Лазерный мир

А. В. Авдеев, А. С. Борейшо, И. А. Киселев, А. В. Морозов, А. Е. Орлов // Журнал Фотоника, 8, 2020

Сверхзвуковые газовые и химические лазеры являются источниками мощного непрерывного излучения с высоким оптическим качеством. Эти качества позволяет использовать такие лазеры в составе автономных мобильных комплексов. Представлен краткий обзор работ по созданию и совершенствованию лазеров, формированию высококачественного излучения, разработки перспективных систем хранения и подготовки рабочего тела, систем восстановления давления.

Введение
С момента появления оптических квантовых генераторов особый интерес всегда вызывали наиболее мощные системы, и сегодня актуальным остается вопрос получения больших плотностей мощности световой энергии на большом расстоянии при достаточно длительном времени воздействия. В настоящее время одними из наиболее мощных источников непрерывного лазерного излучения являются сверхзвуковые газовые и химические лазеры (СГХЛ). К таким лазерам относятся газодинамические СО2 лазеры (ГДЛ), непрерывные химические лазеры на молекулах HF и DF (HF / DF-НХЛ) и химические кислород-­йодные лазеры (ХКИЛ). СГХЛ отличаются друг от друга физическими принципами работы, составом активной среды, газодинамическими параметрами. Однако они имеют общую конструктивную схему, а также рабочий процесс с точки зрения газовой динамики имеет много общего: общими являются вопросы смешения сверхзвуковых реагирующих потоков, течения за многосопловыми блоками, восстановления давления в прямоугольных каналах и др.

Возможность получения большой мощности излучения и передача его на большие расстояния, длительное время работы, отсутствие внешних источников энергии, высокая энергетическая эффективность и хорошее оптическое качество луча − все это и сегодня делает актуальным использование СГХЛ в автономных мобильных системах для различных применений [1].

Газодинамические СО2‑лазеры
Газодинамические СО2‑лазеры на горении получили свое развитие еще в 70–80‑е годы прошлого столетия. Лабораторные ГДЛ мегаваттного класса, разработанные в СССР и США, а также 400 кВт американский лазер того же типа вместе с системой управления лучом, установленный на летающей лаборатории ALL (рис. 1) [2], впервые позволили практически проверить и оценить масштабность и сложность технологических проблем создания лазерного оружия.

СО2-ГДЛ является молекулярным лазером, который работает на вынужденных переходах между колебательными уровнями молекулы углекислого газа (СО2). Преобразование накопленной энергии активной среды в лазерное излучение происходит в результате экзотермической реакции горения углеводородных горючих с кислородсодержащими окислителями и разгона полученных продуктов сгорания до сверхзвуковых скоростей с помощью сопловых блоков.

Схема СО2-ГДЛ на продуктах сгорания представлена на рис. 2. СО2-ГДЛ состоит из системы хранения и подачи компонентов (СХПК), газогенератора, где нарабатывается газовая смесь с высокой температурой и давлением, содержащая в своем составе молекулы СО2, N2 и H2O, соплового блока, состоящего из большого количества плоских сопел, где происходит быстрое охлаждение смеси при газодинамическом расширении, лазерной камеры, оптического резонатора и сверхзвукового диффузора, обеспечивающего выхлоп отработанной среды в окружающую среду.

Однако, большая длина волны (10,6 мкм), а следовательно, высокая расходимость лазерного луча, недостаточно высокая энергетическая эффективность лазерных источников, а также необходимость хранить на борту все компоненты топлива для лазера приводит к тому, что системы на основе СО2–ГДЛ, способные решать задачи силового воздействия на удаленные объекты, становятся чересчур громоздкими, что не позволяет размещать их на мобильных носителях.

Тем не менее, существуют варианты ГДЛ, где в качестве окислителя используется воздух, подаваемый из окружающей среды компрессором авиационного газотурбинного двигателя (ГТД), где основной по массе (более 95%) компонент топлива берется из атмосферы. Это позволяет существенно сократить систему хранения компонентов, поскольку возимый запас включает в себя только горючее, доля которого в общем расходе не превышает 5%. Такой лазер видится достаточно перспективным для размещения его на летательных аппаратах.

