(57)【要約】【課題】励起酸素を含む第１ガス流とヨウ素を含む第２ガス流とを従来に比して効率的に混合させ、レーザ発振効率を向上させることを可能とした化学酸素ヨウ素レーザ発生方法及び該化学酸素ヨウ素レーザ発生方法の実施に直接使用する化学酸素ヨウ素レーザ発生装置を提供する。【解決手段】励起酸素を含む第１ガス流１０をレーザ共振器へ向けて送出し、該第１ガス流１０の通流方向と略同一方向へ延びた軸１７ａ回りの縦渦１７を発生させるべく、前記第１ガス流１０を加速するドライバガス流を、前記第１ガス流１０の通流空間内に設けられたドライバノズル１２から前記第１ガス流１０の通流方向下流側へ向けて前記第１ガス流１０よりも高速に噴射し、前記縦渦１７へ向かうように、ヨウ素を含む第２ガス流を噴射し、前記第１ガス流１０に含まれる励起酸素と前記第２ガス流に含まれるヨウ素との間でエネルギー移乗反応を起こさせて励起ヨウ素を発生させる。【選択図】  図４
2004356398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起酸素を含む第１ガス流をレーザ共振器へ向けて送出し、
該第１ガス流の通流方向と略同一方向へ延びた軸回りの縦渦を発生させるべく、前記第１ガス流を加速するドライバガス流を、前記第１ガス流の通流空間内に設けられたドライバノズルから前記第１ガス流の通流方向下流側へ向けて前記第１ガス流よりも高速に噴射し、
前記縦渦へ向かうように、ヨウ素を含む第２ガス流を噴射し、前記第１ガス流に含まれる励起酸素と前記第２ガス流に含まれるヨウ素との間でエネルギー移乗反応を起こさせて励起ヨウ素を発生させる化学酸素ヨウ素レーザ発生方法。
【請求項２】
前記第１ガス流の通流方向に対して交差する方向に千鳥配置された複数のドライバノズルから、前記第１ガス流へ向けて前記ドライバガスを噴射する請求項１に記載の化学酸素ヨウ素レーザ発生方法。
【請求項３】
前記ドライバノズルは、夫々複数の前記ドライバノズルが直列配置されてなる互いに平行な２つのノズル列を形成するように千鳥配置されており、
２つのノズル列の並設方向視においては互いに平行な方向であって、ノズル列の列方向視においては相異なるノズル列からのドライバガス流の噴射方向が互いに交差する方向へ、夫々のドライバノズルからドライバガス流を噴射する請求項２に記載の化学酸素ヨウ素レーザ発生方法。
【請求項４】
前記第１ガス流へ向けて、前記ドライバガス流を極超音速で噴射する請求項１乃至３の何れかに記載の化学酸素ヨウ素レーザ発生方法。
【請求項５】
前記第１ガス流の圧力を２．６ｋＰａ以下とする請求項１乃至４の何れかに記載の化学酸素ヨウ素レーザ発生方法。
【請求項６】
レーザ共振器と、
励起酸素を含む第１ガス流を前記レーザ共振器へ送出するダクトと、
該ダクト内に設けられており、前記第１ガス流の通流方向と略同一方向へ延びた軸回りの縦渦を発生させるべく、前記第１ガス流を加速するドライバガス流を前記第１ガス流の通流方向下流側へ向けて前記第１ガス流よりも高速に噴射する複数のドライバノズルと、
前記縦渦へ向かうように、ヨウ素を含む第２ガス流を噴射するインジェクタとを備え、
前記第１ガス流に含まれる励起酸素と前記第２ガス流に含まれるヨウ素との間でエネルギー移乗反応を起こさせて励起ヨウ素を発生させるように構成されている化学酸素ヨウ素レーザ発生装置。
【請求項７】
前記ドライバノズルは、前記第１ガス流の通流方向に対して交差する方向に千鳥配置されている請求項２に記載の化学酸素ヨウ素レーザ発生装置。
【請求項８】
前記ドライバノズルは、夫々複数の前記ドライバノズルが直列配置されてなる互いに平行な２つのノズル列を形成するように千鳥配置されており、２つのノズル列の並設方向視においては互いに平行な方向であって、ノズル列の列方向視においては相異なるノズル列からのドライバガス流の噴射方向が互いに交差する方向へ、夫々のドライバノズルからドライバガス流を噴射すべくなしてある請求項７に記載の化学酸素ヨウ素レーザ発生装置。
【請求項９】
前記ドライバノズルから前記ドライバガス流を極超音速で噴射すべくなしてある請求項６乃至８の何れかに記載の化学酸素ヨウ素レーザ発生装置。
【請求項１０】
