DE3523926C2

DE3523926C2 -

Info

Publication number: DE3523926C2
Application number: DE19853523926
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Phys. 6901 Waldhilsbach De Prein; Heinrich 6900 Heidelberg De Karning
Original assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg De GmbH
Current assignee: Hensoldt Optronics GmbH
Priority date: 1985-07-04
Filing date: 1985-07-04
Publication date: 1989-11-30
Also published as: FR2584541B1; FR2584541A1; DE3523926A1; GB2177538A; GB8614491D0; GB2177538B

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch angeregten CO₂-Gaslasers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Laser ist aus der DE-OS 31 48 570 bekannt. Hier werden insbesondere für extreme Temperaturen und in Abhängigkeit von hohen Gasdrücken oberflächen- und gasspezifische Maßnahmen vorgeschlagen, die eine stabile Laserfunktion und damit eine lange Lebensdauer gewährleisten. Soll nun ein solcher Laser auch mit hoher Energie- und Leistungsdichte - das ist das Verhältnis von Pumpenergie und -leistung zu Gasvolumen - und großer Gasdissoziation betrieben werden, wobei höhere Pulsfolgen erschwerend hinzukommen, reichen die bekannten Maßnahmen nicht aus. Größere Bauformen und eher gegensätzliche, daß heißt niedrige Energie- und Leistungsdichten sowie Pulsfolgefrequenzen wären die Folge.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Gaslasern hoher Energiedichte, die mit einem Katalysator ausgerüstet sind, einmal dessen Reaktion zu verbessern und zum anderen die Übersättigung seiner Oberfläche mit unerwünschten Molekülen zu verhindern.

Diese Aufgabe wird bei einem Laser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Die Unteransprüche sehen Weiterbildungen der Erfindung vor.

Mit einem Laser dieser Art lassen sich kompakte Bauformen erzielen, die sowohl für extreme Temperaturen und Temperaturschwankungen bezüglich Verlustwärme und Umwelttemperatur als auch für hohe Leistungs- und Energiedichten, Gasdissoziationen und Pulsfolgefrequenzen geeignet sind, so daß sich letztlich auch hier wieder eine stabile Funktion in den elektrischen Entladungseigenschaften, der mittleren Leistung, im Wirkungsgrad, der Pulsform, der Wellenlänge und - bei Pulslasern - der Pulsspitzenleistung und Reproduzierbarkeit ergibt.

Die Unteransprüche sehen Weiterbildungen der Erfindung vor.

Bei hohem Stoffumsatz, gemeint ist die Rückbildung von Dissoziationsprodukten pro Zeit, sowie eventuell auch niederer Temperatur und störenden Gasbeimischungen begrenzen folgende Eigenschaften die Anwendbarkeit von Katalysatoren:

An einem Katalysator werden bei CO₂-Lasern bevorzugt, die Dissoziationsprodukte und Folgeprodukte, wie CO-, H₂-, NO- oder NO₂-Moleküle, angelagert. Dies geschieht meist wesentlich schneller als z. B. bei O₂-Molekülen. Ist nun das Verhältnis der Katalysatoroberfläche zu den anfallenden Dissoziationsprodukten, vor allem CO, zu klein, wobei niedere Temperaturen und Gasbeimischungen (Verschmutzungen) noch in besonderem Maße hinderlich wirken, so kommt es zu einem Sättigungseffekt oder - bildlich ausgedrückt - einer Blockade der aktiven Katalysatoroberfläche. Die Folge hiervon ist, daß die Zeit für die eigentlichen Reaktionen von CO + O → CO₂, NO₂ → N + O₂ usw. zunimmt und damit der Katalysator wesentlich an Effektivität verliert.

Kann nun weder die aktive Katalysatoroberfläche hinreichend vergrößert werden, worunter aber wieder die Kompaktheit leidet, noch die Temperatur erhöht werden, so steigt die Konzentration einiger weniger anlagernder Dissoziationsprodukte, wie z. B. von O₂, O₃, N₂O, stark an und die elektrische Entladung entartet z. B. zu einer Funkenentladung mit noch höherer Dissoziation. Gleichzeitig kommt es aufgrund der Zunahme der O₂-Konzentration zur Oxidbildung an Oberflächen des Laserinneren. Bei dieserart plasmachemischen Vorgängen können sogar Veränderungen der Katalysatoroberflächen beobachtet werden. Eine irreversible Zerstörung des Lasergases, des Katalysators, der Elektroden und der Laserspiegel kann die Folge sein.

