ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ ОКНО (ШЛЮЗ) ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА Российский патент 2001 года по МПК H01S3/02 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании газодинамического окна (шлюза) для вывода в атмосферу лазерного излучения, например газодинамического CO₂-лазера.

Известно газодинамическое окно (шлюз) газового лазера (см. Технологические лазеры. Справочник в двух томах. Под ред. Г.А. Абильсиитова, т. 1. М.: Машиностроение, 1991 ; Андерсон Дж. Газодинамические лазеры. М.: Мир, 1979). Известно газодинамическое окно (шлюз) газового лазера (см. Ефремов Н.Н., Тихонов Б. А. Экспериментальное исследование газодинамических окон газовых лазеров. Известия АН СССР, Механика жидкости и газа, 1977, N 2), взятое в качестве прототипа и содержащее плоское сопло, создающее в апертуре окна сверхзвуковую струю, внешняя граница которой расположена со стороны атмосферы, а внутренняя - со стороны полости оптического резонатора, и принимающий струю плоский диффузор.

Недостатки указанного газодинамического окна (шлюза) газового лазера заключаются в том, что оно не обеспечивает оптического совершенства шлюза (минимальные и корректируемые искажения луча) при его высокой экономичности (отношение G_с/G_а расхода газа через сопло шлюза к расходу воздуха, который натекал бы из атмосферы в резонатор через апертуру шлюза при отключенном сопле) и не обеспечивает получения низкого давления в полости оптического резонатора, так как используются плоские клиновидные сопла и диффузор с прямолинейными плоскими стенками. В этом случае образуемое струей, вытекающей из сопла, поле плотности в апертуре шлюза вызывает искажение фронта плоской волны лазерного излучения за шлюзом типа "клин" в начале струи и сложное искажение ниже по потоку. Такое искажение практически нельзя исправить внешней оптикой. Можно ограничиться использованием для вывода в атмосферу лазерного излучения лишь начальной части струи, где реализуется искажение типа "клин", которое легко исправляется внешней оптикой, но при этом необходимо при заданной апертуре увеличить размер выхода сопла и, соответственно, увеличить расход газа через сопло (в два раза и более), т.е. снизить экономичность шлюза. Использование диффузора шлюза с плоскими прямолинейными стенками приводит к необходимости увеличивать проходное сечение диффузора (в 2,5. ..3,5 раза больше площади выхода сопла). При этом ухудшается восстановление давления в диффузоре, что не позволяет получить в полости оптического резонатора необходимое низкое давление.

В основу изобретения поставлена задача разработать газодинамическое окно (шлюз) газового лазера для вывода в атмосферу лазерного излучения, свободное от указанных выше недостатков и обеспечивающее его оптическое совершенство и высокую экономичность.

Поставленная цель достигается тем, что в газодинамическом окне (шлюзе) газового лазера, содержащем плоское сопло, создающее в апертуре окна сверхзвуковую струю, внешняя граница которой расположена со стороны атмосферы, а внутренняя - со стороны полости оптического резонатора, и принимающий струю плоский диффузор, стенка сопла со стороны полости оптического резонатора выполнена плоской с минимальной длиной, обеспечивающей максимальное заданное число Маха М_р, а стенка сопла со стороны атмосферы выполнена профилированной с числом Маха на выходе сопла, меньшим M_р. Стенка входного участка диффузора со стороны полости оптического резонатора (нижняя стенка) составляет с набегающим потоком угол меньше угла A_кр и с нижней стенкой основного канала диффузора угол меньше угла B_кр, где A_кр и B_кр - углы поворота потока в скачке уплотнения с критическим перепадом давления при взаимодействии скачка с пограничным слоем струи у нижней стенки и пограничным слоем на нижней стенке соответственно. Длина нижней стенки входного участка диффузора выполнена не менее длины области роста давления в скачке уплотнения, возникающем при набегании струи на нижнюю стенку.

Сопло шлюза, предложенное в техническом решении и обеспечивающее на выходе сопла истечение с переменным значением числа Маха, от М_р у плоской стенки до меньшего чем М_р значения у профилированной стенки, позволяет получить практически симметричное, близкое к квадратичному распределение искажения фронта плоской волны излучения за шлюзом при высокой экономичности шлюза. Такое искажение может быть исправлено относительно простыми оптическими средствами, например постановкой цилиндрической линзы с соответствующим фокусным расстоянием.

