ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР, НАКАЧИВАЕМЫЙ ХИМИЧЕСКИМ ИСТОЧНИКОМ СВЕТА Российский патент 1998 года по МПК H01S3/95 H01S3/91 

Изобретение относится к области твердотельных лазеров и может быть использовано в импульсно-периодическом режиме их работы.

Известны лазеры с оптической накачкой.

Известны химические лампы, обладающие существенным преимуществом по отношению к электрическим: более высокой энергоемкостью источника питания - энергоемкость электрических аккумуляторов не более 3 Дж/г, а энергоемкость взрывчатки 4•10³ Дж/г.

Накачка лазеров требует излучения высокой интенсивности, однако в электрических лампах накаливания и химических лампах интенсивность излучения ограничивается интенсивностью абсолютно черного тела (АЧТ) с температурой, равной температуре среды.

В лампах накаливания эта температура ограничена температурой нагревателя, а в химических лампах адиабатической температурой сгорания, которая зависит главным образом от прочности продуктов химической реакции и определяется выбором реагентов и их стехиометрического отношения.

Максимальная температура, достигаемая в химических реакциях равна - 6000^oC и реализуется в химических реакциях, продуктами которых являются молекулы CO и N₂(2C(тв) + O₂ --- CO, т.е. в реакциях окисления, например, цианидов C₂N₂ + O₂ --- 2CO + N₂, или в реакциях образования кристаллической окиси циркония или гафния (Zr(тв) + O₂ --- ZrO₂(тв); Hf(тв) + O₂ --- Hf(тв) + O₂ --- HfO₂(тв)) [1].

Для того, чтобы яркостная температура химической лампы, определяющая реальный световой поток, была близка к адиабатической температуре сгорания, необходимо, чтобы:
1. Скорость полного сгорания превышала скорость теплоотдачи окружающей среды, в т.ч. радиационной.

2. Рабочее тело лампы было близко по своим оптико-спектральным характеристикам к АЧТ.

Реакции окисления металлов являются гетерогенными и поэтому медленными [2].

Наиболее близким к заявляемому является твердотельный лазер, в котором излучение продуктов взрыва смеси дициана C₂N₂, с кислородом, инициированного электрической искрой в объеме смеси использовалось для накачки лазера [3].

Недостатками данного решения является использование смесей, богатых топливом (необходимое для достижения оптической черноты смеси) приводящее к снижению адиабатической температуры и уменьшению интенсивности свечения; невозможность реализации периодического режима работы лазера, из-за образования сажи и ее осаждения на прозрачных поверхностях, а также повышенные требования к прочности конструкционных материалов из-за развития детонации в объеме смеси.

Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является расширение функциональных возможностей твердотельного лазера за счет реализации импульсно-периодического режима и увеличение удельного энергосъема более чем в 5 раз по отношению к прототипу за счет использования "чернящих" добавок и внешнего поджига перепуском детонации.

Указанный результат достигается тем, что в известный твердотельный лазер, содержащий систему активных элементов, оптический резонатор, химическую лампу и систему поджига лампы, введены система поджига, состоящая из устройства искрового зажигания, разгонной трубки и системы перепуска детонации, и устройство смены смеси, выполненное в виде поршня и золотников, и системы приготовления смеси.

При этом используются стехиометрические смеси, а увеличение яркостной температуры продуктов сгорания достигается добавкой галогенидов металлов, например шестифтористого урана (UF₆) или хлористого титана (TiCl₄).

Для осуществления детонационного режима сгорания газового заряда используется метод перепуска детонации [4]. Он основан на том, что детонация лучше и быстрее развивается в тонких трубках. Детонация в рабочей смеси инициируется искровой свечой в тонкой (⊘ 3 мм) трубке и затем перепускается в объем химической лампы, имеющей диаметр около 40 мм.

Для реализации импульсно-периодического режима работы лазера, смена сгоревшей смеси и напуск новой осуществляется в одном цикле перемещения герметичного поршня, выталкивающего сгоревшую смесь наружу с замещением ее свежей смесью. При этом возможны два режима смены смеси - самопроизвольный, когда движение поршня осуществляется за счет избыточного давления свежей смеси (ΔP ≅ 0,2 атм) и принудительный, когда его движение управляется внешним толкателем. В обоих случаях перед операцией смены смеси избыточное давление сгоревшего газа, являющееся следствием более высокой температуры и полуторакратного увеличения числа частиц в ходе химической реакции C₂N₂ + O₂ = 2CO + N₂ сбрасывается до атмосферного клапаном.

Лазер работает либо на заранее приготовленной смеси, либо смешивание осуществляется в потоке.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена химическая лампа, выполненная в виде стальной трубки 1, покрытой посудной эмалью 2 для увеличения светосбора, и торцевых фланцев 3. По центру трубы 1 укреплена с помощью резинового уплотнения 4 прозрачная трубка из лейкосапфира 5 внутренним диаметром - 14 мм и толщиной стенок 3 мм, отделяющая химическую лампу от активного элемента 6. Активный элемент, выполненный из фосфатного стекла, легированного неодимом, закреплен посредством цанговых зажимов 7 по оси трубки 5.

Торцы активного элемента покрыты просветляющим на длине волны генерации, λ = 1,06 мкм, покрытием. Зеркала оптического резонатора 8 через узлы юстировки 9 связаны с торцевыми фланцами химической лампы. Для принудительного перемещения поршня 10 использована система из двух подвижных, уплотненных сальниками стержневых тяг 11 с наружной перекладиной 12. Клапан выхлопа 13 обеспечивает сброс избыточного давления сгоревшего газа и выпуска его наружу при движении поршня 10. Вентиль 14 обеспечивает напуск свежей смеси.

