Размещено на http://www.allbest.ru

35

Размещено на http://www.allbest.ru

Реферат

Газодинамические лазеры и их промышленное применение

Москва, 2007 г.

Введение

Газодинамические лазеры - это 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.

Схема энергетических уровней АС

Газовая среда ГДЛ представляет собою трехкомпонентную газовую смесь. Каждый газ, входящий в состав смеси, играет свою функционально определенную роль в работе лазера. Первый компонент, концентрация которого в составе смеси наибольшая (молекулярный азот, 80-90% объемных долей) представляет собой двухатомный газ с большим временем колебательной релаксации. Его молекулы способны длительно сохранять колебательное возбуждение, полученное ими на начальном участке течения при высокой температуре газовой смеси. Благодаря этому свойству, потери колебательно-возбужденных молекул незначительны за время движения газа от камеры сгорания до оптического резонатора. Энергия колебательного движения молекул азота является в ГДЛ тем самым источником или резервуаром энергии, откуда черпается энергия для генерации. Если в составе смеси содержится мало азота или его нет совсем, то газодинамический лазер будет работать, но он будет маломощным. Эта энергия выражается числом m колебательных квантов, которые в среднем приходятся на одну молекулу азота при начальной температуре газовой смеси Т₀

,

.

Где и - энергия колебательного кванта. Число колебательных квантов m больше, чем относительная населенность n₁ первого колебательного уровня молекулы азота, поскольку в газе содержатся молекулы, имеющие по 2 и более квантов. В общем случае молекула на уровне = k, имеет k колебательных квантов. Например, T₀ = 1300°K, m = 8,1 %, n₁ = 7,0 %.

Второй компонент в составе смеси (углекислый газ 5-10 % объемных долей) представляет собой молекулярный газ с коротким временем колебательной релаксации. Молекула СО₂ ииеет разрешенные дипольнне переходы в инфракрасной области спектра и, в частности, колебательно-вращательную полосу 10,6 мкм, поэтому она взаимодействует с электромагнитным полем, у молекулы СО₂ имеется колебательный уровень (00°1), Е = 2349 см^-1, который почти совпадает по энергии (дефект энергия ДE = 18 см^-1) с первым колебательным уровнем молекулы N₂, поэтому между ними существует резонансный обмен колебательным возбуждением (см. рис. 1).

Схема нижних энергетических уровней молекул СО₂ и N₂ (упрощенная)

Короткое время колебательной релаксации молекулы С0₂ приводит к тому, что населенность ее колебательных уровней на всем пути от камеры сгорания до оптического резонатора близка к равновесной населенности, соответствующей температуре текущего газа. Это справедливо для всех уровней, кроме уровня (00°1), населенность которого поддерживается почти неизменной за счет столкновений с возбужденными молекулами азота, которые сопровождаются передачей кванта от N₂ к СО₂. Нижний лазерный уровень (10°0), Е = 1388 см^-1 расположен высоко над основным состоянием и при температуре сверхзвукового потока Т = 280-320°К населен слабо, так что в текущем газе на входе в оптический резонатор существует состояние инверсной населенности.

Поскольку излучающей молекулой в ГДЛ является молекула СО₂, а носителем колебательного возбуждения молекулы N₂, то энергия высоко возбужденных молекул N₂, находящихся яа уровнях =2 и выше, может быть полностью переведена в энергию возбуждения молекул СО₂, т.е. на каждый колебательный квант молекулы N₂ получится одна молекула СО₂ на уровне (00°1), если релаксация молекул азота в газовой смеси протекает постадийно путем обмена, когда молекуле азота, находящаяся на уровне = k, порождает k молекул на первом колебательном уровне. Для уровней лазерного уровня и, как следствие этого, заметную дезактивацию молекул азота.

