Химический кислород-йодный лазер с продольным сверхзвуковым потоком

 

Изобретение относится к квантовой электронике, преимущественно к химическому кислород-йодному лазеру (КИЛ). Химический кислород-йодный лазер с продольным сверхзвуковым потоком включает: цилиндрическую оптическую кювету, сверхзвуковое сопло, устройство формирования закрученного потока синглетного кислорода вокруг оси сопла, инжектор йода и зеркала оптического резонатора. Устройство формирования закрученного потока выполнено в виде многозаходного винтового полого ротора с отверстиями в его стенке, размещенного коаксиально корпусу устройства. В полости ротора установлена оптическая кювета с зазором, полость зазора соединена с источником смеси перекиси водорода со щелочью. Вход устройства формирования соединен с источником хлора, а выходом служит вход соплового устройства. Химический кислород-йодный лазер с продольным сверхзвуковым потоком может снабжаться дополнительным устройством формирования закрученного потока и коническим кольцевым сверхзвуковым соплом. Технический результат изобретения: повышение мощности излучения и КПД лазера. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Область применения Изобретение относится к области квантовой электроники, преимущественно к химическому кислород-йодному лазеру (КИЛ).

Уровень техники Известен химический кислород-йодный лазер с продольной прокачкой активной среды /1/, включающий струйный генератор синглетного кислорода (ГСК), смеситель буферного газа, камеру смешения синглетного кислорода с буферным газом, оптическую кювету, выполненную из кварцевой трубки, смеситель паров йода с синглетным кислородом и буферным газом, выходной патрубок для отвода отработанной смеси и зеркала резонатора. Недостатком лазера являются неоднородности скорости газа как вдоль, так и поперек оптической кюветы, вызванные односторонним подводом рабочей смеси, что ведет к снижению полного коэффициента усиления активной лазерной среды. Кроме того, относительно невысокая дозвуковая скорость потока активной среды в резонаторе приводит к потерям запасенной лазерной энергии и снижению КПД лазера.

Известен газовый лазер с продольным сверхзвуковым потоком /2/, включающий 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. Газовый лазер снабжен устройством формирования закрученного потока вокруг оси сопла, установленным на входе в сопловое устройство, и инжектором, размещенным между сопловым устройством и устройством формирования закрученного потока. По технической сущности данное устройство наиболее близко к предлагаемому техническому решению и выбрано в качестве прототипа. В данном устройстве достигаются значительно более высокие скорости потока газа через оптическую кювету (числа Маха потока М= 2 и более), чем у предыдущего аналога, поэтому потери запасенной лазерной энергии получаются меньше. Кроме того, использование устройства формирования закрученного потока вокруг оси сопла позволяет повысить КПД лазера за счет уменьшения потерь числа Маха в оптической кювете и усреднения оптических неоднородностей в резонаторе, возникающих при смешении основного и инжектируемого потоков газа, и увеличить полный коэффициент усиления активной среды. К недостаткам прототипа можно отнести достаточно протяженный тракт подачи синглетного кислорода из ГСК в сверхзвуковое сопло, что увеличивает потери запасенной лазерной энергии в синглетном кислороде.

Сущность изобретения Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении пути, проходимом синглетным кислородом от выхода из ГСК до входа в сверхзвуковое сопло в газовом лазере с продольным сверхзвуковым потоком.

Технический результат - повышение мощности излучения и КПД лазера достигается тем, что в известном устройстве лазера с продольным сверхзвуковым потоком, включающем цилиндрическую оптическую кювету с установленным на ее боковой поверхности коническим кольцевым сверхзвуковым соплом, образующая конуса которого 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, устройство формирования закрученного потока синглетного кислорода вокруг оси сопла, инжектор йода и зеркала оптического резонатора, отличительным является то, что устройство формирования закрученного потока выполнено в виде многозаходного винтового полого ротора с отверстиями в его стенке, размещенного коаксиально корпусу устройства, в полости ротора установлена оптическая кювета с зазором, полость зазора соединена с источником смеси перекиси водорода со щелочью, при этом вход устройства формирования соединен с источником хлора, а выходом служит вход соплового устройства.

