1tom - 0308.htm
ас и
ш
i
шения (релаксации) нпж. уровня лазерного перехода в процессе расширения выше скорости релаксации верх, уровня; 2} время опустоглешш верх, уровня больше характерного т. н. г а з о д и и а м и ч, в р е м е-н и (времени движения газа до резонатора). Если для определ. пары энсргетич. уровней эти условии выполнены, то из-за сильной зависимости врем╦н релаксации от темп-ры и плотности газа, начиная с нек-рого момента от начала расширения, быстрое падение насел╦нности верх, уровня сменяется медленным, тогда как насел╦нность нижнего продолжает уменьшаться с заметной скоростью. 11астъ 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,
Активная среда. Указанным требованиям пакб. 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. час т и ч н у ю
к о л с б а т. -в р а щ а т, инверсию. В соответствии с этим «рабочими» частицами Г- л. служат как многоатомные, так ц двухатомные гетероядерпые молекулы, имеющие, в отличие от гомоядерных молекул, разреш╦нные колебат. -вращат. переходы,
Первым и наиб, распрост-
OQL
Q2U0
00°Q
и'о
03'D
ОГО
033D
основной
Рис. 2. Схема нижних - 11Я1|;51└,ЫМ ЯВ1,ЯРТГ└ Г л на тельных уровней анкргли м«- раиишъш является 1.л. на
лекулы СО* (цифры≈ колеОа- полной колебат. инверсии тельные квантовые числа, сто- между уровнями 00°1 и 10°0 пень≈ вырождения дрформа- / а 02°т xinnpKvriw ГО ционного колебания). ^1ЛИ ^ V) молекулы 1,и2.
Соответствующие длины
волн генерации Я^10,4 ≈ 9,4 мкм (рис. 2). Уровень 00°1 соответствует асиммзтрнч. колебаниям молекулы С02, уровни 10°0 и ()2°0 ≈ колебаниям деформационного и симметрического типов. Однако в чистом СО2 необходимое соотношении времен релаксации этих уровней не выполнено. Это соотношение сдвигается в нужную сторону при добавлении определ. кол-ва молекул Н2, Н20, атомов Не и др. Их столкновения с молекулами С02 опустошают нижние лазерные уровни (10°0 и 02°0) значительно быстрее, чем уровень 00°1. Увеличение запаса колебат. энергии в охлажд╦нном газе достигается также введением в газовую смесь в форкамере донорного газа, молекулы к-рого редактируют медленно и способны быстро передавать запас╦нную в них энергию на уровни, соответствующие асимметрич. колебаниям мо-лекулы С02. Роль донорного газа обычно выполняют возбужд╦нные молекулы Na, колебат. уровни к-рых близки к уровням молекулы СО2.
Г. л. на продуктах сгорания является простейшим Г. д., имеющим практич. значение. В форкамере сжигается углерод со держащее топливо в воздухе, горячие продукты сгорания пропускаются через сопловой аппарат и резонатор (рис. 1). В зависимости от используемого топлива и условии его сжигания давление р0, темп-pa Г0 к хим. состав продуктов в форкамере меняются в широких пределах (р0=5≈ 1GO атм, Т0= ≈ 1500 ≈ 3000 К). Таким способом, как правило, не уда╦тся получить высокой эффективности. Г. л. па продуктах сгорания имеет низкий кпд (^С1%). Это обусловлено тем, что только 7 ≈ 10% от энергии сгорания ид╦т на возбуждение колебат, уровней молекулы С02. Кроме того, из-за релаксац. потерь энергий в потоке, невысокого отношения энергии кванта лазерного излучения к энергии кванта, необходимого для возбуждения асимметрия, колебания молекулы С02 (кванто-вого кпд), и относительно небольшой эффективности резонатора не весь энергозапас может быть трансформи-
н в лазерное излучение. Реально в Г. л. на продуктах сгорания энергия, излучаемая на единицу массы сжигаемой смеси (уд. энергия излучения) ^20 кДж/кг, а показатель усиления а^0,5≈1,0 м"1.