Конструктивные особенности ГДЛ

Сверхзвуковое сопло выполняет в ГДЛ сразу две функции: оно создает усиливающую лазерную среду и формирует газовый поток со скоростью движения ~1,5 км/сек. Для сопел, которые используются в ГДЛ, характерна малая высота критического сечения 0,3-1 мм. Этот размер сравним с толщиной пограничного слоя. Геометрические размеры сопел также невелики, поэтому время движения газа через такое сопло сравнимо со временем колебательной релаксации молекул газовой смеси. Молекулы азота, проходя через сопло, теряют незначительную часть колебательных квантов, молекулы СО₂, наоборот, теряют практически всю свою колебательную энергию кроме той части, которая связана о населенностью уровня (00°1). Населенность колебательных уровней молекул воды из-за короткого времени релаксации всегда термически равновесна и соответствует температуре текущего газа. С энергетической точки зрения действие сопла характеризуется эффективностью ц_n безразмерной величиной, которая показывает какая доля колебательных квантов, принадлежащих молекулам азота, сохраняется в потоке после того как газ прошел через сопло. Для характерных режимов работа ГДЛ ц_n=0,5-0,8. Это означает, что 50-80% колебательных квантов, которые содержались в потоке газе на входе в сопло, сохранились на его выходе. На рис. 2 показано, как изменяется конценрация колебательных квантов молекул азота по мере тoго, как объем газа проходит через сверхзвуковое сопло.

10 - камера высокого давления, 12 - сверхзвуковое сопло, 14 - критическое сечение, 16 - зона расширения, 18 - зона взаимодействия, 20 - зона установившегося течения, 22 - зона лазерной генерации, 24 - выход газа на рециркуляцию

Изменение концентрации колебательных квантов, принадлежащих молекулам N₂, как функция координаты вдоль направления течения газа через сопло, расчет произведен для плоского профилированного сопла с угловой точкой на число Маха 4,5 для некоторых характерных условий работы ГДЛ.

Здесь же изображен контур сопла (заштрихованная часть рисунка). Для того, чтобы представить cебе профиль сопла полностью, нужно дополнить рисунок его зеркалным отображением относительно горизонтальной оси координат.

Из рисунка видно, что наибольшие потери колебательно-возбужденных молекул азоте происходят вблизи критического сечения и что примерно половина начальной концентрации N₂ сохраняется, следовательно, ц_n = 0,5.

Энергетический баланс

Оптический резонатор в составе ГДЛ выполняет те же функции, что и в лазерах другого типа, он поддерживает интенсивное электромагнитное поле в некотором объеме и формирует направленное излучение. С энергетической точка зрения его действие характеризуется эффективностью ц_r, которая показывает, какая часть колебательных квантов, принадлежащих молекулам азота и поступивших с потоком газа на вход резонатора, перерабатывается в кванты электромагнитного поля и выводятся в виде полезного излучения из резонатора. Эта величина зависит от многих факторов. Для экспериментальных реализаций резонаторов величина ц_r лежит в диапазоне 0,01-0,8. Всякая газодинамическая установка непрерывного действия характеризуется величиной Q, которая носит название расхода. Расход газа одинаков в любом сечении газодинамического тракта при стационарном режиме течения. Эту величину для ГДЛ можно вычислить или измерить несколькими способами. В технике величина расхода измеряется числом кг газа, протекащего по газодинамическому тракту в сек, для квантовой электроники удобно мерить эту величину числом молекул, которые проходят по тракту в сек. Например, расходу газа Q = 10 кг/сек в ГДЛ соответствует Q = 2*10²⁶ молекул/сек.

Вывод формулы, по которой учитывается выходная мощность ГДЛ в стационарном режиме работы, основывается на следующих рассуждениях. Представим себе ситуацию, когда каждая молекула газовой смеси, прошедшая по газодинамическому тракту, отдавала в полезное излучение по одному фотону энергии hн, тогда выходная мощнооть лазера Р выражалась простой формулой

На самом деле, не каждая молекула вносит свой вклад в выходное излучение, и эту простую формулу нужно дополнить множителями нулевой размерности, которые это учитывают.

Во-первых, не вся газовая смесь состоит из молекул азота (к- содержание азота в смеси) и на каждую молекулу N₂ приходятся в среднем m колебательных квантов. Во-вторых, не все колебательные кванты попадают в оптический резонатор, часть из них теряется при течении газа через сопло (эффективность сопла ц_n), и наконец, энергию только части из них оптический резонатор переводит в полезное излучение (эффективность резонатора ц_r). Окончательно формула для выходной мощности записывается как

Эта формула не учитывает квантов, принадлежащих молекулам СО₂ на уровне (00°1), из-за малой концентрации их в составе смеси. В качестве иллюстрации формулы приведем пример подсчета. Для Q = 2*10²⁶ сек^-1; hн = 2*10^-20 Дж; к = 0,8; m = 8.1%; ц_n = 0,5; ц_r = 0,5; величина P = 60 КВт.

