NL7406157A - Verbetering van een gaslasergenerator. - Google Patents

Description

Aanvrager: COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE

rue La Boétie, 75382 PARIJS, CEDEX 08. Frankrijk.

Gemachtigde: Octrooi- en Merkenbureau van Exter (Ir. C.H.J.Timmers e.a.) Willem Witsenplein 3 & Pen Haag.

Ingeroepen recht van voorrang: Frankrijk - 17 mei 1973 - No. EN 7317950.

Korte aanduiding: "Verbetering van een gaslasergenerator."

Aanvulling op Ned. octrooiaanvrage No. 7305^37 d.d.- 19 april 1973· ^ De uitvinding heeft betrekking op een vabetering van een gaslasergenerator omvattende: - een langwerpig omhulsel voorzien van overdrachtsoperingen aan een eerste einde; 5 - middelen voor het in het omhulsel toevoeren in tenminste één straal van een eerste gas dat kan worden geëxciteerd door een elektrische ontlading, welke middelen een injectiebuis omvatten dat uitkomt in het omhulsel nabij het tweede einde daarvan; - elektroden aangebracht in het omhulsel voor het tot stand brengen 10 van een elektrische ontlading in het eerste gas; - een langwerpige expansiekamer waarin het omhulsel uitkomt via de overdrachtsopeningen, waarbij de doorsnede van deze expansiekamer progressief toeneemt uitgaande van het eerste einde nabij genoemd [omhulsel tot aan het tweede einde; _| 7406 1 57 SBHHHf - evakuatiemiddelen voor het houden op een lage druk van het tweede einde van de expansiekamer en het doen cirkelen van het eerde gas van genoemde injektiebuis tot aan het tweede einde van de expansie-kamer via de overdrachtsopeningen; 5 - middelen voor het toevoeren aan de expansiekamer van tenminste één tweede gas, dat kan worden geëxciteerd door molekulaire wisselwerking met het eerste gas in zijn geëxciteerde toestand, welke voedingsmiddelen zijn gelegen nabij genoemd omhulsel, zodanig dat een menging wordt verkregen van het eerste en tweede gas; 10 - een optische resonantieholte waarin een laseremissie kan optreden in de aanwezigheid van het tweede gas in de geëxciteerde toestand, welke holte zich bevindt in de expansiekamer, zodanig dat deze door het gasmengsel kan worden doorlopen, waarbij de afmetingen van het omhulsel, de diameter en de stand van de 15 eerste injektiebuis en de injektiesnelheid van het eerste gas, alsmede de afmetingen van de overdrachtsopeningen zodanig zijn gekozen dat een wervelstroming van het eerste gas in het geheel van het volume van dit omhulsel wordt opgewekt.

ïïit de publikatie van MM. Lavarini, Dettini, Crayon, Michon 20 "Laser a excitation électrique et détente adiabatique” (Comptes rendus a 1’Académie des Sciences de Paris t. 272 p 335-338, 1 februari 1971)) zijn bekend gaslasergeneratoren waarin een elektrische ontlading wordt teweeggebracht in een eerste gas (stikstof) dat met grote snelheid “wordt aangedreven waarbij het eerste gas wordt gemengd met een tweede 25 gas (kooldioxide) in een expansiekamer waarin een optische resonantieholte aanwezig is. De elektrische ontlading heeft tot gevolg dat het stikstof een excitatie-energie krijgt die wordt overgedragen aan het C°2 via molekulaire interaktie tijdens het mengen. De snelle verplaatsing van het mengsel in de expansiekamer laat dit de optische 30 holte bereiken voordat de excitatie van het CO,, verdwijnt, hetgeen jhet mogelijk maakt dat dit laatste een gestimuleerde emissie vertoont in de optische holte, en wel een laseremissie.

De stikstofmolekulen kunnen drie verschillende excitatiemodes vertonen: thermische excitatie, rotatie-excitatie en trillingsexcitatie. 35 De relaxatietijd van de eerste twee modes is veel kleiner dan die van rig laatste mode.Wanna ar rie stikstofmol akulen en de kooldioxidemolekulen 74 0 6 1 57 «BB* zich mengen in de expansiekamer is het de vibratie-energie van het stikstof welke alleen overblijft en welke in het kooldioxide de popu-latie-inversie teweegbrengt welke de oorzaak is van een laserpuls met groot vermogen.

5 Deze bekende inrichtingen hebben een aantal nadelen.

De opbouw alsmede de onderlinge plaatsing der organen maakt het niet mogelijk sterke en homogene elektrische ontladingen in het stikstof te verkrijgen wat leidt tot een begrenzing van het vermogen en een vermindering van het rendement.

