Газодинамические лазеры и их промышленное применение

Реферат

Газодинамические лазеры — это разновидность молекулярных газовых лазеров, у которых источником энергии служат колебательно-возбужденные молекулы, содержащиеся в нагретом до высокой температуры газе, усиливающая среда образуется за счет процессов тепловой релаксации молекул во время течения газа через сверхзвуковое сопло и усиливающая газовая среда движется через оптический резонатор со сверхзвуковой скоростью. Эти три признака выделяют их среди молекулярных лазеров других типов, а также среди газовых лазеров с движущейся активной средой. В лазерах этого типа впервые реализован принцип прямого преобразования тепловой энергии в энергию когерентного электромагнитного излучения.

Газовая среда ГДЛ представляет собою трехкомпонентную газовую смесь. Каждый газ, входящий в состав смеси, играет свою функционально определенную роль в работе лазера. Первый компонент, концентрация которого в составе смеси наибольшая (молекулярный азот, 80-90% объемных долей) представляет собой двухатомный газ с большим временем колебательной релаксации. Его молекулы способны длительно сохранять колебательное возбуждение, полученное ими на начальном участке течения при высокой температуре газовой смеси. Благодаря этому свойству, потери колебательно-возбужденных молекул незначительны за время движения газа от камеры сгорания до оптического резонатора. Энергия колебательного движения молекул азота является в ГДЛ тем самым источником или резервуаром энергии, откуда черпается энергия для генерации. Если в составе смеси содержится мало азота или его нет совсем, то газодинамический лазер будет работать, но он будет маломощным. Эта энергия выражается числом m колебательных квантов, которые в среднем приходятся на одну молекулу азота при начальной температуре газовой смеси Т 0

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 1 ,

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 2 .

Где θ — энергия колебательного кванта. Число колебательных квантов m больше, чем относительная населенность n 1 первого колебательного уровня молекулы азота, поскольку в газе содержатся молекулы, имеющие по 2 и более квантов. В общем случае молекула на уровне u = k, имеет k колебательных квантов. Например, T0 = 1300°K, m = 8,1 %, n1 = 7,0 %.

Второй компонент в составе смеси (углекислый газ 5-10 % объемных долей) представляет собой молекулярный газ с коротким временем колебательной релаксации. Молекула СО 2 ииеет разрешенные дипольнне переходы в инфракрасной области спектра и, в частности, колебательно-вращательную полосу 10,6 мкм, поэтому она взаимодействует с электромагнитным полем, у молекулы СО2 имеется колебательный уровень (00°1), Е = 2349 см-1 , который почти совпадает по энергии (дефект энергия ΔE = 18 см-1 ) с первым колебательным уровнем молекулы N2 , поэтому между ними существует резонансный обмен колебательным возбуждением (см. рис. 1).

9 стр., 4093 слов

Очистка газов от оксидов азота

... бы добиться полной утилизации N2О (независимо от концентрации N2О в исходной смеси) в относительно мягких условиях ... в продуктах реакции оксидов азота NO и NO2 (5-10 ppm). В основу настоящего изобретения положена задача создания такого способа очистки отходящих газов от оксида азота (I), который позволил ...

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 3

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 4

Схема нижних энергетических уровней молекул СО 2 и N2 (упрощенная)

Короткое время колебательной релаксации молекулы С0 2 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. Это справедливо для всех уровней, кроме уровня (00°1), населенность которого поддерживается почти неизменной за счет столкновений с возбужденными молекулами азота, которые сопровождаются передачей кванта от N2 к СО2 . Нижний лазерный уровень (10°0), Е = 1388 см-1 расположен высоко над основным состоянием и при температуре сверхзвукового потока Т = 280-320°К населен слабо, так что в текущем газе на входе в оптический резонатор существует состояние инверсной населенности.

Поскольку излучающей молекулой в ГДЛ является молекула СО 2 , а носителем колебательного возбуждения молекулы N2 , то энергия высоко возбужденных молекул N2 , находящихся яа уровнях u=2 и выше, может быть полностью переведена в энергию возбуждения молекул СО2 , т.е. на каждый колебательный квант молекулы N2 получится одна молекула СО2 на уровне (00°1), если релаксация молекул азота в газовой смеси протекает постадийно путем обмена, когда молекуле азота, находящаяся на уровне u = k, порождает k молекул на первом колебательном уровне. Для уровней лазерного уровня и, как следствие этого, заметную дезактивацию молекул азота.