Для сравнения газодинамических лазеров с различным расходом, используют величину, которая характеризует качество и техническое совершенство установки. Эта величина - удельный энергосъем p=P/Q, выходная мощность, отнесенная к единице расхода газовой смеси. Используя понятие удельного энергосьема, кратко обсудим пути увеличения выходной мощности ГДЛ, не связанные с увеличением расхода газа. Во-первых, естественно, постараться увеличить число колебательных квантов, приходящихся на одну молекулу газовой смеси. Однако, значительно увеличить концентрацию азота за счет других компонент не представляется возможным. Можно увеличить среднее число колебательных квантов, приходящихся на одну молекулу азота, повышая исходную температуру raзoвой смеси. Однако, при этом нужно быть уверенным, что процесс колебательной релаксации высоко возбужденных состояний молекул N₂ происходит опиcанным выше способом. Существенное увеличение эффективности сопла также не представляется возможных Наконец, осталась последняя величина - эффективность резонатора ц_r.

Для более детального расчета энергетических характеристик лазера было осуществлено приближение, при котором предполагается локальное термодинамическое равновесие между 1-й и 2-й модами молекулы углекислого газа, и они объединяются в блок I. В дополнение к этому, в следствие различия энергетического уровня (001) молекулы СО2 и v=1 молекулы N2 всего на 18 обратных сантиметров, они находятся почти в резонансе и также добавляются в блок II. Данные допущения применимы при расчете величины коэффициента усиления слабого сигнала.

Упрощенная модель колебательного энергообмена в смеси CO2-N2

Применяя указанную модель, расчетным путем получают значения колебательной температуры блоков I и II, а также поступательной температуры смеси.

Сравнения распределения колебательной и поступательной температур в стационарном потоке газа вдоль сопла

Кинетическая модель АС

Оптические резонаторы, как говорилось выше, выполняют две функции: они поддерживают высоко интенсивное электромагнитное поле на некотором участке пространства и формируют направленное излучение. Формирование направленного лазерного излучения связано с конструкцией резонатора и всей установки ГДЛ в целом.

В мощных лазерах с движущейся активной средой условия работы оптического резонатора имеют свои особенности. Движение активной ореды через резонатор порождает новый вид потерь, свойственный только лазерам этого типа, потери за счет выноса возбужденных частиц из резонатора. Запас энергии в потоке газа сосредоточен в молекулах азота, а взаимодействуют с электромагнитным полем молекулы СО₂. За время движения газа через резонатор энергия переходит к молекулам СО₂, а те в свою очередь отдают ее электромагнитному полю. Напряженность ноля внутри резонатора по разным причинам может оказаться недостаточной, тогда молекулы СО₂ не успевают переработать в излучение весь запас колебательных квантов, и поток газа уносит значительную часть возбужденных молекул азота. В резонаторах с малой напряженностью электромагнитного поля потери возбужденных молекул за счет выноса из резонатора - главный вид потерь. Вторая особенность также связана с движением активной среды. Течение газа с большой скоростью порождает в потоке различного рода оптические неоднородности в виде турбулентынх вихрей, кильватерных (спутных) следов от сопловых лопаток и слабых ударных волн, идущих от стенок канала. Эти особенности выделяют газовый поток среди других газовых сред для лазеров в новый самостоятельный вид активной лазерной среды.

