18. 8. Фізичні принципи лазерів.Характеристики лазерного випромінювання. Режими роботи лазерів. Спектр випромінювання лазерів різних типів

LASER-(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)-

підсилення світла вимушеним випромінюванням

Лазери:

-генератори(є дзеркала)

-підсилювачи(немає дзеркал)

1. Фізичні принципи лазерів

Фізичною основою роботи лазера служить квантовомеханічне явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Промінь лазера може бути безперервним, з постійною амплітудою, або імпульсним, що досягає екстремально великих пікових потужностей. У деяких схемах робочий елемент лазера використовується як оптичний підсилювач для випромінювання від іншого джерела.

Розглянемо в будь-якому середовищі два довільних енергетичних рівня 1(основний рівень) і 2(збуджений рівень) з відповідним населеностями N1 та N2. Нехай у цьому середовищі в напрямку осі z поширюється плоска хвиля з інтенсивністю, що відповідає густині потоку фотонів F. Тоді зміна густини потоку dF, обумовлене як процесами вимушеного випромінювання, так і процесами поглинання, в шарі dz (заштрихована область на рис. 1) визначається рівнянням

- середовище поводить себе як підсилювач

- середовище поводить себе поглинаюче

У випадку термодинамічної рівноваги N2 <N 1. Відповідно середовище поглинає випромінювання на частоті v, що зазвичай і відбувається. Однак, якщо вдасться досягти нерівноважного стану, для якого N2> N 1, то середа діятиме як підсилювач. У цьому випадку будемо говорити, що в середовищі існує інверсія населеностей. Середовище, в якому здійснено інверсію населеності, називатється активним середовищем.

Першоджерелом генерації є процес спонтанного випромінювання, тому для забезпечення «народження» фотонів необхідне існування позитивного зворотного зв'язку, за рахунок якої випромінюванням фотонів викликають наступні акти індукованого випромінювання. Для цього активне середовище лазера поміщається в оптичний резонатор. У простому випадку він являє собою два дзеркала, одне з яких напівпрозоре - через нього промінь лазера частково виходить із резонатора. Відбиваючись від дзеркал, пучок випромінювання багаторазово проходить по резонатору, викликаючи в ньому індуковані переходи. Випромінювання може бути як неперервним, так і імпульсним.

Характеристики лазерного випромінювання

1. Монохроматичність

ширина лінії лазерного випромінювання часто буває набагато вужще (приблизно на шість порядків величини!), ніж звичайна ширина лінії переходу 2 - 1, яка спостерігається при спонтанному випромінюванні.

2. Когерентність: просторова та часова

3. Напрямленість

4.Поляризація

промінь лазера має строго певну поляризацію. Для цього в резонатор вводять різні поляроїди, наприклад, ними можуть служити плоскі скляні пластинки, встановлені під кутом Брюстера до напрямку розповсюдження променя лазера .

5.Потужність (є одною з головних ознак яка відрізняє лазери від інших типів випромінювачів)

6.Короткі імпульси

7.Число заповнення порядку , тобто кількість фотонів на 1 моду.

Режими роботи лазерів

Лазери з вільною генерацією

Лазери з керованою генерацією

• Неперервний або стаціонарний режим накачки (тобто коли швидкість накачування не залежить від часу). Стаціонарна накачка призводить до стаціонарного режиму генерації, цей випадок можна розглядати як неперервний режим роботи лазера.

• Режим модуляції добротності- імпульсний- утворення надкоротких імпульсів

Спектр випромінювання лазерів різних типів

Спектр випромінювання лазерів залежить від типу активної речовини: тверде тіло та рідина-твердотільні, газові, н/п і т.д.

Рідина: відсутній орієнтаційний порядок, рух є хаотичним, тому відстані між молекулами змінюються постійно(аналог газу при високому тиску)- уширення є широким та однорідним

Тверде тіло: атоми є фіксованими- є орієнтаційний порядок- однорідне уширення.

В кристалах є кристалічне поле, яке визначається оточенням і залежно від симетрії, а саме існування неіквівалентних напрямків призводить до неоднорідного уширення.