前記ドライバノズルよりも第１ガス流の通流方向上流側の前記ダクト内での前記第１ガス流の圧力を２．６ｋＰａ以下とすべくなしてある請求項６乃至９の何れかに記載の化学酸素ヨウ素レーザ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、励起酸素とヨウ素との間でエネルギー移乗反応を起こさせて励起ヨウ素を発生させ、ヨウ素を励起状態から基底状態へ遷移させて光を放出させ、レーザを発生させる化学酸素ヨウ素レーザ発生方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学酸素ヨウ素レーザ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｏｘｙｇｅｎ−Ｉｏｄｉｎｅ  Ｌａｓｅｒ：ＣＯＩＬ）は、化学反応によって生成された一重項励起状態の酸素（以下、励起酸素という）Ｏ２＊（１Δ）の流れの中にヨウ素分子Ｉ２を混入せしめたときに、励起酸素Ｏ２＊（１Δ）からの近共鳴的なエネルギー移乗によって反転分布状態となった励起ヨウ素原子Ｉ＊（２Ｐ１／２）が光を発することにより発生する。
【０００３】
従来の典型的な化学酸素ヨウ素レーザ発生方法においては、塩素と窒素との混合ガスである反応ガスを、ＢＨＰ（Ｂａｓｉｃ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｐｅｒｏｘｉｄｅ）と呼ばれる過酸化水素と水酸化カリウムの混合水溶液と混合し、式（１）で示される化学反応によって励起酸素Ｏ２＊（１Δ）を生成し、この励起酸素Ｏ２＊（１Δ）を含む第１ガス流の中にヨウ素Ｉ２を含む第２ガス流を噴射し、式（２），（３），（４）の化学反応を発生させて光を取り出す。そして、共振器内での誘導放出によって光が増幅され、レーザ光が出力される（特許文献１及び２参照）。
【０００４】
【化１】
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【０００５】
このような従来の化学酸素ヨウ素レーザ発生方法の一つに、次のようなものがある。図９は、従来の化学酸素ヨウ素レーザ発生方法の一例を示す斜視図である。この化学酸素ヨウ素レーザ発生方法においては、励起酸素Ｏ２＊（１Δ）を含む第１ガス流１０１をレーザ共振器（図示せず）の方向へ亜音速で送出し、その通路（ダクト）の途中に設けられたドライバノズル１０２から、この第１ガス流１０１の通流方向下流側へ向けて例えば窒素から構成されたドライバガス流１０３を極超音速で噴射し、これによって第１ガス流１０１を加速する。ドライバノズル１０２は、一方向に複数連設されており、このため図中矢印にて示すように、第１ガス流１０１とドライバガス流１０３との混合部分においては、ドライバノズル１０２の連設方向と略同一方向へ延びた軸回りの渦（横渦）１０４が発生することとなる。
【０００６】
また、ドライバノズル１０２の近傍に設けられたインジェクタ１０５から、第１ガス流１０１の通流方向下流側へヨウ素を含む第２ガス流１０６を噴射する。これにより、第１ガス流１０１がドライバガス流１０３によって剪断される部分、即ち横渦１０４によって、第１ガス流１０１と第２ガス流１０６とが急速に混合され、前述した式（２），（３），（４）で表される化学反応が発生することとなる。
【０００７】
こうして第１ガス流１０１と第２ガス流１０６とを速やかに混合させることにより、励起酸素Ｏ２＊（１Δ）とヨウ素Ｉ２とのエネルギー移乗反応で発生した励起ヨウ素Ｉ＊（２Ｐ１／２）が次式（５）で表す反応によって失活することを抑制できる。
【０００８】
【化２】
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【０００９】
この化学酸素ヨウ素レーザ発生方法にあっては、このように第１ガス流１０１に極超音速のドライバガス流１０３を噴射することによって、レーザ共振器の後段におけるガス流（上記化学反応後に残留したガス流）の速度が超音速となるので、超音速ディフューザ等の装置を用いて比較的容易に５ｋＰａ程度まで当該ガスの圧力を上昇させることができ、当該ガスを大気へ排出するために必要な真空ポンプを小型化することが可能となる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１１−１１８３９６号公報
