- 2 -
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................. 4
ВВЕДЕНІ®..................................................... 6
1. Краткий обзор литературы ............................ б
2. Структура и содержание диссертации ................. 21
ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ НА
КАСКАДНЫХ ПЕРЕХОДАХ МОЛЕКУЛЫ С02 23
§ І.І.Общие условия работы проточных каскадных лазеров на колебательных переходах линейных трехатомных молекул.Элементы кинетики 27
§ 1.2.Основные газодинамические уравнения.Расчетные формулы для удельных энергетических характеристик каскадных лазеров ... 35
§ 1.3.Исследование каскадного С02-ГДЛ,работающего в импульсно-периодическом ренине. . 39
§ 1.4.0 возможности созданич каскадного С0?-ГДЛ
непрерывного действия.................т . . 55
§ 1.5. Выводы......................................... 57
ГЛАВА П. ПРОТОЧНЫЕ (ДОЗВУКОВЫЕ) ЛАЗЕРЫ НА КАСКАДНЫХ ПЕРЕХОДАХ МОЛЕКУЛЫ С02 С ЭЛЕ1СТР0РАЗРЯДНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ 58
§ 2.1. Описание модели разряда ....................... 58
§ 2.2. Исследование проточного С0?-лазера с совмещенными областями разряда и резонатора 63
§ 2.3. Проточный С0?-лазе.р с предварительным
электроразрядным возбуждением .................. 77
§ 2.4. Выводы......................................... 83
ГЛАВА Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ КАСКАДНЫХ ЛАЗЕРОВ НА ЛИНЕЙНЫХ ТРЕХАТОМНЫХ МОЛЕКУЛАХ С СЕЛЕКТИВНЫМ ТЕПЛОВЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ (КАСКАДНЫЕ ГДЛ НА СМЕШЕНИИ) 85
§ 3.1. Описание модели мгновенного смешения ... 86
- з -
§ 3.2. Расчет каскадного ГДЛ на молекулах С02
со смешением в потоке..................... . 94
§ 3.3. Исследование каскадного ГДЛ с селективным возбуждением на молекулах А£0- ЮЗ
§ 3.4. Каскадный ГДЛ с селективным возбуждением
на молекулах Со%, • 112
§ 3.5. Выводы......................................... 119
ПРИЛОЖЕНИЕ: О ПОСТАНОВКЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВЕРОЯТНОСТЕЙ ПРОЦЕССОВ РЕЛАКСАЦИИ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ УРОВНЕЙ СПАРЕННЫХ МОД С02 . . . . 120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................. 127
ЛИТЕНТУРА.................................................... 130
_ д _
ПРЕДИСЛОВИЕ
В диссертации суммированы результаты теоретических исследований по каскадным газовым лазерам на линейных трехатомных молекулах с тепловым и электроразрядным возбуждением, проведенных автором в Отделе теоретической радиофизики Физического института им.П.Н.Лебедева АН СССР в период 1979-1983 годы и направленных на выяснение физических особенностей импульсно-периодического режима генерации, разработку эффективных методов расчета и, в конечном итоге, на проведение анализа энергетическиз возможностей систем указанных типов.
Нине в виде краткой аннотации излагается то новое, что внесено автором диссертации в исследование проблемы каскадных лазеров на линейных трехатомных молекулах, и основные положения, которые выносятся на защиту.
1. Сформулированы общие условия, необходимые для работы каскадных газовых лазеров с произвольным видом возбуждения, и развита методика расчета энергетических параметров двухчастотных лазеров в импульсно-периодическом режиме.
2. Предложен импульсно-периодический режим работы проточных каскадных газовых лазеров ка линейных трехатомных молекулах, который, в отличие от осуществленного экспериментально режима, позволяет реализовать максимальный энергос"ем и КПД за счет многократного извлечения энергии из активной среды.
3. Показано, что в случае каскадных С02-ГДЛ на смеси
СО2:Д^: Н20 при осуществлении оптимальных условий могут быть реализованы для длинноволнового перехода каскада ( Д =16,2
мкм или 13,9 шш) приведенная мощность 15-20 Вт/см2, удельный энергос"ем 5-8 Дк/г и 0,3-0,5 Вт/см^ соответственно^КПД 0,2-0,4 % , а для коротковолнового перехода (Д =9,4 шш или 10,6 мкм) соответствующие показатели в 4-5 раз выше.
