NO810462L - Fremgangsmaate for aa frembringe en laserstraale med boelgelengde 2,71 m. - Google Patents

Description

Viktig informasjon

Av arkivmessige grunner har Patentstyret for denne allment tilgjengelige patentsøknad kun tilgjengelig dokumenter som inneholder håndskrevne anmerkninger, kommentarer eller overstrykninger, eller som kan være stemplet "Utgår" eller lignende. Vi har derfor måtte benytte disse dokumentene til skanning for å lage en elektronisk utgave.

Håndskrevne anmerkninger eller kommentarer har vært en del av saksbehandlingen, og

skal ikke benyttes til å tolke innholdet i dokumentet.

Overstrykninger og stemplinger med "Utgår" e.l. indikerer at det under

saksbehandlingen er kommet inn nyere dokumenter til erstatning for det tidligere dokumentet. Slik overstrykning eller stempling må ikke forstås slik at den aktuelle delen av dokumentet ikke gjelder.

Vennligst se bort fra håndskrevne anmerkninger, kommentarer eller overstrykninger,

samt eventuelle stemplinger med "Utgår" e.l. som har samme betydning.

f(0^6^^<_>

En kjent fremgangsmåte for"å frembringe en laserstråle med bølgelengde 2,71ym er beskrevet i den amerikanske artikkel: "Production of population inversions amohg the electronic states of atomic species by processes of intermolecular ' V»-»-E energy transfer" by J.A. Blauer og G.D. Hager på sidene 105 - 111 i verket "Electronic transition lasers" (J.I. Stein-feid), publisert av MIT Press i 1976.

Ved denne fremgangsmåte sjokkoppvarmes en gassblanding som omfatter.molekylært hydrogen og argon således at temperaturen av gassblandingen heves til over 5000°K og atomisk hydrogen dannes i blandingen. Den komprimerte blanding ekspanderes så ved å føres gjennom et munnstykke, mens bromhydrogensyre i gass-forftinnføres i den gasstrøm som forlater munnstykkene. Brom-hydrogensyren reagerer med det atomiske hydrogen til dannelse av vibrasjonseksitert molekylært hydrogen og atomisk brom i kvantenivået 2?2/ 2' Det molekylasre hydrogens eksitasjonsenergi overføres så til brommet for å overføre bromatomene fra tilstanden 2 ^ 2/ 2 til ^en eksiterte tilstand<2>p-|/2*Den9ass som inneholder det eksiterte brom føres gjennom en optisk hulromsresonator.

I prinsipp er det ved denne fremgangsmåte mulig å frembringe en laserpuls med bølgelengde 2,71^/m ved kompresjon.av gassblandingen, men i praksis gir den utilfredsstillende og ikke repro-duserbare resultater. Videre er det ved denne fremgangsmåte ikke mulig å oppnå en kontinuerlig laserstråle.

Foreliggende oppfinnelse har som formål å angi en pålitelig^bølgelengde 2,71 jjm samt å gi grunnlag for å fremstille i industriell skala en lasersender som er i stand til å avgi en sådan stråle.

Foreliggende oppfinnelse gjelder således en fremgangsmåte for

å frembringe enVlaserstråle med en bølgelengde på 2,71^>m, idet fremgangsmåten går ut på at: det frembringes atomært hydrogen i en begynnelsegass som omfatter molekylært hydrogen, gassen som inneholder atomært hydrogen ekspanderes ved at den føres gjennom munnstykker ved overlydshastighet,

bromhydrogensyre i gassform tilføres ved munnstykkenes utløp i gassens strømningsretning, sålédes at denne syre reagerer med det atomære hydrogen til dannelse av vibrasjonseksitert molekylært hydrogen samt atomært brom i et kvantenivå 2^ 2/ 2'

og eksitasjonseriergien av det molekylære hydrogen overføres til bromet- således at bromatomene eksiteres til kvantenivået<2>Pi/2'og

den gass som forlater munnstykkene og inneholder bromatomer i nivået Pi/2 ^^^^ res en optisk hulromsresonator vinkelrett på resonatorens akse, for å frembringe nevnte laserstråle med en bølgelengde 2,71^m på resonatorens utgangsside.

På denne bakgrunn av teknikkens stilling har fremgangsmåten

i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at atomært hydrogen oppnås ved å opprette en elektrisk høyspenningsutladning oppstrøms for hvert munnstykke, idet denne utladning også frembringer vibrasjonseksitert molekylært hydrogen, således at dette vib-ras jonseksiterte molekylære hydrogen etter å har passert gjennom munnstykkene kommer i tillegg til det som frembringes ved at atomært hydrogen påvirkes av bromhydrogensyre, således at antallet bromatomer som går over fra nivået 2 ^ 2/ 2 til<2>^1/2øker, og den laserstråle som forlater resonatoren en kontinuerlig stråle.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet ved hjelp av et utførel-seseksempel og under henvisning til den vedføyde tegning med en eneste figur, som viser et lengdesnitt gjennom en lasersender innrettet for å utføre den foreliggende fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen.