Диаметр оптической кюветы химического кислород-йодного лазера с продольным сверхзвуковым потоком может быть выполнен увеличивающимся вдоль оси кюветы от сопла. Химический кислород-йодный лазер с продольным сверхзвуковым потоком может быть дополнительно снабжен устройством формирования закрученного потока и коническим кольцевым сверхзвуковым соплом, при этом устройства размещены симметрично относительно центра кюветы, а сопла установлены на ее противоположных концах и ориентированы так, что потоки газа направлены в кювете навстречу друг другу.

Снабжение кислород-йодного лазера с продольным сверхзвуковым потоком устройством формирования закрученного потока, выполненным в виде многозаходного винтового полого ротора с отверстиями в его стенке, размещенного коаксиально корпусу устройства, при этом вход устройства формирования соединен с источником хлора, а выходом служит вход соплового устройства, и установка оптической кюветы в полости ротора с зазором, соединенным с источником смеси перекиси водорода со щелочью, позволяет осуществить химическую реакцию между щелочным раствором перекиси водорода и хлором и получить синглетный кислород непосредственно перед входом в сверхзвуковое сопло. При этом максимально снижаются релаксационные потери запасенной в синглетном кислороде электронной энергии за счет минимизации длины тракта подачи синглетного кислорода в сопловое устройство лазера и, тем самым, и повышается мощность излучения и КПД лазера. Кроме того, установка оптической кюветы в полости ротора с зазором, соединенным с источником смеси перекиси водорода со щелочью обеспечивает охлаждение стенок оптической кюветы холодной с температурой (-10 - -20)^oС смесью и дает возможность уменьшить потери числа Маха сверхзвукового потока в оптической кювете (отвод тепла от сверхзвукового потока газа приводит к ускорению потока /3/), связанные с энерговыделением при релаксации синглетного кислорода. В результате взаимодействия газа с винтовыми поверхностями ротора на выходе ГСК образуется закрученный поток синглетного кислорода, который подается непосредственно в закрученном виде на вход соплового устройства лазера. Использование закрученного потока позволяет повысить мощность излучения и КПД лазера за счет уменьшения потерь числа Маха в оптической кювете и усреднения коэффициента усиления активной среды и оптических неоднородностей в резонаторе, возникающих при смешении потока синглетного кислорода с парами йода.

Для компенсации энерговыделения в газовом потоке при релаксации синглетного кислорода и пограничного слоя на стенках за счет дополнительного расширения диаметр оптической кюветы химического кислород-йодного лазера с продольным сверхзвуковым потоком может быть выполнен увеличивающимся вдоль оси кюветы от сопла. Это позволит повысить мощность излучения и КПД лазера.

Снабжение химического кислород-йодного лазера с продольным сверхзвуковым потоком дополнительным устройством формирования закрученного потока и коническим кольцевым сверхзвуковым соплом, размещенными симметрично относительно центра кюветы, а также установление сопл на ее противоположных концах и ориентированных так, что потоки газа направлены в кювете навстречу друг другу, позволяет усреднить оптические неоднородности в резонаторе, возникающие при смешении основного и инжектируемого потоков газа, и увеличить полный коэффициент усиления активной среды. Это повышает мощность излучения и КПД лазера.

Предлагаемый химический кислород-йодный лазер с продольным сверхзвуковым потоком поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-3, где: 1 - устройство формирования закрученного потока синглетного кислорода вокруг оси сопла; 2 - многозаходный винтовой полый ротор реактора; 3 - источник хлора; 4 - источник смеси перекиси водорода со щелочью; 5 - цилиндрическая оптическая кювета; 6 - струи жидкости; 7 - винтовые поверхности ротора; 8 - поток синглетного кислорода; 9 - отработанная жидкость; 10 - приемный коллектор жидкости; 11 - кольцевое сверхзвуковое сопло; 12 - инжектор йода; 13 - источник йода; 14 - зеркала резонатора; 15 - лазерное излучение; 16 - поток отработанного газа; 17 - сборный газовый коллектор; 18 - цилиндрические проставки; 19 - каналы для подачи защищающего зеркала газа; 20 - источник защищающего газа; 21 - закрученный поток защищающего газа.