4. Проанализированы особенности и исследованы энергетические возможности электроразрядного каскадного С02-лазера на смеси С02;/^:Не с совмещенными и разнесенными областями разряда и оптического резонатора, л .Показано, что в случае электроразрядного возбуждения удельный энергос"ем и эффективность по переходам каскада на порядок превышают соответствующие энергетические показатели каскадного С02-ГДЛ.
5. Установлено, что реализация селективного теплового возбуждения в случае каскадного С02-ГДЛ позволяет увеличить энергетические параметры и КПД каскадного лазера по длинноволновому переходу на 30%.
6. Теоретически доказана возможность каскадной генерации вА^О-ГДЛ на смеси Н20 и в на смб(5И
С^:С0:Не с селективным тепловым возбуждением. Установлено, что энергетические показатели Мр- ЕДЛ близки к соответствующим характеристикам каскадного С02-ГДЛ, а для каскадного -ЕДЛ- на порядок ниже.
-б:
ВВЕДЕНИЕ
I. Краткий обзор литературы
В настоящее время создание лазеров, отвечающих конкретным практическим потребностям, является одной из важных и реальных задач квантовой электроники.
Одним из наиболее актуальных направлений среди лазерных применений является резонансное воздействие лазерного излучения на колебательные переходы молекул, которое лежит в основе многофотонной ИК лазерной фотохимии, лазерных методов получения чистых веществ, разделения изотопов и др. Эффективным методом лазерного разделения изотопов, который активно изучается в последнее время, является селективная ИК-диссоциация многоатомных молекул / / —
3 /.
Решение этой и других задач требует освоения главным образом средней части ИК диапазона. При этом селективность лазерного воздействия делает необходимой возможность выбора длины волны лазерного излучения. Кроме того, с точки зрения применения ИК лазеров для различных технологических процессов (наряду с энергией в импульсе и пиковой мощностью) важной характеристикой является средняя мощность излучения, которая определяет в конечном итоге производительность данного метода. Можно отметить, что во многих задачах, связанных с возбуждением колебаний многоатомной молекулы, существенное значение имеет возможность одновременно воздействовать как на низколежащие, так и на высоколежа-щие колебательные переходы, которые из-за ангармонизма имеют
- 7 -
различные частоты поглощения. Так, оптимальным для ИК фотодис-социации является случай по крайней мере двухчастотного облучения / 4 /, когда ИК излучение на частоте ^ резонансно возбуждает низколежащие переходы, а ИК излучение на частоте ^ -переходы в области сильного поглощения колебательного квазиконтинуума. Все это выдвигает дополнительные требования к лазерным системам.
Молекулярные лазеры, работающие на многих линиях колебательно-вращательных переходов молекул ( , СО, С0£), по-
зволили освоить ряд участков среднего ИК диапазона ( Н ^ -в области 2,5-3 мкм,5)Р - в области 3,5-4 мкм, СО - в области 5-7 мкм, СО2 - области 9-11 мкм) при значительном уровне как пиковой (10-10 Вт), так и средней (10-10 Вт) мощности. Однако в целом задача освоения всего среднего ИК диапазона еще далеко не решена. Это существенно ограничивает возможности селективного воздействия лазерного излучения на вещество. Поэтому
/ .
весьма важно выйти за рамки существующего ограничения по час-
*
тоте возбуждения и иметь возможность возбуждать - любую подходящую колебательную полосу любой молекулы. Следующим этапом является достижение требуемых плотностей эвэрпии и средних мощностей.
В последние годы проводятся активные исследования новых лазеров рассматриваемого диапазона, разработка которых в значительной мере была стимулирована именно потребностями практики и, в частности, многофотонной ИК фотохимии. Среди них можно отметить -лазер, -лазер / 5 /»газодинамический лазер на спаренных модах СО2 / £ /, -ВВКР-лазер / Я /, каскад-
ный С02-лазер.
- 8 -
Настоящая диссертация посвящена теоретическому исследованию каскадной генерации на линейных трехатомных молекулах (СС^,
>2,), которая позволяет расширить возможности уже извест-
ных лазерных молекул и получить новые эффективные лазерные системы среднего ИК-диапазона.
