Потужні молекулярні лазери і їх застосування

       Більш интересными з погляду збільшення об'єму є схеми електродів, показані на рис. 8, а, б. Обидві схеми використовують допоміжний розряд між катодом і запускаючими електродами. Цей розряд відбувається протягом дуже короткого часу, 2 — 5·10^-8 з, при підвищеній напруженості поля, достатній для виникнення автоелектронній емісії поблизу загострених ділянок катода або короткочасного 

                                                                  а)

коронного розряду. У обох випадках в ультрафіолетовій області спектру відбувається випромінювання фотонів, які слабо іонізують газ також і в основному розрядному проміжку. Потім подається імпульс напруги між анодом і катодом, час наростання якого повинен бути також рисим, 0,5—1 • 10^-7 с. Під впливом прикладеного поля електрони лавиноподібно розмножуються і одночасно порушують коливання молекул. Тривалість імпульсу, а також енергія, що вкладається в розряд, обмежені виникненням електричного пробою. За допомогою лазерів, що порушуються подібним способом, отримана світлова енергія до 18 Дж на 1 л газу. Це дуже високий показник, але ще досить далекий від принципової межі, пов'язаної з нагрівом газу. Основною перешкодою для зростання енергії з'явилася нестійкість самого розряду.

       Справа тут в тому, що електрони, які необхідні для розгойдування коливань молекул, в розрядах, подібних вказаним вище, виникають за рахунок тих електронів, які вже набрали в електричному полі настільки велику енергію, що сталі здатні іонізувати молекули. Для того, щоб загальна концентрація електронів швидко зросла — без цього неможлива велика потужність накачування коливань — необхідна значна кількість высокоэнергетпческих електронів. Повний енерговнесок в таких умовах опиняється настільки високим, що швидко розвивається пробою міжелектродного проміжку. Не допустити розвитку пробою можна лише ціною зменшення тривалості імпульсу струму. ККД лазера виявляється порівняно низьким і не перевищує 4—5%. Енергія випромінювання обмежена тим, скільки її запасена до кінця імпульсу накачування. Повторне збудження молекул в цьому випадку вже неможливе.

       Для подолання цих труднощів було потрібно радикальну зміну характеру  газового розряду. Ідея про те, що необхідно розділити функції електронів в розряді лазера — збудження коливань і підтримка електричного струму, тобто перейти від самостійного розряду до несамостоятельному— майже одночасно з'явилася в декількох групах дослідників як в наший країні, так і за кордоном.

       Для підтримки необхідної величини електропровідності газу було запропоновано використовувати різні види іонізуючих випромінювань — пучки електронів або протонів високої енергії, заряджені осколки ядерних реакцій, рентгенівське і ультрафіолетове випромінювання. У всіх випадках джерело іонізації повинне створити високу концентрацію електронів в газі — 10¹²—10¹⁴ см³ щоб можна було прикласти постійне поле такої напруженості, коли іонізація молекул ударом електронів розряду відбувається надзвичайно рідко. У цих умовах енергія поля майже повністю переходить в коливання молекул. Електричний розряд приймає форму несамостійного. Висока концентрація електронів забезпечує велику швидкість накачування, а незалежна іонізація значно подовжує час, протягом якого розряд зберігає стійкість. Не слід думати, що проблема стійкості з переходом до несамостійного розряду зовсім знімається. Не виникають тих, що лише швидко розвиваються нестійкості. Нестійкості теплової природи, температури, що виникають із-за місцевого підвищення, і подальшого пониження щільності, а отже, і збільшення відношення E/N, як і раніше представляють серйозну проблему. Але зовнішня йонизация дозволяє так підготувати газ до великого энерго-вкладу в коливальні міри свободи, щоб до моменту розвитку теплових неустойчивостей припинити імпульс накачування.

