DE1966271A1 - Laser-Anordnung - Google Patents

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN D-8000 MÖNCHEN 81 ■ ARABELLASTRASSE+. TEiEFON (0911)911087

North American Hockwell Corporation, El Segundo, Calif·/USA

Laser«-Anordnung

Seit der Erfindung des Lasers wurden für diesen"viele praktische Verwendungszwecke vorgeschlagen, die sich auf seiner Eigenschaft, stark gesammelte Lichtstrahlen hoher Intensität zu erzeugen, aufbauen. Diese Eigenschaft macht den Laser beispielsweise in optischen Verbindungssystemen, in optischen Badarsystemen, in der Medizin und verständlicherweise als Waffe äußerst wertvoll. ·

Es wurden bereits Laser unter Verwendung vieler verschiedener Typen von Materialien und Mischungen hergestellt. Einer der brauchbarsten Laser arbeitet mit gasförmigem,--":Kohlendioxid, welches mit Helium und Stickstoff gemischt ist. Derar-

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tige Laser besitzen viele Vorteile. Zunächst können sie mit hoher Leistung Lichtstrahlen mit hoher Energie erzeugen. Weiterhin findet die Lichtemittierung im langwelligen Infrarot« Bereich statt, der in idealer Weise für optische Mitteilungssysteme und optische Radarsysteme in der Erdatmosphäre geeignet ist. Schließlich haben die C0₂-Laser von allen bekannten Lasern den höchsten Kohärenzgrad.

Die Leistung und die Energie eines COu-Lasers.ist eine Funktion der Zusammensetzung des GaseS₀ Zum Betrieb des Lasers mit maximaler Energie und Leistung muß die Zusammensetzung konstant gehalten werden« Aus diesem Grunde läßt man beim Betrieb eines typischen C0₂-Lasers durch das Laser-Entladungsrohr kontinuierlich frisches GO₂, He und N₂ strömen. Dieses Vorgehen erfordert jedoch einen Tank für das CO₂, einen für das Helium und einen weiteren für den Stickstoff sowie geeignete Ventile zum Vermischen der drei Gase im richtigen Verhältnis β Das Gemisch wird dann durch das Entladungsrohr geleitet und tritt an dessen anderem Ende wieder aus. Bei einem typischen Laser verbleibt in dem Entladungsrohr ein bestimmtes Gasvolumen nur einen Zeitraum von wenigen Sekunden.

Obgleich die konstante Beschickung des Entladungsrohres mit richtigen Gasmischungen einen optimalen Laser ergeben kann, sind mit diesem Vorgehen doch verschiedene Probleme verbunden. So ist beispielsweise die Herstellung eines tragbaren, leichten oder kompakten Lasers durch die Notwendigkeit des Vorliegens der Hochdruck-Gastanks, der Ventile und der Heguliereinrichtungen nicht möglich. Andererseits sind aber gerade leichte und kompakte Laser für Flugzeuge und für militärische Zwecke sehr nützlich. Man hat daher bereits vorgeschlagen, das Laser-Entladungsrohr mit dem geeigneten Gemisch aus Kohlendioxid, Helium und Stickstoff zu füllen und das Rohr zu verschließen. Dabei hat es sich jedoch herausgestellt, daß in diesem Fäll der Laser nur über eine kurze Zeitspanne funktionsfähig ist und danach die Laserwirkung aufgibt.

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Bis jetzt war hinsichtlich der Natur der zugrundeliegenden chemischen Probleme nlichts bekannt· Es wurden auch noch keine Vorschläge zur Behebung dieses Mangels gemacht.

Nach der Erfindung werden diese Mängel dadurch behoben, daß man bei einem Laser der beschriebenen Art zur kontinuierlichen Ergänzung des darin befindlichen CO₂ unabhängige Mittel vorsieht. Auf diese Weise kann man Laser erhalten, die über Tausende von Stunden funktionsfähig sind«

Die Untersuchung der oben beschriebenen Probleme hat ergeben, daß hierfür die Tatsache verantwortlich ist, daß sich das Kohlendioxid reversibel zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff zersetzt. Diese Zersetzung geht nach der folgenden Gleichung vor sich:

CO₂ -CO + |o₂

Diese Reaktion an sich ist zwar noch nicht die vollständige Ursache für das oben beschriebene Problem, da beinn Nichtvorliegen weiterer Effekte das Kohlendioxid, das Kohlenmonoxid und der Sauerstoff einen Gleichgewichtszustand erreichen würden und somit der Laser seinen Betrieb weiterführen könnte. Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein weiterer Effekt auftritt. Praktisch alle COp-Laser besitzen nämlich säuerst of fabfangende Oberflächen, die entweder mit dem Sauerstoff eine chemische Umsetzung eingehen, oder den Sauerstoff absorbieren, so daß der Gleichgewichtszustand nie erreicht werden kann. So sind beispielsweise typische Laser-Elektroden aus Aluminium, Wolfram, Tantal, Eisen hergestellt· Diese Elemente setzen sich mit dem Sauerstoff unter Bildung von Al₂O.,, WO-, ^Ta2%» ^Fe2°3* ^etc· ¹^* ^Q& ^äei> Sauerstoff kontinuierlich absorbiert wird, geht die Zersetzung des Kohlendioxids zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff weiter, bis in dem Laser eine nicht mehr genügende Kohlendioxidmenge vorhanden ist. .

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Dieses Problem wird nach der Erfindung in der Weise gelöst, daß die Oxydationsgeschwindigkeit .bestimmt und der Sauerstoff laufend ergänzt wird, so daß die Zersetzungsreaktion des Kohlendioxids zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff einen Punkt des stabilen Gleichgewichts erreichen kann.

Nach der Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, daß man in dem Laserrohr eine kontinuierliche, feste C0₂-»Quelle und CO- und Og-Fangstoffe vorsieht, damit durch das EntIadungsrohr kontinuierlich ein frischer C0₂-Strom geleitet wird«,

Die Erfindung soll anhand der beigefügten Zeichnungen naher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, welches die Ausgangsleistung eines C0₂~ Lasers als Funktion der Gaszusammensetzung wiedergibt,

Fig. 2 ein Diagramm, welches die Ausgangsleistung eines bekannten abgeschlossenen GOp-Lasers als Funktion der Zeit wiedergibt, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Laser-Anordnung gemaß der Erfindung.

In der Figur 1 ist die AusgangsIeistung eines C0₂-Lasers als Funktion der Gaszusammensetzung dargestellt, dessen Hauptbestandteile Kohlendioxid, Helium und Stickstoff sind. Aus der Kurve wird ersichtlich, daß der Laser nur bei einem Punkt 2 eine maximale Ausgangsleistung hat. Die bisherige Praxis, um die Gaszusammensetzung auf dem entsprechenden Wert zu halten, bestand darin, daß durch das Laser-Rohr ein kontinuierlicher Gasstrom geschickt wurde, wodurch die Gaszusammensetzung konstant blieb. Nach dem Abstellen des Gasstroms beträgt die Lebensdauer des Lasers jedoch im allgemeinen wesentlich weniger als 100 Stunden,

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Wie bereits zum Ausdruck gebracht, stellt den Hauptgrund für die Leistungsverringerung der abgeschlossenen COg-Laser der GO₂-Verlust dar, der durch die Dissoziation gemäß der Gleichung , ,

CO + O₂

erfolgt.

Die Figur 2 zeigt, daß als Ergebnis dieser Dissoziation beim Abschließen des Lasers die Ausgangsleistung 3 unmittelbar von dem Wert P₁ auf den Wert P₂ absinkt« Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Gaszusammensetzung sich yon C^ nach Cg (vgl. Figur 1) änderte Wie die Zeichnungen zeigen, könnte dieser Umstand, wenn er der einzige Faktor wäre, dadurch leicht kompensiert werden, daß man die Gaszusammensetzung am Anfang so einstellt, daß nach dem Abschließen die Ausgangsleistung nach Erreichen des Gleichgewichts auf den maximalen Wert ansteigt. Dies ist jedoch nicht der Falle Der als Dissoziationsprodukt des Kohlendioxids gebildete Sauerstoff setzt sich nämlich mit jedem oxydierbaren Material in dem Laser·· Rohr, Z₆Be mit den Elektroden, um. So sind beispielsweise Aluminium, Wolfram, Tantal und Eisen typische Elektrodenmaterialien. Diese Metalle setzen sich mit dem Sauerstoff unter Bildung von AIgOo, WO«, Ta₂O«-, P^e2°3 ^{etCe 1}^⁰ Da der Sauerstoff sich mit dem oxydierbaren Material im Rohr konstant umsetzt, schreitet die Dissoziation des GOg weiter fort, bis für den Betrieb des Lasers nicht mehr genügend COg vorhanden ist«

Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten wurde bereits vorgeschlagen, vollständig inerte Elektroden, z.B. Platinelektroden₉ die sich mit dem Sauerstoff nicht umsetzen, zu verwenden. Diese Maßnahme verzögert zwar die Dissoziationsgeschwindigkeit d©s COgj» kann die vorliegenden Probleme trotzdem nicht vollständig lösen, da die Gegenwart bestimmter inerter Elektro-

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den die Entladungsbedingungen In dem Laser-Rohr nachteilig verändert und zudem weitere Probleme mit sich "bringt. Solche sind beispielsweise die katalytische Zersetzung des Kohlen« monoxide zu Kohlenstoff und Sauerstoff, wodurch auf die Elektroden Kohlenstoff abgeschieden wird. Ferner ist in Betracht zu ziehen, daß in dem COp-Lasersystem außer den Elektroden noch andere Sauerstoffabfanger vorhanden sind« Solche sind beispielsweise poröse Glas« oder Quarzoberflächen, mit Ionen beschossene Oberflächen etc₀, die notwendigerweise bei Lasern vorhanden sein müssen.