Рассмотрим далее модель рабочей среды на участке течения газа через оптический резонатор. Эта модель описывает процессы на молекулярном уровне, которые происходят в активной среде под действием электромагнитного поля внутри резонатора. Основная трудность при составлении всяких кинетических уравнений состоит в анализе того, что важно, а что нет для рассматриваемого явления, что обязательно нужно учесть, а чем можно пренебречь. Кинетические уравнения в окончательном и безразмерном виде записываются следущим образом:

Здесь х - относительная концентрация молекул СО₂ на верхней лазерном уровне, y - концентрация молекул азота на уровне = 1. Нормировка ведется на полное число молекул газовой смеси в единице объема. Член (₁+w)x описывает переходы молекул СО₂ с верхнего лазерного уровня за счет тепловой релаксации и под действием электромагнитного поля. Такого же члена во втором уравнении нет. Это означает, что молекулы N₂ непосредственно с полем не взаимодействуют и потерями возбужденных молекул азота за счет прямой релаксации пренебрегается, что вполне справадливо при низкой температуре газовой среда и малой концентрации паров воды в составе смеси. Потеря колебательного возбуждения активной среды как под действием излучения, так и за счет тепловой релаксации происходит только через молекулы СО₂. Члены -(1-с)x+сy описывают обмен колебательным возбуждением между молекулами СО₂ и N₂. Онм входят в оба уравнения с противоположными знаками. Здесь с - концентрация углекислого газа в cоставе смеси. Поскольку содержание паров воды мало, то (1-с) с хорошей точноотью есть концентрация молекул азота в составе смеси. ф - безразмерное время.

В системе кинетических уравнений нет уравнения, которое описывает населенность нижнего лазерного уровня. Это связано с тем, что населенность нижнего лазерного уровня всегда мала и ее можно не учитывать. Возвращаясь к цепочке переходов, которые совершаются молекулой СО₂, следует сравнить две частоты: частоту, с которой молекула СО₂ получает возбуждение, столкнувшись с молекулой N₂^* на уровне = 1, и частоту дезактивации нижнего лазерного уровня за счет столкновений с молекулами воды. Оказывается, что при концентрации паров воды в составе смеси ~2 % и концентрации колебательно-возбужденных молекул N₂^*~2-5% дезактивация нижнего уровня происходит в 10-20 чаще, чем передача возбуждения. При очень cильном электромагнитном поле внутри резонатора узким местом в цепочке переходов оказывается именно передача возбуждения.

Кинетические уравнения линейны, в то время как уравнения химической кинетики для бинарных процессов нелинейны. Линеаризация была сделана в силу того, что концентрация возбужденных молекул СО₂ и N₂ мала по сравнению с их общей концентрацией. Например, в члене, который описывает обмен колебательным возбуждением, вместо концентрации молекул N₂ в основном колебательном оостоянии написана полная концентрация молекул азота в составе смеси. Аналогичная замена оделана с концентрацией углекислоты. После того, как уравнения превратились из нелинейных в линейные, вместо константы скорости процесса вводится характерное время или характерная частота. Естественной единицей частоты для газовой среды является частота межмолекулярных соударений. Если пренебречь различием в сечениях, то для молекул имеется средняя газокинетическая частота н. Эта величина умножается на вероятность передачи колебательного возбуждения от N₂ к СО₂ и обратно. Предполагается, что передача возбуждения в прямом и обратном направлении имеет одинаковую вероятность, a небольшим различием в скоростях, которое в действительности имеется, пренебрегается. Характерная частота н или соответетвующее ей время 1/н имеют следующий физический смысл. Представим себе, что при той температуре и давлении, которые имеются в газовом потоке, имеется одна возбужденная молекула N₂ в окружении молекул СО₂ в основном колебательном состоянии, тогда 1/н есть среднее время, за которое молекула передает свое возбуждение окружающим ее молекулам. Аналогичное рассуждение справедливо для молекулы СО₂ в окружении молекул N₂. Для типичных условий работы ГДЛ характеркая частота н ~10⁶ сек^-1. Безразмерное время ф связано со временен t соотношением

Выделение в задаче характерной частоты означает, что вероятности других процессов оказываются нормированными на эту частоту. Например, вероятность тепловой релаксации ₁ есть безразмерная величина ~ 0,03. Это означает, что потеря колебательного кванта молекулой СО₂ в 30 раз менее вероятна, чем передача его молекуле азота.

