的閉塞，熱的に詰まること（thermal choking）」
としてしられている。
第2b図には本発明による励起管の定性的な構成を示して
いる。ガスの流れ方向Ｒもしくは増加する位置の座標軸
Ｘに対して励起管の開始点の最も小さい横断面積F1に関
する管の内部横断面積Ｆ（Ｘ）は発散しているのが明示
されている。この拡大によって説明すべき合法性が見い
出され、境界層が全く座標軸Ｘの増加と共に増大し、し
かもなお、境界層はガスの流れ速度の増大に無条件でな
く位置座標Ｘに依存して増大する境界層により減少する
輸送の有効断面が管の拡大により補償されるように伸び
ている。そのため、第2a図による実施に関し一様な最小
の管横断面積F1−それは第2a図の一定の面積Ｆに相等し
ているが臨界的な速度の移行及び管の詰りが上記の意味
で生じもしくは起ることなしに本発明による第2b図によ
る実施では実質的により多い熱が供給され得る。そのた
め本発明により構成された励起管のときには実質的によ
り多くの出力を電気的に供給することができ、実質的に
高い出力のレーザ光を生じるのである。
励起管の形成は望ましい経過に応じてＸ座標の関数とし
て励起管の物理的パラメーターを決められる。これに対
して原則的に次式が与えられる。
その式の一般的なＸ座標依存性を考慮して次の量は重要
である。ここで、 M1は最も狭い限界の横断面位置X1でのマッハ数、 Fxは位置Ｘでの管の横断面積、 F1は最も狭い横断面積、 Ｍ（ｘ）は位置Ｘでのマッハ数、 T01はガスの静止温度、 ｋ（ｘ）は位置Ｘでの等エントロピー指数、 Cp（ｘ）は位置Ｘでのガスの比熱、 q2は全供給熱、 ξ（ｘ）は、q2に関連し、位置Ｘでの相対的な供給熱を
示している。
この式を解析する場合にガスもしくは混合ガスの状態式
を考慮して横断面積の変動関数が一つまたはそれ以上の
式に対してガスのガス圧ｐ（ｘ）もしくは温度Ｔ（ｘ）
またはマッハ数Ｍ（ｘ）等々のような与えられた量がＸ
座標依存の経過からのハンディキャップの依存性におい
て確められる。例えば第2c図には上記式の解析の定性的
な経過を示している。最も狭い横断面積F1により規格化
された管の横断面積Ｆは位置座標Ｘの関数として一定に
保持されるガス圧ｐ（ｘ）に対して座標Ｘに沿って直線
的にまたは一定温度Ｔの場合においては指数的に増加す
る経過を示している。一般的な場合において解 Ｆ（ｘ）／F1は完全に得られないでむしろこのましくは
計算機の使用により各々のＸ座標値に対して数量的に算
出される。
第3a図から第3c図には、本発明による第２図の励起管の
横断面積上に１つの中心を持つ渦巻すなわち「大範囲渦
巻」と称される渦巻が阻止される措置を示している。１
つの管において管の流れ横断面の上に単一の、そのた
め、上記の大範囲渦巻が生じ、それ故管の横断面が円形
状に正確であればあるほど高いという傾向はよく知られ
ている。第3a図から第3c図による励起管１の流れの横断
面は円形と異なって形づくられ、例えば、三角形，四角
形，多角形または楕円形に形づくられている。
第３図にはそれにより生ずる対称的な小範囲渦巻を定性
的に記入されている。第2b図の励起管を流れるガスの軸
方向の良好な混合を促進している。
第４図には第2b図による本発明の励起管の電極の配置を
示している。光学軸Ａを有するレーザ光に対して部分1,
1aとからなる２つの部分に示されている励起管に電極96
は中空円錐としてはめこまれている。すくなくとも中空
円錐の電極96は管１の内壁に段落なしに及びスリットな
しに管１もしくは管1aに連結するような寸法になってい
る。それはたとえば電極の両側は軸方向に向けられる環
状カラー94に配置され、支持されている。電極は第2b図
により励起管の発散もしくは収れんする管壁に密着して
いる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 8934−4Ｍ Ｈ０１Ｓ 3/095 Ｂ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内部に高速のガス流が流れる励起管を有す