Man konnte auch daran denken, bei der Zersetzungsreaktion die Rückreaktion zu erzwingen, indem man in das Laser-Rohr einen erhitzten Draht bringt. Diese Maßnahme kann zwar ebenfalls die Dissoziationsgeschwindigkeit senken, doch werden die in Frage stehenden Probleme auch dadurch nicht vollständig gelöst, da die Umsetzung des Sauerstoffs mit den Elektroden weitergeht und dieser Sauerstoff nicht ersetzt werden kann. ,

Es wurden auch noch weitere Vorschläge gemacht, denen zufolge die Geschwindigkeit des Verbrauchs der Reaktionsprodukte durch Verwendung verschiedener Gestalten der Laser-Rohre und ₌ Elektrodenmaterialien verringert werden sollte. Es ist jedoch in keinem Fall geglückt, die Lebensdauer eines abgeschlossenen Lasers wesentlich zu erhöhen.

Die Figur 3 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, worin das Problem der Dissoziation des Kohlendioxids dadurch gelöst wird, daß innerhalb des Laser-Rohres eine feste Quelle und eine Abfang-Anordnung vorgesehen ist, wodurch eine CO₂-Quelle zusammen mit Abfangstoffen für das CO und O₂ gebildet wird. Auf diese Weise wird ein künstliches kontinuierliches Pumpsystem erzeugt. Durch den Behälter 51» der eine Kohlendioxidquelle in solcher Anordnung enthält, daß das."frei— gesetzte CO₂ In das Laser-Rohr 52 mit herkömmlichen Elektro-

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den 53 und 54 strömen kann*.-*wird eine kontinuierliche GO₂-Quelle vorgesehen» Zwei zusätzliche Reservoire 55 und 56» die Fangstoffe für das OD und das O₂ enthalten, stehen weiterhin mit dem Laser-Rohr 52 in Verbindung« Zur Umführung des Gases durch das Laser-Rohr 52 kann eine Umführungsschleife 57 mit einer Pumpe 58 vorgesehen sein. Typische CÖg-Quel« len sind PbCOo, Ag₂CO-,, BaCO₃, -CUgCO-, CaGQ- und FeCO₀. Alle diese Materialien mit Ausnahme von Ag₂CO₀ können durch Wärme kontrolliert werden, so daß eine kontinuierliche COg-Quelle für die ergänzende Zufuhr in das Rohr 52 zur Verfugung ge« stellt wird. Das Ag₂CO₀ kann photochemisch kontrolliert wer*, den. Abfangstoffe für das CO sind beispielsweise Cu₂Cl₂, K₁₁Fe(CN)₆, Fe(Porphyrin) und Eisen-Phthalocyanin. Typische. Sauerstoffanger sind Aluminium, Tantal, Wolfram, Eisen, Ghrom, Magnesium etc« Bei diesem Vorgehen kann durch kontinuierliches Umführen des Gases in dem Rohr 52 eine kontinuierliche C0₂-Zufuhr erhalten werden. Darüber hinaus wird das durch die Dissoziation des CO₂ gebildete GO und CO₂ durch die Abfang«. stoffe für das GQ und das 0« absorbiert.

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Claims (1)

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Patentansprüche

Laser-Anordnung mit einem abgeschlossenen ₂ und einer unabhängigen GQ₂-QUeIIe zur kontinuierlichen Ergänzung des durch Dissoziation verlorengegangenen GO₂, dadurch ^ & Ic e τι η ζ e lehnet , daß die abhängige G0₂~Quelle aus einer festen COw-Quelle besteht, welche im Laser-Entladungsrohr (52} angeordnet ist, und daß weiterhin Äbfangstoffe für GO und Og vorgesehen sind, wel— ehe mit dem Laser (52) zusammenwirken, uia das durch Dissozia tion von GOp gebildete CO und O₂ zu absorbieren.

2* Laser-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch g β -· k e η η ζ e i eh η et, daß die feste Quelle fir da« GO₂ aus PhGO^_f Ag₂GO^, BaCOo* Gu₂CO- oder FeGO^ besteht.

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