Процессы генерации в движущихся лазерно-активных средах и возможности управления динамическими режимами работы лазеров (1097847), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Горизонтальныймасштаб2,5мс/дел.параметров активной среды и резонатора. Длительностьквазистационарной генерации составляла ~10 мс (см. осциллограмму на рис.1). С устойчивым резонатором лазерработал в многомодовом режиме генерации с максималь-ным значением выходной мощности ~1 кВт. На рис.2 показан отпечаток пучка излучения непосредственно за выходным полупрозрачным зеркалом.С использованием данной установки решались задачи разработки достаточно полного комплекса методов экспериментальнойдиагностики потока активной среды. Измерения скорости сверхзвукового потока проводилось с помощью разработанного оригинального метода «оптической метки».
Метод основан на насыщениисреды коротким импульсом генерации в режиме модуляции добротности резонатора и регистрации изменений усиления на некотоРис.2. Сечениепучка выходного излучения.ром расстоянии ниже по потоку. Для определения плотности и колебательной температуры возбужденных молекул азота использо-ван метод комбинационного рассеяния (КР), который потребовал значительных разработок с целью приспособления к задачам диагностики разреженного сверхзвуковогопотока активной среды. Для эффективного возбуждения КР при невысокой плотностигаза применялась многоходовая фокусирующая кювета, позволявшая свести в объемеизмерений (~ 1 см3) до 50 проходов луча. Для бесшумовой регистрации компонент КРиспользовались стробируемые ФЭУ и наборы узкополосных интерференционных светофильтров, включающих антибликовые элементы.
Точность измерений колебательной температуры составила ~50 К. Наряду с известным методом калиброванных потерь для исследования характеристик насыщения усиления в работе использован также метод, основанный на измерении «остаточного» коэффициента усиления на выходепотока из резонатора. Найдено, что в режиме стационарной генерации значения по-11следнего оказываются существенно ниже величины потерь резонатора, что говорит оболее полном съеме энергии с потока по сравнению с неподвижной средой при той жедобротности резонатора.В качестве примера в табл.1 представлены измеренные параметры активнойсреды в резонаторе для типовых ре-Табл.1жимов работы двух вариантов лазе-Параметры активной средыГДЛ (I)ГДЛ(II)ра – обычного (I) и с селективнымОптимальная смесь СО2:N2:Не1:2,5:21:4:1нагревом азота и последующим под-Скорость потока газа (см/с)1,65·105 1,5·105мешиванием СО2 вблизи критиче-Статическое давление (атм.)0,030,045ского сечения сопла (II).
Приведен-Температура газа (К)330360ные в таблице значения параметровПлотность N2 в смеси (см-3)3·10176·1017относятся к моменту максимумаКолеб. температура, (К)мощности генерации ( Pпред - предельная мощность генерации, достигаемая при полном насыщении ин-950-11100-2Коэффициент усиления, (см )0,7·101·10-2Запас. колеб. мощн. Ркол (кВт)1,453,9Отношение Рпред /Ркол0,70,8версии полем излучения). Представленные данные показывают преимущества методаселективного термического возбуждения.Анализ экспериментальных результатов проводился в рамках простой аналитической модели, в которой активная среда на входе в резонатор характеризуется минимальным числом параметров.
Полученные расчетные соотношения позволили использовать измеренные величины параметров насыщения для диагностики потока активной среды. Результаты такой диагностики дают значения параметров потока, хорошо согласующиеся с измеренными прямыми методами.Приводятся результаты расчетов оптимальных значений пропускания зеркал и протяженностиапертуры резонатора вдоль потока, а также достигаемых величин энергосъема для заданных параметров потока на входе в резонатор при разных величинах диссипативных потерь резонатора.
В качестве примера на рис.3 показана зависимость вели-Рис.3. Зависимость коэффициентаполезного съема Ψ от величины пропускания выходного зеркала для различных диссипативных потерь а/к°l.Точки – данные эксперимента, пунктирная линия – расчет для неподвижной среды для а/к°l=0,1.чины Ψ = Pвых / Рпред от нормированной величины пропускания выходного зеркала12t / k 0 l для оптимальной протяженности зеркал вдоль потока Н=Нопт ( k 0 - коэффици-енту усиления на входе потока в резонатор, l - длина активной среды).