Тому може бути однорідне та неооднорідне уширення.

10-12.

У відкритих системах, власне у яких можливий обмін речовиною й енергією (або інформацією) з навколишнім середовищем, упродовж безперервного процесу із просторово-

однорідного стану може мимовільно сформуватися більш складна просторова або часова структура (приміром, коли- вання концентрацій реаґентів у часі чи нерівномірний прос-

торовий розподіл концентрацій реаґентів по довжині реактора). Процес самовільного формування структури, більш складної, аніж первісна, називають самоорганізацією. Структури, що утворюються в процесі самоорганізації, називаються дисипативними структурами. Вивченням загальних закономірностей процесів самоорганізації в системах різної природи займається наукова дисципліна, що за пропозицією Г. Хакена одержала назву синергетика (англ. Synergetics). Цей термін походить від грецького συνεργία Synergos – (syn) разом, (ergos) діючий, дія, що означає спільну (кооперативну) дію. Уперше він був уведений англійським фізіологом і нейробіологом Ч. С. Шеррингтоном

(Charles Scott Sherrington (1857—1952)) приблизно сто років тому при дослідженні м’язових систем і керування ними з боку спинного мозку. В наш час ідеї синергетики застосовують-

ся в різних галузях природознавства(фізиці, хемії, біології), а також соціології, лінгвістиці, тощо.

Дисципліна «синергетика» ві дповідає на два фундаментальних питання: чому і як? Чому виника ють дисипативні структури і який критерій їхнього утворення? На перше питання дає відповідь дисципліна, що є одним з розділів синергетики – термодинаміка необоротніх процесів. На друге питання відповідає математичний апарат синергетики, що є її другим розділом. Схему розділів, що входять у наукову дисципліну «синергетика», наведено на рис.

Мета та завдання : одержання

знань про явище самоорганізації і властивості відкритих складних систем,

яких охоплено далекосяжним зворотнім зв’язком і які характеризуються ко-

оперативною поведінкою в умовах, далеких від стану термодинамічної рівно-

ваги, та математично описуються нелінійними диференційними рівнаннями;

ознайомлення з основними напрямами, методами і наявними результатами

досліджень у теорії самоорганізації, прикладами її застосування у фізиці

твердого тіла та функціональних матеріялів; набуття навичок у скороченому

статистичному описі розвитку конденсованої системи через складання і тво-

рче розв’язування відповідних рівнань фізики твердого тіла, що потрібно для

практики.

Об’єкт дослідження – процеси самоорганізації складних систем.

Предмет – це засади створення,

розробки і використання моделів і метод дослідження процесів самоорганіза-

ції (зокрема, у твердих тілах функціонального призначення для сучасних те-

хнологій), а також практичне застосування відповідних нелінійних метод до

динамічних моделів.

Особливості виникнення нестійкостей і утворення дисипативних струк-

тур у відкритих нерівноважних нелінійних системах на твердотільній основі

маємо розглянути на прикладах з фізики твердого тіла та фізичного матерія-

лознавства, насамперед, стосовно термоконцентраційних нестійкостей і про-

сторово-неоднорідних структур, спричинених ядровим або електромагнет-

ним опроміненням.

Понижена симетрія структури визначається не симетрією зовнішнього збурення (оскільки підігрів системи знизу є однорідним), а її нерівноважністю та кооперативністю відгуку її складових мікрооб’єктів на збурення конвекційним рухом рідини вгору поблизу центральних осей і вниз поблизу бічних граней Бенарових комірок (1900 р.) в умовах протидії йому дисипативних сил в’язкого тертя та процесів теплопровідности (температуропровідности), а також дії ефекту (Марангоні), який (через температурну залежність поверхневого натягу рідини) призводить до супутньої термокапілярної конвекції Бенара—Марангоні.