10 De uitvinding beoogt een verbetering te verschaffen van een gas- lasergenerator van de in de aanhef genoemde soort. Deze verbetering bestaat daarin dat het omhulsel wordt gevormd door een cilinder met cirkelvormige doorsnede waarvan de lengte tussen vijf- en zevenmaal de diameter is.

15 De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de figuren. In deze figuren is: fig. 1 een schematische doorsnede door een eerste uitvoeringsvorm van een gaslaser volgens de uitvinding; fig. 2 toont in perspektivisch aanzicht een bij de laser vol- 20 gens de uitvinding toegepaste injektor; fig. 3 is een schematische doorsnede door een tweede uitvoeringsvorm; fig. k is een horizontale doorsnede door een derde uitvoeringsvorm volgens de uitvinding; 25 fig· 5 is een vertikale doorsnede door deze uitvoeringsvorm.

Figuur 1 toont een lasergenerator met gasflux, omvattende een cilindrisch omhulsel 1 met een diameter 0 1 waarin een injektiebuis 2 uitmondt die een anode vormt en is verbonden met een gpanningsgenera-tor G via een weerstand R. De buis 2 omvat een axiaal kanaal 3 ver- 30 j bonden met een bron van stikstof onder druk SN, schematisch aange- j geven, en het vooroppervlak van de buis omvat de injektieopening k i j met de diameter 0 2, divergerend naar binnen in het omhulsel 1. Aan ! het andere einde van het omhulsel 1, en op een afstand L van het einde van de buis 2 zijn, op een gelijke onderlinge afstand 1 de koolzuurgas- 35 j injektors 5 aangebracht, die worden gevoed vanuit een bron SC en aan I— l .de hand van figuur..2 nog naderezuilen worden besproken; deze injektors 7406 1 57 iΨ zijn elektrisch verbonden met de andere pool van de spanningsgene-rator G via de geleiders 13·

De overdrachtsopeningen v/orden gevormd door de open ruimten zoals aangegeven met het verwijzingscijfer 30 tussen twee injektors 3 of tussen een injektor en de wand van het omhulsel 1.

Het omhulsel 1 mondt uit via de overdrachtsopeningen in een expansiekaraer 6 met twee spiegels 7 en 8 die een optische resonantieruimte bepalen; de spiegel 8 is semitransparant en laat de laserstraling in de richting van de pijl F uittreden.' 10 Het breectte einde van de expansiekamer wordt op een zeer lage druk gehouden door de aanwezigheid van evacuatiemiddelen die worden gevormd door kanalen uitkomend in een vakuumruimte SV, schematisch aangegeven, en met afmetingen die voldoende zijn opdat de druk praktisch nul blijft gedurende de werking van de lasergenerator.

13 Fig· 2 toont meer in detail de opbouw van de injektors 5» elk bestaande uit een geprofileerd metalen lichaam 9 waarin een kanaal 10 is gevormd dat met de beide einden is verbonden met een koolzuurgasbron (C02) en een heliumbron en anderzijds net een kanaal 11, waardoor een koelmedium circuleert, bijv. water. Het kanaal 10 voedt een 20 aantal injektiebuizen 12 voor het koolzuurgas met constante doorsnede.

De generator werkt als volgt:

De stikstof, onder druk gebracht in het axiale kanaal 3 van de buis 2 wordt met supersone snelheid in het omhulsel 1 geïnjekteerd 25 via de injektie-opening *f. Als gevolg van de keuze der parameters L, en 0 1 treedt een hoofdwervelstroming op van het stikstof in het omhulsel 1. Deze stroming verloopt volgens de met getrokken lijnen getekende pijlen 1*f en verzekert een homogene verdeling van de elektrische ontlading die optreedt tussen de anode 2 en de geleiders 13> 30 ; gevoed door de generator G.

| Een gedeelte van de stikstof die in beweging is gebracht door de hoofdwervelstroming stroomt tussen de injektors 5 en de wand van het omhulsel 1 en vormt op deze wijze een sekundaire stroming die is aangegeven met de met streeplijnen getekende pijlen en brengt het 35 koolzuurgas en het helium, geïnjekteerd door de buizen 12, in be-I v/Aging- H«=>t irnni Kinrrgas wordt gpffYr.i tftg-rri en geeft een laseremissie 74 0 6 1 57 MM·» in de richting van de pijl F.

In de uitvoeringsvorm volgens fig. 3 verdeelt het kanaal 3 zich in twee kanalen 16 en 17 die respectievelijk uitkomen in twee injektie-openingen 18 en 19 welke naar binnen in het omhulsel divergeren.

5 Door een geschikte keuze van de parameters treedt een dubbele wervelstroming van de stikstof in het omhulsel 1 op, weergegeven door de pijlen 20 en 21. Dit verzekert een bijzonder homogene verdeling van de elektrische ontlading die wordt veroorzaakt door de voeding van de anode 2 en de geleiders 13 vanuit de niet-getekende elektrische gene-10 rator.

