NL8100754A

NL8100754A - Werkwijze ter vorming van een laserbundel met een golflengte van 2,71 micron.

Info

Publication number: NL8100754A
Application number: NL8100754A
Authority: NL
Original assignee: Comp Generale Electricite
Priority date: 1980-02-15
Filing date: 1981-02-16
Publication date: 1988-06-01
Also published as: NO810462L; DE3046483A1; IT8167066A0; FR2557387A1; GB2152273A; GB2152273B

Description

«

- 813014/vdV

i

Korte aanduiding: Werkwijze ter vorming van een laserbundel met een golflengte van 2,71 micron.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze ter vorming van een laserbundel met een golflengte van 2,71 micron.

Een bekende werkwijze voor het vormen van een laserbundel met een golflengte van 2,71 micron is beschreven in het Amerikaanse 5 artikel "Production of population inversions among the electronic states atomic species by processes of intermolecular V*—>E energy transfer" (J.A. Blauer en 6.D. Hager) uit "Electronic transition lasers" (J.I. Steinfeld) HIT Press, 1976, bladzijde 105 tot 111.

Volgens deze werkwijze comprimeert men snel en krachtig een lOgasvormig mengsel dat moleculaire waterstof en argon bevat om de temperatuur van het mengsel op een temperatuur van meer dan 5000°K te brengen en om daarin atomaire waterstof te vormen. Men ontlaat daarna het gecomprimeerde mengsel door dit door een mondstuk te leiden en spuit gasvormig broomwaterstofzuur in de gasstroom die het 15mondstuk verlaat. Broomwaterstofzuur reageert met atomaire waterstof onder vorming van in vibratie aangeslagen moleculaire waterstof en 2 broomatomen met kwantumniveau ^2/2' exc**a**e-ener9ie van moleculaire waterstof is derhalve overgedragen op broom om de broomato- 2 men van de toestand ^2/2 over *e ^oen 9aan *n aangeslagen toestand 202P^2. Het gas dat het aangeslagen broom bevat, wordt door een optisch resonerende holte geleid.

Volgens deze werkwijze is het in principe mogelijk om een impuleielaser te verkrijgen met een golflengte van 2,71 micron door het gasvormige mengsel samen te persen. Deze wèrkwijze verschaft in 25de praktijk weinig bevredigende en niet-reproduceerbare resultaten.

Anderzijds is het niet mogelijk op deze wijze een continue laserbundel te verkrijgen.

De uitvinding heeft derhalve betrekking op een werkwijze ter vorming van een laserbundel met een golflengte van 2,71 micron en 30industriële vervaardiging van een laserzender die een dergelijke .8100754 / a -2- bundel kan uitzenden.

Oe uitvinding beoogt nu een werkwijze te verschaffen ter vorming van een laserbundel met een golflengte van 2,71 micron, waarbij men: 5 - atomaire waterstof vormt in een uitgangsgas dat moleculaire waterstof bevat, - het gas dat de atomaire waterstof bevat ontlaat, door doorleiden door mondstukken met een supersonische snelheid, - gasvormig broomwaterstofzuur bij de uitgang van de mondstukken in-10spuit in de stroomrichting van het gas, welk zuur reageert met atomaire waterstof onder vorming van in vibratie aangeslagen moleculaire 2 waterstof en atomaire broom met quantumniveau ^^/2' waar^j de exi- tatie-energie van de moleculaire waterstof wordt overgedragen op 2 broom om de broomatomen aan te slaan tot het niveau P-j/g' 15- het gas dat de monstukken verlaat en broomatomen bevat met het 2 niveau P^ in een optisch resonerende holte, loodrecht op de as van de holte, leidt om bij de uitgang van de holte een laserbundel met een golflengte van 2,71 micron te verkrijgen, welke gekenmerkt is doordat men de vorming van de atomaire waterstof in het gas ver-20krijgt door stroomopwaarts van elk mondstuk een elektrische ontlading met hoge spanning te vormen, welke ontlading bovendien in vibratie aangeslagen moleculaire waterstof vormt, welke aangeslagen moleculaire waterstof, na doorleiden door de mondstukken, wordt toegevoegd aan de waterstof gevormd door de inwerking van atomaire waterstof op 2 25broomwaterstofzuur om het aantal broomatomen dat van het niveau overgaat in het niveau ^Ρ|/2 te vergroten, waarbij de laserbundel die de holte verlaat een continue bundel is.

Een bijzondere uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding is, als voorbeeld, hierna beschreven, aan de hand van bijgaande teke-30ning, waarin de figuur in langsdoorsnede een laserzender voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding toont.

In deze figuur bezitten een aantal cylindrische, isolerende , 8 1 0 07 5 4 β » -3- buizen 1, 2, 3, enz., die gelijk en onderling evenwijdig zijn, ingangen 9 in een vlak loodrecht op de richting van de buizen.

In elke buis is naast de ingang 9 een ringvormige, coaxiale elektrode 4 aangebracht. Een andere ringvormige, coaxiale elektrode 5 5 is bij de uitgang van elke buis aangebracht.

