Газодинамические проблемы в лазерной технике (учебное пособие)

Научная библиотека Комментариев к записи Газодинамические проблемы в лазерной технике (учебное пособие) нет

Хлопков Ю.И., Жаров В.А. // Международный журнал экспериментального образования. – 2015. – № 8-2. – С. 259-261

Обычно науку, занимающуюся проблемами создания когерентного излучения, лазеров, называют квантовой электроникой. Изучение замечательных свойств лазерных излучений открыло новую страницу в еще одной науке – нелинейной оптике. Кажется, что обе эти дисциплины очень далеки от газодинамики, что газодинамика не имеет никакого отношения к созданию и применению лазеров. Цель настоящей монографии показать, что это не так, что создание и использование лазеров требует решения множества газодинамических проблем, имеющих фундаментальное значение для развития лазерной техники. Многие из этих проблем являются видоизменением проблем, в решении которых газодинамики накопили огромный опыт. В то же время лазерная техника выдвигает целый ряд новых газодинамических задач. Все их можно объединить общим названием – лазерная газодинамика.

Многие газодинамики и целые коллективы, работавшие в области газодинамики (например, в AVCO, NASA, ONERA, авиационных фирмах и т. д.) внесли ощутимый вклад в эту новую науку. Литература по лазерной газодинамике разбросана по многим журналам, некоторые из которых не находятся в поле зрения аэродинамиков. В настоящей монографии собрана лишь небольшая часть опубликованных результатов. Но составители надеются, что монография позволит аэродинамикам познакомиться с некоторыми из задач лазерной газодинамики и с источниками, в которых публикуются соответствующие исследования.

Слово лазер состоит из первых букв английских слов, определяющих его сущность: LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света вынужденным излучением). Тот факт, что молекулы вещества могут наряду со спонтанным (самопроизвольным) излучением и поглощением квантов, испускать их под действием излучения, был установлен А. Эйнштейном еще в 1918 году. При поглощении кванта молекула переходит из некоторого энергетического состояния в состояние с энергией большей как раз на величину кванта hn где h – постоянная Планка и n – частота излучения. При испускании кванта происходит обратный переход с более высокого энергетического уровня на более низкий. Если квант света взаимодействует с молекулой, находящейся на нижнем уровне, то имеется определенная вероятность его поглощения. Если квант «встречается» c возбужденной молекулой, находящейся на верхнем энергетическом уровне, то имеется та же вероятность вынужденного испускания нового кванта. Очевидно, что чем больше молекул находится на верхнем уровне, тем больше вероятность того, что при прохождении через вещество излучения (потока квантов) последнее усилится. В равновесном состоянии при любой температуре в любом веществе молекул, находящихся на верхнем уровне, всегда меньше, чем на нижнем. Поэтому обычно наблюдается поглощение света. Для того, чтобы произошло усиление, нужно создать «ненормальную» неравновесную ситуацию, в которой на верхнем уровне находится больше молекул, чем на нижнем или, как говорят, создать инверсию.

Как видим, принцип действия лазера тесно связан с квантовой природой вещества. Поэтому и науку, изучающую эти квантовые процессы, правомерно называют квантовой электроникой. Квантовая теория призвана определить молекулы, возбуждением которых можно создать инверсию между теми или иными ее уровнями, указать вероятности элементарных процессов, приводящих к возбуждению и дезактивации тех или иных уровней. Этим, в основном, ее роль и исчерпывается. Далее возникает вопрос: как осуществить те процессы, которые должны привести к инверсии? Здесь вступают в действие другие дисциплины, и, в частности, газодинамика.

Для отвода больших мощностей целесообразно сменять рабочее тело. Очевидно, что менять рабочее тело с большой скоростью легче всего путем прокачки газа через зону возбуждений. Сразу же вспоминаются аэродинамические трубы, в которых создаются высокоскоростные потоки газа. И действительно, первые лазеры значительной мощности были созданы, например в AVCO, путем сравнительно небольшой переделки сверхзвуковой аэродинамической трубы. Таким образом, мы приходим к первой задаче лазерной газодинамики – к задаче смены рабочего тела, т.е. прокачки газа. Здесь возникают все привычные, но при специфических условиях, задачи нагрева газа в форкамере, разгона в соплах, восстановления давления в диффузоре и т.д. Если инверсия возникает в химической реакции (химические лазеры), то здесь возникают газодинамические проблемы смешения реагентов в нужных пропорциях и с определенной скоростью.

В указанных примерах газодинамика способствует процессу накачки, создаваемой разрядом или реакцией. Однако инверсия может быть получена чисто газодинамическим путем. Действительно, известно, что если газ разогреть, а затем быстро охладить, то разные степени свободы молекул (разные уровни) релаксируют к новому состоянию с разной скоростью. Поэтому оказывается возможным найти такие вещества, при быстром расширении (охлаждении) которых в верхнем возбужденном состоянии оказывается больше молекул, чем в нижнем, т.е. создается инверсия. Естественный путь быстрого охлаждения газа – это расширение нагретого в форкамере газа в сверхзвуковом сопле. На этом принципе основан так называемый газодинамический лазер. Здесь газодинамика служит и для создания инверсии и для смены рабочего тела.

Созданием инверсии, однако, не завершается создание лазера. Инвертированная активная среда позволяет усиливать излучение. Для того, чтобы лазер мог излучать самостоятельно, без задающего (усиливаемого) излучения, нужно обратная связь. Эта обратная связь создается системой зеркал – резонатором. Спонтанно возникшее излучение отражается от зеркал, многократно проходит через усиливающую среду. Если усиление оказывается больше потерь, то лазер начинает излучать. В соплах и резонаторе происходит сложный комплекс релаксационных процессов в прокачиваемой активной среде при наличии излучения. С релаксационными процессами, химическими реакциями и излучением в различного рода течениях газодинамики имеют дело уже давно в реактивных двигателях, в соплах гиперзвуковых аэродинамических труб, при обтекании тел, входящих в атмосферу Земли и других планет. Накопленный опыт может быть использован и при решении соответствующих задач лазерной газодинамики, обладающих в то же время существенной спецификой.

В последнее десятилетие в аэродинамике и химической технологии большое внимание уделяется обтеканию испаряющихся тел. Одна из идей повышения эффективности лазера состоит во введении в поток одного из компонентов активной среды за соплом. Возникает нелегкая проблема смешения газов в сверхзвуковом потоке. Один из путей осуществления такого смешения состоит во впрыскивании мелких частиц (кластеров) поперек сверхзвукового потока. Испаряясь, кластеры создают необходимое подмешивание требуемого компонента. Это вновь газодинамическая задача. В свою очередь, разгон кластеров до больших скоростей осуществляется газовым потоком и так далее.

Уже приведенный далеко не полный перечень газодинамических проблем показывает решающую роль газодинамики в создании лазеров. Однако этим не исчерпывается ее роль в лазерной технике. В свою очередь все перечисленные применения лазеров требуют решения новых газодинамических проблем. Таким образом, и создание и использование лазеров тесно связано с газодинамикой.

В настоящей монографии собраны лишь немногие результаты, иллюстрирующие перечисленные газодинамические проблемы. Составители сосредоточились лишь на некоторых проблемах и в основном на иностранных материалах, поскольку отечественная литература более доступна. В то же время, говоря о лазере, нельзя не отметить больших достижений в этой области в нашей стране, результатов ведущих школ, возглавляемых основателями этого направления академиками Н.Г. Басовым и А.И. Прохоровым.

Полное содержание статьи: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=7953

Рекомендуем для Вас

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top