Идеи совмещения ГДЛ с газотурбинными двигателями существовали уже давно и у нас в стране, и за рубежом. Существуют отечественные и зарубежные патенты на внедрение ГДЛ в авиационный двигатель [3–5]. В конце 70‑х в нашей стране под руководством академика О. Н. Фаворского был создан первый в мире газодинамический лазер с отбором воздуха от авиационного двигателя Р‑38–300 мощностью порядка 180 кВт, непрерывно работающий в течение длительного времени [6]. Это была громоздкая наземная установка.

За все время развития авиационных ГТД с 1950‑х до 2010‑х годов существенно улучшились их характеристики, влияющие на выходные параметры ГДЛ, такие как давление за компрессором и рабочая температура в камере сгорания. Прослеживается неуклонный рост степени повышения давления до значений 30–35 атм и температурного уровня работоспособности материалов до 1 200–1 250 К, а также повышение рабочей температуры газа до 2 000 К. Все это позволяет обеспечить приемлемые энергетические характеристики лазера и создать СО2–ГДЛ, размещаемый на борту летательного аппарата.

На рис. 3 представлены выходные энергетические характеристики ГДЛ на топливной композиции «керосин-­воздух» на базе двух самолетных двигателей АЛ‑31Ф [7]. Видно, что при использовании двух двигателей с высокой степенью повышения давления и большим расходом даже при отборе всего 5% воздуха можно получить мощность лазера в неохлаждаемом варианте соплового блока (температура в форкамере лазера не более 1 500 К) порядка 80 кВт. При использовании охлаждаемых сопловых лопаток и температуре в форкамере порядка 2 000 К мощность можно увеличить до 135 кВт. Общий вид такого лазера представлен на рис. 4.

Непрерывные химические лазеры на молекулах HF и DF
Интерес к HF(DF)-НХЛ связан с возможностью эффективного преобразования внутренней химической энергии веществ в когерентное излучение, минуя другие стадии преобразования. Химический КПД НХЛ значительно превосходит КПД других лазеров, что позволяет получать высокую мощность излучения. Причем применение HF-НХЛ возможно только для космических условий, поскольку его длина волны сильно поглощается в атмосфере, а DF-НХЛ, с длиной волны попадающей в окно прозрачности атмосферы, может использоваться в наземных условиях.

Принципиальная схема лазерной установки на основе HF(DF)-НХЛ показана на рис. 5. Автономный HF(DF)-НХЛ состоит из следующих основных частей: генератора активной среды (ГАС), оптического резонатора, сверхзвукового диффузора, теплообменника для снижения температуры отработанных лазерных газов, эжектора, устанавливаемого в том случае, когда появляется необходимость обеспечения выхлопа в атмосферу.

HF-НХЛ для космических применений
Одним из перспективных вариантов применения HF-НХЛ является возможность очистки околоземного космического пространства от фрагментов космического мусора (ФКМ) с помощью многоцелевой космической лазерной установки (МКЛУ) [8]. Кроме того, МКЛУ может использоваться как источник зондирующего излучения для анализа содержания углеводородов в атмосфере.

МКЛУ размещается в негерметичном отсеке космического аппарата (КА) и включает в себя: систему генерации излучения, состоящую из генераторов активной среды и оптической системы; систему хранения и подачи компонентов лазерного топлива; формирующую оптическую систему (ФОС) и систему лазерной локации.

Компоновочная схема МКЛУ на борту КА с использованием крупноразмерных плоскоблочных ГАС, прототипы которых разработаны в ОАО НПО Энергомаш, показана на рис. 6. На генераторе активной среды с плоской сопловой решеткой ГАС1 собран задающий генератор импульсно-­периодического излучения с последовательно включенным предварительным усилителем мощности излучения. Нейтрализация реактивной тяги при работе ГАС1 обеспечивается выхлопным трактом, содержащим сверхзвуковой диффузор и два симметричных противоположно направленных выхлопных патрубка. Работа ГАС1 может осуществляться как в режиме DF-НХЛ для лазерного зондирования атмосферы Земли, так и в режиме HF-НХЛ с целью борьбы с космическим мусором. Оптическая система СГИ монтируется на отдельной оптической раме.