Устройство смены смеси работает следующим образом. В режиме ручного манипулирования для подготовки устройства к работе открывается вентиль 14 и перемещением тяг 11 с перекладиной 12 свежая смесь засасывается поршнем 10 в объем химической лампы. Клапан выхлопа 13 при этом открыт и обеспечивает выброс сгоревшей смеси наружу при движении поршня 10. После этого клапан выхлопа 13 и вентиль 14 закрываются и ручным образом поршень 10 перемещается обратно в исходное положение; при этом вся смесь перетекает через байпасную трубку 15 дополнительно перемешиваясь.

Система поджига лампы состоит из байпасной (разгонной) трубки 15, блока поджига 16 и свечи поджига 17. Для осуществления запуска лазера нажатием кнопки высоковольтного блока поджига 16 подается напряжение на электрическую свечу поджига 17. Смесь взрывается и за счет накачки активного элемента 6 излучением продуктов взрыва формируется лазерный импульс продолжительностью около 2 мс (свободная генерация). Сразу же после этого вручную открывается клапан 13 для сброса избыточного давления. Устройство при этом готово для производства при необходимости следующего "выстрела" и так далее, вплоть до исчерпания запаса заранее приготовленной смеси в баке 18.

В автоматическом режиме работы тяги 11 и перекладина 12 отсутствуют, клапаны выхлопа 13 и вентили напуска 14 имеются на каждом из торцев химической лампы. Напуск смеси осуществляется теперь через трубку 15, служащую одновременно для разгона инициируемой разрядом электрической смеси детонации и перепуска ее в объем камеры сгорания. Исходное состояние устройства: поршень 10 находится в крайнем правом положении, правый клапан выхлопа 13₁ закрыт, а правый вентиль напуска 14₁ открыт; при этом левый клапан выхлопа 13₂ открыт; а левый вентиль напуска 14₂ закрыт. Для произведения "выстрела" нажатием кнопки "пуск" управляющего устройства механически открывается запорный вентиль бака хранения заранее приготовленной смеси 18. Редуктор бака настроен на поддержание давления на выходе, равного 0,2-0,4 избыточных атмосфер. Под действием этого избыточного давления поршень перемещается из правого крайнего положения в левое. При этом, как и в ручном режиме, свежая смесь заполняет химическую лампу (при ее полном давлении 1,2-1,4 атм), а сгоревшая смесь выталкивается через клапан 13₁ наружу. При достижении поршнем крайнего левого положения замыканием электрических контактов вырабатывается сигнал на поджиг смеси электрической свечой, осуществляемый так же как и в ручном режиме. Развивающееся в результате взрыва большое давление газовых продуктов перебрасывает систему золотников в другое устойчивое положение, при котором правый клапан выхлопа 13₁ открыт, а правый вентиль напуска 14₁ закрыт; при этом левый клапан выхлопа 13₂ закрыт, а левый вентиль напуска 14₂ открыт. В этом положении все устройство готово для произведения следующего "выстрела", при котором заполнение химической лампы смесью происходит уже через левый фланец. Таким образом, лазер работает попеременно при напуске смеси с правого и левого торцев. Типичная задержка момента производства импульса лазера относительно нажатия кнопки "пуск" составляет около 0,2 с.

В варианте устройства с динамическим приготовлением смеси, бак хранения смеси 18 отсутствует, но имеются три бачка с компонентами - для жидкого дициана, твердой или жидкой чернящей добавки и бак для газообразного кислорода высокого давления. Каждый из бачков снабжен своим редуктором, а приготовление смеси осуществляется в специальном динамическом смесителе. Такая система весьма сложна и требует точной настройки, но она обеспечивает существенно большее количество выстрелов без перезаправки.

Типичные энергии лазерных импульсов, полученные экспериментально, составляют 4 Дж.

Список литературы:
1. Гордон Е.Б. и др. Физика горения и взрыва. - 1977.

2. Махров Е. Т., Черепанов Н.И., Язев И.И. Квантовая электроника. - 3, 2300 (1176).

3. C. L. Smith, E. Homentowski, C. S. Stokes, Appl. Optics, 6, 1130 (1967).

4. Зельдович Я.Б., Компанеец А.С. Теория детонации. - М.: Гостехиздат, 1955.

Изобретение относится к области твердотельных лазеров и может быть использовано в импульсно-периодическом режиме их работы. Технический результат: расширение функциональных возможностей. Сущность изобретения заключается в том, что в известный твердотельный лазер, содержащий систему активных элементов, оптический резонатор и химическую лампу, введены блок смены смеси, выполненный в виде поршня и золотников, система приготовления смеси и блок поджига, состоящий из устройства искрового зажигания, разгонной трубки и системы перепуска детонации. При этом используются стехиометрические смеси дициана с кислородом, добавками галогенидов металлов и детонационный режим сгорания газового заряда. 1 ил.

1. Твердотельный лазер, накачиваемый химическим источником света, содержащий систему активных элементов, оптический резонатор, химическую лампу и систему поджига лампы, отличающийся тем, что в химической лампе используются смеси дициана с кислородом стехиометрического состава с добавками галогенидов металлов, поджиг смеси в лампе осуществляется перепуском инициированной электрической искрой детонации из разгонной трубки в объем лампы. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что при импульсно-периодическом режиме работы он дополнительно снабжен устройством смены смеси, выполненным в виде поршня и золотников и системы приготовления смеси.