Сверхзвуковое сопло выполняет в ГДЛ сразу две функции: оно создает усиливающую лазерную среду и формирует газовый поток со скоростью движения ~1,5 км/сек. Для сопел, которые используются в ГДЛ, характерна малая высота критического сечения 0,3-1 мм. Этот размер сравним с толщиной пограничного слоя. Геометрические размеры сопел также невелики, поэтому время движения газа через такое сопло сравнимо со временем колебательной релаксации молекул газовой смеси. Молекулы азота, проходя через сопло, теряют незначительную часть колебательных квантов, молекулы СО 2 , наоборот, теряют практически всю свою колебательную энергию кроме той части, которая связана о населенностью уровня (00°1).

Населенность колебательных уровней молекул воды из-за короткого времени релаксации всегда термически равновесна и соответствует температуре текущего газа. С энергетической точки зрения действие сопла характеризуется эффективностью φn безразмерной величиной, которая показывает какая доля колебательных квантов, принадлежащих молекулам азота, сохраняется в потоке после того как газ прошел через сопло. Для характерных режимов работа ГДЛ φn =0,5-0,8. Это означает, что 50-80% колебательных квантов, которые содержались в потоке газе на входе в сопло, сохранились на его выходе. На рис. 2 показано, как изменяется конценрация колебательных квантов молекул азота по мере тoго, как объем газа проходит через сверхзвуковое сопло.

23 стр., 11302 слов

Сварка в углекислом газе

... сопла. При слишком большом вылете ухудшается устойчивость дуги, наблюдается плохое формирование шва. Процессы при сварке в углекислом газе. В зоне сварки при высокой температуре углекислый газ диссоциирует: ... металла, а при сварке в среде многоатомных газов под воздействием дополнительного давления в зоне активного пятна, связанного с диссоциацией молекул газа. Разновидности переноса металла. ...

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 5

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 6

  • камера высокого давления, 12 — сверхзвуковое сопло, 14 — критическое сечение, 16 — зона расширения, 18 — зона взаимодействия, 20 — зона установившегося течения, 22 — зона лазерной генерации, 24 — выход газа на рециркуляцию

Изменение концентрации колебательных квантов, принадлежащих молекулам N 2 , как функция координаты вдоль направления течения газа через сопло, расчет произведен для плоского профилированного сопла с угловой точкой на число Маха 4,5 для некоторых характерных условий работы ГДЛ.

Здесь же изображен контур сопла (заштрихованная часть рисунка).

Для того, чтобы представить cебе профиль сопла полностью, нужно дополнить рисунок его зеркалным отображением относительно горизонтальной оси координат.

Из рисунка видно, что наибольшие потери колебательно-возбужденных молекул азоте происходят вблизи критического сечения и что примерно половина начальной концентрации N 2 сохраняется, следовательно, φn = 0,5.

Оптический резонатор в составе ГДЛ выполняет те же функции, что и в лазерах другого типа, он поддерживает интенсивное электромагнитное поле в некотором объеме и формирует направленное излучение. С энергетической точка зрения его действие характеризуется эффективностью φ r , которая показывает, какая часть колебательных квантов, принадлежащих молекулам азота и поступивших с потоком газа на вход резонатора, перерабатывается в кванты электромагнитного поля и выводятся в виде полезного излучения из резонатора. Эта величина зависит от многих факторов. Для экспериментальных реализаций резонаторов величина φr лежит в диапазоне 0,01-0,8. Всякая газодинамическая установка непрерывного действия характеризуется величиной Q, которая носит название расхода. Расход газа одинаков в любом сечении газодинамического тракта при стационарном режиме течения. Эту величину для ГДЛ можно вычислить или измерить несколькими способами. В технике величина расхода измеряется числом кг газа, протекащего по газодинамическому тракту в сек, для квантовой электроники удобно мерить эту величину числом молекул, которые проходят по тракту в сек. Например, расходу газа Q = 10 кг/сек в ГДЛ соответствует Q = 2*1026 молекул/сек.