Het is mogelijk een buis 2 toe te passen met meer dan twee injektie-openingen, alsmede meerdere buizen 2 elk met één of meer injektie-openingen.

Het is ook mogelijk de buis 2 zodanig uit te voeren dat in het 15 omhulsel 1 geen stikstofstraal met ronde doorsnede doch een betrekkelijk brede en dunne laag wordt geïnjekteerd, evenwijdig aan één van de wanden van het omhulsel 1.

De figuren k en 5 tonen een dergelijke uitvoeringsvorm.

De buis 2 heeft een injektie-opening ko in de vorm van een spleet, 20 gericht in vertikale richting, en met een breedte bij benadering gelijk aan die van het omhulsel 1 in horizontale richting. De hoofdstroming van het stikstof verloopt dan volgens horizontale lagen: een middenlaag aangegeven door de pijlen 41 is gericht van de buis 2 naar de injektors 5 en tvree lagen, de een hoger dan de andere, aange-25 geven door de pijlen k2 en ^3 zijn gericht van de injektors 5 naar de buis 2.

Bij de beschreven uitvoeringsvormen treedt een longitudinale elektrische ontlading op; de ontlading is evenwijdig aan de gemiddelde stromingsrichting van de stikstof in het omhulsel 1. De uitvinding 30 kan ook worden gerealiseerd met een transversale oplading, dus in een richting loodrecht op genoemde richting. Gewenst is dat het j grootste gedeelte van het volume van het omhulsel 1 wordt doorlopen ' door de elektrische ontlading.

i | In het nuvolgende zal een meer gedetailleerde omschrijving 35 |_worden gegeven van de dimensionering der verschillende parameters, -bedoald ter-verkri-jgdng.-vaiyfeen-zo-goed mogelijke werking. ^ . ______ 74 06 1 57 WÊKÊt fSSSS^

Een belangrijk doel is het verkrijgen van een hoog energierendement, dus een zo groot mogelijke verhouding tussen de opgewekte lichtenergie en de elektrische energie opgenomen door de ontlading in het omhulsel 1. Hiertoe is het gewenst dat de ontlading van het luminescerende type is.

5 Het is bekend dat een dergelijke ontlading wordt opgewekt door elektronen in hoofdzaak afkomstig van sekundaire elektronenemissie van de koude kathode gebombardeerd door ionen of andere deeltjes, of van een koude kathode-emissie door het veldeffect. Het is bekend dat een dergelijke emissid zich onderscheidt van een elektrische boogontlading 10 waarin een hoge temperatuur optreedt, een sterke gasionisatie en een belangrijke thermo-elektronische emissie aan de kathode.

Bij een luminescerende ontlading is de elektronensnelheid, binnen in de positieve kolom zodanig dat hun kinetische energie meth een hoog rendement, hoger dan 80%, wordt overgedragen aan de daardoor 15 tegengekomen stikstofmolekulen met een excitatie in de trillingsmode.

Bij een elektrische boog maakt de hoge temperatuur het overdracht srendement laag binnenin het omhulsel 1. Bovendien wordt het energierendement van de processen die zich afspelen binnen de expansie-kamer 6 verlaagd.

20 Wanneer men tracht het vermogen van de bekende lasergeneratoren te vergroten door een toename van het volume van het omhulsel 1, de stikstofdruk en de stroomdichtheid binnen dit omhulsel, wordt de homogene luminescerende ontlading instabiel en gaat over in een aantal draadvormige elektrische bogen. Het rendement van een dergelijke 25 generator daalt dan sterk. Door de turbulente stroming volgens de uitvinding blijft de ontlading van het luminescerende en homogene type ook bij hoge vermogens.

Hiertoe moet bij de uitvoeringsvorm volgens de figuren 1 en 2, dus bij een cilindrisch omhulsel en een longitudinale elektrische t 30 ’ontlading de verhouding tussen de lengte L van het omhulsel en de {diameter 0 1 worden gekozen tussen vijf en zeven: | 5 < L/01 ^ 7.

! Het is gewenst dat de per sekonde door de buis 2 geïnjekteerde bewegende hoeveelheid Qm, dus het produkt van het ipassadebiet en de 35 injektiesnelheid ligt tussen 1 en 30 wanneer als eenheden de meter, jflp gpknnrie en dg kilogram wordt gekozen: 74 0 6 1 57 - 7 - ^βΒΗΒΒί 1 Kg.m/s2 < Qra < 30 Kg.m/s2

De uitgangspermeabiliteitscoëfficiënt, dus de verhouding van het tussen de injektors 5 vrijgelaten uittree-oppervlak en het doorsnede-oppervlak van het omhulsel ligt bij voorkeur tussen 5# en 50#: 5 5# < K < 50#

Opgemerkt wordt dat de druk in het omhulsel 1 ligt nabij, of is hoger dan, tweemaal de druk in de expansiekamer 6, zodanig dat de stroming van het stikstof tussen de injektors 5 de geluidssnelheid bereikt.

