ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ПРОДОЛЬНЫМ СВЕРХЗВУКОВЫМ ПОТОКОМ Российский патент 2000 года по МПК H01S3/953 

Изобретение относится к области квантовой электроники, преимущественно к газовым лазерам, и может быть использовано в технологическом кислород-йодном лазере.

Уровень техники
Известны газовые лазеры, включающие цилиндрическую оптическую кювету с закрепленными на ее концах зеркалами резонатора, в которых рабочий газ прокачивается через кювету и резонатор с дозвуковой скоростью, а поток газа распространяется вдоль оси резонатора [1]. Схема такого лазера показана на фиг. 1, где: 1 - оптическая кювета, 4 - поток газа, 7 - зеркала резонатора, 12 - лазерное излучение, 13 - область лазерной кюветы, занятая излучением. Симметрия потока в кюветах таких лазеров соответствует симметрии лазерного луча в оптическом резонаторе, что дает возможность повысить эффективность использования активной инверсной среды и облегчает получение высокого оптического качества излучения, т.к. все регулярные неоднородности в потоке осесимметричны. Недостатком таких лазеров является низкий КПД, поскольку медленная прокачка газа через кювету служит в основном для стабилизации состава рабочей смеси газов и не справляется с удалением избыточного тепла из газового потока, образующегося в результате релаксации запасенной в газе лазерной энергии.

Известны газовые лазеры с поперечным сверхзвуковым потоком активной среды через резонатор. К ним относятся электроразрядные [2], химические [3] и газодинамические [4] лазеры. Схема таких лазеров показана на фиг. 2, где: 2 - сверхзвуковое сопло, 4 - поток газа, 7 - зеркала резонатора, 12 - лазерное излучение. Сверхзвуковая поперечная прокачка активной среды через резонатор обеспечивает значительно более быструю смену отработанной рабочей смеси, чем при дозвуковом режиме прокачки, что позволяет значительно повысить мощность излучения лазера. Кроме того, газодинамическое охлаждение при разгоне потока в сопле до сверхзвуковой скорости приводит к снижению температуры рабочей среды в резонаторе. Это обеспечивает более благоприятные кинетические условия в рабочей среде, способствуя снижению релаксационных потерь, и позволяет повысить эффективность электроразрядных и химических лазеров, а для газодинамических лазеров является необходимым условием для создания инверсии населенностей. В результате этих преимуществ наиболее мощными из известных сегодня лазеров непрерывного действия являются лазеры со сверхзвуковой поперечной прокачкой активной среды через резонатор. Наряду с перечисленными выше преимуществами, поперечная прокачка активной смеси в резонаторе лазера обладает существенным недостатком, связанным с трудностью выбора оптического резонатора, геометрия которого соответствовала бы геометрии поперечного потока лазерной среды, что является важным условием для достижения высокой энергетической эффективности лазера при одновременном максимально высоком качестве излучения. Как видно из фиг. 2, лазерная кювета при поперечной прокачке имеет прямоугольное поперечное (по отношению к лучу) сечение. В таком резонаторе лазерная энергия, запасенная в единице массы потока, а вместе с ней и локальный коэффициент усиления лазерной среды на входе в резонатор и на выходе из него по потоку газа, существенно различаются. Существуют также поперечные по отношению к оси резонатора градиенты плотности, температуры и коэффициента преломления активной лазерной среды. В таких условиях чрезвычайно трудно создать оптический резонатор, который бы обеспечивал высокую эффективность вывода запасенной лазерной энергии из газового потока одновременно с высоким оптическим качеством выходного излучения. Есть и еще одно обстоятельство. Для таких лазеров как газодинамический, химические кислород-йодный и фтор- водородный лазеры, которые имеют высокую удельную мощность излучения с единицы площади поперечного сечения газового потока в резонаторе, лазеры технологического уровня мощности (1 - 10) кВт будут иметь очень малые размеры. В результате этого усиление на один проход в лазерном резонаторе оказывается настолько малым, что построение энергетически эффективного резонатора практически невозможно.