Восстановление давления в диффузоре определяется восстановлением давления у его нижней стенки, где существенно (на порядок) ниже статическое давление. При использовании предложенного сопла шлюза струя на входе в диффузор со стороны внешней и внутренней границ наклонена под значительно различающимися углами (15^o и более). Поэтому необходимо, чтобы геометрия входного участка диффузора обеспечивала безотрывное течение у нижней стенки диффузора.

Диффузор, предложенный в техническом решении, позволяет получить в нем безотрывное течение при меньших проходных сечениях, как следствие, улучшить восстановление давления в диффузоре и получить более низкое давление в полости оптического резонатора.

Таким образом, обеспечивается оптическое совершенство газодинамического окна (шлюза) газового лазера при высокой его экономичности (G_с/G_а<1).

На фиг. 1 представлена схема газодинамического окна (шлюза) газового лазера и картина струйного течения; на фиг. 2 - схема восстановления давления при набегании струи на нижнюю стенку диффузора.

Газодинамическое окно (шлюз) газового лазера (фиг. 1) содержит плоское сопло, создающее в апертуре окна сверхзвуковую струю 1, внешняя граница 2 которой расположена со стороны атмосферы, а внутренняя 3 - со стороны полости оптического резонатора, и принимающий струю плоский диффузор. Стенка 4 сопла со стороны полости оптического резонатора выполнена плоской с минимальной длиной, обеспечивающей максимальное заданное число Маха М_р), а стенка 5 сопла со стороны атмосферы выполнена профилированной с числом Маха на выходе сопла меньшим М_р. Стенка 6 входного участка диффузора со стороны полости оптического резонатора (нижняя стенка) составляет с набегающим потоком угол A меньше угла A_кр и с нижней стенкой 7 основного канала диффузора угол В меньше угла B_кр, где A_кр и B_кр - углы поворота потока в скачке уплотнения с критическим перепадом давления при взаимодействии скачка (фиг. 2) с пограничным слоем 8 струи 1 у нижней стенки и пограничным слоем на нижней стенке соответственно. Длина нижней стенки 6 входного участка диффузора выполнена не менее длины S области роста давления 9 в скачке уплотнения, возникающем при набегании струи 1 на нижнюю стенку.

Область применения изобретения - лазерная техника. Газодинамическое окно (шлюз) содержит плоские сопло и диффузор. Стенка сопла со стороны оптического резонатора выполнена плоской, а со стороны атмосферы выполнена профилированной с меньшим числом Маха на выходе, чем у плоской стенки. Стенка входного участка диффузора со стороны оптического резонатора составляет с набегающим потоком и со стенкой основного канала угла меньше углов поворота потока в скачке уплотнения с критическим перепадом давления при взаимодействии скачка с пограничным слоем струи у стенки и с пограничным слоем на стенке соответственно. Технический результат изобретения: обеспечение оптического совершенства и высокая экономичность газодинамического окна (шлюза) при выводе в атмосферу лазерного луча, например газодинамического CO₂-лазера. 2 ил.

Газодинамическое окно (шлюз) газового лазера, содержащее плоское сопло, создающее в апертуре окна сверхзвуковую струю, внешняя граница которой расположена со стороны атмосферы, а внутренняя - со стороны полости оптического резонатора, и принимающий струю плоский диффузор, отличающееся тем, что стенка сопла со стороны полости оптического резонатора выполнена плоской с минимальной длиной, обеспечивающей максимальное заданное число Маха М_р, а стенка сопла со стороны атмосферы выполнена профилированной с числом Маха на выходе сопла меньшим М_р, стенка входного участка диффузора со стороны полости оптического резонатора (нижняя стенка) составляет с набегающим потоком угол А меньше угла А_кр и с нижней стенкой основного канала диффузора угол В меньше угла В_кр, где А_кр и В_кр - углы поворота потока в скачке уплотнения с критическим перепадом давления при взаимодействии скачка с пограничным слоем струи у нижней стенки и с пограничным слоем на нижней стенке соответственно, длина нижней стенки входного участка диффузора выполнена не менее длины области роста давления в скачке уплотнения, возникающем при набегании струи на нижнюю стенку.