Вывод формулы, по которой учитывается выходная мощность ГДЛ в стационарном режиме работы, основывается на следующих рассуждениях. Представим себе ситуацию, когда каждая молекула газовой смеси, прошедшая по газодинамическому тракту, отдавала в полезное излучение по одному фотону энергии hν, тогда выходная мощнооть лазера Р выражалась простой формулой

На самом деле, не каждая молекула вносит свой вклад в выходное излучение, и эту простую формулу нужно дополнить множителями нулевой размерности, которые это учитывают.

16 стр., 7818 слов

По химии «Инертные газы»

... газу своё название. Э.Дорн, занимавшийся радием, открыл наиболее долгоживущий изотоп газа Строение атомов и молекул. Благородные газы ... Инертные газы имеют более низкие точки сжижения и замерзания, по сравнению с другими газами с тем же молекулярным весом. Это происходит из-за насыщенного характера атомных молекул инертных газов. Химические свойства. Инертные газы ... чистого азота, ... смесь ксенона и ...

Во-первых, не вся газовая смесь состоит из молекул азота (κ- содержание азота в смеси) и на каждую молекулу N 2 приходятся в среднем m колебательных квантов. Во-вторых, не все колебательные кванты попадают в оптический резонатор, часть из них теряется при течении газа через сопло (эффективность сопла φn ), и наконец, энергию только части из них оптический резонатор переводит в полезное излучение (эффективность резонатора φr ).

Окончательно формула для выходной мощности записывается как

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 7

Эта формула не учитывает квантов, принадлежащих молекулам СО 2 на уровне (00°1), из-за малой концентрации их в составе смеси. В качестве иллюстрации формулы приведем пример подсчета. Для Q = 2*1026 сек-1 ; hν = 2*10-20 Дж; κ = 0,8; m = 8.1%; φn = 0,5; φr = 0,5; величина P = 60 КВт.

Для сравнения газодинамических лазеров с различным расходом, используют величину, которая характеризует качество и техническое совершенство установки. Эта величина — удельный энергосъем p=P/Q, выходная мощность, отнесенная к единице расхода газовой смеси. Используя понятие удельного энергосьема, кратко обсудим пути увеличения выходной мощности ГДЛ, не связанные с увеличением расхода газа. Во-первых, естественно, постараться увеличить число колебательных квантов, приходящихся на одну молекулу газовой смеси. Однако, значительно увеличить концентрацию азота за счет других компонент не представляется возможным. Можно увеличить среднее число колебательных квантов, приходящихся на одну молекулу азота, повышая исходную температуру raзoвой смеси. Однако, при этом нужно быть уверенным, что процесс колебательной релаксации высоко возбужденных состояний молекул N 2 происходит опиcанным выше способом. Существенное увеличение эффективности сопла также не представляется возможных Наконец, осталась последняя величина — эффективность резонатора φr .

Для более детального расчета энергетических характеристик лазера было осуществлено приближение, при котором предполагается локальное термодинамическое равновесие между 1-й и 2-й модами молекулы углекислого газа, и они объединяются в блок I. В дополнение к этому, в следствие различия энергетического уровня (001) молекулы СО2 и v=1 молекулы N2 всего на 18 обратных сантиметров, они находятся почти в резонансе и также добавляются в блок II. Данные допущения применимы при расчете величины коэффициента усиления слабого сигнала.

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 8

Упрощенная модель колебательного энергообмена в смеси CO2-N2

Применяя указанную модель, расчетным путем получают значения колебательной температуры блоков I и II, а также поступательной температуры смеси.

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 9

Сравнения распределения колебательной и поступательной температур в стационарном потоке газа вдоль сопла

Оптические резонаторы, как говорилось выше, выполняют две функции: они поддерживают высоко интенсивное электромагнитное поле на некотором участке пространства и формируют направленное излучение. Формирование направленного лазерного излучения связано с конструкцией резонатора и всей установки ГДЛ в целом.

