Газодинамические лазеры

Введение

Газодинамические лазеры представляют собой 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.

Основные типы газодинамических лазеров
Газодинамические лазеры (ГДЛ) подразделяются на несколько типов[1]:
Открытого цикла (рис.1)
Замкнутого цикла (рис.2)
Селективные (рис.3)
Ударно-волновые (рис.4)
В газодинамических квантовых лазерах осуществляется прямое преобразование тепловой энергии в когерентное электромагнитное излучение. Для этого вводят энергию в исходную среду, находящуюся в камере высокого давления (рис.1), которая сообщается через свехзвуковое сопло с полостью оптического резонатора.

Рисунок 1. Структурная схема газодинамического лазера открытого цикла: 1- емкости хранения исходных компонентов, 2 – компрессоры системы подачи компонентов, 3 – нагреватель, 4 – дефлектор с отсеком высокого давления, 5 – сопловой блок, 6 – резонатор, 7 – сверхзвуковой отсек, 8 – диффузор ,9 – выхлопной отсек, 10 – система очистки от химически активных и токсичных компонентов, 11 – компрессор системы охлаждения, 12 – емкость хранения хладогента, 13 – теплообменник .[1]
Тепловая энергия от нагретого до высокой температуры газа, обладающего большим временем колебательной релаксации, в частности возбужденный N2, передается при течении газовой смеси в сверхзвуковом сопле другому молекулярному газу с коротким временем колебательной релаксации, например СО2. В связи с этим происходит резонансный обмен энергией от возбужденной молекулы азота к молекуле углекислого газа.
Для ускорения релаксации молекул углекислого газа в основное состояние служит третий компонент газовой среды. Им может быть молекулярный газ с еще более коротким временем колебательной реакции, чем у СО2. Примером могут служить пары воды.


Рисунок 2. Схема ГДЛ замкнутого цикла (а) и распределение колебательного, поступательно-вращательной температур по его длине (б). 1 – камера высокого давления, 2 – сопловой блок, 3 – резонатор, 4 – диффузор, 5 – компрессор, 6 – холодильник, 7 – окна (зеркала) резонатора.


Рисунок 3. Классификация селективных ГДЛ по способу нагрева теплоносителя: а) сжигание топлива, б) электродуговым нагревом в плазмотроне, в) электродуговым нагревом в плазмотроне с созданием колебательной неравновесности, г) несамостоятельным разрядом поддерживаемым ионизацией

. 1 – ввод окислителя, 2 – ввод горючего, 3 – камера сгорания, 4 – отсек высокого давления, 5 – ввод СО2 для смешения, 6 – сопловой блок, 7 – резонатор, 8 – сверхзвуковой отсек, 9 – ввод смеси содержащей азот, 10 – плазмотрон, 11 – ввод охлажденного гелия, 12 – плоский анод, 13 – сетка –катод, 14 – электронная пушка, 15 – перегородка из фольги.


Рисунок 4. Классификация ударно волновых ГДЛ по способу нагрева, а) ударной волной, б) детонацией, в) быстрым горением твердых топлив, г) электрической искрой. 1 – ударная труба, 2 – сопловой блок, 3 – резонатор, 4 – сверхзвуковой отсек, 5 – свеча, 6 – детонационный отсек, 7 – мембрана, 8 – отсек высокого давления, 9 – твердое топливо, 10 – электроразрядный отсек, 11 – электрические вводы, 12 – проволочка.

Стоит отметить различные виды зеркал, используемые в газодинамических лазерах. Для больших мощностей и энергий импульсов обычно используются зеркала на медных или молибденовых подложках, которые можно охлаждать водой для уменьшения тепловых искажений [2].
Зеркала из Ni-Cu изготовляются из высокочистых монокристаллов меди. На рабочую поверхность наносится слой никеля и после полировки до λ/20 наносят слой золота, повышающий коэффициент его отражения до 99% и обеспечивающий коррозионную стойкость. Зеркала из Be-Cu очень практичны, так как медь и бериллий имеют близкие коэффициенты расширения, что позволяет создавать хороший тепловой контакт на границе, избегая локального нагрева зеркала.
Зеркала из молибдена используются в высокомощных газодинамических лазерах, стоимость таких зеркал высока, поэтому они могут быть заменены промышленными зеркалами из меди с диэлектрическим покрытием, которые имеют высокую коррозионную и механическую стойкость поверхности. Стоит отметить существование супер полированных стекол до λ/40 - медные зеркала. Они имеют наивысшие энергетические пороги разрушения: 130 Дж/см2 для импульсного режима и 200 Вт/см2 для непрерывного изучения. Однако данные стекла очень дороги. В таблице 1 приведены основные характеристики вышеперечисленных зеркал для газодинамических лазеров.
Таблица 1 Характеристика зеркал для CO2-лазеров
Зеркала Коэф. отр. R % Точность обработки поверхности Энергетический порог


Сфера Плоскость Импульсный, Дж/см2
Непрерывный, кВт/см2
Cu-Ni 98,8 > 99 (Au) λ/10 ÷ λ/20 λ/20 5 ti = 0,6 мкс
1 (с охлаждением)
Cu-Be 98,8 > 99 (Au) λ/20 λ/20 100 -
Mo
>98 λ/40 λ/40 35 ti = 0,6 мкс
200 t = 8 с
Cu- диэл. покр. >98 λ/20 λ/10 До 100 >10 без охл.
Cu-С.П. >98 λ/40 λ/40 130 ti = 0,6 мкс
>10 200 c охл.
Суперинвар (32 НКД) ∼97−98 ∼λ/5 ÷ 10 ∼λ/5 ÷ 10 - -

Рабочая среда
Газовая среда ГДЛ представляет собою трехкомпонентную газовую смесь