Тейлорів ефект (вихори)

Відносний рух рідини, що однорідно обертається між двох коаксіяльних циліндрів (нерухомим зовнішнім і внутрішнім, який обертається зі сталою швидкістю та через тертя залучає до обертання рідину), прагне бути однаковим у всіх площинах, перпендикулярних до осі обертання.За малих швидкостей обертання рідина утворює коаксіяльні лінії струму. Але із зростанням швидкости до першого критичного значення виникає рух рідини, навіть без зовнішніх впливів організований у так звані лямінарні (упорядковані) Тейлорові вихори, в яких рідина періодично рухається то назовні, то усередину в горизонтальних шарах. Із збільшенням швидкости до другого критичного значення Тейлорові вихори осцилюють з однією основною частотою, а з подальшим збільшенням швидкости – з двома основними частотами. Нарешті настає хаотичний рух.

Стояча і обертова хвилі

Залежна від часу еволюція радіяльної швидкости vr(r,θ,z) при r = (r1 + r2)/2 and θ = π

Флатерний ефект - – це динамічна механічна нестійкість системи «потік—пружнє тіло» через самозбудні незгаснівигинальні та крутні коливання частин тіла (наприклад, крила літального апарату), що виникають при досягненні так званої критичної швидкости флатера; може призвести до руйнування тіла. Флатерне явище пов’язане із незбігом розташу вань центру тиску на відповідну частину тіла на вколишнього середовища і центру цупкости відпо відної частини тіла (наприклад, крила) та ін. Ха рактеристиками апарату.

Баратерний ефект -

Баретер – це заповнений (тепловідводовим) воднем скляний балон, усередині якого розташовано тонку (тепловидатну) плятинову (залізну, вольфрамову) проволоку (нитку). Така устава має нелінійній електроопір, за якого у визначеному діяпазоні струмів незначний приріст сили струму дає значне зростання напруги на виводах. Є також напівпровідникові еквіваленти водневого баретера, яких зібрано на напівпровідникових приборах (транзисто рах) або інтеґральних.

Принцип дії полягає в тому, що при підвищенні прикладеної напруги зростає темпера-

тура нитки розжару і, відповідно, її опір. В результаті при зміні напруги на баретері сила струму практично не змінюється. Таким чином, баретер, включений послідовно з наванта женням, підтримує в ньому стабільний струм при змінах напруги живлення.

Ганнів ефект - було відкрито американським фізиком Дж. Б. Ганном (J. B. Gunn) у 1963 р. для двох напівпровідників з електронною провідністю: арсеніду ґалію (GaAs) і фосфіду індію

(InP). Він полягає у явищі ґенерації високочастотних ко ливань електричного струму I у напівпровіднику, для якого об’ємна вольт-амперна характеристика має N-подіб-

ний вигляд. Ґенерація відбувається, коли постійна напруга V, яку прикладено до напівпровідникового зразка довжиною l, є такою, що електричне поле Е = V/l в зразку обмежене границями: Е1 ≤ E ≤ E2. E1 та E2 обмежують і спадну ділянку вольт-амперної характеристики j(E), на якій диференційний опір є неґативним. Коливання струму мають вигляд серії імпульсів. Частота їх повторення є обернено пропорційною довжині зразка l.

Ганнів ефект зумовлений тим, що у зразку періодично виникає, переміщується по ньому і зникає область сильного електричного поля, яку називають електричною доменою. Домена виникає тому, що однорідний розподіл електричного поля за неґативного диференційного електроопору є нестійким (струм зменшується з ростом поля, густина струму менше там, де поле більше, тобто усередині дипольного шару).

Попервах неоднорідність, що виникла, не розсмоктується, а навпаки, наростає. Росте і спад напруги на дипольному шарі, а поза ним падає (оскільки повну напругу на зразку зафіксовано). Зрештою утворюється електрична домена з відповідним розподілом поля і густини заряду. Поле поза усталеної домени є меншим за порогове значення E1, завдяки чому нові домени не виникають.

10. Бістабільні.....