26 стр., 12817 слов

Состав нефти и газа

... нефтехимического синтеза. 1.1. Химический состав нефти. В состав нефти входит около 425 углеводородных соединений. Главную часть нефтей составляют три группы ... газа в целом приходится около 15% совокупного потребления газообразных углеводородов. Нефть представляет собой взаимный сопряжённый раствор углеводородов и гетероатомных органических соединений. Надо подчеркнуть, что нефть – это не смесь ...

В мощных лазерах с движущейся активной средой условия работы оптического резонатора имеют свои особенности. Движение активной ореды через резонатор порождает новый вид потерь, свойственный только лазерам этого типа, потери за счет выноса возбужденных частиц из резонатора. Запас энергии в потоке газа сосредоточен в молекулах азота, а взаимодействуют с электромагнитным полем молекулы СО 2 . За время движения газа через резонатор энергия переходит к молекулам СО2 , а те в свою очередь отдают ее электромагнитному полю. Напряженность ноля внутри резонатора по разным причинам может оказаться недостаточной, тогда молекулы СО2 не успевают переработать в излучение весь запас колебательных квантов, и поток газа уносит значительную часть возбужденных молекул азота. В резонаторах с малой напряженностью электромагнитного поля потери возбужденных молекул за счет выноса из резонатора — главный вид потерь. Вторая особенность также связана с движением активной среды. Течение газа с большой скоростью порождает в потоке различного рода оптические неоднородности в виде турбулентынх вихрей, кильватерных (спутных) следов от сопловых лопаток и слабых ударных волн, идущих от стенок канала. Эти особенности выделяют газовый поток среди других газовых сред для лазеров в новый самостоятельный вид активной лазерной среды.

Рассмотрим далее модель рабочей среды на участке течения газа через оптический резонатор. Эта модель описывает процессы на молекулярном уровне, которые происходят в активной среде под действием электромагнитного поля внутри резонатора. Основная трудность при составлении всяких кинетических уравнений состоит в анализе того, что важно, а что нет для рассматриваемого явления, что обязательно нужно учесть, а чем можно пренебречь. Кинетические уравнения в окончательном и безразмерном виде записываются следущим образом:

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 10

Здесь х — относительная концентрация молекул СО 2 на верхней лазерном уровне, y — концентрация молекул азота на уровне u = 1. Нормировка ведется на полное число молекул газовой смеси в единице объема. Член (a1 +w)x описывает переходы молекул СО2 с верхнего лазерного уровня за счет тепловой релаксации и под действием электромагнитного поля. Такого же члена во втором уравнении нет. Это означает, что молекулы N2 непосредственно с полем не взаимодействуют и потерями возбужденных молекул азота за счет прямой релаксации пренебрегается, что вполне справадливо при низкой температуре газовой среда и малой концентрации паров воды в составе смеси. Потеря колебательного возбуждения активной среды как под действием излучения, так и за счет тепловой релаксации происходит только через молекулы СО2 . Члены -(1-с)x+сy описывают обмен колебательным возбуждением между молекулами СО2 и N2 . Онм входят в оба уравнения с противоположными знаками. Здесь с — концентрация углекислого газа в cоставе смеси. Поскольку содержание паров воды мало, то (1-с) с хорошей точноотью есть концентрация молекул азота в составе смеси. τ — безразмерное время.

14 стр., 6534 слов

Взаимодействие лазерного излучения с веществом

... потока излучения). Последнее связано со специфической особенностью лазерных ... свойствами облучаемых веществ и лежит ... излучением множества атомов и, сосредоточенная в оптическом резонаторе энергия генерируется таким образом, что вновь возникающее излучение оказывается в фазе с ... полей ... излучение некогерентных источников является результатом генерации колебаний огромного множества атомов (ионов, молекул, ...

В системе кинетических уравнений нет уравнения, которое описывает населенность нижнего лазерного уровня. Это связано с тем, что населенность нижнего лазерного уровня всегда мала и ее можно не учитывать. Возвращаясь к цепочке переходов, которые совершаются молекулой СО 2 , следует сравнить две частоты: частоту, с которой молекула СО2 получает возбуждение, столкнувшись с молекулой N2* на уровне u = 1, и частоту дезактивации нижнего лазерного уровня за счет столкновений с молекулами воды. Оказывается, что при концентрации паров воды в составе смеси ~2 % и концентрации колебательно-возбужденных молекул N2* ~2-5% дезактивация нижнего уровня происходит в 10-20 чаще, чем передача возбуждения. При очень cильном электромагнитном поле внутри резонатора узким местом в цепочке переходов оказывается именно передача возбуждения.