【特許文献２】
特開平１１−４０８７２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した如き従来の化学酸素ヨウ素レーザ発生方法にあっては、第１ガス流１０１と第２ガス流１０６との混合が、第１ガス流１０１とドライバガス流１０３との速度差によって生じる剪断によって促進されるが、かかる剪断、即ち第１ガス流の通流方向に垂直な方向の軸回りの横渦は、その安定化効果によって急速に減衰する性質を有しているため、前記混合が十分に進行せず、混合されなかったガス流に含まれる励起酸素Ｏ２＊（１Δ）が失活することによりレーザ発振効率が低レベルに抑制されていた。このような横渦の安定化効果については、エス・サーカー（Ｓ．Ｓａｒｋａｒ）著，「ザ・スタビライジング・エフェクト・オブ・コンプレッシビリティ・イン・タービュラント・シーア・フロウ（Ｔｈｅ  ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ  ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ  ｉｎ  ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ  ｓｈｅａｒ  ｆｌｏｗ）」，ジェイ・フリューイド・メック１９９５年第２８２号（Ｊ．  Ｆｌｕｉｄ  Ｍｅｃｈ  １９９５  ｖｏｌ．２８２），ｐ．１６３−１８６に詳細に記載されている。
【００１２】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、励起酸素を含む第１ガス流とヨウ素を含む第２ガス流とを従来に比して速やかに混合させ、レーザ発振効率を向上させることを可能とした化学酸素ヨウ素レーザ発生方法及び該化学酸素ヨウ素レーザ発生方法の実施に直接使用する化学酸素ヨウ素レーザ発生装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生方法は、励起酸素を含む第１ガス流をレーザ共振器へ向けて送出し、該第１ガス流の通流方向と略同一方向へ延びた軸回りの縦渦を発生させるべく、前記第１ガス流を加速するドライバガス流を、前記第１ガス流の通流空間内に設けられたドライバノズルから前記第１ガス流の通流方向下流側へ向けて前記第１ガス流よりも高速に噴射し、前記縦渦へ向かうように、ヨウ素を含む第２ガス流を噴射し、前記第１ガス流に含まれる励起酸素と前記第２ガス流に含まれるヨウ素との間でエネルギー移乗反応を起こさせて励起ヨウ素を発生させる。
【００１４】
また、本発明に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置は、レーザ共振器と、励起酸素を含む第１ガス流を前記レーザ共振器へ送出するダクトと、該ダクト内に設けられており、前記第１ガス流の通流方向と略同一方向へ延びた軸回りの縦渦を発生させるべく、前記第１ガス流を加速するドライバガス流を前記第１ガス流の通流方向下流側へ向けて前記第１ガス流よりも高速に噴射する複数のドライバノズルと、前記縦渦へ向かうように、ヨウ素を含む第２ガス流を噴射するインジェクタとを備え、前記第１ガス流に含まれる励起酸素と前記第２ガス流に含まれるヨウ素との間でエネルギー移乗反応を起こさせて励起ヨウ素を発生させるように構成されている。
【００１５】
これにより、第１ガス流とドライバガス流との速度差によって、第１ガス流の通流方向と略同一方向へ延びた軸回りの縦渦が生じ、かかる縦渦は横渦に比べて大幅に減衰されにくいため、第２ガス流に含まれるヨウ素が速やかに拡散され、また第１ガス流と第２ガス流とが従来に比してより一層速やかに混合されることとなり、レーザ発振効率を向上させることができる。
【００１６】
なお、ここで、縦渦へ向かうように第２ガス流を噴射するということは、縦渦の方へ向けて第２ガス流を噴射することのみを意味するものではなく、縦渦が存在しない方向へ向けて第２ガス流を噴射したときであっても、第２ガス流の進行方向が途中で変化し、結果として縦渦へ向かうことをも意味する。
