(57)【要約】【課題】  発振効率の高い化学酸素沃素レーザ装置を提供する。【解決手段】  ダクト下流側に向かって下方に傾斜するように配置した略三角形状のチョーク部材８Ａと、上方に傾斜するように配置したチョーク部材８Ｂとが側面視においてＸ字状となるように交互に接続された混合ノズル３により、励起酸素分子を含む第１の流れ５に超音速の縦渦を生成し、ダクト上壁面側のインジェクタの噴出口４ａをチョーク部材８Ａと対峙する位置に配置し且つダクト下壁面側のインジェクタの噴出口４ａをチョーク部材８Ｂと対峙する位置に配置し、沃素分子を含む第２の流れをこれらの噴出口４ａから噴出して、縦渦が生成された第１の流れに供給するとともに、混合ノズル３のダクト下流側における先端部と、レーザダクトの上壁面および下壁面とが接触するか、あるいはこれらの間隙の幅が１ｍｍ以内となるように混合ノズルを設置した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダクトと、
このレーザダクト内に設けられ、ダクト上流側から供給された励起酸素分子を含む第１の流れを超音速にするとともにその主流方向を軸とする縦渦を生成する混合ノズルと、
この混合ノズルのダクト下流側における先端部の近傍位置で、レーザダクトの上壁面側および下壁面側に設けられ、縦渦が生成された第１の流れに対して沃素分子を含む第２の流れを供給するインジェクタと、
レーザダクトの下流側に設けられ、第１の流れと第２の流れとの混合流が供給されるレーザ共振器とを備え、
前記混合ノズルは複数のチョーク部材からなり、該チョーク部材は、長尺の底面と、この底面の両端部から鋭角方向に傾斜する長尺の傾斜面および短尺の傾斜面とを有し、その側面がこれらの３面における辺で構成される略三角形状であり、
これらのチョーク部材は、短尺の傾斜面をダクト上流側とし、底面を下側とするとともに、ダクト下流側に向かって下方に傾斜するように配置されたチョーク部材Ａと、短尺の傾斜面をダクト上流側とし、底面を上側とするとともに、ダクト下流側に向かって上方に傾斜するように配置されたチョーク部材Ｂとが、側面視においてＸ字状となるように交互に接続され、
レーザダクトの上壁面側に設けられた前記インジェクタの噴出口が、前記チョーク部材Ｂに対応する所定間隔を置いて前記チョーク部材Ａと対峙する位置に配置され、レーザダクトの下壁面側に設けられた前記インジェクタの噴出口が、前記チョーク部材Ａに対応する所定間隔を置いて前記チョーク部材Ｂと対峙する位置に配置されていることを特徴とする化学酸素沃素レーザ装置。
【請求項２】
前記混合ノズルのダクト下流側における先端部と、レーザダクトの上壁面および下壁面とが接触しているか、あるいはこれらの間隙の幅が１ｍｍ以内であることを特徴とする請求項１に記載の化学酸素沃素レーザ装置。
【請求項３】
前記チョーク部材は、その底面からの高さがレーザダクトの上下壁面間の幅に対して３０〜４０％であり、チョーク部材Ａおよびチョーク部材Ｂが、その底面のダクト長手方向に対する角度が６〜９度となるように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の化学酸素沃素レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学酸素沃素レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の化学酸素沃素レーザ装置の構成を図５に示す。同図において１０１はレーザダクト、１０２はレーザ共振器、１１１は超音速ノズル、１０４は沃素を供給するインジェクタである。
【０００３】
レーザダクト１０１の上流側には、一重項励起酸素を何らかの手段で発生する励起酸素発生装置（図示せず）が設置され、この励起酸素発生装置で発生させた励起酸素と、窒素ガスのような他のガスとを混合した後に、この混合ガスの流れ（第１の流れ１０５）は超音速ノズル１１１の上流に導かれる。
【０００４】
一方、インジェクタ１０４から、気体状態の沃素分子と、窒素ガスのような他のガスとを混合した混合ガスの流れ（第２の流れ１０６）がレーザダクト１０１に噴出され、超音速ノズル１１１の上流において第１の流れと混合される。
【０００５】
超音速ノズル１１１は、第１の流れ１０５と第２の流れ１０６との混合ガス流を超音速膨張させ、レーザ共振器１０２においてレーザ発振に適した温度、圧力を実現し、励起酸素分子との反応により生成した励起沃素原子の持つエネルギーをレーザ光として取り出す。レーザ発振に関わる化学反応は以下の反応式で表される。
【０００６】
【数１】
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【０００７】
上記の式で表される化学反応のうち、式（４）の反応は、混合流に含まれる水分子が励起沃素原子を失活させることによりエネルギーを失う反応であるので、この反応をできるだけ抑制することが望ましい。超音速流れを生成するためには、超音速ノズル１１１の上流においてレーザ共振器１０２の内部における静圧と比較して数倍の圧力を得る必要があるが、この装置では第１の流れ１０５と第２の流れ１０６とを超音速ノズル１１１の上流で混合しているとともに、式（４）の反応速度は第１の流れ１０５と第２の流れ１０６との混合点における圧力に比例するため、圧力によりこの反応が促進されエネルギー損失が大きくなる。この失活反応による発振効率への影響は大きく、この従来の構成によるレーザ装置で得られる発振効率は、例えば２３．４％である。
【０００８】
式（４）の反応による影響をできるだけ少なくし、図５に示した方法よりも高い発振効率を得るためには、第１の流れと第２の流れとの混合点における圧力をできるだけ低くする必要がある。使用するガスの量を変更せずにこれを実現する方法として、超音速膨張に
より圧力が低下した領域でこれらの流れを混合する、いわゆる超音速混合が知られている。
【０００９】
しかしながら、これらの流れが超音速であると、安定化効果（非特許文献１を参照）により主流方向に直角な方向を軸とする渦の生成が抑制され、亜音速領域で混合する図５の方法と比較して２種類以上の気体を迅速に混合することが難しい。このため、レーザダクトの内部にガス流の混合を促進する機構を有さない装置に超音速混合を適用しても、ガス流がレーザ共振器に達するまでに、第１の流れと第２の流れとが高い発振効率を得るためのレーザ媒質として充分な程度に混合された状態を得ることはできない。
【００１０】
上述した従来技術における問題点を改善した装置として、非特許文献２には縦渦混合型の化学酸素沃素レーザ装置が開示されている。図６は、この装置の構成を示した図である。この化学酸素沃素レーザ装置は、レーザダクト１０１内に混合ノズル１０３が設けられ、ダクト上流側から供給された励起酸素を含む第１の流れ１０５は、この混合ノズル１０３によって超音速膨張するとともに、主流方向を軸とする縦渦を生成する。図７は、この混合ノズルを図６のＤ1方向から見た部分矢視図、図８は、Ｄ2方向からダクト上壁を越して見た部分矢視図である。図９は、この混合ノズルの部分斜視図である。
【００１１】
この混合ノズル１０３は、複数のチョーク部材１０８からなり、チョーク部材１０８は、図９に示したように、長尺の底面１０８ａと、この底面１０８ａの両端部から鋭角方向に傾斜する長尺の傾斜面１０８ｂおよび短尺の傾斜面１０８ｃとを有し、その側面１０８ｄがこれらの３面における辺で構成される略三角形状となっている。
【００１２】
これらのチョーク部材１０８は、短尺の傾斜面１０８ｃをダクト上流側とし、底面１０８ａを下側とするとともに、ダクト下流側に向かって下方に傾斜するように配置されたチョーク部材１０８Ａと、短尺の傾斜面１０８ｃをダクト上流側とし、底面１０８ａを上側とするとともに、ダクト下流側に向かって上方に傾斜するように配置されたチョーク部材１０８Ｂとが、側面視においてＸ字状となるように（図６および図９を参照）交互に接続されている。
【００１３】
ダクト上流側から導入された第１の流れ１０５は、混合ノズル１０３の各チョーク部材１０８によって、第１の流れ１０５の主流方向（ダクトの長手方向）に対して垂直な方向に超音速膨張する。この膨張方向は、混合ノズル１０３を通過する部分ごとに、すなわち隣接するチョーク部材１０８Ａ間の間隙と、隣接するチョーク部材Ｂ間の間隙に対応して逆向きになる。この隣り合う逆向きの膨張が、第１の流れ１０５の主流方向を軸とする超音速の縦渦を生成する。
【００１４】
図７および図８に示したように、混合ノズル１０３のダクト下流側における先端部１０３ａの近傍位置には、レーザダクト１０１の上壁面１０１ａ側および下壁面１０１ｂ側に、縦渦が生成された第１の流れ１０５に対して沃素分子を含む第２の流れ１０６を供給するインジェクタ１０４が、その噴出口１０４ａが均一な間隔で配置されるように設けられている。また、混合ノズルの先端部１０３ａは、沃素噴出を妨害しないようにダクト壁面から１ｍｍを超える距離を置いて配置されている。
【００１５】
混合ノズル１０３を通過することにより生成された第１の流れ１０５の縦渦は、レーザダクト１０１の上壁から下壁まで広がるため、レーザダクト１０１の上下の壁面に設けられたインジェクタ１０４の噴出口１０４ａから噴出された第２の流れ１０６はこの縦渦に連行されて混合が促進される。このように、縦渦により混合が促進されるため、超音速流れの状態においても上述した従来技術と比較してレーザ共振器１０２に達するまでに充分な混合状態を得ることができる。そして、超音速膨張する前に混合する図５に示した方法
よりも低い圧力で第１の流れと第２の流れとを混合することができ、前記した式（４）の反応を抑制し、より多くのエネルギーを利用することができる。
【非特許文献１】S. Sarkar, "The stabilizing effect of compressibility in turbulent shear flow", J. Fluid Mech. 282, pp.163-186, 1995
【非特許文献２】Masamori, Endo, Takayuki Hirata, Tatsuo Osaka, Kenzo Nanri, Shuzaburo Takeda, and Tomoo Fujioka, "Supersonic Mixing of Chemical Oxygen-Iodine Laser with an AW strut", AIAA 33rd Plasmadynamics and Lasers Conference, AIAA-2002-2130
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
このように、この縦渦混合型の化学酸素沃素レーザ装置では、前記した式（４）の反応を抑制するとともに、超音速流れにおける混合が促進され、前述した従来技術における問題点を解決している。しかし、発振効率の点では２２．３％と、その利点を充分には活かしきれていない。
【００１７】
本発明は、上記した従来技術における問題点を解決するためになされたものであり、発振効率の高い化学酸素沃素レーザ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明者は、この縦渦混合型の化学酸素沃素レーザ装置の利点を活かして発振効率を改善するべく、レーザ共振器における励起酸素を含む第１の流れと沃素を含む第２の流れとの混合状態をさらに向上させるための検討を行った。化学酸素沃素レーザでは、その高効率化を達成するために、この第１の流れと第２の流れとをいかに迅速に混合するかという点が常に最優先に考慮されるが、迅速な混合を行うためには、沃素を噴出するインジェクタの噴出口は、均一なピッチで一様に配置することが、効率的な混合を行う上で適切であると考えられていた。そして、インジェクタからの沃素の噴出を妨害しない程度に、混合ノズルを、その先端部がダクト壁面から一定の距離だけ離間するように設置することが必要であると考えられていた。
【００１９】
ところが、インジェクタの噴出口を、流れ方向に向かって下方に傾斜するチョーク部材Ａと、上方に傾斜するチョーク部材Ｂに対応して特定の位置に配置するとともに、混合ノズルの先端部をダクト壁面に近接もしくは接触させるように設置することにより、発振効率が格段に向上することを見出し本発明を完成するに至った。
【００２０】
本発明の化学酸素沃素レーザ装置は、レーザダクトと、
このレーザダクト内に設けられ、ダクト上流側から供給された励起酸素分子を含む第１の流れを超音速にするとともにその主流方向を軸とする縦渦を生成する混合ノズルと、
この混合ノズルのダクト下流側における先端部の近傍位置で、レーザダクトの上壁面側および下壁面側に設けられ、縦渦が生成された第１の流れに対して沃素分子を含む第２の流れを供給するインジェクタと、
レーザダクトの下流側に設けられ、第１の流れと第２の流れとの混合流が供給されるレーザ共振器とを備え、
前記混合ノズルは複数のチョーク部材からなり、該チョーク部材は、長尺の底面と、この底面の両端部から鋭角方向に傾斜する長尺の傾斜面および短尺の傾斜面とを有し、その側面がこれらの３面における辺で構成される略三角形状であり、
これらのチョーク部材は、短尺の傾斜面をダクト上流側とし、底面を下側とするとともに、ダクト下流側に向かって下方に傾斜するように配置されたチョーク部材Ａと、短尺の傾斜面をダクト上流側とし、底面を上側とするとともに、ダクト下流側に向かって上方に傾斜するように配置されたチョーク部材Ｂとが、側面視においてＸ字状となるように交互
に接続され、
レーザダクトの上壁面側に設けられた前記インジェクタの噴出口が、前記チョーク部材Ｂに対応する所定間隔を置いて前記チョーク部材Ａと対峙する位置に配置され、レーザダクトの下壁面側に設けられた前記インジェクタの噴出口が、前記チョーク部材Ａに対応する所定間隔を置いて前記チョーク部材Ｂと対峙する位置に配置されていることを特徴としている。
【００２１】
本発明の化学酸素沃素レーザ装置は、前記混合ノズルのダクト下流側における先端部と、レーザダクトの上壁面および下壁面とが接触しているか、あるいはこれらの間隙の幅が１ｍｍ以内であることを特徴としている。
【００２２】
上記の本発明において、前記チョーク部材は、その底面からの高さがレーザダクトの上下壁面間の幅に対して３０〜４０％であり、チョーク部材Ａおよびチョーク部材Ｂが、その底面のダクト長手方向に対する角度が６〜９度となるように配置されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の化学酸素沃素レーザ装置によれば、高い発振効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態における化学酸素沃素レーザ装置を説明する断面図である。なお、前述した従来技術に対応する部分は符号１００を省略して示している。本実施形態の化学酸素沃素レーザ装置は、レーザダクト１内に混合ノズル３が設置され、この混合ノズル３の先端部３ａの近傍位置におけるレーザダクト１の上壁面１ａ側および下壁面１ｂ側には、沃素を噴出するインジェクタ４が設置されている。レーザダクト１の下流側には、レーザ共振器２が設置されている。
【００２５】
レーザダクト１の上流側には、一重項励起酸素を何らかの手段で発生する励起酸素発生装置（図示せず）が設置され、この励起酸素発生装置で発生させた励起酸素と、窒素ガスのような他のガスとを混合した後に、この混合ガスの流れ（第１の流れ５）は混合ノズル３の上流に導かれる。
【００２６】
この亜音速の第１の流れ５は、混合ノズル３によって超音速膨張するとともに、主流方向を軸とする縦渦を生成する。図２は、この混合ノズルを図１のＤ1方向から見た部分矢
視図、図３は、Ｄ2方向からダクト上壁を越して見た部分矢視図である。図４は、この混
合ノズルの側面図である。
【００２７】
この混合ノズル３は、複数のチョーク部材８からなり、図４に示したように、チョーク部材８は長尺の底面８ａと、この底面８ａの両端部から鋭角方向に傾斜する長尺の傾斜面８ｂおよび短尺の傾斜面８ｃとを有し、その側面８ｄがこれらの３面における辺で構成される略三角形状となっている。
【００２８】
これらのチョーク部材８は、短尺の傾斜面８ｃをダクト上流側とし、底面８ａを下側とするとともに、ダクト下流側に向かって下方に傾斜するように配置されたチョーク部材８Ａと、短尺の傾斜面８ｃをダクト上流側とし、底面８ａを上側とするとともに、ダクト下流側に向かって上方に傾斜するように配置されたチョーク部材８Ｂとが、側面視においてＸ字状となるように交互に接続されている。
【００２９】
混合ノズル３は、そのダクト下流側における先端部３ａが、レーザダクト１の上壁面１
ａおよび下壁面１ｂと接触するか、あるいはこれらの間隙の幅W（図４）が１ｍｍ以内と
なるように設置される。
【００３０】
また、本発明における高い発振効率を得るためには、チョーク部材３は、その底面からの高さｈ1（図４）をレーザダクト１の上下壁面間の幅ｈ2に対して３０〜４０％とし、チョーク部材８Ａおよびチョーク部材８Ｂの、底面８ａのダクト長手方向に対する角度θが６〜９度となるように配置することが特に好ましい。
【００３１】
ダクト上流側から導入された第１の流れ５は、混合ノズル３の各チョーク部材８によって、第１の流れ５の主流方向に対して垂直な方向に超音速膨張する。この膨張方向は、混合ノズル３を通過する部分ごとに、すなわち隣接するチョーク部材８Ａ間の間隙と、隣接するチョーク部材８Ｂ間の間隙に対応して逆向きになる。この隣り合う逆向きの膨張が、第１の流れ５の主流方向を軸とする超音速の縦渦を生成する。
【００３２】