Кинетические уравнения линейны, в то время как уравнения химической кинетики для бинарных процессов нелинейны. Линеаризация была сделана в силу того, что концентрация возбужденных молекул СО 2 и N2 мала по сравнению с их общей концентрацией. Например, в члене, который описывает обмен колебательным возбуждением, вместо концентрации молекул N2 в основном колебательном оостоянии написана полная концентрация молекул азота в составе смеси. Аналогичная замена оделана с концентрацией углекислоты. После того, как уравнения превратились из нелинейных в линейные, вместо константы скорости процесса вводится характерное время или характерная частота. Естественной единицей частоты для газовой среды является частота межмолекулярных соударений. Если пренебречь различием в сечениях, то для молекул имеется средняя газокинетическая частота ν. Эта величина умножается на вероятность передачи a колебательного возбуждения от N2 к СО2 и обратно. Предполагается, что передача возбуждения в прямом и обратном направлении имеет одинаковую вероятность, a небольшим различием в скоростях, которое в действительности имеется, пренебрегается. Характерная частота aν или соответетвующее ей время 1/aν имеют следующий физический смысл. Представим себе, что при той температуре и давлении, которые имеются в газовом потоке, имеется одна возбужденная молекула N2 в окружении молекул СО2 в основном колебательном состоянии, тогда 1/aν есть среднее время, за которое молекула передает свое возбуждение окружающим ее молекулам. Аналогичное рассуждение справедливо для молекулы СО2 в окружении молекул N2 . Для типичных условий работы ГДЛ характеркая частота aν ~106 сек-1 . Безразмерное время τ связано со временен t соотношением

Выделение в задаче характерной частоты означает, что вероятности других процессов оказываются нормированными на эту частоту. Например, вероятность тепловой релаксации a 1 есть безразмерная величина ~ 0,03. Это означает, что потеря колебательного кванта молекулой СО2 в 30 раз менее вероятна, чем передача его молекуле азота.

26 стр., 12686 слов

Лазерная технология

... расходимость, имеют огромную мощность излучения. Таким образом, для получения лазерного излучения необходимо иметь частицы, в которых может быть создана инверсная заселенность, резонатор и устройство, обеспечивающее получение ... и газовые лазеры, активными частицами которых могут быть атомы, ионы или молекулы собственно газов или пары металлов. твердотельных лазеров Свойства активного вещества ...

Остановимся на члене, который описывает взаимодействие молекулы СО 2 с электромагнитным полем. Вероятность перехода под действием поля

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 11

где I — интенсивность лазерного излучении (Вт/см 2 ), σ — сечение взаимодействия (см2 ).

Введение понятия сечения очень удобно с математической стороны, однако оно требует ясного физического понимания пределов применимости такой формы записи. Сечение взаимодействия — сложная величина, которая зависит:

от молекулярных констант, таких как вероятность радиационного перехода и сечение ударного уширения,

от параметров газовой среды, в которой находится молекула, в частности от состава смеси, температуры и давления через ширину спектральной линии и распределение по вращательным уровням,

от свойств лазерного излучения, с которым взаимодействует молекула, и в частности от его частоты. С монохроматическим лазерным излучением взаимодействует только очень небольшая часть молекул СО 2 , а именно только те, которые находятся на соответствующем вращательном уровне, а среди этих только те, которые попадают в пределы однородной ширины линии. Введение сечения, которое относится ко всем молекулам на колебательном уровне, означает, что скорости релаксационных процессов, которые выравнивают нарушенное излучением больцмановское распределение повращательным состояниям и распределение молекул в пределах одной линии, больше, чем скорость перехода молекулы СО2 под действиям излучения. Это накладывает ограничения сверху на интенсивность электромагнитного поля. Подсчеты показывают, что этот предел составляет 2*106 Вт/см2 . В ГДЛ непрерывного действия интенсивность поля существенно меньше этой величины, поэтому понятие сечения остается справедливым.

Перейдем к анализу системы кинетических уравнений, который возможно провести в общем виде, и, в частности, корней характеристического уравнения. Воспользовавшись тем, что с ~ 0,1 с точностью до членов ~ c 2 имеем:

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 12

Оба корня отрицательны, следовательно, система приходит в равновесие без колебаний. Допустим, что электромагнитного поля нет w = 0, тогда учитывая, что a 1 <<1, имеем

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 13

Экспоненциальный член в решении уравнения с корнем ν 2 описывает быстрый процесс установления равновесия между возбужденными молекулами N2 и СО2 . Тот член в решении, который соответствует корню ν2 , описывает медленную совместную дезактивацию колебательно-возбужденных молекул N2 и СО2 . Поскольку усиливающая среда движется, то времени 1/сa1 соответствует характерная длина l1 , на которой происходит затухание усиливающих свойств среды без электромагнитного поля

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 14

11 стр., 5197 слов

Лазерные технологии (2)

... полупроводниковыми материалами, определяющие возможности таких быстро развивающихся областей лазерной технологии, как лазерный отжиг полупроводников, лазерное легирование, геттерирование, напыление тонких эпитаксиальных пленок, а также ... частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть ...

где u — скорость движения газа, Газодинамические лазеры и их промышленное применение 15 — вероятность колебательной дезактивации молекулы СО2 . Для типичных условий работы ГДЛ величина l1 = 50 см. Параметр l1 определяет верхнюю границу длины оптического резонатора вдоль потока.

Рассмотрим другой случай, когда рабочая среда находится в сильном электромагнитном поле. Условие сильного поля w>>1 означает, что вероятность вынужденного радиационного перехода молекуле СО 2 существенно больше, чем вероятность передачи возбуждении. Корню уравнения соответствует характерная длина l2

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 16

для типичных условий работы ГДЛ величина l 2 = 1,5 см, она определяет нижнюю границу длины резонатора вдоль потока.

Поскольку узким горлом в цепочке переходов, которые совершает излучаемая молекула, является передача колебательного возбуждения, то характеристическая частота aν определяет мощность насыщения (из условия w = 1), а вместе с ней интенсивность потока излучения I внутри оптического резонатора

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 17

Для типичных режимов работы I = 10 КВт/см 2 .

Обратимся теперь к моделям оптических резонаторов и вычислению величины их энергетической эффективности φ r . Рассмотрим резонаторы с однородным (тип 1) и неоднородным (тип 2) электромагнитным полем, которые являются предельными случаями реальных оптических резонаторов. Пусть область пространства, где существует электромагнитное поле, представляет собой прямоугольный ящик, совпадающий по высоте H и ширине L с поперечными размерами сверхзвукового потока (см. Рис. 3).

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 18

Рис. 3. Конфигурация и геометрические размеры оптического резонатора. Стрелкой указано направление движения газового потока. Длина резонатора вдоль потока Газодинамические лазеры и их промышленное применение 19 — размера первой зоны Френеля

Направление движения газа указано стрелкой, а вертикальные линия условно изображает сопловую решетку. Зеркала расположены на боковых поверхностях параллелепипеда. Один тип резонатора устроен так, что поле внутри него одинаково по напряженности во всех его точках (тип 1).

В какой бы из его частей ни была извлечена энергия из проходящего через него потока активной среды, она равномерно распределится с помощью зеркал по всему объему. При генерации излучения поле возрастает или убывает сразу по всему объему. Этот резонатор имеет длину вдоль потока l, которая изменяется по нашему желанию. Вместе с изменением длины резонатора увеличивается или уменьшается площадь боковых поверхностей, занятых зеркалами. Другой тип резонатора с неоднородным полем (тип 2) представляет собой совокупность многих элементарных резонаторов, каждый из которых действует независимо один от другого. Площадь зеркал элементарного резонатора порядка первой зоны Френеля, связь между ними осуществляется через общую активную среду, которая по мере своего движения проходит всю цепочку резонаторов по направлению потока. Связь через электромагнитное поле между резонаторами отсутствует. Общая длина резонатора с неоднородным полем вдоль потока не фиксирована, она определяется порогом самовозбуждения. Коэффициент прозрачности выходного зеркала одинаков для всех элементарных резонаторов. Если произвести расчет выходной мощности, а затем произвести оптимизацию по величине пропускания выходного зеркала, то эффективность резонатора типа 2 зависит только от одного параметра b, который имеет смысл превышения над порогом самовозбуждения

11 стр., 5098 слов

Лазерная литография

... плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, напряженности магнитного поля. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем ... диапазоне не объемных (как в СВЧ диапазоне), а открытых резонаторов. Заметим, что конструктивно открытый резонатор отличается от объемного тем, что убраны боковые проводящие стенки ...

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 20

где k 0 L — показатель усиления на один проход для слабого сигнала, R — коэффициент отражения по мощности отражающей поверхности зеркал резонатора, βL -показатель неактивного ослабления на длине волны генерации, который обусловлен рассеянием и поглощением излучения на оптических неоднородностях в газовом потоке.

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 21

В общем случае эффективность резонатора типа 1 с неоднородным полем кроме параметра b зависит также от длины резонатора вдоль потока

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 22

где ε — коэффициент, определяющий долю моцности, которая выводится из резонатора в качестве полезного излучения. Переменная ω находится из решения уравнения

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 23

Для каждого значения параметра b существует единственный максимум велжчины φ r как функции двух параметров ε и a. На рис. 4 проведено сравнение эффективности резонаторов обоих типов с одинаковой активной средой. Резонатор типа 1 оптимизирован по пропусканию выходного зеркала, а резонатор типа 2 — по коэффициенту вывода полезного излучения в длине резонатора вдоль потока

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 24

Рис. 4. Энергетическая эффективность оптического резонатора о однородным (I) и неоднородым (II) электромагнитным полем как функция превышения над порогом самовозобуждения

Из рисунка видно, что резонатор с однородным нолем имеет систематически более высокую эффективность, чем резонатор с неоднородным полем, однако, это различие не слишком велико. Для обоих типов резонаторов справедлив вполне естественный вывод о том, что высокая энергетическая эффективность их действия может быть достигнута только при большом превышении над порогом самовозбуждения.

Важнейшим видом диагностики лазерного излучения является измерение коэффициента усиления слабого сигнала. Оно осуществляется путем просвечивания канала резонатора маломощным зондирующим лазером и регистрации изменения мощности при наличии и отсутствии потока.

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 25

Схема измерения коэффициента усиления слабого сигнала

1- зондирующий СО2-лазер Sylvania 948, 2 — диффузный отражатель, 3 — детектор, 4 — фокусирующее зеркало, 5 — прерыватель, 6 — полупрозрачные пластины, 7 — дифракционная решетка, 8 — экран с люминофорным покрытием, 9 — оптические окна, 10 — резонатор ГДЛ, 11 — детектор, 12 — диффузный отражатель

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 26

Типичная осциллограмма, полученная при измерении коэффициента усиления слабого сигнала в ГДЛ на ударной трубе

  • прерыватель света, 2 — луч зондирующего СО2-лазера, 3 — щелевое сопло и резонаторный объем, 4 — газовый поток, 5 — диффузный отражатель, 6 — узкополосный фильтр на 10 мкм, 7 — инфракрасный детектор — Ge-Au

Учитывая специфику применения лазера, — для нагрева листов металла, их резки и сварки,- необходимо знать мощность падающего на заготовку излучения. Простейший и наиболее апробированный способ — использовать калориметр, как показано на рисунке:

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 27

Калориметр для изменения энергии лазерного излучения

Более совершенным способом является пироэлектрическое измерение энергии лазерного луча на основе специальных свойств ферроэлектрических кристаллов менять свою поляризацию в результате нагрева.

Газодинамические лазеры и их промышленное применение 28

Пироэлектрический датчик

Среди газодинамических, электроразрядных и химических лазеров газодинамические позволяют получать наибольшую мощность в непрерывном режиме. Для увеличения энергомощностных характеристик необходимо:

1. Сильнее нагревать газ в форкамере (до 3000 К)

2. Быстрее и сильнее охлаждать в сопле Лаваля

  • Повышать давление в форкамере (до уровня ~40 атм)
  • Уменьшать критическое сечение сопла (до ~0,3 мм)
  • Увеличивать отношение выходного сечения сопла к критическому (Авых/Акр ~ 170)

Теоретические значения максимальной величины коэффициента усиления слабого сигнала находятся на уровне 1,6-1,8 обратных метров. При этих параметрах максимальная удельная запасенная энергия генерирующей среды доходит до 140 кДж/кг. Далее мощность лазерного излучения зависит от потерь в резонаторе, что невозможного прикидочно оценить из-за существования различных типов резонаторов и сильной зависимости их характеристик от размеров, конфигурации и т.д.

Текст расчета параметров газодинамического лазера

Текст расчета параметров газодинамического лазера 1

Текст расчета параметров газодинамического лазера 2

Текст расчета параметров газодинамического лазера 3

Текст расчета параметров газодинамического лазера 4

Текст расчета параметров газодинамического лазера 5

Текст расчета параметров газодинамического лазера 6

Текст расчета параметров газодинамического лазера 7

Текст расчета параметров газодинамического лазера 8

Текст расчета параметров газодинамического лазера 9

Текст расчета параметров газодинамического лазера 10

Текст расчета параметров газодинамического лазера 11

Текст расчета параметров газодинамического лазера 12

В промышленности ГДЛ применяются в основном в:

1. формообразовние корпусов судов;

2. лазерная резка;

  • лазерная сварка.

Основные преимущества ГДЛ по сравнению с лазерами других типов: свойство непрерывной генерации когерентного излучения большой мощности, относительная простота конструкции, возможность использования традиционных жидких топлив в качестве источника энергии лазерного излучения.

Процесс лазерной формовки реализуется возникновением термических напряжения в поверхности заготовки (без плавления) под воздействием лазерного луча. Эти внутренние напряжения выхывают пластические деформации, которые изгибают (в двухмерной или трехмерной конфигурации) лист металла.

Главные параметры процесса: скорость подачи, диаметр фокусировки, мощность падающего излучения, коэффициент поглощения. В зависимости от соотношения этих величин реализуются различные механизмы формовки (см. Рис. 5).

Также показаны изделия, полученные на Electrox 1,5 КВт CO 2 лазере с длиной волны 10,6 мкм при режиме непрерывной генерации (см. Рис. 6).

Текст расчета параметров газодинамического лазера 13

Рис. 5. Схема трех различных механизмов лазерной формовки.

Текст расчета параметров газодинамического лазера 14

Рис. 6. а) Лист Al 250х100х2 мм; б) лист мягкой стали 400х200х1,5 мм; в) мягкая сталь 360х190х5 мм.

газодинамический лазер излучение

1. Энциклопедия низкотемпературной плазмы, Серия Б, том ХI-4, гл. Ред. В.Е. Фортов, Москва, Физматлит, 2005

2. Газодинамические CO 2 лазеры, В.К. Конюхов, 1976

  • Газодинамические лазеры. Введение. Дж. Андерсон -М.: Мир, 1979.
  • Оценка влияния регулярных и стохастических фазовых структур на оптическое качество потока активной среды газодинамического лазера.

В.О. Ковалевский, В.В. Лобачев, «Квантовая электроника», 31, №7 (2001).

  • Газодинамический лазер на продуктах горения углеводородо-воздушных смесей. Г.И. Козлов, В.Н. Иванов, А.С. Кораблев, Письма в ЖЭТФ, том 17, вып. 12, стр 651-654, 20 июня 1973
  • Процессы генерации в движущихся лазерно-активных средах и возможности управления динамическими режимами работы лазеров, Федосеев В.И.

Автореферат диссертации, МГУ, Москва, 2007 г.

  • Методические указания, Камруков А.С.
  • Физика газового разряда, Райзер Ю.П.

9. Hypersonic Gas Laser, David B. Fenneman, United States Patent 4,042,892; Aug. 16, 1977

  • Laser Assisted Forming for Ship Building, G. Dearden, S.P. Edwardson, Laser Group, Department of Engineering, The University of Liverpool. SAIL 2003 Williamsburg V.A. June 2-4.