10. Газодинамический лазер (гдл).

Физические основы его действия.

Это устройство относится к новому поколению нетипичных лазеров. С появлением ГДЛ возникла реальная возможность создания лазерного луча мощностью в десятки и сотни кВт, существующего в течение нескольких секунд.

Энергетические уровни и инверсия населенностей.

Рассмотрим набор молекул в газе. Отметим одну из молекул и проследим за ней. Молекула движется в пространстве, т.е. обладает поступательной энергией; она вращается вокруг своих главных осей – обладает энергией вращения. Атомы, образующие молекулы, могут совершать колебания около некоторого равновесного положения – они обладают кинетической и потенциальной энергией колебаний.

Наконец, электроны движутся относительно ядер молекулы – следовательно молекула характеризуется кинетической и потенциальной энергией электронов.

Однако, молекула в любой заданный момент времени может находиться лишь на каком-либо вполне определенном энергетическом уровне; иными словами энергия молекулы квантуется. Схематично это приведем на рис.

Теперь рассмотрим множество молекул и возьмем первый

квантовый энергетический уровень ₀ (основное состояние).

В некоторый момент времени на этом уровне может быть,

например, 400 тыс. молекул. Число 400000 характеризует

населенность N₀ уровня ₀.

Затем рассмотрим первый возбужденный уровень ₁; на этом

может быть, например, 200 тыс. молекул, иными словами

200000 – населенность уровня ₁ и т.д.

Набор чисел N₀, N₁, N₂ и т.д. характеризуют распределение населенностей энергетических уровней в газе.

Характер этого распределения является чрезвычайно важным для работы лазера. В качестве примера рассмотрим распределение колебательной энергии молекул в газе.

Е сли газ находится в состоянии термодинамического равновесия, то населенности колебательных уровней будут убывать по exp с ростом _i (рис.). Это Больцмановское распределение N­_i+1 < N_i.

Однако, если в некоторый момент времени это равновесие будет нарушено, например, с помощью электрического разряда или путем резкого изменения температуры, то распределение населенностей может оказаться неравномерным и может быть N_i+1 > N_i.

Такая ситуация называется инверсией населенностей.

Инверсия населенностей лежит в основе работы любого лазера.

Создание этой инверсии путем быстрого охлаждения газа определяет сущность газодинамического лазера. Так при расширении потока в сверхзвуковом сопле, температура газа очень быстро падает.

В области критического сечения сопла газ может охлаждаться со скоростью 10⁶ град/сек.

В ГДЛ используется смесь CO­₂ – N­₂ – H₂O.

В этой смеси при расширении, резком изменении температуры создается

инверсия.

Остается вопрос как инверсия приводит в работе лазера.

Рассмотрим молекулы, энергия которых характеризуется двумя уровнями. Имеются 3 механизма, посредством которых эти энергетические уровни взаимодействуют с внешним электромагнитным полем: спонтанное излучение, вынужденное излучение и поглощение.

Это показано на рис.

Р ассмотрим теперь молекулу, находящуюся в поле излучения, интенсивность которого в расчете на единицу частоты  равна I_.

П усть (А₂₁)_ - число спонтанных радиационных переходов, совершаемых одной молекулой в секунду в расчете на единицу частоты.

Эта величина называется коэффициентом Эйнштейна для спонтанного излучения.

(В₂₁)_ - число вынужденных радиационных переходов в расчете на единицу частоты т одну молекулу в секунду – коэффициент Эйнштейна для вынужденного излучения.

( В₁₂)_I_ - число вынужденных радиационных переходов, сопровождающихся поглощением в расчете на единицу частоты и одну молекулу.

(В₁₂)_ - коэффициент Эйнштейна для поглощения.

Р ассмотрим слой газа толщиной dx, I_ - интенсивность излучения (величина энергии, проходящая через единицу поверхности за секунду), падающего на этот слой газа слева, а (dI)_ - изменение интенсивности после прохождения излучения через этот слой.

Пусть также N₁ и N₂ число молекул, находящихся соответственно

на энергетических уровнях ₁ и ₂ в единичном объеме газа. В соответствии с этим можно записать:

Для инфракрасной области, характерной для молекулярных лазеров, спонтанное излучение пренебрежимо мало.

Кроме этого коэффициенты так связаны:

Здесь g₁ и g₂ статистические веса уровней 1 и 2.

Тогда уравнение будет:

Отсюда можно видеть: величина (dI)_/I_ будет положительная, если [(g₁/g₂)N₂ – N₁] > 0, т.е. когда населенность уровней ₂ и ₁ является инверсной. Следовательно, инверсия населенностей приводит к усилению интенсивности излучения I_.

В этом и состоит лазерный эффект: именно таким образом инверсия населенностей приводит к работе лазера. Схема ГДЛ.

В камере сгорания образуется нагретая под высоким давлением смесь газов (CO₂, N₂ и H₂O), которая быстро охлаждается при расширении в сверхзвуковом сопле. Образуется лазерная среда (с инверсией) затем в лазерный резонатор в виде зеркал то  пучок лазерного излучения. Затем газ поступает в диффузор, где тормозится до звуковой скорости.