混合ノズル３の先端部３ａ近傍に設置されたインジェクタ４は、噴出口４ａから気体状態の沃素分子と、窒素ガスのような他のガスとを混合した混合ガスの流れ（第２の流れ６）をレーザダクト１内に噴出し、第２の流れは超音速膨張した第１の流れ５と混合される。図２および図３に示したように、レーザダクト１の上壁面１ａ側に設けられたインジェクタ４の噴出口４ａは、チョーク部材８Ａと対峙する位置にのみ配置され、下壁面１ｂ側に設けられたインジェクタ４の噴出口４ａは、チョーク部材８Ｂと対峙する位置にのみ配置されている。
【００３３】
ダクト上壁面１ａ側のインジェクタ４は、沃素を含む第２の流れ６を噴出口４ａからチョーク部材８Ｂの間を通過してチョーク部材８Ａの先端部へ向かう方向に噴出される。一方、ダクト下壁面１ｂ側のインジェクタ４は、沃素を含む第２の流れ６を噴出口４ａからチョーク部材８Ａの間を通過してチョーク部材８Ｂの先端部へ向かう方向に噴出される。
【００３４】
インジェクタ４から噴出された第２の流れ６は、第１の流れ５の縦渦に連行されて混合が促進され、第１の流れと第２の流れはダクト下流側に設置されたレーザ共振器２に達するまでにレーザ媒質として充分な程度に混合され、レーザ共振器２で光を放出してレーザ発振が行われる。
【００３５】
本実施形態の化学酸素沃素レーザ装置は、従来と比較して発振効率が非常に高い。例えば、上下壁面間の幅が１５ｍｍのレーザダクトに、底面からの高さが５．０ｍｍ、底面の長手方向の長さが６８ｍｍである銅製のチョーク部材を使用し、８本のチョーク部材Ａと７本のチョーク部材Ｂとが交互に接続された混合ノズルを設置して製作したレーザ装置では、発振効率３３％が達成され、従来に比べて３０％以上と著しく高い発振効率が得られた。
【００３６】
本実施形態では、ダクト上壁面側におけるインジェクタの噴出口４ａを、チョーク部材８Ｂに対応する所定間隔を置いてチョーク部材８Ａと対峙する位置に配置し、ダクト下壁面側におけるインジェクタの噴出口４ａを、チョーク部材８Ａに対応する所定間隔を置いてチョーク部材８Ｂと対峙する位置に配置しているために、沃素を含む第２の流れは第１の流れにおける縦渦の回転方向にのみ噴射される。したがって、第２の流れはこの縦渦に抗することなく、縦渦を強めるように効率的に第１の流れに引き込まれ、これによって第２の流れが第１の流れに強く連行されるために混合が迅速に進むと考えられる。同時に、混合ノズルを上述したように設置しているため、第１の流れと第２の流れとの混合流の流速（マッハ数）が、レーザ共振器において充分な混合状態となるように制御され、これにより上記のような高い発振効率が得られると考えられる。
【００３７】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明はこの実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲において定義したような本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、当業者の知識に基づいて種々の変化、修正および変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態における化学酸素沃素レーザ装置を説明する断面図である。
【図２】図２は、混合ノズルを図１のＤ1方向から見た部分矢視図である。
【図３】図３は、混合ノズルをＤ2方向からダクト上壁を越して見た部分矢視図である。
【図４】図４は、図１の混合ノズルの側面図である。
【図５】図５は、従来の化学酸素沃素レーザ装置の構成を示した図である。
【図６】図６は、従来の縦渦混合型の化学酸素沃素レーザ装置を説明する断面図である。
【図７】図７は、混合ノズルを図６のＤ1方向から見た部分矢視図である。
【図８】図８は、混合ノズルを図６のＤ2方向からダクト上壁を越して見た部分矢視図である。
【図９】図９は、図６の混合ノズルの部分斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    レーザダクト
１ａ  ダクト上壁
１ｂ  ダクト下壁
２    レーザ共振器
３  混合ノズル
３ａ  ノズル先端部
４    インジェクタ
４ａ  噴出口
５    第１の流れ
６    第２の流れ
８    チョーク部材
８Ａ  チョーク部材
８Ｂ  チョーク部材
８ａ  底面
８ｂ  傾斜面
８ｃ  傾斜面
８ｄ  側面
【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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