De uitgangen van de cylindrische buizen zijn verbonden tot een geheel van mondstukken 7. Injecteurs 8 zijn stroomafwaarts van de hals 6 van de mondstukken geplaatst. Elke injecteur kan bijvoorbeeld zijn geplaatst in de gemeenschappelijke wand van twee opeenvolgende 10 mondstukken, zodat de inspuitas 20 is gericht in de stroomrichting van het gas in de mondstukken. De injecteurs 8 zijn via in de figuur niet zichtbare buizen verbonden met een inrichting 16 voor het vormen van gasvormig broomwaterstofzuur.

De mondstukken monden uit in een kamer 21 die door een cylin-15 drische wand 11 wordt begrensd. Deze wand bezit twee tegenover elkaar liggende, op ondoordringbare wijze door twee cylindrische delen 12 en 13 afgesloten openingen. Deze delen bezitten twee reflectoren 14, respektievelijk 15, aangebracht ter vorming van een optische resonerende holte volgens een as 23 loodrecht door de openingen in de stroom-20 richtingvan het gas in de mondstukken. De reflector 15 is gedeeltelijk doorlatend voor straling met een golflengte van 2,71 micron.

De kamer 21 bezit, bij het uiteinde tegenover de mondstukken, een inrichting 19 met een diffusor gevolgd door een pompsysteem of een vacuuminrichting.

25 De elektroden 4 en 5 zijn verbonden met een stroombron met continue hoge spanning 17 via een weerstand 18.

De in de figuur weergegeven inrichting werkt als volgt.

In de buizen 1 brengt men via de ingangen 9 een gas met een lage druk bestaande uit moleculaire zuurstof dat kan zijn verdund met 30 een neutraal gas zoals helium of argon. Dit gas wordt onder-worpen aan de elektrische ontladingen die optreden in de langwerpige buizen tussen de elektroden 4 en 5 die door de bron 17 zijn voorzien van een .8100754

' I

0 ά -4- lading met een groot potentiaalverschil. Door deze ontlading wordt het gas op een temperatuur van ongeveer 400 tot 500° K gebracht en wordt waterstof in atomaire toestand en in vibratie op niveau 1 aangeslagen moleculaire waterstof gevormd.

5 Bij voorkeur regelt men de elektrische ontlading zodanig dat de verhouding E/p tussen het elektrische veld E en de druk p van het gas ligt tussen 2 en 10 V/cm.torr. Aldus bevordert men de vorming van op niveau 1 aangeslagen waterstofmoleculen. Men kan bijvoorbeeld ten opzichte van de oorspronkelijke waterstofmoleculen 10 tot 15$ op 10 niveau 1 aangeslagen waterstofmoleculen en enkele procenten waterstofatomen verkrijgen.

Het pompsysteem ( of de vacuüminrichting ) voert het gas dat in de kamer 21 aanwezig is af, en het gas dat de op niveau 1 aangeslagen moleculaire waterstof en de atomaire waterstof bevat wordt 15 bij het doorleiden door de buizen en de mondstukken 7 naar de kamer 21 met een supersonische snelheid ontlaten. Om het opnieuw verenigen van waterstofatomen op de wanden van de mondstukken te voorkomen zijn deze bij voorkeur gevormd uit een keramisch materiaal of een metaal dat is bekleed met een polytetrafluoretheenlaag.

20 Men spuit bij de afvoer van de mondstukken gasvormig broom- waterstofzuur in via de injectoren 8.

Atomaire waterstof reageert met broomwaterstofzuur ter vorming van in vibratie op niveau 1 aangeslagen moleculaire waterstof en 2 atomaire broom met het niveau Pq/2 Vo^9ens de reactievergelijking: 25 H + HBr->H„ (1) + Br (2„ ). m 2 P3/2

Aan de op niveau 1 aangeslagen waterstofmoleculen, gevormd volgens de reactievergelijking (1), worden de moleculen toegevoegd die afkomstig zijn van de elektrische ontlading. Wanneer men deze' ontlading regelt zoals hierboven is aangegeven, zijn de op dat 30 ogenblik in het gas aanwezige aangeslagen waterstofmoleculen voornamelijk afkomstig van de elektrische ontlading.

.8100754 * % -5-

De excitatie-energie van de waterstofmoleculen wordt dan overgedragen op broom, om de broomatomen op het aangeslagen 2 quantumniveau brengen volgens de reactievergelijking:

Br (%/2) + H2 (1) ±5 Br (2P1/2) + H2 (0). (2) 5 De toevoer die de aangeslagen waterstofmoleculen bepaalt vormt door de toegepaste ontlading, ten opzichte van de bekende werkwijze, een zeer belangrijke vergroteing van de omzetting van het gasmengsel voor wat betreft broom.

Anderzijds is de reactievergelijking (2) een evenwichtsverge-10 lijking, zodat een minimale hoeveelheid op niveau 1 aangeslagen waterstof ten opzichte van waterstof in de grondtoestand is vereist om de omzetting van de inhoud ten opzichte van broom te verkrijgen.