Химический кислород-йодный лазер с продольным сверхзвуковым потоком, изображенный на фиг. 1, работает следующим образом. В устройстве формирования закрученного потока синглетного кислорода 1 приводят во вращательное движение ротор 2. От источника 3 подают в устройство формирования 1 хлор, а от источника 4 - смесь перекиси водорода со щелочью. Жидкость 4 подают в полость зазора между ротором 2 устройства формирования 1 и внешней поверхности цилиндрической оптической кюветы 5, а затем впрыскивают в устройство 1 в виде струй 6 через отверстия в стенке ротора 2 и закручивают винтовыми поверхностями 7 вращающегося ротора 2. В процессе химического взаимодействия хлора 3 и смеси перекиси водорода со щелочью 4 внутри устройства формирования 1 образуется синглетный кислород 8 (кислород, возбужденный на первый электронный уровень). Под действием центробежных сил синглетный кислород 8, как наиболее легкий компонент, вытесняется в центральную область устройства формирования закрученного потока 1, а более тяжелые аэрозоль и жидкость отбрасываются на его стенку. Винтовые поверхности 7 вращающегося ротора 2 совместно с внутренней цилиндрической стенкой корпуса устройства формирования 1 образуют жидкостный насос, который удаляет отработанную жидкость 9 из устройства формирования 1 в приемный коллектор 10. Хлор 3 практически полностью вырабатывается при взаимодействии со смесью перекиси водорода со щелочью 4 и, таким образом, на выходе из устройства формирования 1 образуется очищенный от аэрозоля и жидкости 4 закрученный поток газа, состоящий преимущественно (на 80-90%) из синглетного кислорода 8. Выходом устройства формирования 1 служит вход конического кольцевого сверхзвукового сопла 11, через которое закрученный поток синглетного кислорода 8 подают в оптическую кювету лазера 5. Одновременно через инжектор 12 в поток синглетного кислорода 8 в области критического сечения сопла 11 подают смесь 13 газообразного йода с газом носителем (например, азотом или гелием). Смесь 13 йода с газом носителем перемешивается с синглетным кислородом 8 в сверхзвуковом потоке в оптической кювете 5, в результате чего электронное возбуждение от молекул синглетного кислорода 8 резонансным образом передается молекулам йода 13. Образуется инверсия населенностей между верхним и нижним лазерными уровнями молекул йода 13, которая с помощью зеркал резонатора 14 преобразуется в лазерное излучение 15. Отработанные газы 16 поступают в сборный коллектор 17, который одновременно выполняет функцию сверхзвукового диффузора, и удаляются из оптической кюветы 5. Сверхзвуковое сопло 11 вынесено за пределы апертуры оптической кюветы 5 и установлено на ее боковой поверхности, в резонаторе лазера 14 работает весь объем оптической кюветы 5, поэтому КПД лазера получается высоким. Кроме того, образовавшийся в устройстве формирования 1 поток синглетного кислорода 8 сразу же с выхода устройства 1 подают на вход сверхзвукового сопла 11, где расширяют его до низких значений давления и плотности газа. Благодаря этому потери запасенной лазерной энергии в синглетном кислороде 8 получаются значительно ниже, чем в прототипе, а КПД лазера соответственно выше. Для реализации в оптической кювете 5 сверхзвукового потока синглетного кислорода 8 и йода 13 с заданным числом Маха образующая конуса кольцевого сверхзвукового сопла 11 составляет с оптической осью кюветы 5 малый угол (порядка 10-20 градусов), при котором число Маха потока в оптической кювете 5 уменьшается не более чем на 20% по сравнению с числом Маха на выходе сопла 11. Уменьшению потерь числа Маха способствует также закрутка потока синглетного кислорода 8 относительно продольной оси оптической кюветы 5. В этом случае при отражении потока синглетного кислорода 8 с подмешенным йодом 13 от стенок кюветы 5 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 11. Если при проектировании лазера оптимальное для работы лазера число Маха на выходе сверхзвукового сопла 11 было соответствующим образом увеличено (например, с М= 2 до М= 2,5), то неизбежное уменьшение числа Маха, связанное с разворотом потока 8 вдоль оси оптической кюветы 5, не приведет к уменьшению мощности и КПД лазера. Для защиты отражающих поверхностей зеркал резонатора 14, как и в прототипе, между оптической кюветой 5 и зеркалами резонатора 14 установлены полые цилиндрические проставки 18, в которых выполнены каналы 19, соединенные с источником защищающего зеркала газа 20 (например, азота или гелия). При этом внутри проставок 18 формируется газовая завеса из инертного газа 21, предотвращающая взаимодействие отражающих поверхностей зеркал 14 с химически активными синглетным кислородом 8, хлором 3 и йодом 13, что способствует увеличению срока службы лазера за счет уменьшения деградации коэффициента отражения зеркал резонатора 14. Эффективность газовой защиты повышена за счет придания защищающему газу 21 закрутки относительно оси проставок 18 для образования около зеркал резонатора 14 устойчивых вихрей, которые эффективно препятствуют проникновению к зеркалам 14 компонентов активной лазерной среды 6, 8 и 13. С этой целью каналы 19 для подачи защищающего зеркала газа 21 выполнены тангенциально образующей поверхности цилиндрических проставок 18 для создания внутри проставок 18 закрученного потока защищающего газа 21.