Система подачи компонентов лазерного топлива в газообразном состоянии в генераторы активной среды СГИ МКЛУ включает в себя цилиндрические баллоны и элементы системы подачи: ​трубопроводы, клапаны, дроссели, − а также раму и узлы общей сборки. Система обеспечивает работу 10 с в режиме излучения HF-НХЛ и 100 с в режиме DF-НХЛ. Система хранения компонентов лазерного топлива состоит из криогенных цилиндрических баков с эллиптическими днищами для хранения водорода, дейтерия, гелия и трифторида азота.
ФОС состоит из цилиндрического согласующего телескопа с сечением (200 × 200) мм.

Формирующий телескоп содержит зеркала с асферической поверхностью и два оптических шарнира, обеспечивающих наведение излучения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях в угловом диапазоне ±7,5° и привод перемещения зеркала контррефлектора. Система лазерной локации включает в себя локационный лазер на иттрий-­алюминиевом гранате с удвоением частоты с энергией излучения ~0,5 Дж, телескоп лазерного локатора с диаметром главного зеркала 120 мм и оптическую систему совмещения силового и локационного каналов.

КА с МКЛУ на борту имеет срок активного существования на орбите 180 суток. Общая масса КА с МКЛУ составляет величину ~19 700 кг и может быть размещен под обтекателем ракеты-­носителя «Протон-­М». При этом общая продолжительность работы составляет 30 минут при времени воздействия на ФКМ ~1 с в режиме импульсно-­периодического излучения на молекулах HF с энергией в импульсе 0,8 Дж и 180 минут в режиме излучения на молекулах DF с энергией в импульсе ~5 мДж.

Химические кислород-­йодные лазеры
Начиная с девяностых годов прошлого века стал активно развиваться еще один НХЛ – ​химический кислород-­йодный лазер (ХКИЛ). Длина волны излучения ХКИЛ (λ = 1,315 мкм) приходится на окно прозрачности атмосферы, а также соответствует рабочему диапазону волоконной оптики. Это означает отсутствие ограничений на использование лазеров этого типа в различных атмосферных и внеатмосферных условиях. Короткая длина волны обеспечивает уменьшение дифракционного предела, а малая плотность активной среды в резонаторной полости – ​высокое оптическое качество лазерного луча.
Именно на базе кислород-­йодного лазера был создан самый мощный на сегодняшний день мобильный комплекс ABL (Airborne Laser, США) [9] мегаваттного класса, размещенный на борту самолета Воeing 747–400F и предназначенный для уничтожения баллистических ракет на дистанциях до 400 км.

Принцип работы химического кислород-­йодного лазера основан на преобразовании химической энергии в энергию излучения при смешении потоков синглетного кислорода – ​O2( 1Δ) (СК) и газообразного молекулярного йода. Принципиальная схема химического кислород-­йодного лазера представлена на рис. 7.

Сверхзвуковой ХКИЛ состоит из следующих основных элементов: генератора синглетного кислорода (ГСК), в котором происходит наработка синглетного кислорода в ходе газожидкостной реакции газообразного хлора (Cl2) с щелочным раствором перекиси водорода (ЩРПВ), йодного испарителя, соплового блока (СБ), в котором происходит разгон и смешение потоков СК и газообразного йода, лазерной камеры (ЛК), где струи окислителя СК и газообразного йода смешиваются и реагируют, в результате чего образуются возбужденные атомы I *, оптического резонатора и системы восстановления давления (СВД), которая обеспечивает выхлоп отработанных продуктов в атмосферу.

При развитии технологий ХКИЛ основное внимание уделялось поиску путей повышения эффективности ГСК (увеличению выхода СК и утилизации хлора, снижению отношение расхода раствора к расходу хлора, повышения давления при минимизации потерь СК), оптимизации схемы смешения реагирующих компонентов в сопловом блоке, а также улучшению эксплуатационных характеристик.