Остановимся на члене, который описывает взаимодействие молекулы СО₂ с электромагнитным полем. Вероятность перехода под действием поля

где I - интенсивность лазерного излучении (Вт/см²), у - сечение взаимодействия (см²). Введение понятия сечения очень удобно с математической стороны, однако оно требует ясного физического понимания пределов применимости такой формы записи. Сечение взаимодействия - сложная величина, которая зависит:

1) от молекулярных констант, таких как вероятность радиационного перехода и сечение ударного уширения,

2) от параметров газовой среды, в которой находится молекула, в частности от состава смеси, температуры и давления через ширину спектральной линии и распределение по вращательным уровням,

3) от свойств лазерного излучения, с которым взаимодействует молекула, и в частности от его частоты. С монохроматическим лазерным излучением взаимодействует только очень небольшая часть молекул СО₂, а именно только те, которые находятся на соответствующем вращательном уровне, а среди этих только те, которые попадают в пределы однородной ширины линии. Введение сечения, которое относится ко всем молекулам на колебательном уровне, означает, что скорости релаксационных процессов, которые выравнивают нарушенное излучением больцмановское распределение повращательным состояниям и распределение молекул в пределах одной линии, больше, чем скорость перехода молекулы СО₂ под действиям излучения. Это накладывает ограничения сверху на интенсивность электромагнитного поля. Подсчеты показывают, что этот предел составляет 2*10⁶ Вт/см². В ГДЛ непрерывного действия интенсивность поля существенно меньше этой величины, поэтому понятие сечения остается справедливым.

Перейдем к анализу системы кинетических уравнений, который возможно провести в общем виде, и, в частности, корней характеристического уравнения. Воспользовавшись тем, что с ~ 0,1 с точностью до членов ~ c² имеем:

Оба корня отрицательны, следовательно, система приходит в равновесие без колебаний. Допустим, что электромагнитного поля нет w = 0, тогда учитывая, что ₁<<1, имеем

Экспоненциальный член в решении уравнения с корнем н₂ описывает быстрый процесс установления равновесия между возбужденными молекулами N₂ и СО₂. Тот член в решении, который соответствует корню н₂, описывает медленную совместную дезактивацию колебательно-возбужденных молекул N₂ и СО₂. Поскольку усиливающая среда движется, то времени 1/с₁ соответствует характерная длина l₁, на которой происходит затухание усиливающих свойств среды без электромагнитного поля

где - скорость движения газа, - вероятность колебательной дезактивации молекулы СО₂. Для типичных условий работы ГДЛ величина l₁ = 50 см. Параметр l₁ определяет верхнюю границу длины оптического резонатора вдоль потока.

Рассмотрим другой случай, когда рабочая среда находится в сильном электромагнитном поле. Условие сильного поля w>>1 означает, что вероятность вынужденного радиационного перехода молекуле СО₂ существенно больше, чем вероятность передачи возбуждении. Корню уравнения соответствует характерная длина l₂

для типичных условий работы ГДЛ величина l₂ = 1,5 см, она определяет нижнюю границу длины резонатора вдоль потока.

Поскольку узким горлом в цепочке переходов, которые совершает излучаемая молекула, является передача колебательного возбуждения, то характеристическая частота н определяет мощность насыщения (из условия w = 1), а вместе с ней интенсивность потока излучения I внутри оптического резонатора

Для типичных режимов работы I = 10 КВт/см².

Резонатор

Обратимся теперь к моделям оптических резонаторов и вычислению величины их энергетической эффективности ц_r. Рассмотрим резонаторы с однородным (тип 1) и неоднородным (тип 2) электромагнитным полем, которые являются предельными случаями реальных оптических резонаторов. Пусть область пространства, где существует электромагнитное поле, представляет собой прямоугольный ящик, совпадающий по высоте H и ширине L с поперечными размерами сверхзвукового потока (см. Рис. 3).

Рис. 3. Конфигурация и геометрические размеры оптического резонатора. Стрелкой указано направление движения газового потока. Длина резонатора вдоль потока - размера первой зоны Френеля