Под молекулярными лазерами на каскадных переходах понимаются лазеры, в которых нижний уровень одного рабочего перехода служит верхним для последующего, а необходимым условием генерации на каждом из переходов каскада является ее наличие на предыдущем. Наиболее характерными представителями таких лазеров являются лазеры на частичной инверсии в двухатомных молекулах, такие как СО-лазеры /8-Ю/ и химические лазеры на галогеново-дородах /9/.
Преимуществами каскадного механизма генерации по сравнению с обычным одночастотным являются увеличение квантового выхода, расширение спектрального диапазона частот излучения и увеличение возможностей генерации на колебательно-вращательных пере-
ходах 6/ -ветвей молекулярных полос (для переходов между уровнями разной симметрии). Последнее существенно для плавной перестройки частот излучения,необходимой во многих задачах селективной многофотонной ИК фотохимии. Большим достоинством каскадного режима является возможность двухчастотной (или трехчастотной) генерации.
Перечисленные качества каскадного режима генерации определяют интерес к подобным системам и большие возможности каскадных лазеров во многих прикладных целях. Ниже дается обзор литературы по перечисленным выше лазерам среднего ИК диапазона, а также формулируется цель, кратко излагается содержание и обосновывается структура диссертации.
- .9-
- лазер работает на колебательно-вращательных переходах моды ^ молекулы Л///3 и позволяет получать генерацию в пределах 890-770 см~^. Он уже успешно применялся для разделения изотопов углерода при многофотонной диссоциации молекул сач с различными изотопами углерода и хлора / II /. Была достигнута изотопически-селективная диссоциация молекулы Вб^ /12 /
в условиях сильного перекрытия колебательных полос поглощения. Щ- лазер применялся также для многофотонной диссоциации при воздействии на составное колебание /13 /.
Возбуждение -лазера осуществляется с помощью резонан-
сной оптической накачки мощным СС^-лазером. Впервые генерация была получена в /14 /. В дальнейшем -лазеру было посвящено большое количество работ,наибольший интерес среди которых с точки зрения практики представляют исследования /15-24 /, направленные на создание //Н$ -лазеров, энергетические и перестроечные характеристики которых были бы сравнимы с характеристиками лучших газоразрядных молекулярных лазеров среднего ИК диапазона, таких, как СС^-лазеры . В настоящее время максимальный удельный энергосъем такого лазера составил 12 Дж/л. Он был получен в светопроводном щ -лазере на смеси Щ-К в котором для повышения плотности пространственно-однородной накачки использовалось сочетание растровой фокусирующей системы с прямоугольным светопроводом / 20 /. В /21 / изучались возможности импульсно-периодического режима А^-лазера. Были исследованы зависимости энергии и средней мощности от частоты следования импульсов при накачке СО^-лазером. Установлено, что в связи с разогревом активной среды с увеличением частоты следования импульсов энергия в импульсе падает. Разогрев приводит, во-первых, к уменьшению плотности
.10 -
частиц вдоль оси резонатора, во-вторых, к увеличению тепловой населенности нижних (конечных) лазерных уровней. Оба эти эффекта отрицательно влияют на энергию генерации в импульсе. Средняя же мощность ////3 -лазера растет с увеличением частоты следования импульсов вплоть до 100 Гц. Максимальная средняя мощность достигала 20 Вт. Резервом увеличения средней мощности системы является прокачка рабочей смеси в кювете т. -лазера. Сочетание высокой импульсной и средней мощностей, а также хорошие перестроечные характеристики Ь/Н$ -лазера позволяют считать диапазон 890-770 см“'*' достаточно освоенным для целого ряда практических приложений .