Блок-схема йонно-плазмової розпорошувальної системи, яка забезпечує бістабільний режим квазирівноважної стаціонарної конденсації – самоорганізації багатофазної системи плазма—конденсат (1 – анода (a), 2 – зона ерозії матеріялу, що розпорошується в режимі жеврійного розряду, стаціонарний перебіг якого забезпечується магнетронним ефектом і кумульовною дією порожнистої катоди, 3 – система магнетів, що сприяє багаторазовому зростанню густини плазми з йонів речовини, що розпорошується, у інертному середовищі, тиском якого реґулюється довжина вільного пробігу йонів плазми (до мкм), поблизу ростової поверхні, 4 – порожниста катода (c), 5 – шар адсорбованих атомів, 6 – конденсат, 7 – пі-

дложжя). Товщина прикатодного шару, де стається основний спад напруги, визначається Дебайовою екранівною довжиною

,де ε – діелектрична проник-

Є два основних питання, особливо важливих для визначення мікроскопічних (пито-

мих) властивостей дефектів, що виникають у результаті радіяційного пошкодження матеріялів, по змінах у макроскопічних матеріялах через опромінення:

1) у чому відмінність між дефектами, які утворюються під дією різних частинок, що

опромінюють, наприклад, електронів, невтронів або йонів?

2) яка концентрація дефектів ґратниці, що утворюються під дією заданого флюенса (тобто інтеґрованої за часом густини потоку Φ) проникних у кристал частинок?

Частка атомів цілей, що зазнали удари, для флюенса Φ дорівнює σΦ (σ – повний пере-

різ зміщення атомів) при опроміненні, наприклад, електронами. Проникні у кристал-ціль електрони взаємодіють із його електронами так само, як і з його ядрами. (У металах електрон-електронна взаємодія призводить також до виділення тепла.) Взаємодія електронів і ядер призводить до зміщення атомів з реґулярних позицій у ґратниці в міжвузловинні положення. Необхідні для утворення міжвузловинних атомів енергії в декілька електронвольтів можуть бути легко забезпечені за допомогою опромінення кристалу прискореними частинками. Для утворення при цьому (в основному поодиноких) так званих Френкелевих дефектів, – пар вакансія—міжвузловинний атом, – мають значення лише зіткнення з енергіями відбою Τ, більшими, аніж порогова енергія зміщення Τd. Так, навіть при лобовому зіткненні енергія електрона в 300 кеВ перетворюється в енергію відбою ядра Cu лише у 19 еВ. (Максимальна енергія, передана ядру Cu від осколкових невтронів з енергією 2

МеВ, підвищується до 125 кеВ.) За означенням, повний переріз зміщення –

11.

Хемічна реакція Бєлоусова—Жаботінского (195119611969), у якій упродовж три-

валого часу періодично пробігає хвиля, що змінює один колір рідини в пробірці на іншій, є найпопулярнішим прикладом самоорганізації. Так, при окисненні лимонної кислоти (C6H8O7) броматом калію (KBrO3) в кислотному середовищі в присутності

каталізатора, – позитивно заряджених йонів церію Ce, – виявляються так звані авто-

коливання: перебіг реакції змінюється з часом, що проявляється в періодичній зміні кольору розчину від безбарвного (за надлишку Ce3+) до жовтого (за надлишку Ce4+) і зворотно; ще більший ефект помітний у присутності індикатора – фероїну (2+)Fe(C12H8N2)3SO4.

Тепер під цією назвою об’єднується цілий клас споріднених хемічних систем, близьких за механізмом реакції, але таких, що розрізняються каталізаторами (Ce3+, Mn2+ та комплекси Fe2+ і Ru2+), органічними відновниками (лимонна кислота, малонова кислота, броммалонова кислота, яблучна кислота тощо) і окиснювачами (бромати, йодати та ін.). Хемічні реакції такого класу відбуваються в автоколивному режимі, за якого деякі характеристики реакції (услід концентраціям компонентів, не лише колір, а й температура та ін.) змінюються періодично, утворюючи складну

неоднорідну просторово-часову структуру реакційного середовища. За певних

умов ці системи демонструють дуже складні форми поведінки від реґулярних

періодичних до хаотичних коливань і є об’єктами дослідження універсальних

закономірностей нелінійних динамічних систем. Оскільки реакція перебігає за

досить високих температур, то таке поводження означає, що молекулі рідини,

які хаотично рухаються, все-таки періодично включаються в самоузгоджений

процес, що швидко поширюється об’ємом, спричинюючи колективну поведін-

ку системи – її самоорганізацію.