Направление движения газа указано стрелкой, а вертикальные линия условно изображает сопловую решетку. Зеркала расположены на боковых поверхностях параллелепипеда. Один тип резонатора устроен так, что поле внутри него одинаково по напряженности во всех его точках (тип 1). В какой бы из его частей ни была извлечена энергия из проходящего через него потока активной среды, она равномерно распределится с помощью зеркал по всему объему. При генерации излучения поле возрастает или убывает сразу по всему объему. Этот резонатор имеет длину вдоль потока l, которая изменяется по нашему желанию. Вместе с изменением длины резонатора увеличивается или уменьшается площадь боковых поверхностей, занятых зеркалами. Другой тип резонатора с неоднородным полем (тип 2) представляет собой совокупность многих элементарных резонаторов, каждый из которых действует независимо один от другого. Площадь зеркал элементарного резонатора порядка первой зоны Френеля, связь между ними осуществляется через общую активную среду, которая по мере своего движения проходит всю цепочку резонаторов по направлению потока. Связь через электромагнитное поле между резонаторами отсутствует. Общая длина резонатора с неоднородным полем вдоль потока не фиксирована, она определяется порогом самовозбуждения. Коэффициент прозрачности выходного зеркала одинаков для всех элементарных резонаторов. Если произвести расчет выходной мощности, а затем произвести оптимизацию по величине пропускания выходного зеркала, то эффективность резонатора типа 2 зависит только от одного параметра b, который имеет смысл превышения над порогом самовозбуждения

где k₀L - показатель усиления на один проход для слабого сигнала, R - коэффициент отражения по мощности отражающей поверхности зеркал резонатора, вL -показатель неактивного ослабления на длине волны генерации, который обусловлен рассеянием и поглощением излучения на оптических неоднородностях в газовом потоке.

Полный расход колебательных квантов, которые приносятся потоком газа на вход оптического резонатора, делятся на три части. Одна часть ц_r на полезное излучение, другая часть q₂ остается наиспользованной и выносится потоком газа из резонатора, третья часть q₃ теряется внутри резонатора за счет потерь в усиливающей среде и на зеркалах резонатора. Величина q₂ для резонатора типа 2, оптимизированного по пропусканию, выражается через тот же параметр b

В общем случае эффективность резонатора типа 1 с неоднородным полем кроме параметра b зависит также от длины резонатора вдоль потока

где е - коэффициент, определяющий долю моцности, которая выводится из резонатора в качестве полезного излучения. Переменная щ находится из решения уравнения

Для каждого значения параметра b существует единственный максимум велжчины ц_r как функции двух параметров е и a. На рис. 4 проведено сравнение эффективности резонаторов обоих типов с одинаковой активной средой. Резонатор типа 1 оптимизирован по пропусканию выходного зеркала, а резонатор типа 2 - по коэффициенту вывода полезного излучения в длине резонатора вдоль потока

Рис. 4. Энергетическая эффективность оптического резонатора о однородным (I) и неоднородым (II) электромагнитным полем как функция превышения над порогом самовозобуждения

Из рисунка видно, что резонатор с однородным нолем имеет систематически более высокую эффективность, чем резонатор с неоднородным полем, однако, это различие не слишком велико. Для обоих типов резонаторов справедлив вполне естественный вывод о том, что высокая энергетическая эффективность их действия может быть достигнута только при большом превышении над порогом самовозбуждения.

Диагностика

Важнейшим видом диагностики лазерного излучения является измерение коэффициента усиления слабого сигнала. Оно осуществляется путем просвечивания канала резонатора маломощным зондирующим лазером и регистрации изменения мощности при наличии и отсутствии потока.



Схема измерения коэффициента усиления слабого сигнала

1- зондирующий СО2-лазер Sylvania 948, 2 - диффузный отражатель, 3 - детектор, 4 - фокусирующее зеркало, 5 - прерыватель, 6 - полупрозрачные пластины, 7 - дифракционная решетка, 8 - экран с люминофорным покрытием, 9 - оптические окна, 10 - резонатор ГДЛ, 11 - детектор, 12 - диффузный отражатель

Типичная осциллограмма, полученная при измерении коэффициента усиления слабого сигнала в ГДЛ на ударной трубе

1 - прерыватель света, 2 - луч зондирующего СО2-лазера, 3 - щелевое сопло и резонаторный объем, 4 - газовый поток, 5 - диффузный отражатель, 6 - узкополосный фильтр на 10 мкм, 7 - инфракрасный детектор - Ge-Au

Учитывая специфику применения лазера, - для нагрева листов металла, их резки и сварки,- необходимо знать мощность падающего на заготовку излучения. Простейший и наиболее апробированный способ - использовать калориметр, как показано на рисунке:

Калориметр для изменения энергии лазерного излучения

Более совершенным способом является пироэлектрическое измерение энергии лазерного луча на основе специальных свойств ферроэлектрических кристаллов менять свою поляризацию в результате нагрева.

