NL8203305A - Inrichting voor het voortbrengen van een laser-actieve toestand in een snelle sub-sonische stroming. - Google Patents

Description

L·' * - 1 -

Inrichting voor het voortbrengen van een laser-actieve toestand .in een snelle sub-sonische stroming.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het voortbrengen van een laser-actieve toestand in een snelle sub-sonische stroming met een stromingskanaal, met een eerste elektrodenpaar met tegenover elkaar 5 liggende dielektrische elektroden in het wandgebied van het stromingskanaal, alsmede een tweede elektrodenpaar, waarvan de ene elektrode in het stromingskanaal stroomopwaarts van de ontlading en de andere elektrode in het stromingskanaal stroomafwaarts van de ontlading 10 is geplaatst, waarbij de elektroden van het eerste elektrodenpaar zijn verbonden met een hoogfrequent span-ningsbron.

Sedert geruime tijd worden elektrische glim-ontladingen toegepast voor het exciteren van molecuul-15 gassen voor lasers, in het bijzonder voor C02-lasers.

De ontwikkeling van CC^-lasers begon met langsontladingen in glasbuizen. Hierbij is het uitschakelbare vermogen krachtens de warmte-afvoer van het plasma naar de wand door diffusie begrensd op circa 80 W/m, 20 Een toename van het specifieke uitgangsvermogen bereikt men met convectieve warmte-afvoer in een snelle stroming in de langsrichting van de ontladingsbuis. Tezamen met een ontladingsstabilisatie door turbulentievorming bereikt men 50 W/m. De resulterende hoge stromingsweer-25 standen vereisen hoge drukverschillen om deze te over-winnen en eisen verder een kostbaar pompsysteem voor de gaskringloop.

Dwarsgestroomde lasers, waarbij in een stroming loodrecht op de optische as een sterke warmte-afvoer 30 plaatsvindt, verschaffen hogere vermogens. De elektrische ontlading is hierbij weer loodrecht op of evenwijdig met de stroming gericht. Beide werkwijzen vereisen bijzondere maatregelen voor het stabiliseren van de ontlading.

De ontlading heeft de neiging om in de stromingsrichting 35 insnoeringen te vertonen wegens niet-homogeniteiten, 8203305 v> ' i - 2 - in het bijzonder van de temperatuur en de elektronen-dichtheid, die door de in de stroming liggende elektroden zijn bepaald. Voor het onderdrukken van de van dergelijke plaatsen uitgaande a-stabiliteiten moeten sterke turbulenties 5 aangewakkerd worden, waartoe extra apparatuur moet worden gebruikt (Nighan e.a. in Appl. Phys. Lett. 25_, 633, 1974).

Bij ontladingen loodrecht op de stroming moeten maatregelen worden genomen, die afvoeren van de lading in de stromingsrichting tegenwerken.

10 Dergelijke dwar.sontladingen zijn in meerdere variaties intensief onderzocht: 1) Zelfstandige gelijkstroomontladingen:

Hierbij kan krachtens de direkte samenhang tussen de veldsterkte en het voortbrengen van de ladings-15 dragers (extreme afhankelijkheid van de ionisatie- coefficienten van de elektrische veldsterkte) op stabiele wijze slechts een begrensde vermogensdichtheid worden bereikt. Voor het stabiliseren van de ontlading zijn der-halve elektroden met sterke segmentering en kostbare 20 koeling met een net van voor-weerstanden vereist.

2) Gecombineerde ontladingen:

Door het scheiden van de funkties voor het voortbrengen van de ladingsdragers en exciteren van de vibratie bereikt men een verbetering van de ontladingsstabiliteit 25 en hiermee een verhoging van de vermogensdichtheid. Bekende methoden voor het voortbrengen van gescheiden ladingdragers zijn de volgende: a) Pulser-sustainer:

Met een niet-zelfstandige gelijkstroomontlading 30 van lage elektrische veldsterkte zijn korte hoogspannings-pulsen van hoge frequentie geinterfereerd voor het ioniseren van het plasma. De veldsterkte van de gelijkstroomontlading is in het algemeen lager dan bij zelfstandige ontladingen en afgestemd op een optimaal exciteren van de vibratie 35 van het molecuulgas. De korte hoogspanningspulsen veroor-zaken een hoge elektronendichtheid in een stabiel, over de tijd overwegend recombinerend plasma. De verbetering van de ontlading gaat evenwel gepaard met een gecompli-ceerde energievoorziening. Dit idee werd verder ontwikkeld 40 door een extra geinterfereerde UV-voorionisering met de 8203305 - 3 - zgn. PIE-ontlading (NAM e.a. in IEEE J. Quantum Electronics, QE 15, 44, 1979).

b) Onzelfstandige gelijkstroomontlading met elektronenstraalionisering: 5 Met dit ontwerp zijn de beste vermogenswaarden te bereiken, doch de installatie is kostbaar en gevoelig.