    る高速軸方向ガスレーザにおいて、前記励起管管壁から
    の影響を受けないガス流束の横断面積がほぼ一定となる
    ように、かつ管壁に生じる境界層の影響がガスの流速に
    及ばないように、ガス流の方向（Ｘ）に沿って前記励起
    管の内部横断面積（Ｆ（ｘ））を連続して拡大させた励
    起管を用いることを特徴とする高速軸方向ガスレーザの
    出力向上方法。
  2. 【請求項２】前記励起管が、その軸方向の両端部近傍に
    電極を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
    載の高速軸方向ガスレーザの出力向上方法。
  3. 【請求項３】前記励起間に沿って励起管の内部横断面積
    を変化させる際に、一定の物理的パラメータにより変化
    させることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高
    速軸方向ガスレーザの出力向上方法。
  4. 【請求項４】前記励起管の内部横断面積の変化が、次式 （ここで、励起管の軸方向の座標をＸとし、使用される
    ガスもしくは混合ガスの状態式を考慮して、 M1は、最も狭い横断面装置X1でのマッハ数、 Ｆ（ｘ）は、位置Ｘでの管の横断面積、 F1は、最も狭い横断面積、 Ｍ（ｘ）は、位置Ｘでのマッハ数、 T10は、ガス静止温度、 ｋ（ｘ）は、位置Ｘでの等エントロピ指数、 Cp（ｘ）は、位置Ｘでのガスの比熱、 q2は、全供給熱、 ζ（ｘ）は、q2に関係し、位置Ｘでの相対的供給熱を示
    す。） により決定されることを特徴とする特許請求の範囲第１
    項に記載された高速軸方向ガスレーザの出力向上方法。
  5. 【請求項５】前記励起管の少なくとも１つの断面に沿っ
    て一定に保持される圧力のと貴横断面責がガスの流れ方
    向には少なくとも線形に増加するように選ばれ一定に保
    持される温度に対して少なくとも指数的に増大するよう
    に選ばれることを特徴とする特許請求の範囲第１項から
    第３項記載のいずれか１つに記載された高速軸方向ガス
    レーザの出力向上方法。
  6. 【請求項６】高速ガスが流れる励起管と、ガスを励起さ
    せる陽極および陰極と、軸方向に高速ガスを流す送風機
    とをそれぞれ具備し、励起管内を流れる高速ガスに熱を
    加えるようにした高速軸方向ガスレーザであって、前記
    励起管の内部空間の断面積は、前記送風機の送風方向に
    おいて徐々に拡大するものであることを特徴とする高速
    軸方向ガスレーザ。
  7. 【請求項７】前記励起管の内部横断面積はその断面がガ
    ス流れ方向に軸方向の延長に関しほぼ線状または指数的
    に拡大していることを特徴とする特許請求の範囲第６項
    記載の高速軸方向ガスレーザ。
  8. 【請求項８】前記励起管が、少なくとも円形状と異なる
    内部横断面形状を有する励起管であることを特徴とする
    特許請求の範囲第６項もしくは第７項に記載の高速軸方
    向ガスレーザ。
  9. 【請求項９】前記励起管の内周壁に半径方向の段もしく
    はスリットを形成せずに電極が設けられていることを特
    徴とする特許請求の範囲第６項から第８項に記載のいず
    れか１つに記載された高速軸方向ガスレーザ。
  10. 【請求項１０】内部横断面の変化を実現するために電極
    配置が円錐形内部開口を持つことを特徴とする特許請求
    の範囲第９項に記載の高速軸方向ガスレーザ。
  11. 【請求項１１】前記励起管の内部横断面がすくなくとも
    断面が連続的に管の端の軸方向の延長に関して線状また
    は指数的に変化するように拡大されている励起官を具備
    することを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の高
    速軸方向ガスレーザ。
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