Досі не з’ясовано мікроскопічну картину такої самоорганізації, оскільки вона вимагає розуміння механізмів процесу, які в кожному окремому випадку мають різну природу. Власне для реакції Бєлоусова—Жаботінского умови вибору реаґентів, деталі проміжних реакцій, їхні параметри (насамперед, швидкості реакцій {kj} тощо) є недостатньо відомими. Проте, як би то не було, можливість появи коливного режиму випливає вже з розгляду простих моделів. Так, найпростіша хемічна реакція, яка має періодичну в часі поведінку, формулюється у вигляді:

У зв’язку з цим постає питання: чому навіть ці прості моделі уможливлюють описати таке складне колективне явище як самоорганізація? Відповідь на питання полягає в тому, що безліч можливих ступенів вільности складної системи підрозділяється на два класи: нескінченну безліч мікроскопіч них ступенів вільности і невеличке число макроскопічних (так званих гідродинамічних мод). Згідно з синергетичним принципом підпорядкованости, у ході еволюції системи гідродинамічні моди приг-

нічують поведінку мікроскопічних ступенів вільности, повністю визначаючи картину самоорганіза ції. У результаті колективна поведінка системи задається декількома параметризованими характе ристиками, які представляють амплітуди гідродинамічних мод. (Звісно, з іншого боку, у самооргані зації нерівноважної системи також має відігравати принципово важливу роль дисипація, що обумов лена процесами дифузії, в’язкости і/або теплопровідности і забезпечує перехід у стаціонарний стан.)

Спецкурси

4-8.

1.Вимоги до матеріалів

           Ракетно-космічна техніка потребує міцних і легких матеріалів. Щоб встановити, легкі чи нелегкі матеріали, досить здійснити порівняння їх одного показника - питомої ваги - γ  (або густини - ρ )

            Для порівняння міцності необхідне додаткове пояснення. Справа в тому, що силові елементи (тобто ті, які сприймають навантаження) можуть працювати за різними схемами (бути розтягнутими, стиснутими, зігнутими тощо). Це змушує у кожному конкретному випадку використовувати різні характеристики матеріалів. Існують три основні характеристики (показники):

      -межа міцності -σB  ;

      -межа плинності - σT  ;

      -модуль пружності (або модуль Юнга) - E .

Показник σB - найбільш важливий тоді, коли елемент конструкції розтягується (наприклад, коли надувати кулю, або розтягувати стрижень силою Т , див. мал.1б).

Руйнування розтянутого елемента полягає в його розриві. Іншими словами, межа міцності  - це величина механічного напруження в матеріалі, при якому він розривається. Вимірюється σB  в  Н/м2  або інших одиницях, що мають розмірність сили, поділеної на площу - Т/F. До елементів, які підлягають розтягненню в конструкції ракет, слід віднести болти, балони зі скрапленим газом, деякі паливні баки та ін. Зрозуміло, що більш ефективними матеріалами для них будуть ті, які мають більші значення σB .

 

        а)                                            б)

Мал. 1  Основні схеми навантаження елементів ракети

 

            Якщо ж будь-який елемент конструкції працює на стиснення (див. мал. 1а), то є ймовірність того, що він:

            1) або миттєво зігнеться і потім зруйнується;

            2) або зруйнується без помітного згинання внаслідок плинності матеріалу.

            Миттєве згинання зветься втратою сталості. Спостерігати це явище можна, якщо встромити в землю довгу та тонку лозинку і натискати на неї зверху з силою. Інша річ, якщо замість лозинки взяти виготовлений із глини невисокий та товстий стовбчик і також натискати на нього. Його руйнування буде супроводжуватись плинністю матеріала.