10. De druk P van het stikstof in het omhulsel 1 kan groter zijn dan 0,1 bar, en zelfs een waarde van enkele bar bereiken zonder dat een elektrische boog optreedt.

De injektiesnelheid V van het stikstof via de buis 2 is hoger dan 100: 15 V > 100m/s

De sfcroomdichtheid j in het omhulsel, dus de verhouding van de strooosterkte en het oppervlak van het omhulseldoorsnede kan worden vergroot wanneer men het vermogen van de generator wenst te vergroten.

Hoge stroomdichtheden kunnen worden bereikt bij een omhulsel met 20 kleine doorsnede. Dan stelt zich een homogene elektrische ontlading in. Wanneer men bet vermogen van de generator wenst te vergroten door een vergroting van de doorsnede van het omhulsel treden draadvormige elektrische ontladingen op. De uitvinding maakt het mogelijk bij een hoge waarde der stroomdichtheid de doorsnede van het omhulsel 1 te 25 vergroten. Bij voorkeur is: 10 mA/cm < j < 200 mA/cm

De elektrische energie Wm, geïnjekteerd per massa-eenheid van het stikstof kan worden uitgedrukt in joules per gram: 500 J/g -c Wm < 5000 J/g 30 j Het is interessant de verhouding E/N te berekenen tussen het i (elektronisch veld E in het omhulsel 1 en het aantal N der stikstof-(raolekulen per kubieke centimeter, daar deze verhouding is gekoppeld (met de gemiddelde snelheid van een elektron dat een stikstofmolekuul itreft: 35 ! Bij voorkeur is: 10 ^ V/cm2 < E/N < 10~^ V/cm2 i___ 7406157 4β··ρι

Claims (4)

1, Verbetering van een gaslasergenerator omvattende: - een langwerpig omhulsel voorzien van overdrachtsopeningen aan een eerste einde; middelen voor het in het omhulsel toevoeren in tenminste één straal 5 van een eerste gas dat kan worden geëxciteerd door een elektrische ontlading, welke middelen een injektiebuis omvatten dat uitkomt in het omhulsel nabij het tweede einde daarvan; - elektroden aangebracht in het omhulsel voor het tot stand brengen van een elektrische ontlading in het eerste gas; 10. een langwerpige expansiekamer waarin het omhulsel uitkomt via de overdrachtsopeningen, waarbij de doorsnede van deze expansiekamer progressief toeneemt uitgaande van het eerste einde nabij genoemd omhulsel tot aan het tweede einde; 74 0 6 1 57 '4··^^

9. WfSÊËÊf - evakuatiemiddelen voor het houden op een lage druk van het tweede einde van de expansiekamer en het doen cirkelen'van het eerste gas van genoemde injektiebuis tot aan het tweede einde van de expansiekamer via de overdrachtsopeningen; 5. middelen voor het toevoeren aan de expansiekamer van tenminste één tweede gas, dat kan worden geëxciteerd door molekulaire wisselwerking met het eerste gas in zijn geëxciteerde toestand, welke voedingsmiddelen zijn gelegen nabij genoemd omhulsel, zodanig dat een menging wordt verkregen van het eerste en tweede gas; 10. een optische resonantieholte waarin een laseremissie kan optreden in de aanwezigheid van het tweede gas in de geëxciteerde toestand, welke holte zich bevindt in de expansiekamer, zodanig dat deze door het gasmengsel kan worden doorlopen, waarbij de afmetingen van het omhulsel, de diameter en de stand van de eerste injektiebuis en de 15 injektiesnelheid van het eerste gas, alsmede de afmetingen van de overdrachtsopeningen zodanig zijn gekozen dat een wervelstroming van het eerste gas in het geheel van het volume van dit omhulsel wordt opgewekt. De verbetering bestaat daarin dat het omhulsel een cilinder is 20 met ronde dwarsdoorsnade met een lengte die ligt tussen vijf- en zevenmaal de diameter.

2. Generator volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de injektiebuis (2) is geplaatst volgens de as der cilinder zodanig dat, in de nabijheid van deze as de turbulente stroming gaat van 25 het tweede naar het eerste einde van het omhulsel en in de nabijheid van de zijwanden van het omhulsel gaat van het eerste naar het tweede einde.

5. Generator volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat de elektrische bron (6) en de elektroden (2, 5) zodanig zijn 30 | gekozen dat een luminexcerende ontlading in het eerste gas optreedt. ! | — i 7406157