Другие типы Г. л. Один из путей повышения эффективности Г. л. состоит в снижении релаксац. потерь запас╦нной колебат. энергии. Из-за сравнительно высоких скоростей релаксации колебат. уровнен молекулы С02 практически вся теряемая средой энергия преобразуется в теплоту, прич╦м это происходит в околокри-тич. части сопла, где высоки темп-pa и плотность газа. Отсутствие С02 и этой части потока снижает до минимума потери энергии. Поэтому необходимое кол-во СО* вводят в поток возбужд╦нного донорного газа ь сверхзвуковую или околозвуковую часть сопла. При этом темп-pa вводимого С02 может быть низкой (^200≈ 300 К), В таком варианте Г. л. (Г. л. «с подмешиванием») появляется дополнит, возможность повышения полного числа колебательно возбужденных молекул за счет нагревания донорного газа до более высоких темп-р 7*0=4000≈5000 К. Уд. энергия излучения достигает 50≈100 кДж/кг, показатель уештелия 3≈5 м"1, полный кпд ~2≈3%.
Эффективность Г. л. повышается и в том случае, когда хотя бы часть запас╦нной энергии удается преобразовать в лазерное излучение с большим квантовым кпд. В случае С02эта возможность связана ст. н. каскадной генерацией одновременно на двух переходах 00°1≈ 10°0(02»0) и 10°0 (02°0)≈OIH). Последняя имеет квантовый кпд 71,0%. Условия для возникновения двухча-стотной генерации более ж╦сткие, чем в одночастотном режиме. Они легче достигаются в Г. л. «с подмешиванием». По мере вывода каскадного излучения на резонатора внутр. энергия системы падает и условие двухча-стотной генерации переста╦т выполняться. Оставшаяся в среде колебат. энергия (верх, переход) трансформируется в лазерное излучение следующим, расположенным ниже по потоку резонатором, настроенным на переходы 00°1≈10°0 (02°0).
Г. л. на С02 работают также на др. колебат. переходах, напр. па переходах 034)≈10°0, 034)≈024) и 02°0≈014) (Х=18,4, 16,7 и 10,2 мкм}. В этом случае необходимы замораживание как можно большей энергии в системе уровней деформац. и симмстрич. колебаний молекулы и охлаждение газа до темп-р ^70≈ 100 К. Наилучшие результаты получены для смесей СОВ с Аг и .Ne и сопловых аппаратов с большими степенями расширения, В качестве рабочего компонента в Г. л. используются и др. тр╦хатомные молекулы (N20, COS, CSS).
Действие др. типа Г. л. основано на инверсии в системе колебат.-вращат. уровней в двухатомных гетеро-ядерных молекулах (СО, НС1 и др.)- Инверсия возникает между вращат. подуровнями разл. возбужд╦нных колебат. уровнен. Если это возбуждение мало, то вращат. подуровни, между к-рыми имеется инверсия, соответствуют очень большим значениям вращат. квантового числа, а потому имеют малую населенность. Это, в свою очередь, определяет малый показатель усиления, недостаточный для возбуждения генерации. Генерация возбуждается, если т. н, колебат. темп-pa ГК01 (эфф. темп-pa, с к-рой заселены колебат. уровни) и темп-pa газа Т находятся в соотношении ГКОЛ/Т^>1. Наиб, высокое значение Ткол расширяющеюся газа может быть сохранено в системе слабо релаксируюигих уровней, напр, в системе уровней молекулы СО (Я~ = 5 мкм). Необходимое охлаждение газа достигается в сопловых аппаратах с высокой степенью расширения.
Лит.: Конюхов В. К., Прохоров А. М., Второе начало термодинамики и квантовые генераторы с тптловым возбуждением, «УФН», 197EJ, т. И9, с. 511; Л о с о в С, л., Газодинамические лакеръг, М., 1977; Андерсон Д., Газодинамические лазеры: ьш?дение, пер. с англ., М.; 1!'7У; Б и р ю-к о в А. С., ТД е г л о в В. А., Газовые лазеры на каскадных переходах линейных трехатомных молекул, «Квантпиая электроника», 1081, т. S, с. 2371; К ар л о н Н. В., Лекции по ивантоыой электронике, М., 1983. А. С, Бирюков*
")
}