На фиг. 2 изображен химический кислород-йодный лазер с продольным сверхзвуковым потоком, у которого для компенсации тепловыделения в газовом потоке и пограничного слоя на стенках оптической кюветы 5 ее диаметр выполнен увеличивающимся вдоль оси кюветы 5 от сопла 11. Соответственно увеличен и внутренний диаметр проставки 18 от коллектора 17 до зеркала резонатора 14.

На фиг. 3 изображен химический кислород-йодный лазер с продольным сверхзвуковым потоком, который для повышения мощности излучения составлен из двух секций лазера, показанного на фиг. 1. Работа отдельных секций лазера происходит точно так же, как описано для лазера на фиг. 1. В этом лазере химические устройства формирования закрученного потока синглетного кислорода 1 размещены симметрично относительно центра кюветы 5, а кольцевые сверхзвуковые сопла 11 установлены на противоположных концах кюветы 5 и ориентированы так, что потоки синглетного кислорода 8 и йода 13 направлены в кювете 5 навстречу друг другу. Достоинством такой схемы лазера является общий сборный коллектор 17 для отработанного газа 16, а также более высокая степень защиты зеркал резонатора 14, поскольку сверхзвуковые потоки синглетного кислорода 8 и йода 13 направлены в противоположную сторону от зеркал 14. Это повышает ресурс работы лазера.

Предлагаемый химический кислород-йодный лазер с продольным сверхзвуковым потоком обладает рядом дополнительных преимуществ. Во-первых, он имеет малые габариты и массу, что расширяет область его применения. Например, он может быть установлен на руке робота лазерного технологического комплекса. Во-вторых, он обладает более высоким оптическим качеством лазерного излучения, чем широко распространенные КИЛ с поперечным сверхзвуковым потоком, что обеспечивает более высокие характеристики при резке и сварке материалов.

Благодаря высокому КПД, хорошему оптическому качеству лазерного излучения и небольшим габаритам предлагаемый химический кислород-йодный лазер с продольным сверхзвуковым потоком найдет широкое применение для обработки материалов в промышленности.

Источники информации 1. М. В. Загидуллин, В. Д. Николаев, М. И. Свистун, Н. А. Хватов, "Эффективный химический кислородно-йодный лазер с продольной прокачкой активной среды". Квантовая электроника, 26, 2, с. 114-116, (1999).

2. Патент РФ 2145139 "Газовый лазер с продольным сверхзвуковым потоком", Б. А. Выскубенко, С. П. Ильин, Ю. В. Колобянин, С. А. Кольцов, И. М. Круковский, опубл. 27.01.2000, БИ 3.

3. 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.

Формула изобретения

1. Химический кислород-йодный лазер с продольным сверхзвуковым потоком, включающий цилиндрическую оптическую кювету с установленным на ее боковой поверхности коническим кольцевым сверхзвуковым соплом, образующая конуса которого 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, устройство формирования закрученного потока синглетного кислорода вокруг оси сопла, инжектор йода и зеркала оптического резонатора, отличающийся тем, что устройство формирования закрученного потока выполнено в виде многозаходного винтового полого ротора с отверстиями в его стенке, размещенного коаксиально корпусу устройства, в полости ротора установлена оптическая кювета с зазором, полость зазора соединена с источником смеси перекиси водорода со щелочью, при этом вход устройства формирования соединен с источником хлора, а выходом служит вход соплового устройства.

2. Химический кислород-йодный лазер по п. 1, отличающийся тем, что диаметр оптической кюветы выполнен увеличивающимся вдоль оси кюветы от сопла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3