【００１７】
上記発明においては、前記第１ガス流の通流方向に対して交差する方向に千鳥配置された複数のドライバノズルから、前記第１ガス流へ向けて前記ドライバガスを噴射することが好ましい。
【００１８】
この場合においては、夫々複数の前記ドライバノズルが直列配置されてなる互いに平行な２つのノズル列を形成するように前記ドライバノズルが千鳥配置されており、２つのノズル列の並設方向視においては互いに平行な方向であって、ノズル列の列方向視においては相異なるノズル列からのドライバガス流の噴射方向が互いに交差する方向へ、夫々のドライバノズルからドライバガス流を噴射することが好ましい。
【００１９】
上記発明においては、前記第１ガス流へ向けて、前記ドライバガス流を極超音速で噴射することが好ましい。
【００２０】
上記発明においては、前記第１ガス流の圧力を２．６ｋＰａ以下とすることが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置全体の外観を示す斜視図である。図１に示す如く、本実施の形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置１は、励起酸素発生装置２と、ヨウ素供給装置３と、レーザ共振器４と、排気装置５と、照射光学装置６とによって主として構成されている。また、励起酸素発生装置２は、塩素ガス供給部２１と、ＢＨＰ供給部２２とを有している。
【００２３】
図２は、本発明の実施の形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置１の要部の構成を示す模式図である。図２に示す如く、励起酸素発生装置２には、励起酸素を生成する反応チャンバ２３が設けられている。該反応チャンバ２３は、塩素ガス供給部２１及びＢＨＰ供給部２２にパイプ等によって夫々塩素と窒素の混合ガスである反応ガス８及びＢＨＰ（Ｂａｓｉｃ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｐｅｒｏｘｉｄｅ）９を反応チャンバ２３に供給することができるように接続されている。また、反応チャンバ２３とレーザ共振器４との間には、ダクト７が設けられており、これによって反応チャンバ２３及びレーザ共振器４が連通されている。なお、反応ガス８は、塩素の単体ガスであってもよい。
【００２４】
塩素ガス供給部２１から反応チャンバ２３に供給された反応ガス８は、反応チャンバ２３内でダクト７側へ送られる。反応チャンバ２３においては、前記反応ガス８の流路の途中を遮断するように、ＢＨＰ供給部２２から供給されたＢＨＰ９が多数の柱状に流下せしめられており、ここで反応ガス８とＢＨＰ９とが式（１）で示される気液反応を起こし、その結果励起酸素Ｏ２＊（１Δ）が生成される。
【００２５】
【化３】
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【００２６】
かかる反応によって生成されたガスは第１ガス流１０としてダクト７を通じてレーザ共振器４へ送出される。かかる第１ガス流１０は、圧力が高い程励起酸素Ｏ２＊（１Δ）の失活反応が促進されるため、可及的に低圧で迅速にレーザ共振器４へ送られることが好ましい。従って、ここでは第１ガス流１０は２．６ｋＰａ以下の圧力とされ、亜音速でダクト７を通流するようになっている。また、励起酸素Ｏ２＊（１Δ）の生成に供されたＢＨＰ９の使用済み液体は、貯液タンク２４に送られる。なお、使用済みの液体を貯液タンク２４に貯液する構成に限られるものではなく、例えば、使用済み液体から、未反応のＢＨＰ９を抽出し、これをＢＨＰ供給部２２へ戻し、残りの廃液を貯液する循環システムとしてもよい。
【００２７】
図３は、ダクト７の内部構造を示す側面断面図である。図３に示す如く、ダクト７の途中には、ドライバガス流１１を噴射するドライバノズル１２と、ヨウ素を含む第２ガス流１３を噴射するインジェクタ１４とが設けられている。図２に示すように、ダクト７にはドライバガス供給装置１５がパイプ等によって接続されており、このダクト７における接続端が前記ドライバノズル１２となっている。かかる構成により、ドライバガス供給装置１５から、窒素によって構成されるドライバガスがダクト７の内部に噴射されるようになっている。