Одной из наиболее сложных задач является обеспечение выхлопа отработанной активной среды лазера при обеспечении оптимальных условий генерации излучения. Сложность задачи обусловлена низким давлением потока в лазерной камере, приводящим к высоким требования по степени сжатия СВД, а также наличием химических и кинетических процессов по всей длине тракта лазера от ГСК до выхлопного диффузора, которые приводят к заметному выделению тепла в потоке. Из-за сложности процессов идущих в газодинамическом тракте ХКИЛ проводить модельные экспериментальные исследования в полном объеме не представляется возможным. Поэтому необходимо наличие натурных установок, позволяющих проводить отработку всех элементов ХКИЛ.

На рис. 8 представлен лабораторный ХКИЛ с выходной мощностью до 15 кВт (НПП «Лазерные Системы») и лабораторно-­демонстрационный комплекс ХКИЛ разработанный специалистами НПП «Лазерные Системы», учеными БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова и Самарского филиала Физического института РАН [10], включающий в себя последние достижения в области разработки ХКИЛ и предназначенный для отработки и оптимизации всей технологической цепи от хранения исходных компонентов до подачи излучения к месту использования и утилизации отработанной активной среды.

Лазерный комплекс позволяет работать до 30 секунд с мощностью более 300 Вт с устойчивым резонатором. Центробежный барботажный генератор синглетного кислорода обеспечивает отношение расхода раствора к расходу хлора до 1 л / моль, высокую степень утилизации хлора (более 95%) и выхода синглетного кислорода (более 60%). Сопловой блок лазера представляет собой одиночное профилированное щелевое сопло с йодным инжектором в трансзвуковой области. Оптический резонатор является многомодовым c внутрирезонаторной диафрагмой и выходной апертурой 50 мм.

Система откачки отработанной активной среды лабораторного комплекса представляет собой двухрежимную систему, включающую двухступенчатый механический насос и криосорбционную систему откачки. Лазер может работать как на механическую систему, так и на криосорбционную. В состав установки входит волоконно-­оптическая система, позволяющая транспортировать лазерное излучение на дистанцию до 80 метров.

Системы восстановления давления непрерывных химических лазеров
В СГХЛ в полости резонатора необходимо иметь низкое давление Р ≈ 30торр – ​для СО2-ГДЛ, Р = 12–15 торр для HF / DF-НХЛ и Р = 4–6 торр для ХКИЛ. Для обеспечения работы СГХЛ в наземных условиях используются системы восстановления давления (СВД), которые в общем случае включают в себя сверхзвуковой выхлопной диффузор (СД) и эжектор (ЭЖ) (рис. 9). СО2-ГДЛ может функционировать, используя обычные «пассивные» диффузоры. HF / DF-НХЛ требует использования в СВД одноступенчатого эжектора со степенью сжатия 10–12, а для ХКИЛ необходим двухступенчатый эжектор с общей степенью сжатия порядка 50–60 [11].

Разработка таких сложных технических систем, как СВД для СГХЛ требует согласования газодинамики всего канала, начиная от соплового блока лазера и заканчивая последней ступенью эжектора. Причем течение в канале осложняется тем, что поток имеет малые числа Re (104–105 для HF / DF-НХЛ, 103–104 для ХКИЛ) и сопровождается химическими и кинетическими процессами. Кроме того, канал реальной установки имеет сложную геометрию, что приводит к существенному усложнению течения и появлению особенности запуска такого канала.

Выхлопные сверхзвуковые диффузоры СХЛ
Торможение сверхзвукового потока в каналах СД происходит в системе косых скачков уплотнения, которые возникают из-за нарастания пограничного слоя на стенках канала. Давление восстановления за такой системой скачков при больших числах Re близко к давлению за прямым скачком при соответствующей длине СД [11]. Это становится неверным для химических лазеров, что обусловлено низкими числами Re и тепловыделением в сверхзвуковом потоке.

Полное содержание статьи: https://www.photonics.su/files/article_pdf/8/article_8585_704.pdf