Пироэлектрический датчик

Предельные параметры

Среди газодинамических, электроразрядных и химических лазеров газодинамические позволяют получать наибольшую мощность в непрерывном режиме. Для увеличения энергомощностных характеристик необходимо:

1. Сильнее нагревать газ в форкамере (до 3000 К)

2. Быстрее и сильнее охлаждать в сопле Лаваля

· Повышать давление в форкамере (до уровня ~40 атм)

· Уменьшать критическое сечение сопла (до ~0,3 мм)

· Увеличивать отношение выходного сечения сопла к критическому (Авых/Акр ~ 170)

Теоретические значения максимальной величины коэффициента усиления слабого сигнала находятся на уровне 1,6-1,8 обратных метров. При этих параметрах максимальная удельная запасенная энергия генерирующей среды доходит до 140 кДж/кг. Далее мощность лазерного излучения зависит от потерь в резонаторе, что невозможного прикидочно оценить из-за существования различных типов резонаторов и сильной зависимости их характеристик от размеров, конфигурации и т.д.

Текст расчета параметров газодинамического лазера



Промышленное применение

В промышленности ГДЛ применяются в основном в:

1. формообразовние корпусов судов;

2. лазерная резка;

3. лазерная сварка.

Основные преимущества ГДЛ по сравнению с лазерами других типов: свойство непрерывной генерации когерентного излучения большой мощности, относительная простота конструкции, возможность использования традиционных жидких топлив в качестве источника энергии лазерного излучения.

Процесс лазерной формовки реализуется возникновением термических напряжения в поверхности заготовки (без плавления) под воздействием лазерного луча. Эти внутренние напряжения выхывают пластические деформации, которые изгибают (в двухмерной или трехмерной конфигурации) лист металла.

Главные параметры процесса: скорость подачи, диаметр фокусировки, мощность падающего излучения, коэффициент поглощения. В зависимости от соотношения этих величин реализуются различные механизмы формовки (см. Рис. 5).

Также показаны изделия, полученные на Electrox 1,5 КВт CO₂ лазере с длиной волны 10,6 мкм при режиме непрерывной генерации (см. Рис. 6).



Рис. 5. Схема трех различных механизмов лазерной формовки.

Рис. 6. а) Лист Al 250х100х2 мм; б) лист мягкой стали 400х200х1,5 мм; в) мягкая сталь 360х190х5 мм.

Список литературы

газодинамический лазер излучение

1. Энциклопедия низкотемпературной плазмы, Серия Б, том ХI-4, гл. Ред. В.Е. Фортов, Москва, Физматлит, 2005

2. Газодинамические CO₂ лазеры, В.К. Конюхов, 1976

3. Газодинамические лазеры. Введение. Дж. Андерсон --М.: Мир, 1979.

4. Оценка влияния регулярных и стохастических фазовых структур на оптическое качество потока активной среды газодинамического лазера. В.О. Ковалевский, В.В. Лобачев, «Квантовая электроника», 31, №7 (2001).

5. Газодинамический лазер на продуктах горения углеводородо-воздушных смесей. Г.И. Козлов, В.Н. Иванов, А.С. Кораблев, Письма в ЖЭТФ, том 17, вып. 12, стр 651-654, 20 июня 1973

6. Процессы генерации в движущихся лазерно-активных средах и возможности управления динамическими режимами работы лазеров, Федосеев В.И. Автореферат диссертации, МГУ, Москва, 2007 г.

7. Методические указания, Камруков А.С.

8. Физика газового разряда, Райзер Ю.П.

9. Hypersonic Gas Laser, David B. Fenneman, United States Patent 4,042,892; Aug. 16, 1977

10. Laser Assisted Forming for Ship Building, G. Dearden, S.P. Edwardson, Laser Group, Department of Engineering, The University of Liverpool. SAIL 2003 Williamsburg V.A. June 2-4.

Размещено на Allbest.ru