6.4 Основные элементы лазера и их назначение.

Лазеры – это приборы, генерирующие когерентное излучение электромагнитной энергии в оптическом диапазоне на основе использования вынужденного – индуцированного излучения.

Синоним лазера – оптический квантовый генератор – в настоящее время не употребляется.

Изобретение лазеров явилось величайшим достижением современной науки. Применение лазеров поистине безгранично.

Генерацию излучения в лазерах обеспечивают четыре основных элемента – активное вещество, оптический резонатор, источник возбуждения (накачки) и источник питания.

Основным элементом, где зарождается генерация излучения, является активное вещество (активная среда) или рабочее тело. Активные вещества, которых в настоящее время насчитывается более 100, определяют конструкцию того или иного лазера.

Laser – light amplification by stimulated emission and radiation.

6.5 Химические лазеры на фтористом водороде.

Источником энергии химического лазера на фтористом водороде, разработка, которого в США в настоящее время наиболее продвинута, служит реакция между фтором и водородом:

F + H₂ → HF(возб.) +H

H + F₂ → HF(возб.) + F

Эта реакция хорошо изучена; в нормальных условиях она может приобретать неконтролируемый характер. Чтобы обеспечить устойчивость такой реакции, для работы лазера непрерывного действия газовую смесь фтора и водорода разбавляют азотом или гелием. Масса газовой смеси при этом возрастает в несколько раз, т.к. коэффициент разбавления составляет ~ 4.

Образующиеся в результате химической реакции молекулы фтористого водорода HF находятся в возбужденном состоянии. Возбуждаются колебательно-вращательные уровни, разделенные приблизительно одинаковыми энергетическими промежутками.

Степень возбуждения (особенно для второй реакции) достаточно высока – вплоть до десятого уровня, хотя основная доля излучения обусловлена переходами между низколежащими уровнями. Таким образом, лазер на фтористом водороде – это не монохроматический лазер: в его спектре излучения имеется большое число линий (в каждый колебательный уровень вырожден еще и по вращательным состояниям), занимающих диапазон длин волн в интервале от 2,6 до почти 3 мкм. Часто приводимая в связи с HF-лазером длина волны 2,8 мкм соответствует середине этого интервала.

Следует отметить, что как раз в интервале 2,5 – 3 мкм расположены многочисленные линии поглощения молекул водяного пара.

Для обеспечения прохождения лазерного излучения без существенных потерь вплоть до поверхности Земли предлагается использовать лазер на фтористом дейтерии, у которого излучение приходится на интервал длин волн 3,6 – 4 мкм, для которого атмосфера практически прозрачна.

Важной технической характеристикой химического лазера является удельное энерговыделение – количество энергии, которое можно получить от единицы массы газовой смеси. Проведем оценки этой величины для фтористого водорода и фтористого дейтерия.

Будем рассматривать DF-лазер с  = 3,8 мкм, что соответствует энергии фотона 0,33 эВ (для HF-лазера имеем, соответственно, 2,8 мкм и 0,44 эВ). Если считать, что химическая реакция завершилась полностью и каждая молекула DF (или HF) приняла участие в формировании лазерного излучения (причем каждая молекула излучила только один фотон), то грамм-молекула вещества излучает энергию:

W = 0,331,610^-19610²³ = 3,210⁴ Дж для DF и

W = 4,310⁴ Дж для HF.

Молекулярная масса DF равна 21 (20 для HF), так что с учетом коэффициента разбавления получим значение удельного энерговыделения:

q = 3,210⁴/(214) = 380 Дж/г для DF и

q = 530 Дж/г для HF.

Первые два предположения (полное сгорание и отсутствие дезактивации возбужденных молекул) приводят к завышению энерговыделения, допущение об излучении одного фотона занижает эффект.

Приведем оценки энерговыделения, сделанные ранее для фтористого водорода. В доклад Комитета советских ученых указана цифра 100 Дж/г, Союз обеспокоенных ученых (США) склоняется к величине 500 Дж/г, в исследовании Управления технологических оценок конгресса США дается цифра 1000 Дж/г. Наконец, в книге советских авторов под редакцией Басова “Химические лазеры” 1982 г указывается, что в зависимости от различных условий энерговыделение может меняться в пределах 100 – 1000 Дж/г.

Лазер непрерывного действия реализуется путем быстрой прокачки рабочей газовой смеси через резонатор. В современных мощных химических лазерах прокачка происходит со сверхзвуковой скоростью. Такая система похожа на работающий реактивный двигатель и является источником сильных вибраций, совершенно недопустимых в варианте, рассчитанном на космическое базирование. В настоящее время разрабатываются химические лазеры на фтористом водороде мощностью порядка нескольких мегаватт.

Коэффициент полезного действия лазера на фтористом водороде невысок (несколько процентов), но проблема сброса лишнего тепла решается в данном случае автоматически: тепло сбрасывается вместе с потоком отработанной газовой смеси, которая со сверхзвуковой скоростью выбрасывается в окружающее пространство. Следовательно, в процессе работы боевой лазерной станции вокруг нее должно образовываться облако газа, состоящее из молекул фтористого водорода в нормальном состоянии и молекул газа-разбавителя.

Можно указать на два вида помех, препятствующих нормальному функционированию такой боевой лазерной станции. Во-первых, это поглощение лазерного излучения окружающим газом, во-вторых, помехи в работе систем слежения и нацеливания из-за турбулентности и неоднородности газовой среды. Эти помехи накапливаются в процессе работы станции и могут существенно понизить ее боевую эффективность.

Похоже, все-таки, что эти помехи не столь велики в действительности. Прежде всего, лазерное излучение не монохроматично. Если даже произойдет поглощение линии, соответствующей переходу с первого возбужденного уровня на основной, без переизлучения, то общая интенсивность уменьшится незначительно, поскольку другие линии не будут поглощаться окружающим газом.

Чтобы ответить на второй вопрос, попробуем оценить количество газа, который может находиться в этом случае на луче зрения.

Д ля оценки порядка величины решим упрощенную задачу. Пусть сфера радиуса R изотропно испускает газ с общим расходом  (г/с). Тогда плотность газа на произвольном радиусе r определяется из соотношения:

где v – скорость расширения газового облака.

Отсюда легко определить эффективную массу газа на луче зрения  (г/см²).

Теперь остается выбрать соответствующие реальные параметры. Будем рассматривать лазер мощностью ~ 2 ГВт. Для минимального энерговыделения 100 Дж/г получаем  = 210⁷ г/с.

Примем R = 50 м = 510³ см (с учетом вышесказанного это представляется вполне разумным) и v = 10⁵ см/с. Тогда

Само по себе это значение  пока ни о чем не говорит. Отметим только, что оно значительно меньше величины, соответствующей случаю прохождения светового луча через земную атмосферу ( = 1000 г/см²).

Вышесказанное предположение об изотропности газовыделения упрощает ситуацию. При большом газовыделении вся анизотропия газовых струй эквивалентна реактивной тяге, вызывающей перемещения и развороты боевой космической станции. Для их компенсации потребуются значительные запасы топлива, сравнимые с массой рабочей газовой смеси лазера. Похоже, что эти паразитные эффекты могут создавать сильные помехи работе системы стабилизации по угловому положению.