Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Энергия колебательного движения молекул азота и явлется тем самым источником, откуда берется знергия для генерации. Молекула СО, обладает коротким временем колебательной релаксации. Это приводит к тому, что населенность ее колебательных уровней на всем пути от камеры сгорания до оптического резонатора близка к равновесной населенности, соответствующей температуре текущего газа. Последнее справедливо для всех уровней, кроме уровня (00'1), населенность которого поддерживается почти неизменной за счет столкновений с возбужденными молекулами азота, Нижний лазерный уровень (1О'О) расгюложен достаточно высоко над основным состоянием и при температуре сверхзвукового потока (Т = 280 —:320 К) населен слабо.
Таким образом, в истекающем газе существует состояние инверсной населенности для молекул СО,. Третий компонент (пары воды, составляющие 1 — 2%) представляет собой молекулярный газ с еще более коротким временем колебательной релаксации, Его назначение — сократить время перехода молекул СО, в основное состояние. За время нахождения газовой смеси в поле излучения внутри оптического резонатора каждая молекула СО, совершает от двух до четырех полных циклов.
Под циклом понимают переход из основного состояния на уровень (00'1) прн столкновении с возбужденной молекулой азота, затем излучательный переход и релаксацию в основное состояние. Сверхзвуковое сопло в газодинамическом лазере выполняет сразу две функции: 1) создает усиливающую лазерную среду; 2) формирует газовый поток со скоростью движения около 1,5 км/с, Сверхзвуковое расширение должно понижать температуру и давление газовой смеси за время, короткое по сравнению с временем жизни верхнего лазерного уровня и длительное по сравнению с временем жизни нижнего лазерного уровня. Для зтого расширение газа должно быть осущесгалено при истечении через сверхзвуковое сопло с малой высотой критического сечения (0,3— 1 мм).
В атом случае газовая смесь меняет своа параметры на отрезке длиной 1 — 2 см по потоку. Молекулы азота, проходя через сопло, теряют незначительную часть колебательных квантов, а молекулы СО,, наоборот, теряют практически всю энергию, за исключением той ее части, которая связана с населенностью уровня (00'1), Населенность колебательных уровней молекул воды из-за короткого времени релаксации всегда термически равновесна н соответствует температуре текущего газа.
рнс здз. Зава«впасть населен- ностн верхнего н ннжвего воа- бунаенннх уровней ат расс«ов- нов ао сопла Р— йт Дитер <р 'где 1«' — расход газа, число молекул/с; Ы -2.10 ао Дж я = = 0,8 — содержание азота в смеси; и = 8,1% — число колеба- течьных квантов, приходящихся в среднем на одну молекулу дг„ Ч„= 0,5 — эффективность сопла (учитывает потери колебатель- ных квантов ири истечении через сопло); д, = 0,5 — эффектив- ность резонатора (энергня, переводимая резонатором в полезное излучение). При расходе 10 кг/с Д = 2 10" мол.,гс, выходная мощность Р = 60 кВт, Схематично принцип действия газодинамяческого лазера представлен на рис, 6.13, 163 На рис.
6.12 показано, как изменяется населенность верхнего н ниж- ~~~ »алло него возбужденных уровней по мере того, как объем газа проходит через зерлноо лрл ао» 6 и 6 сверхзвуковое сопло. Из рисунка иаавиа ул»Ье»» следует, что наибольшие потери колебательно-возбужденных молекул азота происходят вблизи критического сечения.
В мощных лазерах с движущейся активной средой усдовия работы оптического резонатора имеют свои особенности. При движении активной среды через резонаторы за счет выноса воз' бужденных частиц из резонатора возникают потери. Это обусловлено тем, что при недостаточной напряженности электромагнитного поля в резонаторе молекулы СО, не успевают за время нахождения в резонаторе «переработать» в излучение весь запас ко. лебательных квантов. Вторая особенность связана с возникновением в потоке различного рода оптических неоднородностей, вихрей, кильватерных следов н слабых ударных волн. Этн особенности выделяют газовый поток в самостоятельный вид активной лазерной среды.
