JPS62502437A - 軸方向↓−ガスレ−ザに関する性能向上方法とその方法を実施した軸方向ガスレ−ザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 軸方向−ガスレーザに関する性能向上方法とその方法を実施した軸方向ガスレー ザ 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。

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（ｔｈｅｒｍａ＋ 　ｃｈｏｋｉｎｇ　）　Ｊ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。

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９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ツ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、 横断面積がず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？Ｑっで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 ぎ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ｌ１ｉＩｌｌ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、本発明の詳細な説明するために「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節囲渦巻を阻 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どは高電圧電源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４３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。１Ｎ１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　）　Ｊ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α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 最小の管横断面績Ｆ＋−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、　・ Ｍｌは最も狭い限界の横断面位置×１でのマツハ数、ＦＸは位置Ｘでの管の横断 面積、 Ｆｉは最も狭い横断面積、 Ｍ（ｘ）は位置Ｘでのマツハ数、 ■ｏ１はガスの静止温度、 に（Ｘ）は位置Ｘでの等エントロピー指数、　Ｃｏ　（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）またはマツハ数Ｍ（Ｘ）等々のような与えられた聞が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）／Ｆ、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座標値に対して数を的に算 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１ａｋ、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。

ＦＩＧ、２Ｏ ＦＩＧ、Ｚｂ ＦＩＧ、ＺＣ ＦＩＧ、３ａ　ＦＩ　Ｇ、　３ｂ ＰＣＴ／ＣＨ８５１００１４９ ２、発明の名称 軸方向−ガスレーザに関する性能向上方法とその方法を実施した軸方向ガスレー ザ ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 ピーアールシー　コーポレーション ４、代理人 東京都中央区八重洲２丁目１番５号　東京駅前ビル６階昭和６１年１２月２日　 （発送日） ６、補正の対象 所定の書面の「発明の名称」′の欄および明細書第１頁の翻訳文および出願人名 義変更届国際調査報告 −ｈ繭へ’ＡＭ”−ＰＣＴ／ＣＩ（８５１００１４９ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　ＴＨＥ 　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥＰＯＲＴ　ＯＮ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．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 界層が励起管の横断面積をすくなくとも軸方向に断面に沿って変化させるように 考慮されることを特徴とするガス流入励起管からなる軸方向ガスレーザの出力を たかめる方法。
2. ２．前記励起管に沿って目標とされる割合に応じる変化に達成されるべき経過の 物理的パラメータを決定することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載による 方法。
3. ３．前記変化はすくなくとも次式により▲数式、化学式、表等があります▼ で決定され、ここで軸方向座標の依存性としてＸ−依存性を導入し、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、 Ｔ０１はガス静止温度、 κ（ｘ）は位置Ｘでの等エトントロビ指数ＣＰ（ｘ）は位置Ｘでのガスの比熱 、 ｑ２は全供給熱、 ξ（ｘ）はｑ２に関係し、位置Ｘでの相対的供給然を示すことを特徴とする特許 請求の範囲第１項及ひ第２項記載のいずれか１つによる方法。
4. ４．前記励起管のすくなくとも１つの断面に沿って一定に保持される圧力のとき 横断面積がガスの流れ方向にはすくなくとも殆ど線形に増加するよう選ばれ一定 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つによる方法。
5. ５．実施例１から実施例４による方法の実施に対して励起管が長さ方向に沿って すくなくとも断面的に連続して変化する内部横断面積を持つことを特徴とするす くなくともガス流出励起管からなる軸方向のガスレーザ。
6. ６．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５項記 載の軸方向ガスレーザ。
7. ７．前記励起管はすくなくとも円形状と異なる内部横断面（第３図）を持つとこ ろの断面で取り囲むことを特徴とする特許請求の範囲第５項および第６項記載の いずれか１つによる軸方向ガスレーザ。
8. ８．前記励起管の内壁の周辺に半径方向の段落なしに及び半径方向のスリットな しに電極が設けられることを特徴とする特許請求の範囲第５項から第７項記載の いずれか１つによる電気的励起レーザとして形成される軸方向ガスレーザ。
9. ９．内部横断面の変化を実現化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８項記載による軸方向ガスレーザ。
10. １０．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好ましくは管の端 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拡大されていることを 特徴とする特許請求の範囲第５項記載の軸方向ガスレーザの励起管。