【００２８】
また、ドライバノズル１２の近傍には、インジェクタ１４が設けられている。図２に示すように、ダクト７にはヨウ素供給装置３がパイプ等によって接続されており、このダクト７における接続端が前記インジェクタ１４となっている。かかる構成により、ヨウ素供給装置３から、ヨウ素及び窒素の混合ガスである第２ガスがダクト７の内部に噴射されるようになっている。
【００２９】
図４は、ドライバノズル１２及びインジェクタ１４の配置構成を示す斜視図であり、図５は、図３におけるＶ−Ｖ矢視図であり、図６は、図４におけるＶＩ−ＶＩ矢視図である。図４〜図６に示す如く、ダクト７の上側壁面及び下側壁面の夫々に、複数のドライバノズル１２が千鳥配置されている。更に詳しく説明すると、ダクト７の上側壁面には、複数のドライバノズル１２が横方向、即ち第１ガス流１０の通流方向に対して略直交する方向へ等間隔に直列配置されて第１ノズル列１６ａが構成されており、ダクト７の下側壁面には、複数のドライバノズル１２が横方向へ、即ち前記第１ノズル列１６ａと平行に等間隔に直列配置されて第２ノズル列１６ｂが構成されている。第１ノズル列１６ａに含まれるドライバノズル１２は、第２ノズル列１６ｂに含まれる相隣する２つのドライバノズル１２の中間位置に対向する位置に設けられており、第２ノズル列１６ｂに含まれるドライバノズル１２は、第１ノズル列１６ａに含まれる相隣する２つのドライバノズル１２の中間位置に対向する位置に設けられている。なお、図５においては、第１ノズル列１６ａに含まれるドライバノズル１２を二点鎖線にて示している。
【００３０】
各ドライバノズル１２は、第１ガス流１０の通流方向下流側へ向かうに従って、その高さが増加するテーパ状にダクト７の上側壁面及び下側壁面から突設されており、その前記通流方向下流側の端面１２ａは、前記上側壁面及び下側壁面に対して垂直に延びている。各ドライバノズル１２の端面１２ａには、噴射口１２ｂが開設されている。各噴射口１２ｂに連通するチャンバ１２ｃがダクト７の上下壁の内部に設けられており、ドライバガス供給装置１５からドライバガスがチャンバ１２ｃに数十ｋＰａ又はそれ以上の圧力で供給され、噴射口１２ｂから極超音速のドライバガス流１１が噴射されるようになっている。
【００３１】
また、第１ノズル列１６ａに含まれるドライバノズル１２の噴射口１２ｂは、第１ガス流１０の通流方向下流側へ向かう方向よりも若干下向きに傾斜した方向（例えば前記通流方向下流側へ向かう方向に対して２０°下向きに傾斜した方向）へ開設されており、第２ノズル列１６ｂに含まれるドライバノズル１２の噴射口１２ｂは、前記通流方向下流側へ向かう方向よりも若干上向きに傾斜した方向（例えば前記通流方向下流側へ向かう方向に対して２０°上向きに傾斜した方向）へ開設されている。これにより、第１ノズル列１６ａに含まれるドライバノズル１２の噴射口１２ｂからは、第１ガス流１０の通流方向下流側であって、若干下側へ傾斜した方向へドライバガス流１１が噴射されることとなり、第２ノズル列１６ｂに含まれるドライバノズル１２の噴射口１２ｂからは、前記通流方向下流側であって、若干上側へ傾斜した方向へドライバガス流１１が噴射されることとなる。このことを換言すれば、図５に示す如く、第１ノズル列１６ａ及び第２ノズル列１６ｂの並設方向視、即ち平面視においては互いに平行な方向であって、図３に示す如く、第１ノズル列１６ａ及び第２ノズル列１６ｂの列方向視、即ち側面視においては第１ノズル列１６ａ及び第２ノズル列１６ｂの夫々からのドライバガス流１１の噴射方向が互いに交差する方向へ、夫々のドライバノズル１２からドライバガス流１１が噴射されるようになっている。
【００３２】