De elektronenstraal wordt via een dunne metaalfolie inge-koppeld in de ontlading, waarvan de breuk tot zwaarwegende bedrijfsstoringen leidt. Het bedrijf is niet zonder problemen, 10 daar hoge spanningen en een afscherming tegen rontgenstraling vereist zijn.

3) Zelfstandige hoogfrequent-ontladingen:

Overeenkomstig de verandering over de tijd van het elektrische veld bestaat de hoogfrequent-ontlading uit 15 een wisselende reeks van korte zelfstandige en langdurige niet-zelfstandige ontladingsfasen bij over de tijd constante elektronendichtheid. In een recombinatie-vast plasma verschuift het intreden van volume-a-stabiliteiten naar f hogere specifieke vermogensdichtheden.De hoogfrequent-20 ontlading biedt de mogelijkheid om door een geschikte keuze van de frequentie de verliezen aan ladingsdragers te reduceren. Dit vindt plaats doordat de amplitude van de elektronendriftbeweging klein ten opzichte van de af-stan-d tussen de elektroden wordt gehouden, De inschakeling 25 van hoogfrequent energie kan via metallische elektroden of capacitief plaatsvinden (Europees Offenlegungsschrift 3280, Amerikaans octrooischrift 3.748.594; Gavrilyuk e.a. in Sov. J. Quantum Electron. 9_, 326, 1979; Christensen e.a. in IEEE Quantum Electronics QE 16, 949, 1980).

30 Bij het inschakelen met elektroden wordt ten opzichte van de gelijkstroomontlading het verdere voor-deel verschaft, dat de polariteitswisseling de kathode-funktie van de betreffende elektrode periodiek in tijds-intervallen onderbreekt, die zeer veel kleiner zijn dan 35 de kenmerkende aangroeitijd van thermische a-stabiliteiten, die anders van de kathode zouden uitgaan. Derhalve kan in vergelijking met gelijkstroomontladingen de hoogfrequent-ontlading via bijzonder eenvoudig opgebouwde elektroden met grove segmentering ingeschakeld worden. Verder vertoont 40 de hoogfrequent-ontlading een positieve stroom/spanning- 8203305 - 4 - karakteristiek, waardoor zij de anders gebruikelijke

Ohmse stabilisering overbodig maakt (DE-octrooischrift 29 17 995; Schock e.a. in Laser + Elektro-Optik 2, 76, 1981).

Verder is het bekend met een evenwijdig met de 5 stromingsrichting verlopend elektrisch gelijkstroomveld een dwars op de stroming gericht elektrisch hoogfreguent veld te interfereren en hierdoor de vermogensdichtheid van de ontlading te verhogen (Eckbreth e.a. in Appl. Phys. Elett. 21^ 25 1972). De interferering met het hoogfrequent 10 veld dient hierbij voor de stabilisatie van de gelijkstroom-langsontlading. Bij deze bekende inrichting treedt evenwel evenals bij de vorengenoemden het probleem op, dat wegens de in de kanaaldwarsdoorsnede geplaatste metallische elektroden niet-homogeniteiten de vermogensdichtheid be-15 grenzen.

De uitvinding heeft ten doel een inrichting van deze bekende soort zodanig te verbeteren, dat in een snelstromend gas een homogene elektrische excitatie van hogere vermogensdichtheid mogelijk is.

20 Volgens de uitvinding wordt dit oogmerk bij een inrichting van de bovenbeschreven soort hierdoor bereikt, dat de elektroden van het tweede elektrodenpaar met een tweede hoogfrequent-spanningsbron zijn verbonden, en dat de elektroden van het tweede elektrodenpaar meerdere, 25 over de dwarsdoorsnede van het stromingskanaal verdeelde dielektrische afzonderlijke elektroden omvatten, die een door een dielektrisch materiaal alzijdig omgeven metallische kern hebben.