С целью дальнейшего освоения средней ИК-области спектра в работах /25,26/ было сделано предложение о создании ГДЛ нового типа на переходах между уровнями спаренных мод С0£ (ГДЯ-СМ-СО2), в котором инверсия может быть осуществлена на ряде переходов в диапазоне длин волн 16-50 мкм. Впервые генерация в ГДЛ данного типа была получена на переходе 03*0 - Ю°0 (Л =18,4 мкм) на смеси СОо-с^ё» с помощью ударной трубы / 25 /. Инверсия в системе возникает вследствие триноровского распределения молекул СО2 по компонентам мультиплетов спаренных мод при значительной колебательной неравновесности в условиях низких газовых температур /27/. Наиболее легко инверсия реализуется на 0 -ветви перехода 03*0-Ю°0. Генерация на ИК переходах, отличающихся от 03*0-Ю°0, была получена только в условиях очень глубокого охлаждения (Т = 40—80°К) и низких давлений рабочей смеси (Р =
о
= (1-3)*10 атм) /28-30/. Влияние параметров сопла и состава рабочей смеси на работу ГДЛ-СМ-СО2 исследовалось в работах /29-35/, В работе /36/ была показана возможность одновременной генерации на переходах с Я =18,4 мкм и Я =10,6 мкм в газовой смеси С0£- - Не. Излучение на 10,6 мкм при этом способствует
- II- -
"разогреву” спаренных мод и уд, и образованию инверсии на переходе с Я = 18,4 мкм. Эффективность ГДЛ-СМ-СС^ теоретически исследовалась в работах /26,31-35,37-39 Л В них показано, что ожидаемая эффективность ГДД-СМ-СОр может значительно превосходить эффективность ГДЯ на переходе 00°1-10°0. В теоретической работе /33 /, например , показано, что для условий, близких к оптимальным (Т0 = 2000 К, Р0 = 15 атм, СС^- Яг (1:5), А =
= 0,06 см), можно ожидать КПД 1-2$ при энергосъеме 8-16 Дж/г.
В работе /40 / сообщалось о запуске и исследовании ГДД-СМ-СО^ с импульсным дуговым нагревом рабочей смеси. Полученная мощность вследствие неоптимальности параметров установки равнялась 3 Вт. Однако по сделанным оценкам поля внутри резонатора предполагается удельный энергосъем, согласующийся с расчетным.
Одной из конкретных задач, привлекающей в последнее время внимание многих исследователей, является получение 16 мкм-генерации, необходимой для лазерного разделения изотопов, включающих изотопы урана С1/Р6 )(частота несимметричного валентного колебания молекулы 1//| соответствует диапазону длин волн около 16 мкм). При этом необходима плавная перестройка частоты лазерного излучения в диапазоне 610-630 см~*э а также сравнительно высокие энергетические параметры системы. К настоящему времени с рассматриваемой точки зрения наибольший интерес представляют -лазеры, ВКР-лазеры и каскадные 002-лазеры. Можно еще отметить работы, например /41 / по созданию лазера на свободных электронах, где возможно получение больших мощностей при плавной перестройке в диапазоне 16 мкм, однако эти работы находятся еще в начальной стадии развития.
Рассмотрим вкратце свойства и особенности существующих
- 12 -
лазерных систем . с длиной волны излучения 16 мкм с точки зрения их конкретного практического применения.
Впервые ощутимая энергия лазерного излучения в рассматриваемой области была получена при использовании оптической накачки молекул CFU /4сг /. В лазерах на молекулы
возбуждаются излучением TEA СО^-лазера в относительно слабой полосе а генерация развивается в полосе
, которая разрешена в гармоническом приближении и поэтому является сильной. В настоящее время исследованию различных свойств cf¥ -лазера посвящено большое количество работ / 43-53 /. К особенностям его относится необходимость
низких рабочих температур (100-200 К)f что вызвано термическим заселением нижнего лазерного уровня при температурах, превышающих 200°К. Нижняя граница рабочей температуры определяется малой плотностью паров CFV. Оптимальное давление невелико и составляет несколько тор, что объясняется балансом между скоростью накачки и вращательной релаксацией верхнего лазерного уровня. Генерация CJy -лазера без принятия соответствующих мер, как правило, нестабильна. Это связано прежде всего с нестабильностью частоты генерации COg-лазера в пределах ширины линии усиления СО2 и вызвано, по-видимому, спектральными особенностями самопо-глощения. Эта нестабильность может быть устранена введением в резонатор термостабилизированного элемента Фабри-Перо. Частоты генерации CFy -лазера резко меняются при изменении частоты накачки, что свидетельствует о малом влиянии вращательной релаксации в газе Сру на частоту генерации или на конкуренцию генерирующих переходов. Поэтому перестройка частоты генерации Cfy -лазера достигалась изменением частоты накачки в пределах полосы поглощения • Для увеличения спектра частот накачки ис-
- Київ+380960830922