I figuren er det vist et antall sylinderformede isolerende rør.

slik som angitt ved henvisningstallene 1, 2 og 3, og som er. like samt innbyrdes parallelle og utstyrt med innløp 9

som ligger i et plan vinkelrett på rørene^s aksialretning.

En koaksial ringformet elektrode 4 er anordnet inne i hver av. rørene ved dets innløpsende 9. En annen koaksial ringformet elektrode 5 er anordnet ved utløpsenden av hvert rør.

Utløpene for de sylinderformede rør er forbundet med et sett

. munnstykker 7. Injektorer 8 er anbragt nedstrøms for innsnev-ringer 6 i munnstykkene. Hver injektor 8 kan f.eks. være anordnet i en vegg som er felles for to nabomunnstykker, således at injeksjonsaksen peker i gassens strømningsretning 20 i munnstykkene. Injektorene 8 tilføres bromhydrogensyre i gassform gjennom passasjer som ikke er vist i figuren,men står i forbindelse med en kilde 16 for bromhydrogensyre i gassform. Munnstykkene fører til et kammer 21 som er avgrenset av en sylinderformet vegg 11 med to diametralt motsatte åpninger som er tett tildekket ved hjelp av to sylinderformede deler 12 og 13. Disse deler bærer hver sin reflektor 14 og 15 som er anordnet for å danne en optisk hulromsresonator langs en akse 23 som forløper forbi munnstykkeåpningene vinkelrett på gass-stømmens retning gjennom disse. Reflektoren 15 er delvis gjen-nomtrengelig for stråling ved bølgelengden på 2, 1} m.

Ved den ende som ligger motsatt munnstykkene omfatter kammeret 21 et apparat 19 med en diffusor fulgt av et pumpesystem eller et vakuurwkammer i nedstrømsretningen.

Elektrodene 4 og 5 er koblet til en høyspent likestrømkilde 17 gjennom en motstand 18. Det apparat som er vist i figuren virker på følgende måte.

En gass som utgjøres av molekylært hydrogen tilføres ved lavt trykk gjennom innløpene 9 for rørene 1. Denne gass kan være utspedd med en inert gass, slik som helium eller argon. Gassen utsettes for elektrisk utladning innvendig i rørene mellom elek trodene 4 og 5,som er innbyrdes adskilt i rørets lengderet-ning og lades av kilden 17 opp til en høy potensialforskjell. Utladningen bringer gassen til en temperatur på omkring 400 - 500^K og danner hydrogen i atomær tilstand samt molekylært hydrogen som er vibrasjonseksitert i nivå 1.

Den elektriske utladning er fortrinnsvis innstilt slik at forholdet — E mellom det elektriske felt E og gasstrykket p ligger mellom 2 og 10 V/cm x torr. Dette fremmer produksjon av hydrogenmolekyler som er eksitert i nivå 1. I forhold til de opprinnelige hydrogenmolekyler kan f.eks. 10 - 15% av hydrogen-molekyléne være eksitert i nivå ,1 og noen få prosent hydrogén-atomer kan være frembragt.

Pumpesystemet (eller vakumkammeret) sørger for å evakuere kammeret 21 og den gass som inneholder molekylært hydrogen eksitert i nivå 1 samt atomært hydrogen ekspanderer når den passerer gjennom rørene mot kammeret 21 gjennom munnstykkene 7 ved overlydshastighet. For å unngå rekombinasjon av hydrogenatomer mot munnstykkenes vegger, er disse vegger fortrinnsvis utført i keramisk materialeeller et metall belagt med et lag av poly-tetrafluoretylen.

Bromhydrogensyre' i gassform føres inn ved munnstykkenes utløp gjennom injektorene 8.

Atomært hydrogen reagerer med bromhydrogensyre således at det dannes molekylært hydrogen som er vibrasjonseksitert i nivå 1 samt atomært brom i nivå<2>^3/2i samsvar me& reaksjonsligningen:

De hydrogenmolekyler som frembringes ved den elektriske utladning kommer i tillegg til de hydrogenmolekyler som er eksitert i nivå 1 og frembringes ved reaksjonen (1). Hvis utladningen innstilles som angitt .ovenfor, vil de eksiterte hydro genmolekyler i gassen i dette tilfellet hovedsakelig være frembragt ved den elektriske utladning. "^ U^ J^^ Aj*-**- 1'^-

Hydrogenmolekylenes eksitasjonsenergi ^verf øres_så til bromet, ^ således at bromatomene bringes til det eksiterte kvantenivå 2P^2 * samsvar med reaksjonsligningen:

I forhold til den tidligere kjente fremgangsmåte, vil den an-gitte tilsats av eksiterte hydrogenmolekyler som er frembragt ved utladningen, innebære en meget stor økning av den inver-terte populasjon i bromet.