Door de verbinding van het tweede elektrodenpaar 30 met een hoogfrequent-spanningsbron verkrijgt men een elektrisch veld, waarvan de elektrische veldfaktor in waarde en/of richting verandert.

De stabilisatie berust in hoofdzaak op de vol-gende effekten: 35 a) de richtingsverandering van de elektrische veldfaktor onderdrukt het aangroeien van richtingsvaste a-stabiliteiten.

b) De waardeverandering van de elektrische veldfaktor heeft tot gevolg, dat zelfstandige en niet-40 zelfstandige ontladingsfasen elkaar afwisselen. Gedurende 6203305 - 5 - de niet-zelfstandige ontladingsfase is het plasma recombi-natievast en werkt hierdoor stabiliserend.

Voor het bij zondere geval van het loodrecht interfereren en de faseverschuiving over de tijd van ~ 5 treedt een rondlopende veldsterktevector van constante waarde op.

Ook kan het gun&tig zijn wanneer de beide hoogfrequent-spanningsbronnen verschillende frequenties zonder fasekoppeling leveren.

10 Voor het geval, dat de generatoren ongelijke frequenties leveren en een fasekoppeling ontbreekt, treedt een veldsterktevector op met statistische hoeksnelheid en modulatie van de waarde.

In dit verband wordt erop gewezen, dat reeds 15 een experiment bekend is, waarbij binnen een glasbuis de ontlading met een gelijkvormig roterende E-veldvector wordt uitgevoerd (Zhilinskii e.a. in Sov. Phys. Tech. Phys.

23, 1293, 1978). Het inschakelen van de hoogfrequent- energie -vindt hierbij plaats door twee elektrodenparen 20 die buiten een glasbuis zijn opgesteld. Krachtens deze buisinrichting is de bereikbare vermogensdichtheid begrensd, hetwelk blijkt uit de bereikte ingekoppelde elektrische 3 vermogensdichtheid van 4 W/cm .

Bij deze uitvoering zou een begrensde vermogens-25 toename denkbaar zijn door een extra interfereren met een langsstroming in de buis. Daarentegen maakt de inrichting volgens de uitvinding van het tweede elektrodenpaar in het stromingskanaal en de verdeling hiervan in afzonderlijke elektroden een interfereren met een dwarsstroming met hoge 30 gassnelheid mogelijk. Hiermee kunnen de voordelen van een roterend elektrisch veld met die van een snelle gasuit-wisseling in de ontlading gecombineerd worden.

De in afzonderlijke elektroden verdeelde, stroomopwaarts van het ontladingsgebied geplaatste elek-35 trode heeft daarenboven echter ook een stromingstechnische funktie, te weten het homogeniseren van de in het ontladingsgebied intredende gasstroming. Op soortgelijke wijze heeft ook de stroomafwaarts gelegen, in afzonderlijke elektroden verdeelde elektrode een extra funktie, te weten 40 het begrenzen van het ontladingsgebied aan de stroomaf- 8203305 - 6 - waarts gelegen zijde van het ontladingsgebied en het hierdoor doeltreffend verhinderen van een afvoeren van de ontlading in de stromingsrichting.

Het toepassen van met dielektrisch materiaal 5 ommantelde elektroden in het tweede elektrodenpaar maakt een homogene stroomaanloop aan de elektroden mogelijk zonder de anders noodzakelijke maatregelen van het seg-menteren van de elektroden enerzijds en de Ohmse stabili-satie anderzijds. Hierdoor vervalt de in het bijzander bij 10 hoogvermogenslasers kostbare koeling. Bovendien wordt door het toepassen van dielektrische elektroden een direkt contact tussen gas en metaal vermeden, hetwelk tot een verbeterd gedrag over langere tijdsduur van de laser leidt.

Krachtens haar elektrische eigenschappen (door-15 slagveldsterkte, dielektrische constante) is in het bijzonder geschikt als dielektricum.

Bijzonder gunstig is het wanneer de afzonder-lijke elektroden de vorm van platen hebben, die met onderlinge afstanden evenwijdig met de stromingsrichting 20 zijn geplaatst. Het afvlakkingseffekt van de stroming bij het intreden in het ontladingsgebied is door deze uitvoering bijzonder geprononceerd.

