Процессы генерации в движущихся лазерно-активных средах и возможности управления динамическими режимами работы лазеров (1097847), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Наличие в генерацииРис.5.Спектр генерации в неселективном резонаторе в диапазоне 16,7 17,4 мкм. Развертка 100 мкс/дел.Масштаб по длинам волн 0,1 мкм/дел.Смесь СО2-Ne=1:3. Внизу градуировочная метка спектрометра 17,2 мкмнескольких вращательных линий указывает нато, что вращательный обмен является неполным.Интересной особенностью перехода 0310-0220является разреженный спектр вращательных ли-ний, что объясняется наличием сильного конкурирующего перехода 0310-1000 сλ=18,4 мкм, имеющего общий верхний уровень с рассматриваемым переходом.
В данных условиях на переходе λ=18,4 мкм возбуждаются линии Q-ветви, для которых возможны только четные значения вращательного квантового числа J. Поэтому линииперехода (0310-0220) с четными значениями J верхнего состояния оказываются заметно ослабленными.Использование селективного резонатора, в котором одно из зеркал замененодифракционной решеткой, позволило получить генерацию,перестраиваемуюпоколебательно-вращательным линиям различных колебательныхпереходов. Благодаря устранению конкуренциипереходов в селективном резонаторе спектр генерации обогащается новыми линиями.
В частности,для наиболее сильного колебательного перехода0310-1000, наряду с линиями P и Q ветвей появляРис. 6. Осциллограмма спектрагенерации в селективном резонаторе в диапазоне 16,6 - 18,6 мкм.Развертка 200 мкс/дел. Масштабпо длинам волн 0,2 мкм/дел. СмесьСО2:Ne=1:5.ются линии R ветви (см. рис.6). Благодаря процессам колебательного обмена интенсивности Q ветвей переходов с неразрешенной вращательнойструктурой в селективном резонаторе оказываютсяболее высокими.15Населенности лазерных уровней определялись путем измерения коэффициентов усиления колебательно-вращательных линий при различной величине потерь резонатора.
Для определения газовой температуры использованы экспериментальныераспределения усиления по линиям Р и R ветвей перехода 0310-1000 с полной колебательной инверсией. Колебательные населенности рассчитывались по распределениюкоэффициентов усилений в Р- ветвях переходов с частичной инверсией.
Измерялисьтакже интегральные интенсивности генерации на переходах 0310-1000 и 0420–0330 врежиме модулированной добротности, когда длительность импульса генерации τ (вэкспериментах τ ~2 мкс) меньше времени колебательного обмена τVV (в наших условиях τVV≥10-5с) и в то же время заметно превосходит время вращательной релаксацииτRT и время нарастания поля в усиливающей среде τ g = ( cα 0 )−1 . В таком режимеусиление успевает отслеживать изменение потерь резонатора, а остаточная величина усиления близка к минимальному значению потерь при съюстированныхзеркалах резонатора.
В этих условиях мгновенная интенсивность внутреннего поля I(t) несет информацию онасыщении инверсии. Оба применявшихся в работе метода позволили с точностью ~ 15-20% измерить колебательные населенности ряда уровней и дали согласующиеся результаты. Пример колебательного распределения для типового режима работы в смесиСО2:Ar=1:2 показан на рис.
7. Наблюдаемое в экспериментах распределение колебательных населенностейблизкокраспределениюТринора:N v vl v =1 2 3Рис.7. Населенности колебательных уровней. Сплошныелинии – триноровское распределение для Т2=650 К, Т=80 К.Точки большого диаметра экспериментальныеданные.Волнистыми линиями показанылазерные переходы.N 00 0 0 gl exp[ − vϑ2 / T2 + ( vϑ2 - E v v l v ) / T ] вплоть до мультиплета с v =5 включи1 2 3тельно (здесь v - номер мультиплета, E v v l v - энергия уровня v1 v2l v3 , gl -кратность1 2 3вырождения). Результаты комплексной диагностики потока активной среды показали,что в разработанном типе лазера на связанных модах СО2 достигается экстремальновысокая степень колебательной неравновесности с отношением колебательной и газовой температур T2 / T ~10.16Рассмотрены также некоторые особенности взаимодействия среды с резонансным излучением на внутримодовых и межмодовых переходах. Расчеты, выполненныедля перехода с λ =18,4 мкм, показали, что благодаря большой скорости колебательного обмена уровней связанных мод, поглощение резонансного излучения на внутримодовом переходе (оптическая накачка) приводит к эффективному заселению всей системы уровней связанных мод.
При достаточно высокой мощности импульсного излучения может быть достигнут «разогрев» моды до колебательной температуры Т2~103К. Показано, что процесс поглощения излучения на данном переходе приводит нетолько к росту колебательной температуры, но также сопровождается значительнымнестационарным охлаждением газа. Механизм охлаждения связан с большим ангармонизмом колебательных уровней связанных мод и ранее не изучался.