Известен лазер с продольным сверхзвуковым потоком газа [5, 6], включающий цилиндрическую оптическую кювету, сопловое устройство для создания сверхзвукового потока газа вдоль оси кюветы и зеркала оптического резонатора. Схема такого лазера показана на фиг. 3, где: 1 - оптическая кювета, 2 - сверхзвуковое сопло, 4 - поток газа, 7 - зеркала резонатора, 12 - лазерное излучение, 13 - область лазерной кюветы, занятая излучением, 14 - область лазерной кюветы, не занятая излучением. В таком лазере вывод отработанного газового потока из резонатора не нарушает осевую симметрию потока в круглом осесимметричном резонаторе. В этом лазере соединены преимущества, предоставляемые сверхзвуковой прокачкой активной среды, с преимуществами, обеспечиваемыми продольным потоком в резонаторе, а именно: симметрия потока соответствует симметрии резонатора, что облегчает для резонатора достижение высокой эффективности извлечения запасенной энергии из области, заполненной излучением, при одновременно высоком оптическом качестве выходного излучения. Рассматриваемое устройство по технической сущности наиболее близко к предлагаемому техническому решению, поэтому выбрано в качестве прототипа. При всех своих достоинствах данная схема лазера имеет два существенных недостатка. Во-первых, как видно из фиг. 3, в таком лазере невозможно полностью использовать активный объем оптической кюветы. Для лазеров со сверхзвуковыми потоками с достаточно большими числами Маха, при которых велико отношение поперечного сечения в сверхзвуковой лазерной кювете к критическому сечению сопла, доля используемого в резонаторе объема активной лазерной смеси значительно уменьшается, и схема лазера становится неэффективной. Для газодинамического лазера при геометрической степени расширения сопла заведомо больше 10 (М≥4) такая схема совершенно неприемлема. Для сверхзвукового химического кислород-йодного лазера (М ~ 2-2,5) при геометрической степени расширения сопла 2 - 3 такая схема также неэффективна, поскольку позволяет использовать менее половины рабочего объема лазерной кюветы. Во-вторых, в таком лазере часть активного высокоскоростного потока газа, содержащего химически активные компоненты (например, фтор, хлор или йод), продукты ионизации и диссоциации активной лазерной смеси и т.п., неизбежно попадает на нижнее по потоку газа зеркало резонатора и портит его отражающую поверхность, что приводит к быстрой деградации энергетических характеристик лазера и уменьшению его ресурса работы.

Техническая задача изобретения состоит в использовании в продольном сверхзвуковом газовом лазере всего рабочего объема оптической кюветы, а также в сохранении характеристик зеркал резонатора в процессе работы лазера.

Технический результат - повышение КПД и ресурса работы лазера достигается тем, что в известном устройстве газового лазера с продольным сверхзвуковым потоком, включающим цилиндрическую оптическую кювету, сопловое устройство для создания сверхзвукового потока газа вдоль оси кюветы и зеркала оптического резонатора, сопловое устройство выполнено в виде конического кольцевого сверхзвукового сопла, установленного на боковой поверхности оптической кюветы, причем образующая конуса сопла составляет с оптической осью кюветы угол, при котором число Маха потока в оптической кювете уменьшается не более чем на 20% по сравнению с числом Маха на выходе сопла. Лазер может быть снабжен устройством формирования закрученного вокруг оси сопла потока газа, установленным на входе в сверхзвуковое сопло, а также газовым инжектором, размещенным между сопловым устройством и устройством формирования закрученного потока, для подачи в основной поток газа дополнительных газовых компонентов. Лазер может быть снабжен полыми цилиндрическими проставками, установленными между оптической кюветой и зеркалами резонатора, в которых выполнены каналы, соединенные с источником защищающего зеркала газа. Каналы могут быть выполнены тангенциально образующей поверхности цилиндрических проставок для создания внутри проставок закрученного потока защищающего зеркала газа.