 Певна річ, дерево та глина у конструкції ракет майже не використовуються, але матеріали, які застосовуються там, мають ті ж схеми руйнування.

            Плинність матеріалу характеризується границею плинност і- σT. Це таке механічне напруження, при якому в матеріалі розпочинаються незворотні пластичні деформації. Вимірюється σT (як і σB ) в н/м2 або інших одиницях, де у чисельнику одиниці сили, а у знаменнику - одиниці площі. Характеристика матеріала  σT важлива для тих елементів, що працюють на стиснення, але не втрачають сталості.

Якщо ж робота елементу конструкції пов‘язана з можливістю втрати сталості, то матеріал для нього треба вибирати за показником модуля пружності (модуля Юнга) - Е. На відміну від σT та σB цей показник характеризує не міцність матеріалу при розтягуванні або стисненні, а його жорсткість. Чим більше Е, тим більш жорстким є матеріал, внаслідок чого він менше деформується при заданому навантаженні. А якщо матеріал більш жорсткий, він краще чинить опір, наприклад, згинанню, тобто краще працює. Тому у конструкціях ракет, де багато тонких елементів, бажано використовувати матеріали, що мають великі модулі пружності. Найбільш поширеними тонкостінними елементами ракет є оболонки, стрингери, шпангоути та ін. (див. Завдання №2). Слід зауважити, що розмірність Е така ж, як і σT (або σB).

            Таким чином, щоб вибрати найкращі матеріали, необхідно порівняти їх основні показники і віддати перевагу тим, які мають найменші  і найбільші σT, σB та Е (в залежності від схеми навантаження). Але часто буває так, що у матеріалу найбільшаσT(або σB чи Е), однак він має і більшу γ. Наприклад, міцні сталі мають більшу σB, ніж сплави алюмінію, але в той же час γсталей також більша. Що краще - сталь чи алюміній? Щоб просто вирішити це питання, можна скористатися відносними показниками, які дуже часто застосовують фахівці ракетно-космічної техніки. Це є питома міцність  σB/γ , або σT/γ  та питома жорсткість  - Е/γ . Кращим, з точки зору мінімальної ваги, буде матеріал, який має більшу питому міцність (чи питому жорсткість).

            Окрім мінімальної ваги до матеріалів висувається ще низка вимог:

                        - висока жароміцність;

                        - корозійна стійкість;

                        - хороша зварювальність;

                        - добрі штампувальні властивості;

                       - низька вартість.

            Жароміцність матеріалів здебільшого необхідна в конструкції таких теплонапружених вузлів ракети, як камери згоряння двигунів, їх соплові блоки тощо. Так, температура газів, що утворюються при згорянні палива сягає 2000-2500 К.  І хоч у таких умовах часто використовуються системи охолодження або теплозахисні покриття, конструкційний матеріал камер та сопел повинен зберігати свою працездатність.

 Корозійна стійкість важлива для матеріалів баків, двигунів та з‘єднуючих їх трубопроводів, коли на ракеті застосовуються агресивні компоненти палива. Очевидно, якщо паливо "роз‘їсть", наприклад, стінку бака, то це призведе до катастрофи.

            Усі місткості на ракеті мають бути герметичними і тому виготовляються шляхом зварювання. Але не всі матеріали зварюються. При конструюванні баків, трубопроводів, балонів та інших елементів, що контактують з рідиною або стислим газом, необхідно вибирати саме такі матеріали, які можна надійно з‘єднати шляхом зварювання.

            Багато елементів ракетних конструкцій краще виготовляти штамповкою. Штамповані деталі є найдешевшими, а тому вимога до матеріалів мати добрі штампувальні властивості дуже важлива.

            Також важливо, щоб матеріал мав низьку вартість. Це є особливо актуальним, коли матеріал від лабораторних зразків переходить у стадію впровадження на реальні вироби. Якщо матеріал дуже добрий за міцністю, але дуже коштовний, то з економічних міркувань застосування його може бути відкладене.