Величина поглощаемого оптического кванта заметно меньше средней величины колебательногокванта связанных мод ( ϑ2 ~960 К). В этих условиях в процессе перераспределенияквантов по другим уровням связанных мод благодаря нерезонансному колебательномуобмену и быстрой V-T релаксации внутри мультиплетов происходит охлаждение газа,поскольку недостающая энергия черпаетсяиз поступательных степеней свободы. Охлаждение газа имеет место на временахτ VV < t < τ VT , после чего сменяется нагреванием.
Расчеты показали, что глубинаохлаждения углекислого газа может достигать нескольких десятков градусов завремя ~10-5 с (рис.8). Указанный механизмРис.8. Изменение температуры газа Т (1 и 1’)и колебательной температуры Т2 связанныхмод (2 и 2’) при оптической накачке на переходе 0310-1000. Начальное давление газа 1атм, интенсивность поля на входе в среду 3МВт/см2, расстояние от границы среды x=2м. Штриховые кривые соответствуют бесконечно-быстрому вращательному обмену.кинетического охлаждения отличается отописанного в литературе, который имеетместо при поглощении молекулами СО2излучения на межмодовом переходе 10000001 (λ=10,6 мкм) и обусловлен разницейхарактерныхвременколебательно-поступательной релаксации τ VT связанных мод и антисимметричной моды.17Экспериментально продемонстрирована возможность накачки системы уровней связанных мод СО2 генерацией на межмодовом переходе 0001-1000 с длиной волны λ=10,6 мкм в той же активной среде (см.
рис.9). Генерация на данном переходе обеспечивалав условиях эксперимента накачку системы уровней связанных модза счет энергии антисимметричной моды. Это позволило реализовать одновременную квазистационарную генерацию на двух длинахволн – 10,6 и 18,4 мкм. Осциллограмма, представленная на рис.10,показывает, что генерация на λ=10,6 мкм идет в начале рабочегоРис.9.
Схемапереходовцикла, т.е. в области достаточно высоких температур и давлений газа в камере нагрева. Мощность генерации на λ=18,4 мкм имеет два максимума. Первый из них близко совпадает по времени смаксимумом генерации на λ=10,6 мкм и наблюдаетсятолько в присутствии последней. Это позволяет приписать его возникновение действию дополнительной накачки уровней связанных мод излучением с λ=10,6мкм. Второй максимум не связан с наличием генерациина λ=10,6 мкм и соответствует оптимальным условиямобразования инверсии на переходе 0310—10°0 (болеенизкие, чем для 10,6 мкм, температура и давление газа).Детальные исследования указанных временных зави-Рис. 10.
Генерация на длинахволн λ=10,6 мкм (верхний луч)и 18,4 мкм. Горизонтальныймасштаб — 2,5 мс/делсимостей позволили оценить эффективное время колебательного обмена в условияхэксперимента τ VV ~10-4 с. Результаты этих опытов показывают, что существует принципиальная возможность создания «комбинированных» СО2 ГДЛ, работающих на переходах 10,6 и 18,4 мкм (а возможно, и на других переходах между уровнями связанных мод СО2). При этом, поскольку генерация с λ=18,4 мкм использует энергию, передаваемую блоку уровней связанных мод в процессе генерации с λ=10,6 мкм, предельная квантовая эффективность такой системы достигает η кв ≈ 0,8.В целом результаты исследований длинноволновой генерации в СО2 показывают, что такой тип лазера может быть положен в основу разработки источников мощного перестраиваемого излучения длинноволнового диапазона.Третья глава посвящена изучению физических механизмов автоколебательнойнеустойчивости генерации в резонаторных системах быстропроточных лазеров.
Ис-18следуются также характеристики установившихся автоколебательных режимов генерации, возникающих в результате трансформации возмущений при их переходе в стадию нелинейного насыщения.Автоколебательная неустойчивость может возникать благодаря обратной связи,осуществляемой потоком активной среды между отдельными частями резонаторнойсистемы. Ранее было показано, что в БПЛ с неустойчивым резонатором (НР) к развитию автоколебаний приводит неоднородность поля в резонаторе, в то время как наличие накачки внутри резонатора и процессы обмена энергией в активной среде способствуют стабилизации стационарной генерации. В литературе имеются экспериментальные данные, указывающие на возможность возникновения автоколебаний в БПЛ.В предшествующих работах исследовался только один вид автоколебаний –«пролетные» колебания, частота которых определяется временем пролета среды черезрезонатор τ f и равна или кратна пролетной частоте Ω f = 2π / τ f .
Расчеты проводились, как правило, в приближении квазистационарной генерации в резонаторе, приэтом из рассмотрения выпадал целый класс «релаксационных» колебаний. Эти автоколебания были обнаружены нами при использовании более общей нестационарноймодели НР. Для типовых параметров БПЛ частота релаксационных колебаний намного превышает Ω f . Как показано ниже, возможен еще один вид автоколебаний, частота которых определяется временем пролета среды через зону неоднородности внутрирезонатора («внутренние пролетные» колебания). Таким образом, физическая картинаавтоколебательной неустойчивости является достаточно сложной. Задачей исследований, изложенных в данной главе, являлось детальное изучение механизмов автоколебательной неустойчивости в БПЛ с учетом возможного взаимодействия автоколебаний различных видов.Большинство расчетов выполнено для БПЛ с НР в простейшей модели однокомпонентной среды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