Предлагаемый газовый лазер с продольным сверхзвуковым потоком отличается от прототипа тем, что сверхзвуковое сопло выполнено в виде конического кольцевого сопла, установленного на боковой поверхности оптической кюветы. Поэтому элементы сопла не затеняют поперечное сечение оптической кюветы, и в оптическом резонаторе может быть использован весь ее объем, что приведет к повышению КПД лазера по сравнению с прототипом. При взаимодействии газовых потоков, истекающих из различных областей конического кольцевого сопла, между собой и со стенкой оптической кюветы, стоящей под углом к направлению газового потока, сверхзвуковой газовый поток разворачивается вдоль оси кюветы. Образующая конуса сверхзвукового сопла составляет с осью оптической кюветы угол, при котором число Маха потока в оптической кювете при его развороте уменьшается не более чем на 20% по сравнению с числом Маха на выходе сопла. В реальности диапазон углов составляет, как правило, 10 - 20^o. Меньшие углы трудно обеспечить конструктивно, большие приводят к значительному снижению числа Маха сверхзвукового потока в оптической кювете по сравнению с числом Маха на выходе из кольцевого сопла вплоть до срыва сверхзвукового потока. Эксперименты показывают, что для работы лазера с высоким КПД допустимо не более чем 20% уменьшение числа Маха. Как известно [7], потери скорости (снижение числа Маха) сверхзвукового потока при повороте на внутреннем угле тем меньше, чем меньше угол поворота потока. Если потоку газа в критическом сечении помимо продольной составляющей, лежащей вдоль оси кюветы, сообщить тангенциальную составляющую, то есть поток на входе в сопло предварительно закрутить вокруг оси сопла с помощью соответствующего формирующего устройства (например, улитки или шнека), то это обеспечит меньший угол разворота сверхзвукового потока при встрече с цилиндрической стенкой кюветы и снизит потери числа Маха потока. Использование в лазере инжектора, установленного между сопловым устройством и устройством формирования закрученного газового потока, для подачи в основной поток дополнительных компонентов (например, йода в поток синглетного кислорода в кислород-йодном лазере, водорода в поток фтора во фтор- водородном химическом лазере, углекислого газа в поток колебательно возбужденного азота в газодинамическом или электроразрядном лазере) превращает его в лазер смесевого типа. Это позволяет снизить релаксационные потери запасенной лазерной энергии в основном потоке газа в процессе его транспортировки в область резонатора и повысить КПД лазера. В этом случае наличие закрутки потока позволяет усреднить вдоль лазерного луча оптические неоднородности, связанные со смешением, что способствует получению более высокого КПД и оптического качества выходного излучения лазера. Для защиты отражающих поверхностей зеркал резонатора лазер может быть снабжен полыми цилиндрическими проставками, установленными между оптической кюветой и зеркалами резонатора, в которых выполнены каналы, соединенные с источником защищающего зеркала газа. При этом формируется газовая завеса, предотвращающая взаимодействие отражающих поверхностей зеркал с химически активной лазерной средой, что способствует увеличению срока службы лазера за счет уменьшения деградации коэффициента отражения зеркал резонатора. Эффективность газовой защиты может быть повышена, если защищающему газу придать закрутку вокруг оси проставки для образования около зеркала устойчивого вихря (газовой пробки), который будет более эффективно препятствовать проникновению к зеркалу компонентов активной лазерной среды. С этой целью каналы для подачи защищающего зеркала газа могут быть выполнены тангенциально образующей поверхности цилиндрических проставок.

На фиг. 1 - 3 представлены схемы аналогов газового лазера с продольным сверхзвуковым потоком. Предлагаемый газовый лазер с продольным сверхзвуковым потоком схематически показан на фиг. 4, а на фиг. 5 представлен сборочный чертеж действующего макета лазера. На фигурах цифрами обозначены следующие элементы: 1 - оптическая кювета, 2 - сверхзвуковое сопло, 3 - устройство формирования закрученного газового потока, 4 - поток лазерной смеси, 5 - газовый инжектор, 6 - дополнительный газ, 7 - зеркала резонатора, 8 - цилиндрические проставки, 9 - каналы для подачи защищающего газа, 10 - поток защищающего газа, 11 - сборный коллектор, 12 - лазерное излучение, 13 - область оптической кюветы, занятая излучением, 14 - область оптической кюветы, не занятая излучением.