また、図４及び図５に示す如く、ダクト７の上側壁面及び下側壁面の夫々のドライバノズル１２より若干第１ガス流１０の通流方向下流側には、複数のインジェクタ１４が横方向に列設されている。各ドライバノズル１２について、２つのインジェクタ１４が夫々対応して設けられており、１つのドライバノズル１２に対応する２つのインジェクタ１４は、当該ドライバノズル１２の中心軸の両側に若干離隔した２位置に設けられている。各インジェクタ１４に連通するチャンバ１４ａがダクト７の上下壁の内部のチャンバ１２ｃより第１ガス流１０の通流方向下流側の位置に設けられており、ヨウ素供給装置３から第２ガスがチャンバ１４ａに供給され、インジェクタ１４から第２ガス流１３が噴射されるようになっている。また、図３に示す如く、ダクト７の上側壁面に設けられたインジェクタ１４は、第１ガス流１０の通流方向下流側へ向かう方向よりも若干下向きに傾斜した方向へ開設されており、ダクト７の下側壁面に設けられたインジェクタ１４は、第１ガス流１０の通流方向下流側へ向かう方向よりも若干上向きに傾斜した方向へ開設されている。これにより、ダクト７の上側壁面に設けられたインジェクタ１４からは、第１ガス流１０の通流方向下流側であって、若干下側へ傾斜した方向へ第２ガス流１３が噴射されることとなり、ダクト７の下側壁面に設けられたインジェクタ１４からは、前記通流方向下流側であって、若干上側へ傾斜した方向へ第２ガス流１３が噴射されることとなる。
【００３３】
次に、第１ガス流１０，ドライバガス流１１及び第２ガス流１３が混合される様子を詳しく説明する。前述したように、第１ガス流１０がダクト７を通流している途中で、平面視においては互いに平行な方向であって、側面視においては第１ノズル列１６ａ及び第２ノズル列１６ｂの夫々からのドライバガス流１１の噴射方向が互いに交差する方向へ、夫々のドライバノズル１２からドライバガス流１１が噴射される。従って、図４に示すように、第１ノズル列１６ａのドライバノズル１２から噴出したドライバガス流１１は、他のドライバガス流１１と衝突することなく、ダクト７の下側壁面近傍まで到達し、同様に第２ノズル列１６ｂのドライバノズル１２から噴出したドライバガス流１１は、他のドライバガス流１１と衝突することなく、ダクト７の上側壁面近傍まで到達する。そして、第１ノズル列１６ａのドライバノズル１２から噴射されたドライバガス流１１は、左右２方向に分岐し、夫々分岐したドライバガス流１１の通流方向は、ダクト７の下側壁面に沿って、第１ガス流１０の通流方向下流側であって若干上側へ傾斜した方向へ転向する。また同様に、第２ノズル列１６ｂのドライバノズル１２から噴出したドライバガス流１１は、左右２方向に分岐し、夫々分岐したドライバガス流１１の通流方向が、ダクト７の上側壁面に沿って、第１ガス流１０の通流方向下流側であって若干下側へ傾斜した方向へ転向する。このように、第１ノズル列１６ａのドライバノズル１２から噴出したドライバガス流１１と、第２ノズル列１６ｂのドライバノズル１２から噴出したドライバガス流１１とは、互いに衝突しないように、第１ガス流１０の通流方向下流側へ螺旋状に捻れて、即ち第１ガス流１０の通流方向と略同一方向へ延びた軸１７ａ回りの縦渦１７となって進行することとなる。
【００３４】
第１ガス流１０の流速が亜音速とされているのに対して、ドライバガス流１１の流速は極超音速とされている。このような速度差によって、縦渦１７においては、第１ガス流１０がドライバガス流１１によって剪断されることとなる。インジェクタ１４から相隣する縦渦１７の間に噴射された第２ガス流１３は、縦渦１７に沿って迅速に流れ場全体に拡散せしめられる。その後、相隣する縦渦１７の干渉と、それによって生じる乱流とが速やかな第１ガス流１０と第２ガス流１３との混合を促し、レーザ共振器４の上流側の位置（好ましくは、ドライバノズル１２から下流側へ１００ｍｍ以下の位置）で、第１ガス流１０と第２ガス流１３との混合が終了する。そして、かかる混合により、次に示す式（２），（３），（４）で表される化学反応が発生する。
【００３５】
【化４】
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【００３６】
このような式（４）の化学反応は、主としてレーザ共振器４の内部で発生し、これによってレーザ発振が生ずることとなる。レーザ共振器４を通過したガス流は、前述した排気装置５によって大気中に排出される。ここで、亜音速の第１ガス流１０を極超音速のドライバガス流１１で超音速まで加速するため、レーザ共振器４の後段におけるガス流は依然超音速を維持しているため、超音速ディフューザ等の装置を用いて５ｋＰａ程度まで当該ガスの圧力を上昇させることによって、排気装置５に小型の真空ポンプを使用することができる。また、当該ガスの圧力を５ｋＰａ程度まで上昇させることとしたが、これに限定されず、５ｋＰａ以上の圧力、例えば１０ｋＰａ程度まで上昇させるようにしてもよい。
【００３７】
前述したような縦渦１７は、第１ガス流１０の通流方向に対して交差する方向の軸回りの横渦に比して、大幅に減衰されにくいという性質を有している。従って、縦渦１７によって、第２ガス流１３はダクト７の広範な範囲へ拡散されることとなり、従来に比して第１ガス流１０と第２ガス流１３とが速やかに均一に混合されることとなる。
【００３８】
本願発明者らは、従来の化学酸素ヨウ素レーザ発生方法（以下、従来方法という）と、本発明の実施の形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生方法（以下、本願方法という）とにおける第２ガス流１３の拡散の進行についてシミュレーションを行った。本シミュレーションにおいては、同一の条件で通流している第１ガス流に対して、同一量のドライバガス流及び同一量の第２ガス流を従来方法及び本願方法の夫々の態様で噴射したときの状態をコンピュータでシミュレートした。更に、第２ガス流の噴射位置から３０ｍｍ、６０ｍｍ、９０ｍｍ、１２０ｍｍだけ第１ガス流の通流方向下流側の位置におけるシミュレート結果の第２ガス流の拡散状態を従来方法及び本願方法の夫々について調べた。図７は、従来方法についてのシミュレーション結果を示すグラフであり、図８は、本願方法についてのシミュレーション結果を示すグラフである。図７及び図８においては、第２ガス流の噴射位置から３０ｍｍ、６０ｍｍ、９０ｍｍ、１２０ｍｍだけ第１ガス流の通流方向下流側の位置におけるヨウ素の分布状態を、夫々二点鎖線、一点鎖線、破線、実線にて示している。また、図７（ａ）は、ダクト７の幅方向におけるヨウ素の濃度分布を示し、図７（ｂ）は、ダクト７の高さ方向におけるヨウ素の濃度分布を示している。更に、図８（ａ）は、ダクト７の幅方向におけるヨウ素の濃度分布を示しており、図８（ｂ）は、ダクト７の高さ方向におけるヨウ素の濃度分布を示している。
【００３９】
図７（ａ）に示す如く、従来方法に係るシミュレーション結果においては、ダクト７の幅方向について、第２ガス流の噴射位置から第１ガス流通流方向下流側へ向かうに従ってヨウ素の分布が均一に近づくものの、第２ガス流の噴射位置から１２０ｍｍだけ第１ガス流通流方向下流側の位置でさえ、ヨウ素の濃度に偏りがあることがわかる。また、図７（ｂ）に示す如く、ダクト７の高さ方向については、第２ガス流の噴射位置から３０ｍｍ、６０ｍｍ、９０ｍｍ、１２０ｍｍの夫々の位置において、略均一に分布しているが、第２ガス流の噴射位置から遠ざかるに従って、ヨウ素の濃度が高くなっていることがわかる。これは、ドライバノズル１２の中心軸に沿った鉛直面上を測定ポイントとしているためであると考えられる。
【００４０】
一方、本願方法に係るシミュレーション結果においては、図８（ｂ）に示す如く、ダクト７の高さ方向について、第２ガス流の噴射位置から第１ガス流通流側へ６０ｍｍ以降の位置では、略ヨウ素が均一に分散しており、殆どヨウ素の濃度に偏りがないことがわかる。また、図８（ａ）に示す如く、ダクト７の高さ方向については、第２ガス流の噴射位置から３０ｍｍの位置ではヨウ素の濃度が低く、前記噴射位置から６０ｍｍ、９０ｍｍ、１２０ｍｍの夫々の位置では、前記３０ｍｍの位置に比べてヨウ素の濃度が高くなっており、また夫々略同一の濃度となっていることがわかる。これは、従来方法に比べて第２ガス流の噴射位置に近い位置で、即ち噴射後速やかに、第２ガス流が第１ガス流と略均一に混合されていることを示している。このようなシュミレーションによって、本願方法がヨウ素の拡散、即ち第１ガス流と第２ガス流との混合に非常に有効であることがわかった。
【００４１】
また、本願発明者らは、従来の化学酸素ヨウ素レーザ発生装置（以下、従来装置という）と、本発明の実施の形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置（以下、本願装置という）とを作成し、比較実験を行った。本実験では、従来装置及び本願装置の何れにおいても、塩素を３０ｍｍｏｌ／ｓ、ドライバガスを１５０ｍｍｏｌ／ｓ、ヨウ素を１０ｍｍｏｌ／ｓの流量で夫々投入し、夫々のレーザ出力を測定し、以下に説明する化学効率を算出した。
【００４２】
化学酸素ヨウ素レーザ発生方法においては、理論的には投入した１分子の塩素によって１分子の励起酸素Ｏ２＊（１Δ）が生じ、１分子の励起酸素Ｏ２＊（１Δ）が１つのヨウ素原子を励起し、このエネルギーが光子に変換されるため、取り出しうる光子の数の上限は投入した塩素分子の数と同一である。しかしながら、種々の原因により、実際に取り出される光子の数はこれよりも少なく、この上限値に近い程効率的にレーザ発振が生じているといえる。このようなことから、化学酸素ヨウ素レーザ発生方法においては、次の式（６）で定義される化学効率ηＣが、レーザ発振の効率の指標として広く用いられている。
【００４３】
【化５】
2004356398.tif 000007
【００４４】
但し、Ｘは投入塩素流量、Ｙはレーザ出力、ＮＡはアボガドロ定数、ｈはプランク定数、ｃは光速、λＩはヨウ素原子の発振波長を示している。
【００４５】
実験の結果、従来装置においては、レーザ出力が１７３Ｗであり、化学効率が６．３％であったのに対して、本願装置においては、レーザ出力が５０６Ｗであり、化学効率が１８．６％であった。このような実験により、本願方法のレーザ発振の効率が非常に高いことがわかった。
【００４６】
【発明の効果】
本発明に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生方法及びその装置による場合は、第１ガス流とドライバガス流との速度差によって、第１ガス流の通流方向と略同一方向へ延びた軸回りの縦渦が生じ、かかる縦渦は横渦に比べて大幅に減衰されにくいため、第２ガス流に含まれるヨウ素が速やかに拡散され、また第１ガス流と第２ガス流とが従来に比してより一層速やかに混合されることとなり、レーザ発振効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置全体の外観を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る化学酸素ヨウ素レーザ発生装置の要部の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るダクトの内部構造を示す側面断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るドライバノズル及びインジェクタの配置構成を示す斜視図である。
【図５】図３におけるＶ−Ｖ矢視図である。
【図６】図４におけるＶＩ−ＶＩ矢視図である。
【図７】従来方法についてのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図８】本願方法についてのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図９】従来の化学酸素ヨウ素レーザ発生方法の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  化学酸素ヨウ素レーザ発生装置
２  励起酸素発生装置
３  ヨウ素供給装置
４  レーザ共振器
５  排気装置
６  照射光学装置
７  ダクト
８  反応ガス
９  ＢＨＰ
１０  第１ガス流
１１  ドライバガス流
１２  ドライバノズル
１２ａ  端面
１２ｂ  噴射口
１２ｃ  チャンバ
１３  第２ガス流
１４  インジェクタ
１４ａ  チャンバ
１５  ドライバガス供給装置
１６ａ  第１ノズル列
１６ｂ  第２ノズル列
１７  縦渦
２１  塩素ガス供給部
２２  ＢＨＰ供給部
２３  反応チャンバ
２４  貯液タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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