В реальных условиях КПД газодинамических лазеров составляет единицы процентов, так как данный тнп лазера является своего рода тепловой машиной. Его КПД определяется температурами рабочего тела — высокой и низкой, Поднимать слишком высоко высокую тймпературу нельзя из-за диссоциацни СО„, а слишком низкую нельзя использовать из-за опасности конденсации СО,. Основным достоинством газодинамических лазеров является их .высокая выходная мощность в непрерывном режиме работы, достигающая мегаваттного диапазока, что обусловлено прохождением через резонатор лазера большого количества возбужденных молекул в единицу времени. Выходную мощность лазера можно представить следующим образом: длтгаеилгело ~Мз 5.
а зф ст — ~~-ч ~~ -'3 к Агз Пгг ~Ъ' + к е, г е те 'пб баиико ~~~х ~ага ' Ка Рис. 6,18. Схема газодииамического лазера! 1 — «акер» егоркина: 2 — запалнпое устройство„ б — сваркззуковое сопка; Л поток отработанного газа; б зсрк за резонатора Рис. 6Л4. Схема вавктроаааамичсского лазара', т — злектролм| р — бубгерзав камера; д — сверхзвуковое сопаог е поток отработанного газа; б — зеркала резонатора К недостаткам газодинамических лазеров следует отнести их большие габаритные размеры, потребление болыпого количества горючего, сильный шум при работе.
Для устранения одного из недостатков, связанных с тепловой накачкой, было предложена возбуждать молекулы азота с помощью электрического разряда„ что приводит к уменьшению габаритных размеров конструкции и увеличению КПД. Молекулы азота возбуждаются в сильном электрическом поле, создаваемом электрическим разрядоч в про. странстве между электродами (рис, 6.)4), В буферной камере нагретый азот смешивается с дополнительным потоком азота, имеющим комнатную температуру, при этом устанавливаются заданные температура и давление. Затем происходят быстрое сжатие, перемещение с высокой скоростью и расширение за соплом нагретого азота. Сюда же под давлением вводятся смесь холодного СО, и Не. Газы перемешиваются, что вызывает передачу возбужденна от молекул азота к молекулам СО,, Дальнейшего увеличения )т,ПД можно достичь при создании газодинамического лазера с замкнутым циклом.
6.8. ЛАЗЕРЫ С ХИМИЧЕСКИМ ВОЗБУ)КДЕИИЕМ Химическим называется такой лазер, в котором энергия излучения получается за счет неравновесного распределения химической энергии среди продуктов реакции. Основная задача, которая ставилась при создании химических лазеров, заключалась в по. иске пути прямого преобрааования энергии, выделяющейся в процессе химической реакции, в энергию когерентного излучения. минуя другие формы, что позволило надеяться на получение автономного источника, излучения.
Практический интерес к проблеме создания химического лазера объясняется тем, что в процессе многих экзотермнческих хкмических реакций (т. е. реакций, протекающих с выделением тепла) выделяется значительная энергия (до 2000 Дж(л) на единицу массы прореагнровавшего вещества. Одним из достоинств химических лазеров является богатый спектр генерируемых длин волн: от 1,3 до 2б мкм.
Излучение не- 184 которых длин волн из указанного диапазона не удается получить помощью других типов лазеров. Спектральный диапазон когерентного излучения, генерируемого химическими лазерами, лежит в области колебательных частот многих молекул, что дает возможность использовать химические лазеры для нетепдового стимулирования химических реакций путем резонансного воздействия на определенные колебательные степени свободы молекул.
Наиболее естественным аккумулятором энергии, выделяющейся в результате химической реакции, являются колебательные степени свободы образующихся молекул. Поэтому генерация излучения в химических лазерах осуществляется главным айраном на колебательно-вращательных переходах, Для получения »олекул з возбужденных колебательных состояниях наиболее часто используются реакции замещения, примерами которых служат следующие реакции: Р + Н, НРч + Н; Р+ Э»-» ЭР*+ Э; Н + С1, -+ НС1* + С1; С1+ К,) — НС1* + Д. В химических лазерах используются в основном цепные и самоподдерживающиеся химические процессы. В цепных процессах каждый химически активный центр (атом или радикал) воспроиз.водится в процессе реакции.
Это позволяет с помощью относительно небольшого количества химически активных центров путем многократного нх непользования сперерабытывать» в излучечение в химическом лазере значительный запас химической энергии,содержащейся в смеси, что и дает принципиальную возможность покрыть и даже перекрыть сатраты энергии па создание радикалов. Примером цепной реакции являетсп следующий процесс: Р+Н, НГ+К; Н+ Р, — КР'+ Р; Р + Н, -+ НР» + Н и т. д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