Рассмотрим работу газового лазера с продольным сверхзвуковым потоком на примере химического кислород- йодного лазера. В оптическую кювету лазера 1 через коническое кольцевое сверхзвуковое сопло 2 и устройство формирования закрученного газового потока 3 (улитку) подают поток синглетного кислорода 4 (кислород, возбужденный на первый электронный уровень), который при взаимодействии с устройством 3 приобретает закрутку относительно продольной оси кольцевого сопла 2. Одновременно через газовый инжектор 5 в поток синглетного кислорода 4 в области критического сечения сопла 2 подают смесь 6 газообразного йода с газом - носителем (например, азотом или гелием). Смесь 6 йода с газом - носителем перемешивается с синглетным кислородом 4 в сверхзвуковом потоке в оптической кювете 1, в результате чего электронное возбуждение от молекул синглетного кислорода 4 резонансным образом передается молекулам йода 6. Образуется инверсия населенностей между верхним и нижним лазерными уровнями молекул йода 6, которая с помощью зеркал резонатора 7 преобразуется в лазерное излучение. Отработанные газы 4 и 6 поступают в сборный коллектор 11, который также выполняет функцию диффузора, и удаляются из оптической кюветы 1. Поскольку сверхзвуковое сопло 2 вынесено за пределы апертуры оптической кюветы 1 и установлено на ее боковой поверхности, в резонаторе лазера 7 работает весь объем оптической кюветы 1 и КПД лазера получается высоким. Для реализации в оптической кювете 1 сверхзвукового потока синглетного кислорода 4 и йода 6 с заданным числом Маха образующая конуса кольцевого сверхзвукового сопла 2 составляет с оптической осью кюветы 1 малый угол (порядка 10 - 20 градусов), при котором число Маха потока в оптической кювете 1 уменьшается не более чем на 20% по сравнению с числом Маха на выходе сопла 2. Уменьшению потерь числа Маха способствует также закрутка потоков синглетного кислорода 4 и йода 6 относительно продольной оси оптической кюветы 1. В этом случае при отражении потоков синглетного кислорода 4 и йода 6 от стенок кюветы 1 малый внутренний угол отражения приводит лишь к незначительному (не более чем на 20%) уменьшению числа Маха потока по сравнению с его значением на выходе из сверхзвукового сопла 2. Если при проектировании лазера оптимальное для работы лазера число Маха на выходе сверхзвукового сопла было соответствующим образом увеличено (например, с М=2 до М = 2,5), то неизбежное уменьшение числа Маха, связанное с разворотом потока вдоль оси оптической кюветы, не отразится на КПД лазера. Для защиты отражающих поверхностей зеркал резонатора 7 между оптической кюветой 1 и зеркалами резонатора 7 установлены полые цилиндрические проставки 8, в которых выполнены каналы 9 для подачи внутрь проставок защищающего зеркала газа 10 (например, азота или гелия). При этом формируется газовая завеса из инертного газа, предотвращающая взаимодействие отражающих поверхностей зеркал 7 с химически активными синглетным кислородом 4, хлором и йодом 6, что способствует увеличению срока службы лазера за счет уменьшения деградации коэффициента отражения зеркал резонатора 7. Эффективность газовой защиты повышена за счет придания защищающему газу 10 закрутки относительно оси проставок 8 для образования около зеркал резонатора 7 устойчивых вихрей, которые эффективно препятствуют проникновению к зеркалам 7 компонентов активной лазерной среды 4 и 6. С этой целью каналы 9 для подачи защищающего зеркала газа 10 выполнены тангенциально образующей поверхности цилиндрических проставок 8 для создания внутри проставок 8 закрученного потока защищающего газа 10.

Был изготовлен действующий макет предлагаемого лазера (фиг. 5) и проведены его испытания. Цилиндрическая оптическая кювета представляла собой кварцевую трубку с внутренним диаметром 23 мм и длиной 300 мм. На входе в кювету было установлено коническое кольцевое сопло со средним диаметром критического сечения 27.83 мм и высотой критического сечения 1.83 мм, что соответствовало площади критического сечения сопла 1.6 см². Площадь поперечного сечения кюветы составляла 4.15 см², что соответствовало геометрической степени расширения сопла 2.6 (или рассчитанному в изоэнтропическом приближении числу М ~ 2.5 для газа с показателем адиабаты 1.4). Угол наклона образующей конуса к оси кюветы составлял 17.5 градусов. Выход оптической кюветы был соединен через сборный коллектор с вакуумным танком объемом ~ 3 м³, откачанным до давления ≈10^-1 мм рт. ст. Были проведены газодинамические продувки оптической кюветы атмосферным воздухом при давлениях от 10 до 60 Торр. Внутрь проставок через каналы в качестве защищающего зеркала газа подавался воздух при давлении, равном давлению в основном потоке. Во всем исследованном диапазоне давлений наблюдался уверенный запуск сверхзвукового потока в оптической кювете с числом Маха, приблизительно равным 2. Число Маха сверхзвукового потока определялось по известной формуле [7] из отношения давления на входе в сверхзвуковое сопло к давлению в оптической кювете. Полученное значение числа Маха потока всего лишь на ~ 20% ниже его значения на выходе сверхзвукового сопла и близко к оптимальному значению для работы сверхзвукового кислород-йодного лазера [8].

