3.5.5 Газодинамические лазеры

Газодинамические лазеры – это газовые лазеры, в которых инверсия населенностей создается в системе колебательных уровней энергии молекул газа с помощью адиабатического охлаждения нагретых газовых масс, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Другими словами, в качестве активной среды используется быстро охлаждаемая смесь газов, в которой и возникает при охлаждении инверсная населенность уровней.

Рис. 3.9 Схема газодинамического лазера

В упрощенной схеме газодинамического лазера (рис. 3.9) имеется камера сгорания, в которой сжигается углеводородное топливо с выделением большого количества углекислого газа. Нагретая газовая смесь молекул CO₂, Ar, Ne аэродинамическими средствами разгоняется до сверхзвуковой скорости (~ 1,8 км/с) и резко расширяется и охлаждается. Вследствие относительно большего времени жизни верхнего уровня молекул CO₂ и малого времени прохождения газа через сопло населенность возбужденного при нагреве газа верхнего уровня сохраняется за время движения молекул от камеры сгорания до оптического резонатора. Значительно меньшее время жизни молекул на нижнем уровне приводит к тому, что населенность нижнего уровня оказывается много меньше населенности верхнего уровня уже на расстоянии нескольких сантиметров от сопла. Далее газ поступает в резонатор, состоящий из двух зеркал, параллельных потоку. В непрерывном режиме газодинамические лазеры позволяют получать излучение мощностью до 100 кВт.

В современных газодинамических лазерах двуокись углерода получают при сгорании топлива (природный газ, керосин).

3.5.6 Химические лазеры

Химические лазеры относятся к классу газовых лазеров, в которых инверсия населенностей образуется в результате химических реакций. Возможность создания химических лазеров основана на том, что продукты многих экзотермических (т.е. с выделением тепла) реакций образуются преимущественно в возбужденных состояниях. Переход этих продуктов в нормальное состояние может сопровождаться электромагнитным излучением.

Большинство химических лазеров работает на колебательно-вращательных переходах двухатомных молекул. Возбужденные молекулы образуются в большинстве случаев за счет экзотермических реакций замещения

А+ВС→АВ+С+Δε (3.2)

где А и ВС – молекулы, вступающие в реакцию, а АВ и С молекулы вещества, образующиеся в ходе реакции.

Большая часть выделяющейся энергии Δε идет на возбуждение колебательных уравнений молекул АВ. В результате образуется неравновесный газ молекул АВ, в котором средняя величина колебательной энергии значительно превышает величину энергии, приходящейся на поступательные и вращательные степени свободы молекул. Такой неравновесный газ является активной средой с инверсной населенностью колебательных переходов.

Различают три вида химических реакций, на основе которых созданы химические лазера:

• фотодиссоциация или распад молекул под действием света;

• диссоциация молекул при электрическом разряде в газе;

• взаимодействие молекул, атомов и соединений.

Поскольку в результате реакций происходят необратимые изменения химического состава исходных реагентов, то необходимым условием длительной работы химического лазера является непрерывное возобновление рабочего вещества.

Основными параметрами, характеризующими эффективность работы химического лазера, являются отношение энергии лазерного излучения к энергии, затрачиваемой на инициирование химической реакции (энергетический КПД) и отношение энергии лазерного излучения к величине энергии, выделяющейся при химической реакции (химический КПД).

Поскольку энергия, требуемая для инициирования химической реакции, в большинстве случаев меньше энергии, которая выделяется в ходе экзотермических реакций, то энергетический КПД может значительно превышать 100 %. В тоже время химический КПД вследствие малой степени диссоциации молекул не превышает нескольких процентов.

Практическое применение нашли химические лазеры на основе цепной реакции фтора с водородом или дейтерием

F+

F+ (3.3)

Принцип работы этих лазеров основан на прямом преобразовании химической энергии в энергию лазерного излучения при быстром смешении сверхзвуковых химически активных потоков окислителя (содержит атомарный фтор, разбавленный в основном нейтральным газом, преимущественно гелием) и горючего (водород, дейтерий) (рис.3.10).

Рис. 3.10 Функциональная схема фтористо-водородных и фтористо-дейтериевых непрерывных химических лазеров

В результате протекания этих процессов в активной среде лазера формируется неравновесное по отношению к поступательной температуре распределение молекул HF(DF) по колебательным уровням. Это создает благоприятные условия для возникновения частичной инверсии населенностей одновременно трех нижних колебательных полос. Химическая реакция накачки является необратимым процессом, т.е. отработанные продукты реакции должны непрерывно удаляться из газодинамического тракта. Это практически исключает возможность реализации замкнутого режима работы фтористо - водородных и фтористо-дейтериевых непрерывных химических лазеров.

Оба типа лазеров излучают в инфракрасном диапазоне (3 – 4 мкм) за счет колебательных переходов молекул НF или DF. Их максимальная энергия в импульсном режиме достигает 10 кДж, а в непрерывном режиме при прокачивании активного вещества через резонатор со сверхзвуковой скоростью выходная мощность может достигать нескольких кВт при химическом КПД ~ 2 – 4 %. Также были разработаны химические лазеры, в которых в результате экзотермических реакций образовываются электронно - возбужденные молекулы. Лазерное излучение в них возникает за счет излучательного распада возбужденных молекул. Из большого числа исследованных химических реакций для создания электронно - возбужденных молекул или атомов в качестве активной среды практическую реализацию получил процесс создания инверсной населенности при переходе между состояниями тонкой структуры атомов йода с длиной волны 1,315 мкм. Лазер на таком процессе получил название кислородно - иодного лазера (КИЛ). Особенности его конструкции и области применения будет изложены в главе 4.