Bij een gunstig uitvoeringsvoorbeeld is zorggedragen, dat de afzonderlijke elektroden stroomop-25 waarts direkt v66r de elektroden van het eerste elektrodenpaar eindigen en dat de afzonderlijke elektroden stroom-afwaarts direkt achter de elektroden van het eerste elektrodenpaar beginnen. Men verkrijgt hierdoor een nauwkeurig gedefinieerd ontladingsgebied tussen de elek-30 trodenvanhet eerste elektrodenpaar.

A1 naar gelang de toepassing van de laser kan deze continu, gepulseerd of pulsgeinterfereerd worden bedreven. Wanneer bijv. den van de beide elektrodensystemen gevoed wordt met een continue hoogfrequent spanning en 35 het andere met een gepulseerde spanning, kan onder gebruikmaking van de hierbij optredende E-vectordraaiing een stabiele ontlading voor een continue laserstraling met pulsinterferentie worden geleverd.

De uitvoering volgens de uitvinding van het 40 elektrodensysteem, dat ten dele bovendien de funktie van 8203305 - 7 - de stromingsbelnvloeding en van de ontladingsbegrenzing overneemt, maakt het mogelijk zeer hoge gassnelheden toe te passen zonder dat hierbij de ontlading wordt afgevoerd in de stromingsrichting. Hierdoor worden gelijktijdig drie 5 maatregelen voor de ontladingsstabilisatie gecombineerd: a) hoge stromingssnelheid, b) variatie van de waarde van de elektrische veldsterkte, c) richtingsverandering van veldsterktevectors.

10 De voordelen van de inrichting volgens de uitvinding kunnen worden samengevat door de volgende karakteristieke.ikenmerken: 1) De hoge bereikbare vermogensdichtheid maakt de bouw van compacte lasers met eenvoudige elektroden 15 mogelijk door het wegvallen van de anders gebruikelijke segmentering en voorionisatie.

2) Een verliezen met zich meebrengende Ohmse stabilisering vervalt.

3) Er is geen elektrodenkoeling nodig.

20 4) In het ontladingsgebied vervallen metalen contacten met het plasma, waardoor het gedrag van de laser over langere tijd wordt verbeterd.

5) De elektrodenopstelling maakt een puls-gelnterfereerd permanent bedrijf van de laser mogelijk.

25 In het bijzonder de punten 1 tot 3 hebben tot gevolg, dat de technische kosten voor het lasersysteem gering zijn en desalniettemin het rendement ervan hoog is.

De uitvinding zal hieronder nader worden toegelicht aan de hand van de enkele tekening, waarin bij 30 wijze van voorbeeld gedeeltelijk een langs- doorsnede en gedeeltelijk een aanzicht van een gunstige uitvoeringsvorm van de inrichting voor het voortbrengen van een laser-actieve toestand volgens de uitvinding is weergegeven.

35 In een kanaal 1, dat bij voorkeur een recht- hoekige dwarsdoorsnede heeft, zijn in tegenover elkaar gelegen zijwanden 2 en 3 elektroden 4 en 5 ingebouwd, die tezamen een eerste elektrodenpaar vormen. De vlakke elektrodenoppervlakken sluiten met de zijwanden het kanaal 40 af en bestaan uit een dielektricum 6 met geringe verlies- 8203305 - 8 - hoek, dat aan de achterzijde voorzien is van een metaal-bekleding 7. In het volumegebied 8 tussen de beide elektroden 4 en 5 bevindt zich de resonator van de laser.

V66r en achter het volumegebied 8 bevinden zich 5 verdere elektroden 9 en 10, die tezamen een tweede elektro-denpaar vormen. Beide elektroden worden opgebouwd door afzonderlijke elektroden 11 resp. 12, die in het gegeven uitvoeringsvoorbeeld de vorm van platen hebben, die op onderlinge afstand evenwijdig met de stromingsrichting 10 over.de dwarsdoorsnede van het kanaal 1 zijn verdeeld.

De afzonderlijke elektroden 11 en 12 bestaan uit een metallische kern 13 resp. 14, die omgeven is door een dielektrisch materiaal 15 resp. 16. De elektroden van het eerste elektrodenpaar en de elektroden van het tweede 15 elektrodenpaar zijn via inductieve elementen 16 en 17, resp. 19 en 20, verbonden met de hoogfrequent-generator 21.resp. 22.