Изобретение позволит повысить КПД лазера, поскольку в рассматриваемой конструкции в формировании выходного излучения участвует весь объем оптической кюветы. Использование в конструкции лазера полых цилиндрических проставок, установленных между оптической кюветой и зеркалами резонатора, в которых выполнены каналы, соединенные с источником защищающего зеркала газа, позволяет сохранить отражающие свойства зеркал и повышает ресурс работы лазера.

Газовый лазер с продольным сверхзвуковым потоком благодаря высокому КПД, большому ресурсу работы и небольшим размерам найдет широкое применение в промышленности для обработки материалов и в научных исследованиях, например, для определения эффективности генераторов синглетного кислорода.

Источники, принятые к рассмотрению
1. Н.Н. Соболев, В.В. Соковиков. Оптические квантовые генераторы на СО₂. - УФН, т.91, вып. 3, с. 425-454, 1967.

2. E. Vallach et al. Transverse excitation pulsed laser in gas - dynamically cooled mixtures.- Appl. Phis. Lett., v. 20, p. 395 - 397, 1972.

3. Химические лазеры. - Под редакцией Р. Гросса и Дж. Ботта.- М.: Мир, 1980.- 832 с., ил.

4. Лосев С. А. Газодинамические лазеры.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1977. -336 с., ил.

5. Заявка Японии N 54-5958, МКИ: H 01 S 3/097, опубл. 23.03.1979.

6. Н. Shirahata and A. Fujisava. Aerodynamically mixed electric discharge CO₂ laser.-Appl. Phis. Lett., v. 23, N 2, p. 80-81, 1973.

7. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Учеб. руководство: Для втузов.- 5 -е изд., перераб. и доп.- М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991.-600 с.

8. P.V. Avizonis, К.A. Truesdell, et al. "COIL development at Phillips". Proceedings to the 25th AIAA Plasma dynamics and Lasers Conference, paper number AIAA 94-2421.

Использование: изобретение относится к области квантовой электроники, преимущественно к газовым лазерам, и может быть использовано в технологическом кислород-йодном лазере. Сущность изобретения: газовый лазер с продольным сверхзвуковым потоком включает цилиндрическую оптическую кювету, сопловое устройство для создания сверхзвукового потока газа вдоль оси кюветы и зеркала оптического резонатора. Сопловое устройство выполнено в виде конического кольцевого сверхзвукового сопла, установленного на боковой поверхности кюветы, причем образующая конуса сопла составляет с оптической осью кюветы угол, при котором число Маха потока в оптической кювете уменьшается не более чем на 20 % по сравнению с числом Маха на выходе сопла. Кроме того, лазер снабжен устройством формирования закрученного потока вокруг оси сопла, установленным на входе в сопловое устройство, инжектором, размещенным между сопловым устройством и устройством формирования закрученного потока, и полыми цилиндрическими проставками, установленными между оптической кюветой и зеркалами резонатора, в которых выполнены каналы, соединенные с источником защищающего зеркала газа. Каналы выполнены тангенциально образующей поверхности цилиндрических проставок. Технический результат заключается в повышении КПД и ресурса работы лазера. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Газовый лазер с продольными сверхзвуковым потоком, включающий цилиндрическую оптическую кювету, сопловое устройство для создания сверхзвукового потока газа вдоль оси кюветы и зеркала оптического резонатора, отличающийся тем, что сопловое устройство выполнено в виде конического кольцевого сверхзвукового сопла, установленного на боковой поверхности кюветы, причем образующая конуса сопла составляет с оптической осью кюветы угол, при котором число Маха потока в оптической кювете уменьшается не более чем на 20% по сравнению с числом Маха на выходе сопла. 2. Газовый лазер по п.1, отличающийся тем, что он снабжен устройством формирования закрученного потока вокруг оси сопла, установленным на входе в сопловое устройство. 3. Газовый лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен инжектором, размещенным между сопловым устройством и устройством формирования закрученного потока. 4. Газовый лазер по пп.1 - 3, отличающийся тем, что он снабжен полыми цилиндрическими проставками, установленными между оптической кюветой и зеркалами резонатора, в которых выполнены каналы, соединенные с источником защищающего зеркала газа. 5. Газовый лазер по п.4, отличающийся тем, что каналы выполнены тангенциально образующей поверхности цилиндрических проставок.