Videre balanseres reaksjonen (2) slik at et minstemål av hydrogen eksitert i nivå 1 er nødvendig i forhold til hydrogenmengr-den i grunnivået 0 for å oppnå en populasjonsinSvertering i bromet. Dette minstemål varierer som en funksjon..av gasstemp-eraturen. Det er 3,2% ved 200^K, 10,2% ved 300^K og 18% ved40A.

For å gjøre det lettere å oppnå populasjonsinvertering frembringer den munnstykketype som anvendes i apparatet for utførelse av oppfinnelsens fremgangsmåte en høy grad av ekspansjon for den gass som passerer gjennom munnstykkene. Temperaturen av den ekspanderte gass holdes således fortrinnsvis under 300 K

for en temperatur på 50 oppstrøms for munnstykkene.

Den ekspanderte gass som inneholder eksitert brom passerer så gjennom den optiske hulromsresonator 14 - 15. Dette leder til dannelse av en kontinuerlig laserstråle 22 av de bromatomer som faller fra nivået 2 p-j/2 til n:"-v^et 2P3/2 ' Bølgelengden for denne kontinuerlige stråle som forlater den delvis gjennomtreng-elige reflektor 15 er 2,71^jm.

Det kan nærmere angis at gasstrykket . oppstrøms for munnstykkene ligger mellom 20 og 100 torr. Utladningsrørene har en dia-

i

meter på 1 cm samt en lengde på omkring 20 cm. Gassens strømningshastighet i munnstykkene ^ligger mellom Mach 1,5 og Mach 2. De to reflektorer for laserresonatoren er speil med de el ektriske sjikt, og deres respektive refleksjonskoeffisi-enter er 100% og 97% ved bølgelengden 2,71^Jm.

Under disse forhold vil den avgitte lasereffekt være 1 - 2 kW for en molekylær hydrogenutladning på 1 mol/sekund.

Den elektriske virkningsgrad (forholdet mellom laserenergi og eksitasjonsenergi) er omkring 10%.

Foreliggende fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen kan anvendes for å frembringe laserstråler for avstandsmåling og for telekommunikasjon i verdensrommet.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for å frembringe en laserstråle med en bølge-lengde på 2,71^ jm, idet fremgangsmåten går ut på at: det frembringes atomært hydrogen i en begynnelsegass som omfatter molekylært hydrogen, gassen som inneholder atomært hydrogen ekspanderes ved at den føres gjennom munnstykker ved overlydshastighet, bromhydrogensyre i gassform tilføres ved munnstykkenes utløp i gassens strømningsretning, således at denne syre reagerer med det atomære hydrogen til dannelse av vibrasjonseksitert moleky-2 x0^-lært hydrogen samt atomært brom i et kvantenivå ^ 2/ 2' °<P/^^- s^~ tasjonsenergien av det molekylære hydrogen overføres til bromet således at bromatomene eksiteres til kvantenivået <2> P^^' og den gass som forlater munnstykkene og inneholder bromatomer i nivået "P-j/2 tilfØres en optisk hulromsresonator vinkelrett på resonatorens akse, for å frembringe nevnte laserstråle med en bølgelengde 2,71 JJm på resonatorens utgangsside, karakterisert ved at atomært hydrogen oppnås ved å opprette en elektrisk høyspenningsutladning oppstrøms for hvert munnstykke, idet denne utladning også frembringer vibrasjonseksitert molekylært hydrogen, således at dette vib-ras jonseksiterte molekylære hydrogen etter å ha passert gjennom munnstykkene, kommer i tillegg til det som frembringes ved at atomært hydrogen påvirkes av bromhydrogensyre, således at antallet bromatomer som går over fra nivået p ^/ 2 niv^et 2pi/2 Øker' °9 ^en laserstråle som forlater resonatoren er én kontinuerlig stråle,

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at forholdet mellom det elektriske utladningsfelt og trykket i den gass som utsettes for utladningen ligger mellom 2 og 10 v/cm x torr.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert : ved at gassens ekspansjon er tilstrekkelig høy til at temperaturen av den ekspanderte gass blir mindre enn 300^K.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at begynnelsegassen er rent hydrogen.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at begynnnelsegassen er en blanding av molekylært hydrogen og en nøytral gass.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at utladningen frembringes i lengderetningen av og innvendig i rør som er anordnet oppstrøms for hvert sitt munnstykke. I