Um diese Schäden abzuwenden, können die Katalysatoroberflächen oder auch nur einzelne Moleküle, wie z. B. das O₂-Molekül, mit Hilfe von Strahlung so aktiviert werden, daß der Vorgang der Anlagerung an den Zentren hoher Effektivität spezifischer und wesentlich schneller abläuft. Dazu dienen zusätzlich eingebaute Strahlungsquellen oder indirekte Mittel zur Erzeugung von Strahlung, wie Blitzlampen, Funkenstrecken, Oberflächenentladungen, radioaktive Strahler, Glimmentladungen, Photodissoziationen an Oberflächen (z. B. Metallen) oder Elektrolumineszenz, wobei sie bedarfsweise auch mit Hilfsmitteln zur Wellenlängenänderung und/oder -selektion, z. B. entsprechenden Gläsern, Fluoreszenzmitteln, Filtern, Frequenzumformungsmitteln, wie nichtlinearen Kristallen oder Ramanzellen usw. versehen sein können. Die Wellenlängen können durch die Auswahl der Materialien (Emissionsspektren der Materialien) optimiert werden, wie dies besonders bei den genannten indirekten Mitteln der Fall ist. Als Strahlungsquelle kommt darüber hinaus das Strahlungsfeld der Entladung oder eines Teils der Laserstrahlung oder der Sekundärwirkung der Laserstrahlung in Frage; bei pulsförmiger Entladung, z. B. eines TE-Lasers, kann es die zur Vorionisation des Gases vor der Hauptentladung durchgeführte Entladung sein.

Es hat sich sodann gezeigt, daß aus dem Absorptionsspektrum des O₂- Moleküls die Bereiche um 120 nm, von 130-170 nm und um 185 nm in besonderer Weise zur Aktivierung geeignet sind; bei einem Pt-Katalysator auf Keramik auch noch derjenige um 630 nm.

Diese Maßnahmen können besonders effektiv realisiert werden, indem man den Katalysator und/oder Teile des Gases, z. B. in Gasführungskanälen, mit den Strahlungsmitteln, inklusive den zur Wellenlängenänderung oder -selektion vorgesehenen Vorrichtungen und zusätzlich verwendeten optischen Mitteln, verbindet, d. h., eine Integration aller dieser Komponenten durchführt. Die Bauform könnte z. B. vorteilhaft als Schichtenaufbau (sandwich) ausgeführt werden.

Läßt sich die Katalysatoroberfläche geometrisch vergrößern, daß heißt, eine hinreichend große Bauform konzipieren, so kann für sich oder in Kombination mit der vorstehend beschriebenen Aktivierung durch Bestrahlung eine ausgewogene Behinderung der Umströmung der Katalysatoroberfläche, z. B. mit CO, O₂, eine Übersättigung dieser Katalysatoroberfläche verhindert werden. Abhängig vom Anfall der Dissoziationsprodukte und der Temperatur wird - evtl. steuerbar - durch Strömungskanäle und/oder zusätzliche teildurchlässige Wände (Membranen), poröse Flächen und/oder Filter und/oder adsorbierende Oberflächen und/oder einen gegebenenfalls steuerbaren Bypass die Anlagerungsgeschwindigkeit beeinflußt. Dadurch können z. B. CO-Moleküle relativ zu O₂-Molekülen im Anlagerungsverhalten so verlangsamt werden, daß beide Moleküle etwa in stöchiometrischem Verhältnis, das heißt chemisch ausgeglichen, an der Katalysatoroberfläche angelagert werden. Die Aufteilung des Gasstromes durch einen Bypass empfiehlt sich bei Lasern mit einer passiven oder aktiven, d. h. selbstätigen oder erzwungenen, Gasumwälzung, wobei eine entsprechende Einstellung bzw. Dimensionierung der Umströmung keine Übersättigung des Katalysators zuläßt.

