RU2012114C1

RU2012114C1 - Method of generation of high-power radiation laser in flow co2 laser

Info

Publication number: RU2012114C1
Authority: RU
Inventors: В.И. Блохин; Р.А. Дмитерко; Н.М. Ефремов
Original assignee: Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований
Priority date: 1991-03-26
Filing date: 1991-03-26
Publication date: 1994-04-30

Abstract

FIELD: laser equipment. SUBSTANCE: in flow CO₂ laser air stream after outlet device is divided into two streams. One of them is directed into heater for its balanced heating followed with addition of M₁ to it and expansion into gratings of nozzles up to M1 number. Produced imbalanced mixture goes into resonator where laser radiation is formed. In the other part of air stream only oscillatory degree of freedom is excited, then CO₂ is added and mixture is expanded in nozzle gear up to M₂<M₁ number. So obtained mixture interacts with radiation and amplifies it. Simultaneously gas stream in resonator ejects stream in amplifier and after it everything is directed into evacuation system. EFFECT: enhanced efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, а конкретно к способам получения излучения в проточных СО₂ лазерах и может быть использовано при создании технологических лазерных систем.The invention relates to quantum electronics, and specifically to methods for producing radiation in flowing CO ₂ lasers and can be used to create technological laser systems.

Известен способ получения мощного излучения в проточном СO₂ - лазере [1] , включающий подачу рабочего газа с помощью системы откачки в разрядную камеру для возбуждения колебательных уровней молекул с помощью несамостоятельного разряда, подмешивание к возбужденному газу СО₂, ускорение полученной смеси до М > 1 и прокачку смеси через размещенный в оптической полости резонатор, формирующий лазерное излучение.A known method of producing high-power radiation in a flowing CO ₂ laser [1], comprising supplying a working gas using a pumping system to a discharge chamber to excite vibrational levels of molecules using a non-self-sustained discharge, mixing CO ₂ with an excited gas, accelerating the resulting mixture to M> 1 and pumping the mixture through a cavity placed in the optical cavity, forming laser radiation.

Недостатком этого способа является сложность организации несамостоятельного разряда. The disadvantage of this method is the difficulty of organizing a non-self-sustaining discharge.

Наиболее близким к изобретению является способ [2] , включающий подачу атмосферного воздуха с помощью системы откачки через входное устройство в нагреватель для равновесного его подогрева, подмешивания к подогретому воздуху СО₂, ускорение полученной смеси до расчетного числа Маха М > 1 и прокачку смеси через размещенный в оптической полости резонатор, формирующий лазерное излучение.Closest to the invention is a method [2], comprising supplying atmospheric air through a pumping system through an input device to a heater for its equilibrium heating, mixing CO ₂ with heated air, accelerating the resulting mixture to a calculated Mach number M> 1, and pumping the mixture through the placed in the optical cavity, a resonator forming laser radiation.

Основными недостатками этого способа являются низкие удельная мощность излучения и КПД преобразования энергии в лазерное излучение, поскольку при нагреве атмосферного воздуха возбуждаются все степени свободы молекул, а генерация излучения происходит лишь на колебательных степенях свободы молекул СО₂, в которых может быть заключено 30% общей энергии.The main disadvantages of this method are the low specific radiation power and the efficiency of energy conversion into laser radiation, since all degrees of freedom of molecules are excited when atmospheric air is heated, and radiation is generated only at vibrational degrees of freedom of CO ₂ molecules, in which 30% of the total energy can be contained .

Целью изобретения является повышение удельной мощности излучения и КПД. The aim of the invention is to increase the specific radiation power and efficiency.

Это достигается предлагаемым способом получения мощного лазерного излучения в проточном СО₂-лазере, включающим подачу атмосферного воздуха с помощью системы откачки газа через входное устройство в нагреватель для равновесного его подогрева, подмешивания к подогретому воздуху СО₂, ускорение полученной смеси до расчетного числа Маха М₁ > 1 и прокачку смеси через размещенный в оптической полости резонатор, формирующий лазерное излучение, часть потока воздуха после входного устройства прокачивают через объем, в котором осуществляют колебательное возбуждение азота воздуха, подмешивают к этой части воздуха СО₂, полученную смесь ускоряют до числа Маха М₂ < М₁, подают в часть оптической полости, сообщающейся с полостью резонатора и лежащей на направлении распространения лазерного излучения, после чего эту смесь отводят в систему откачки путем эжектирования ее газовым потоком, прокачиваемым через резонатор.This is achieved by the proposed method for producing high-power laser radiation in a flowing CO ₂ laser, including supplying atmospheric air through a gas pumping system through an input device to the heater for its equilibrium heating, mixing with CO ₂ heated air, accelerating the resulting mixture to the calculated Mach number M ₁ > 1 and pumping the mixture through a cavity placed in the optical cavity that forms laser radiation, a part of the air flow after the input device is pumped through the volume in which the the vibrational excitation of nitrogen in the air, is admixed to this part of the air CO _2, the resulting mixture is accelerated to a Mach number M ₂ <M ₁ is fed to a part of the optical cavity communicating with the cavity resonator and lying in the direction of propagation of the laser radiation, and then the mixture is withdrawn in pumping out by ejecting it with a gas stream pumped through the resonator.

На чертеже изображено устройство, реализующее предложенный способ. The drawing shows a device that implements the proposed method.

Устройство представляет лазер на СО₂, состоящей из комбинации газодинамического лазера и усилителя в газоразрядном варианте. В этом лазере имеются общая система откачки, состоящая из эксгаустера 1, газовых турбин 2,3, камеры сгорания 4, компрессора 5 и входного устройства 6, после которого газовый тракт разделен на два канала. В первом канале смонтированы нагреватель 7 воздуха, решетка 8 сопл, оптический резонатор 9, во втором установлены последовательно воздушный дроссель 10, газоразрядная камера 11 для колебательного возбуждения азота воздуха, сопловой аппарат 12, блок 13 усиления, газовая полость которого отделена от оптического резонатора перфорированной стенкой 14. После оптического резонатора и блока усиления расположены общий диффузор 15, система хранения СО₂ 16, системы 17 и 18 подмешивания СО₂ к нагретому воздуху и возбужденному воздуху соответственно с теплообменником 19, а также излучения 20 и мишень 21.The device represents a CO ₂ laser, consisting of a combination of a gas-dynamic laser and an amplifier in a gas-discharge variant. This laser has a common pumping system, consisting of an exhauster 1, gas turbines 2,3, a combustion chamber 4, a compressor 5 and an input device 6, after which the gas path is divided into two channels. An air heater 7, a nozzle array 8, an optical resonator 9 are mounted in the first channel, an air inductor 10, a gas discharge chamber 11 for vibrational excitation of air nitrogen, a nozzle apparatus 12, an amplification unit 13, the gas cavity of which is separated from the optical resonator by a perforated wall, are installed in series. 14. After the optical resonator and the gain block disposed common diffuser 15, CO ₂ storage system 16 of the system 17 and 18 admixing CO ₂ to the heated air and the air, respectively initiated with heat bmennikom 19, and radiation 20 and the target 21.

Часть потока атмосферного воздуха с полным давлением Р₀₁ с помощью системы откачки, выполненной, например, в виде турбокомпрессорного агрегата с эксгаустером 1, турбинами 2 и 3, камерой 4 сгорания и компрессором 5, через входное устройство 6 подают в нагреватель 7 для равновесного его подогрева до температуры Т_о ≥ 1000 К. В качестве нагревателя 7 может быть каупер, плазмотрон, омический или иной нагреватель.Part of the atmospheric air flow with full pressure P ₀₁ using a pumping system made, for example, in the form of a turbocompressor unit with an exhauster 1, turbines 2 and 3, a combustion chamber 4 and compressor 5, is fed into the heater 7 through an input device 6 for equilibrium heating to a temperature of T _o ≥ 1000 K. As a heater 7 may be a Cowper, plasmatron, ohmic or other heater.

Далее к нагретому воздуху с помощью системы 17 подмешивают СО₂. Углекислота перед подмешиванием из системы 16 ее хранения подогревается в теплообменнике 19. Полученную смесь далее ускоряют до расчетного числа М₁ > 1, например, в решетке сопл 8 и направляют в резонатор 9 лазера, где и формируют оптическое излучение 20 с выводом его на мишень 21.Then, CO _{2 is} mixed with heated air using a system 17. Carbon dioxide before mixing from the storage system 16 is heated in the heat exchanger 19. The resulting mixture is then accelerated to the calculated number M ₁ > 1, for example, in the array of nozzles 8 and sent to the laser resonator 9, where they generate optical radiation 20 with its output to the target 21 .

Другую часть потока атмосферного воздуха после входного устройства 6 и дроссельного устройства 10, которое регулирует его расход и полное давление Р₀₂, прокачивают через объем 11, в котором осуществляют колебательное возбуждение азота воздуха. Объем 11 может представлять собой газоразрядную камеру с самостоятельным разрядом.Another part of the atmospheric air flow after the inlet device 6 and the throttle device 10, which controls its flow rate and the total pressure P ₀₂ , is pumped through the volume 11, in which the vibrational excitation of nitrogen of the air is carried out. The volume 11 may be a self-discharge gas discharge chamber.

Из системы 16 подогретую в теплообменнике 19 углекислоту подмешивают к возбужденному азоту воздуха в системе 18 и всю смесь ускоряют до числа М₂ < М_1. Ускорение производят путем расширения смеси в сопловом аппарате 12. Направленная в блок 13 усиления смесь усиливает оптическое излучение 20, полученное в резонаторе 9. При работе лазера по описываемому способу усиливающая среда в блоке 13 эжектируется потоком газа в резонаторе 9. Взаимодействие потоков может происходить через перфорированную стенку 14. Возможно и отсутствие этой стенки. Далее повышают статическое давление отработанного рабочего тела в диффузоре 15 и отводят в систему откачки.From the system 16, carbon dioxide heated in the heat exchanger 19 is mixed with excited air nitrogen in the system 18 and the whole mixture is accelerated to the number M ₂ <M _1. Acceleration is performed by expanding the mixture in the nozzle apparatus 12. The mixture directed to the amplification unit 13 amplifies the optical radiation 20 obtained in the resonator 9. When the laser is operated by the described method, the amplifying medium in the block 13 is ejected by the gas flow in the resonator 9. The interaction of the flows can occur through the perforated wall 14. The absence of this wall is also possible. Next, increase the static pressure of the spent working fluid in the diffuser 15 and take it to the pumping system.

Claims

METHOD FOR PRODUCING A POWERFUL RADIATION LASER IN A FLOW CO ₂ LASER, including supplying atmospheric air through a pumping system through an input device to a heater for its equilibrium heating, mixing with heated air ₂ , accelerating the resulting mixture to the calculated Mach number M ₁ > 1 and pumping mixture through a cavity placed in the optical cavity, forming laser radiation, characterized in that, in order to increase the specific radiation power and efficiency, part of the air flow after the input device is pumped through bemsya, which is carried vibrational excitation of nitrogen in the air, is admixed to this part of the CO ₂ air, and the mixture is accelerated to a Mach number M ₂ <M ₁ is fed to a part of the optical cavity communicating with the cavity resonator and lying in the direction of propagation of the laser radiation, and then this mixture is diverted to the pumping system by ejecting it with a gas stream pumped through the resonator.