De inductieve elementen compenseren de capa-citieve Wattloze weerstand van de elektroden, zodat de 20 generatoren enkel met de weerstand van de ontlading zijn afgesloten.

Het gas, waarin de laser-actieve toestand moet worden voortgebracht, stroomt in de richting van de pijl;A door de inrichting, waarbij de gasstroom door de 25 afzonderlijke elektroden 11 aan het stroomopwaarts gel^gen uiteinde van het volumegebied 8 wordt afgevlakt en gehomogeniseerd. Het gas doorstroomt het volumegebied 8, waarbij het van richting en sterkte veranderende elektrische veld een ontlading in de gasstroom doet ontstaan 30 die zich' dwars op de stromingsrichting homogeen over het gehele volumegebied 8 uitbreidt en aan de stroom-afwaarts gelegen zijde van het volumegebied 8 door de afzonderlijke elektroden 12 wordt'hegrensd. Hoofdzaak is hierbij, dat de aanloop van de ontlading plaatsvindt 35 over een groot vlak van het plaatoppervlak, zodat in tegenstelling tot de gebruikelijke gelijkstroomlangs-ontladingen, geen insnoeringen van het plasma in het ontladingsgebied voorkomen.

Met de inrichting volgens de uitvinding kunnen 40 buitengewoon hoge vermogensdichtheden worden bereikt.

8203305 - 9 -

Bij eerste onderzoekingen met een dergelijke inrichting in continu. bedrijf werd bijv. een homogene ontlading met een hoge vermogensdichtheid van 35 KW/1 en hiermee een CC^-laser met een totaal rendement van 20 % ver-5 wezenlijkt. Het ontladingsvolume bedroeg hierbij 0,35 1. Als elektroden zijn keramiekplaten (Al^O^) met een dikte van 2,5 mm toegepast. De generatorfrequentie bedraagt 6 MHz.

8203305

Claims (6)

1. Inrichting voor het voortbrengen van een laser-actieve toestarid in een snelle sub-sonisch stroming met een stromingskanaal, met een eerste elektrodenpaar-met tegenover elkaar liggende dielektrische elektroden 5 in het wandgebied van het stromingskanaal, alsmede een tweede elektrodenpaar,waarvan de ene elektrode in het stromingskanaal stroomopwaarts van de ontlading en de andere elektrode in het stromingskanaal stroomafwaarts van .de ontlading is geplaatst, waarbij de elektroden van 10 het eerste elektrodenpaar zijn verbonden met een hoog-frequente spanningsbron, methet kenmerk, dat de elektroden (9,10) van het tweede elektrodenpaar zijn verbonden- met een tweede hoogfrequent spanningsbron (22), en dat de elektroden (9,10) van het tweede elektroden-15 paar meerdere, over de dwarsdoorsnede van het stromingskanaal (1) verdeelde dielektrische afzonderlijke elektroden (11.12) omvatten, die een door een dielektrisch materiaal (11.12) alzijdig omgeven metallische kern hebben.

2. Inrichting volgens conclusie 1, m e t het 20 kenmerk, dat de afzonderlijke elektroden (11,12) de vorm van platen hebben, die op een afstand van elkaar evenwijdig met de stromingsrichting zijn geplaatst.

3. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de elektroden (4,5) van 25 het eerste elektrodenpaar bestaan nit een dielektrische plaat, aan de achterzijde waarvan een metallische plaat is aangebracht of een metallische laag is opgebracht.

4. Inrichting volgens e§n der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de afzonderlijke elek- 30 troden (11) stroomopwaarts direkt voor de elektroden (4,5) van het eerste elektrodenpaar eindigen en dat de afzonderli jke elektroden (12) stroomafwaarts direkt achter de elektroden (4,5) van het eerste elektrodenpaar beginnen. 8203305 - 11 -

5. Inrichting volgens een der voorgaande conelusies, met het k e n m e r k, dat de tweede hoogspanningsbron (22) een hoogspanning van dezelfde frequentie levert als de eerste, waarbij beide hoogfrequent spanningen een vaste 5 fasebetrekking met een faseverschuiving tonen.

6. Inrichting volgens £§n der conclusies 1-4, met hetkenmerk, dat de beide hoogfrequent span-ningsbronnen (21,22) verschillende frequenties zonder fase-koppeling leveren. 8203305