Каждая изприведенных кривых соответствует определенной величине диссипативных потерьa / k 0 l (цифры у кривых). Из графиков, в частности, видно, что абсолютное уменьше-ние пропускания по сравнению с оптимальным значением более сильно влияет на величину выходной мощности, чем такое же увеличение пропускания. Методика оптимизации резонатора по результатам экспериментальной диагностики активной среды сиспользованием расчетных соотношений была многократно апробирована на нашейэкспериментальной установке и показала свою эффективность.Вторая глава посвящена разработке и экспериментальному исследованиюдлинноволнового СО2 лазера, генерирующего на колебательных переходах в системеуровней связанных мод.
Данный тип лазера, расширяющий диапазон работы СО2 лазеров в область ИК спектра с λ > 10 мкм, представляет собой уникальный объект физических исследований, в котором реализуется экстремально высокая степень колебательной неравновесности в области температур, меньших равновесной температурыконденсации СО2 По сравнению с традиционными СО2-N2 лазерами с λ=10,6 мкмтеоретический анализ механизма образования инверсии на уровнях связанных мод является значительно более сложным и, как правило, требует проведения подробныхчисленных расчетов. Моделирование динамики формирования квазистационарногораспределения, выполненное с учетом поуровневой кинетики шести нижних мультиплетов связанных мод, показало высокую скорость этого процесса - характерный пилообразный вид распределение приобретает уже после нескольких десятков газокинетических столкновений. Для оценки эффективности длинноволнового лазера намивыполнялись также расчеты мощности генерации на одном из переходов (0310-1000).Расчеты показали, что по своим удельным характеристикам такой лазер близок к традиционному с длиной волны λ =10,6 мкм и в его активной среде достигается почтитакой же удельный энергозапас, но при значительно более низких температурах торможения.
В то же время из-за невысокой плотности газа в оптическом канале абсолютные значения мощности могут оказаться более низкими. Достоверную информацию о характеристиках длинноволнового СО2 лазера дают экспериментальные исследования.Экспериментальное получение активной среды с указанными характеристиками в газодинамическом лазере представляет весьма сложную проблему, относящуюся13к смежным областям газодинамики, молекулярной кинетики, физике лазеров и оптической спектроскопии. Для достижения глубокого охлаждения газа в сопловых блокахГДЛ использованы профилированные короткие сопла с высокой степенью раскрытия(~100) и полууглом раскрытия, близким к критическому ( θ ≈400). Простые оценки,подтвержденные нашими расчетами, показали, что инверсия на переходах связанныхмод очень чувствительна к наличию в потоке скачков уплотнений. В связи с этим особое внимание уделялось тщательной отработке всех элементов газодинамическоготракта. Проводилась прецизионная юстировка деталей сопловых блоков с применением оптических методов контроля.
Для устранения вредного влияния примесей, в первую очередь, паров воды, ускоряющих V-T релаксацию связанных мод, производиласьтщательная очистка и осушка рабочих газов. Эксперименты проводились на смесяхСО2 с инертными газами, что позволило дополнительно снизить температуру газа засчет увеличения показателя адиабаты.Для регистрации длинноволновых переходов был разработан быстродействующий дифракционный ИК спектрометр, включающий неселективный приемник излучения с линейной характеристикой в широкойполосе радиочастот, устройство градуировки подлинам волн, схему синхронизации с экспериментальной установкой. Спектрометр позволялпроводить быстрое (~ 1мс) сканирование широких участков ИК спектра с разрешением отдельных колебательно-вращательных линий.
Экспериментально регистрировалась генерация на 8колебательных переходах в диапазоне длин волн16,4-21,2 мкм с лазерных уровней связанныхмод до мультиплета с v=6 включительно.Спектры генерации в высокодобротномнеселективном резонаторе в различных рабочихсмесях показаны на рис.4.
Максимальная выходная мощность ~10 Вт достигается на Q-ветвиперехода 0310-1000 с λ =18,4 мкм в смесиРис. 4. Спектры генерации в различныхсмесях (неселективный резонатор): а)б)СО2:Nе=1:2,в)СО2:Nе=1:9,СО2:Nе=2:1, г) в чистом СО2.СО2:Ne=1:1. Для ряда переходов (0310-1000,0420-1110, 0510–1200) в условиях эксперимента реализуется полная колебательная ин-14версия. При превышении порога генерации наэтих переходах последняя идет на линиях Q ветви, поскольку вероятности оптических переходовдля них выше, чем для Р и R ветвей.На осциллограмме (рис. 5) представленавращательная структура Р ветвей переходов0310-0220 (16,74 мкм) и 0420-0330 (17,2 мкм) в неселективном резонаторе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