Deze minimale hoeveelheid varieert afhankelijk van de temperatuur van het gas. Zij bedraagt 3,2% bij 200°K, 10,2% bij 300°K en 15 18* bij 400°K.

Om de omzetting van de inhoud te vergemakkelijken zijn de mondstukken van de inrichting volgens de uitvinding van een type dat een krachtige ontlating van het gas dat er doorheen stroomt mogelijk maakt. Aldus verkrijgt men bij voorkeur een temperatuur van het

20 ontlaten gas die lager is dan 300°K bij een temperatuur van 500°K

stroomopwaarts van de mondstukken.

Het aangeslagen broom bevattend ontlaten gas stroomt vervolgens door de optisch resonerende holte 14-15, onder vorming van een continue laserbundel 22, door overgang van de broomatomen van het 2 . 2 25 niveau Pjy2 °P het niveau Pg/2* De continue bundel 22 die de gedeeltelijk doorlatende reflector 15 verlaat bezit een golflengte van 2,71 micron.

De druk van het gas, stroomopwaarts van de mondstukken, kan bijvoorbeeld liggen tussen 20 en 100 torr, als de ontladingsbuizen 30 een diameter van 1 cm en een lengte van ongeveer 20 cm bezitten, de stroomsnelheid van het gas in de mondstukken ongeveer tussen 1,5 Mach en 2 Mach liggen, de twee reflectoren van de laserholte .8100754 6 -6- » * k spiegels zijn met diëlektrische lagen waarvan de reflectiecoëfficiënt 100$ respectievelijk 97% bedragen bij de golflengte van 2,71 micron.

Onder deze omstandigheden is het specifieke laservermogen 1 tot 2 KW bij een toevoer van moleculaire waterstof van 1 mol/sec.

5 Het electrisch rendement ( verhouding van de laserenergie ten opzichte van de excitatie-energie ) is ongeveer 10$.

De werkwijze volgens de uitvinding kan worden toegepast bij de vervaardiging van lasers voor telemetrie en ruimtelijke telecommunicatie.

.8100754

Claims

1. Werkwijze ter vorming van een laserbundel met golflengte van 2,71 micron, waarbij men - atomaire waterstof vormt in een uitgangsgas dat moleculaire waterstof bevat, 5. het gas dat atomaire waterstof bevat ontlaat door doorleiden door mondstukken met een supersonische snelheid, - gasvormig broomwaterstofzuur inspuit bij de uitgang van de mondstukken in de stroomrichting van het gas, welk zuur reageert met atomaire waterstof onder vorming van in vibratie aangeslagen 2 10 moleculaire waterstof en atomaire broom met quantumniveau ^^/2 waarbij de excitatie-energie van de moleculaire waterstof wordt overgedragen op broom om de broomatomen aan te slaan op het niveau 2p Pl/2 ' - het gas dat de mondstukken verlaat en de broomatomen met niveau 2

15 Pjy2 bevat in een optisch resonerende holte, loodrecht op de as van de holte, leidt om bij de uitgang van de holte een laserbundel met een golflengte van 2,71 micron te verkrijgen, met het kenmerk, dat men de vorming van de atomaire waterstof in het gas verkrijgt door stroomopwaarts van elk mondstuk een 20 elektrische ontlading met hoge spanning te vormen, welke ontlading bovendien in vibratie aangeslagen moleculaire waterstof vormt, welke aangeslagen moleculaire waterstof, na doorleiden door de mondstukken, wordt toegevoegd aan de waterstof gevormd door de inwerking van atomaire waterstof op broomwaterstofzuur om het 2 25 aantal broomatomen dat van het niveau ^^/2 over9aa* *n bet niveau ^1/2 *e ver9roten' waarbij de laserbundel die de holte verlaat een continue bundel is.

2. Werkwijze volgens conclusie l,met het kenmerk, dat de verhouding tussen het elektrische veld van de ontlading en 30 de druk van het gas dat aan deze ontlading wordt onderworpen, ligt .8100754 -8- P « » · tussen 2 en 10V/cm torr.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dot de ontlating van het gas voldoende krachtig is zodat de temperatuur van het ontlaten gas lager is dan 300°K.

4. Werkwijze volgens conclusie l,met het kenmerk, dat het uitgangsgas zuiver waterstof is.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het uitgangsgas een mengsel van moleculaire waterstof en een neutraal gas is. 10 6, Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de ontlading opgewekt wordt in de lengterichting binnen in een buis die stroomopwaarts van elk mondstuk is geplaatst. ,8100/54 V * 0} % t t t

1 I ^ ~ ; -J7 V._\ ï \ 5 * \ \ N $ CM cm £ ; 7 CM ) \ S ) '^fernpK1 ° ill 11111111 10— — Ή’ιϊ" CMV J? --- +? — üiiiiiPiii sjb " i.i Ü ~ iE iE dE ii Ik it vVirvvvVVV ^_s I J) I 1 t t I M -% CO .8100754