Weiterhin läßt sich noch eine Aktivierung der Bereiche oder Zentren hoher Katalysatoreffektivität durch stützende Maßnahmen erzielen. Man baut für diesen Fall den Katalysator so auf, daß an seinen Oberflächen neben den katalytisch wirksamen Bereichen, z. B. bestehend aus Edelmetall auf Keramik, die z. B. nur einige Prozent der Gesamtoberfläche ausmachen, spezifisch auf die wenig anlagernden Atome oder Moleküle, z. B. O₂-Moleküle, wirkende Beimischungen eingebracht sind. Letztere bestehen vorwiegend aus (Edel-) Metallen oder Metalloxiden, wie z. B. V₂O₅ oder OsO₄. Diese Beimischungen lassen sich auch durch Zugabe von Molekülen zum Lasergas, z. B. Cs oder Th, erzeugen, bzw. in ihren Funktionen verbessern. Hierzu bedarf es spezieller Prozesse zur Konditionierung. Das sind Verfahren, bei denen durch chemische Vorbehandlung bestimmte Zustände der Oberflächen eingestellt und durch thermische Zyklen in Verbindung mit Vakuum und bestimmten Gasdrücken und -mischungen stabilisiert und aktiviert werden. Hierzu können z. B. Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Durch die atomare Nachbarschaft der umzuwandelnden Moleküle werden die gewünschten katalytischen Reaktionen, z. B. CO + O → CO₂, gefördert. Durch Anregung und Anlagerung - Adsorption, evtl. Chemisorption - der wenig anlagernden Atome der Moleküle, z. B. O₂-Moleküle, ergibt sich ein für die nachfolgende Reaktion mit dem CO-Molekül günstiger Energiezustand, eine Art Prädissoziation (= energetischer Zustand nahe der Dissoziationsgrenze) oder sterischer Zustand (= geometrische Lage vor und während der Reaktion), von dem aus dann die katalytische Umwandlung direkt und wesentlich schneller ablaufen kann.

Natürlich wäre auch denkbar, solche zusätzlich eingebrachte Bereiche oder Zentren indirekt, über für diesen Zweck besonders angelagerte Moleküle, erzeugen und aktivieren zu lassen. So können z. B. angelagerte Kohlenwasserstoff- Moleküle die Adsorption und Reaktion des O₂-Moleküls entsprechend beeinflussen.

Claims

1. Elektrisch angeregter CO₂-Gaslaser mit abgeschlossenem Lasergaskreislauf und einem Katalysator zur Herstellung und Erhaltung der chemischen Zusammensetzung des Lasergases, dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine zusätzliche Strahlungsquelle vorhanden ist, die die Katalysatoroberfläche und/oder die im Lasergas durch Dissoziationen gebildeten O₂-, O₃- und N₂O-Moleküle einer Strahlung der Wellenlängenbereiche um 120 nm, 130 bis 170 nm und 185 nm aussetzt, um die Anlagerung dieser Moleküle am Katalysator wesentlich zu erhöhen und/oder
b) die Gasumströmung der Katalysatoroberfläche so geregelt wird, daß die Anlagerung von O₂-, O₃- und N₂O-Molekülen am Katalysator wesentlich erhöht wird.

2. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator Metalle, Edelmetalle oder Metalloxide enthält.

3. Gaslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid V₂O₅ oder OSO₄ ist.

4. Gaslaser nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator Beimischungen von Kohlenwasserstoffen, Cäsium oder Thorium enthält.

5. Gaslaser nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pt-Katalysator auf Keramik verwendet wird, der einer Strahlung der Wellenlänge um 630 nm ausgesetzt ist.

6. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß darüber hinaus die Katalysatoroberfläche oder die durch Dissoziationen gebildeten Moleküle der elektrischen Entladung, der Vorionisation oder der Sekundärwirkungen der Laserstrahlung direkt oder über optische Mittel indirekt ausgesetzt werden.

7. Gaslaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Mittel Gläser, Filter, fluoreszierende Stoffe oder Frequenzumformer verwendet werden.

8. Gaslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasumströmung der Katalysatoroberfläche, die erzwungen oder selbsttätig erfolgt, mit Strömungskanälen, porösen Flächen, Membranen, Filtern, adsorbierenden Oberflächen oder einem steuerbaren Bypass eingestellt wird.

9. Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Strahlungsquelle eine Blitzlampe, eine Funkenstrecke, eine Oberflächenentladung, eine Photodissoziation an Oberflächen, eine Elektrolumineszenz, ein radioaktiver Strahler oder eine Glimmentladung ist.