Газодинамический лазер. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Газодинамический лазер - газовый лазер ,в к-ром инверсия населенностей создаётся в системе колебат. уровней энергии молекул газа путём адиабатич. охлаждения нагретых газовых масс, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Газодинамический лазер состоит из нагревателя, сверхзвукового сопла (или набора сопел, образующих т. н. сопловую решётку), оптического резонатора и диффузора (рис. 1). В нагревателе происходит тепловое возбуждение специально подобранной смеси газов (в результате сгорания топлива или подогрева с помощью электрич. разрядов и ударных волн). При течении газа в сверхзвуковом сопле смесь быстро охлаждается. Необходимая для возбуждения генерации инверсия населенностей энергетич. уровней рабочего компонента смеси достигается, если: 1) скорость опустошения (релаксации) ниж. уровня лазерного перехода в процессе расширения выше скорости релаксации верх. уровня; 2) время опустошения верх. уровня больше характерного т. н. газодинамич. времени (времени движения газа до резонатора). Если для определ. пары энергетич. уровней эти условия выполнены, то из-за сильной зависимости времён релаксации от температуры и плотности газа, начиная с нек-рого момента от начала расширения, быстрое падение населённости верх. уровня сменяется медленным, тогда как населённость нижнего продолжает уменьшаться с заметной скоростью. Часть избыточной энергии верх. уровня может быть трансформирована в резонаторе в энергию лазерного луча. Диффузор служит для торможения потока и повышения давления газа, к-рый выбрасывается в атмосферу.

Рис. 1. Схема газодинамического лазера: 1 - форкамера; 2 - критическое сечение сопла; 3 - оптический резонатор; 4 - диффузор; 5 - газовый тракт для подвода CO₂ в случае "лазера с подмешиванием".

Активная среда

Указанным требованиям наиб. полно отвечают колебат. состояния молекул, обладающие большими временами жизни (по сравнению с электронными и вращательными уровнями). Процессы колебат. релаксации позволяют осуществить: полную инверсию колебат. уровней и т. н. частичную колебат--вращат. инверсию. В соответствии с этим "рабочими" частицами газодинамического лазера служат как многоатомные, так и двухатомные гетероядерные молекулы, имеющие, в отличие от гомоядерных молекул, разрешённые колебат--вращат. переходы.

Первым и наиб. распространённым является газодинамический лазер на полной колебат. инверсии между уровнями 00⁰1 и 10⁰0 (или 02⁰0) молекулы CO₂. Соответствующие длины волн генерации

=10,4-9,4 мкм (рис. 2). Уровень 00⁰1 соответствует асимметрич. колебаниям молекулы CO₂, уровни 10⁰0 и 02⁰0 - колебаниям деформационного и симметрического типов. Однако в чистом CO₂ необходимое соотношение времён релаксации этих уровней не выполнено. Это соотношение сдвигается в нужную сторону при добавлении определ. кол-ва молекул H₂, H₂O, атомов Не и др. Их столкновения с молекулами CO₂ опустошают нижние лазерные уровни (10⁰0 и 02⁰0) значительно быстрее, чем уровень 00⁰I. Увеличение запаса колебат. энергии в охлаждённом газе достигается также введением в газовую смесь в форкамере донорного газа, молекулы к-рого релаксируют медленно и способны быстро передавать запасённую в них энергию на уровни, соответствующие асимметрич. колебаниям молекулы CO₂. Роль донорного газа обычно выполняют возбуждённые молекулы N₂, колебат. уровни к-рых близки к уровням молекулы CO₂.

Газодинамический лазер на продуктах сгорания является простейшим газодинамическим лазером, имеющим практич. значение. В форкамере сжигается углеродсодержащее топливо в воздухе, горячие продукты сгорания пропускаются через сопловой аппарат и резонатор (рис. 1). В зависимости от используемого топлива и условий его сжигания давление р₀, темп-pa T₀ и хим. состав продуктов в форкамере меняются в широких пределах (р₀=5-100 атм, T₀= 1500-3000 К). Таким способом, как правило, не удаётся получить высокой эффективности. Газодинамический лазер на продуктах сгорания имеет низкий кпд (

1%). Это обусловлено тем, что только 7-10% от энергии сгорания идёт на возбуждение колебат. уровней молекулы CO₂. Кроме того, из-за релаксац. потерь энергии в потоке, невысокого отношения энергии кванта лазерного излучения к энергии кванта, необходимого для возбуждения асимметрич. колебания молекулы CO₂ (квантового кпд), и относительно небольшой эффективности резонатора не весь энергозапас может быть трансформирован в лазерное излучение. Реально в газодинамических лазерах на продуктах сгорания энергия, излучаемая на единицу массы сжигаемой смеси (уд. энергия излучения)

20 кДж/кг, а показатель усиления

0,5-1,0 M^-1.

