ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР, НАКАЧИВАЕМЫЙ ХИМИЧЕСКИМ ИСТОЧНИКОМ СВЕТА

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР, НАКАЧИВАЕМЫЙ ХИМИЧЕСКИМ ИСТОЧНИКОМ СВЕТА


RU (11) 2123223 (13) C1

(51) 6 H01S3/095, H01S3/091 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 97117822/25 
(22) Дата подачи заявки: 1997.10.28 
(45) Опубликовано: 1998.12.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Smith C.L. и др. Direct Nondestructive Pumping of Ruby Lasers by Chemucal means. Applied Optics, 1967, v. 6, N 6, p.1130-1131. SU 423416 A, 1975. SU 776457 A1, 1992. RU 2040088 C1, 1995. FR 2212659 A1, 1974. FR 2554283 A1, 1985. US 3946331 A, 1976. 
(71) Заявитель(и): Гордон Евгений Борисович; Михайленко Сергей Анатольевич; Слипченко Николай Николаевич 
(72) Автор(ы): Гордон Е.Б.; Михайленко С.А.; Слипченко Н.Н. 
(73) Патентообладатель(и): Гордон Евгений Борисович; Михайленко Сергей Анатольевич; Слипченко Николай Николаевич 

(54) ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР, НАКАЧИВАЕМЫЙ ХИМИЧЕСКИМ ИСТОЧНИКОМ СВЕТА 

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. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



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 4103 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 - 6000oC 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 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, = 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. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



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.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru