Газодинамический лазер
1. горючая смесь; 2. камера сгорания; 3. сопла, ускоряющие поток; 4. сверхзвуковой поток колебательно — возбуждённого газа; 5. резонатор лазера; 6. выброс отработанного газа
Газодинамический лазер — газовый лазер, в котором источником энергии рабочей среды является тепловая энергия нагретого и сжатого газа[1], а инверсная заселённость колебательно-возбуждённых состояний молекул создаётся из-за адиабатического охлаждения среды при истечении со сверхзвуковой скоростью через сопло[2].
Принцип работы
Принцип работы основан на особой температурной зависимости скорости колебательной релаксации. При нагреве многоатомного газа (в качестве такого «донорного»[2] газа может использоваться азот) до высокой температуры в камере сгорания, часть внутренней энергии накапливается в виде колебательного движения молекул. Если такой нагретый газ расширяется через сопло до сверхзвуковой скорости, то большая часть внутренней энергии преобразуется в кинетическую энергию потока и температура падает. При этом часть энергии остаётся запасённой в колебательно-возбуждённых состояниях молекул азота, поскольку понижение температуры сопровождается падением скорости колебательной релаксации. Возникающая инверсная заселённость верхних колебательных уровней используется для генерации лазерного излучения[1].
Газодинамический CO2-лазер
Колебательное возбуждение донорного азота позволяет реализовать газодинамический CO2- лазер. С первого колебательно-возбуждённого уровня азота (2330,7 см-1) возможна передача возбуждения находящейся в основном состоянии молекуле диоксида углерода с её переходом на верхний лазерный уровень (2349,2 см-1). В лазерном резонаторе таким образом возбуждённая молекула производит вынужденное излучение, переходя на один из двух возможных нижних лазерных уровней с генерацией излучения на длине волны 9,4-9,6 мкм или 10,4-10,6 мкм[3]. «Опустошение» нижних лазерных уровней, необходимое для восстановления инверсивной заселённости, осуществляет спонтанное излучение («радиационное опустошение») или специальные добавки в рабочую смесь — гелий, водяной пар. Последний выбор предпочтителен для лазеров большой мощности, так как отработанный газ обычно выбрасывается в атмосферу, что приводило бы к невосполнимым потерям дорогого гелия[4]. Такая же схема лазерной генерации используется в газоразрядном CO2-лазере, с тем лишь отличием, что возбуждение колебаний в азоте в последнем осуществляется при столкновении электронов газоразрядной плазмы с молекулами, с восполнением потерь энергии электронами за счёт электрического поля в разряде[4].
Примечания
- ↑ 1 2 Бирюков А. С., Газодинамический лазер, 2006.
- ↑ 1 2 Бирюков А. С., Газодинамический лазер, 1988.
- ↑ Карлов Н. В., Лекции по квантовой электронике, 1983, Рис. 15.4. Схема нижних колебательных уровней молекул CO2 и N2 в основном электронном состоянии, с. 158.
- ↑ 1 2 Карлов Н. В., Лекции по квантовой электронике, 1983, с. 172.
Литература
- Бирюков А. С. Газодинамический лазер // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017. — 2006. — Т. 6. — С. 265—266.
- Бирюков А. С. Газодинамический лазер // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия (т. 1—2); Большая Российская энциклопедия (т. 3—5), 1988—1999. — ISBN 5-85270-034-7. — М., 1988. — Т. 1, Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — С. 381—382. — 707 с.
- Карлов Н. В. CO2-лазеры // Лекции по квантовой электронике. — М.: Наука, 1983. — С. 149—173.. — 320 с.
- В. К. Конюхов, “Газодинамические CO2-лазеры”, Квантовая электроника, 4:5 (1977), 1014–1022 [Sov J Quantum Electron, 7:5 (1977), 568–573]. www.mathnet.ru. Дата обращения: 11 апреля 2024.