Рис. 2. Схема нижних колебательных уровней энергии молекулы CO₂ (цифры- колебательные квантовые числа, степень - вырождение деформационного колебания).

Другие типы газодинамических лазеров

Один из путей повышения эффективности газодинамических лазеров состоит в снижении релаксац. потерь запасённой колебат. энергии. Из-за сравнительно высоких скоростей релаксации колебат. уровней молекулы CO₂ практически вся теряемая средой энергия преобразуется в теплоту, причём это происходит в околокритич. части сопла, где высоки темп-pa и плотность газа. Отсутствие CO₂ в этой части потока снижает до минимума потери энергии. Поэтому необходимое кол-во CO₂вводят в поток возбуждённого донорного газа в сверхзвуковую или околозвуковую часть сопла. При этом темп-pa вводимого CO₂ может быть низкой (

200- 300 К). В таком варианте газодинамический лазер (газодинамический лазер "с подмешиванием") появляется дополнит. возможность повышения полного числа колебательно возбуждённых молекул за счёт нагревания донорного газа до более высоких температур Т₀=4000-5000 К. Уд. энергия излучения достигает 50-100 кДж/кг, показатель усиления 3-5 м^-1, полный кпд ~2-3%.

Эффективность газодинамического лазера повышается и в том случае, когда хотя бы часть запасённой энергии удаётся преобразовать в лазерное излучение с большим квантовым кпд. В случае CO₂ эта возможность связана с т. н. каскадной генерацией одновременно на двух переходах 00⁰1-10⁰0(02⁰0) и 10⁰0(02⁰0)-0l¹0. Последняя имеет квантовый кпд 71,6%. Условия для возникновения двухчастотной генерации более жёсткие, чем в одночастотном режиме. Они легче достигаются в газодинамическом лазере "с подмешиванием". По мере вывода каскадного излучения из резонатора внутр. энергия системы падает и условие двухчастотной генерации перестаёт выполняться. Оставшаяся в среде колебат. энергия (верх. переход) трансформируется в лазерное излучение следующим, расположенным ниже по потоку резонатором, настроенным на переходы 00⁰1-10⁰0(02⁰0).

Газодинамический лазер на CO₂ работают также на др. колебат. переходах, напр. на переходах 03¹0-10⁰0, 03¹0-02²0 и 02⁰0-0l¹0 (

=18,4, 16,7 и 16,2 мкм). В этом случае необходимы замораживание как можно большей энергии в системе уровней деформац. и симметрич. колебаний молекулы и охлаждение газа до температур

70- 100 К. Наилучшие результаты получены для смесей CO₂ с Ar и Ne и сопловых аппаратов с большими степенями расширения. В качестве рабочего компонента в газодинамическом лазере используются и др. трёхатомные молекулы (N₂O, COS, CS₂).

Действие др. типа газодинамического лазера основано на инверсии в системе колебат--вращат. уровней в двухатомных гетероядерных молекулах (СО, HCl и др.). Инверсия возникает между вращат. подуровнями разл. возбуждённых колебат. уровней. Если это возбуждение мало, то вращат. подуровни, между к-рыми имеется инверсия, соответствуют очень большим значениям вращат. квантового числа, а потому имеют малую населённость. Это, в свою очередь, определяет малый показатель усиления, недостаточный для возбуждения генерации. Генерация возбуждается, если т. н. колебат. темп-pa Т_кол(эфф. темп-pa, с к-рой заселены колебат. уровни) и темп-pa газа T находятся в соотношении

Наиб. высокое значение

расширяющегося газа может быть сохранено в системе слабо релаксирующих уровней, напр. в системе уровней молекулы СО (

= 5 мкм). Необходимое охлаждение газа достигается в сопловых аппаратах с высокой степенью расширения.

Литература по газодинамическим лазерам

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.