       Важливою  гідністю, методу зовнішньої іонізації є  можливість  значного   підвищення    тиску

робочій суміші, а отже, потужності і енергії  випромінювання. Роботи радянських учених в цьому напрямі показали принципову можливість створення газорозрядного СО₂-лазера при тиску до 50 атм.

       Найбільш, розробленим способом зовнішньої іонізації  є пучки електронів високих енергій. Лазери такого типу отририса назва електроіонізаційних. У науковій літературі є повідомлення про дуже цікаві плани генерації випромінювання з енергією до 1 кДж при тривалості імпульсу в 1 не. Такі імпульси мають намір отримати американські учені за допомогою багатокаскадного підсилювача електроіонізаційного типу. У крайових каскадах підсилювача передбачається використовувати робочий газ при тиску до 5 атм. Опубліковані дані про генерацію імпульсів випромінювання тривалістю 20 мкс і енергією до 2 кДж, а також про роботу генератора в режимі з великою частотою повторення імпульсів з використанням високошвидкісних потоків газу для зміни активного середовища в робочому об'ємі.

       Дуже  інтенсивно розробляється зараз  метод фотоіонізації ультрафіолетовим випромінюванням (на рис. 9 як джерело такого випромінювання використовуються іскрові розряди). Цей метод дозволяє уникнути створення громіздких і дорогих систем захисту від рентгенівського випромінювання, які потрібні для роботи з пучками електронів. Може бути підвищена надійність роботи лазера. Справа тут в тому, що дуже уразливим местомом електроіонізаційного лазера є інжекція пучка швидких електронів з прискорювача, що працює в умовах вакууму, в робочий газ високого тиску. Пучок пропускається через дуже тонку металеву фольгу, прозору для електронів високої енергії. Такі вікна можуть бути легко пошкоджені нагрівом струмом електронного пучка або випадковими електричними пробоями в активному середовищі.

       Повідомлення  в науковому друці показують, що за допомогою методу фотоіонізації  можлива генерація імпульсів  випромінювання з енергозніманням  до 40—50 Дж з 1 л активного середовища при тиску 1 атм.

       Ми  показали, наскільки різноманітне сімейство газорозрядних СО₂-лазерів, як швидко розвиваються роботи з їх створення. Всі розглянуті типи лазерів були розроблені протягом останніх 7—8 років, і в найближчі голи в цій області слід чекати ще значніших змін. 

       Газодинамічні   лазери

       З часу появи лазерів фізики зосередили великі зусилля в напрямів пошуків шляхів використання для генерації когерентного випромінювання тих станів речовини, які виникають в процесі швидкої зміни його термодинамічного стану. Значний внесок до розвитку цього напряму внесли радянські учені. Група співробітників академіка Н. Г. Басова показала можливість виникнення інверсії населенностей при швидкому нагріві або охолоджуванні речовини. У лабораторії коливань Фізичного інституту ім. П. Н. Лебедева, керованою академіком А. М. Прохоровим, для отримання генерації світла використовувалося закінчення нагрітої суміші азоту і вуглекислого газу через надзвукове сопло, що дозволило створити газодинамічні СО₂-лазери, найбільш могутні з відомих в даний час.

       При високій температурі газу за рахунок енергії теплового руху молекул відбувається і збудження їх коливань. Енергія, запасена в коливальному русі, відповідає умовам термодинамічної рівноваги і визначається величиною кванта коливань і температурою газу. Сильно нагрітий газ можна отримати у великій кількості будь-яким з добре розроблених методів: нагрівом електричним струмом, спалюванням різних палив, стисненням в компресорах, ударних трубах або при вибухах, в теплообмінниках ядерних реакторів.

       Якщо  сильно нагрітий газ швидко розширити, його температура впаде, а енергія теплового руху перейде в кінетичну енергію направленого руху потоку. Швидкість руху потоку виявляється дуже великою і може складати декілька чисел Маха (число Маха виражає відношення швидкості перебігу газу до швидкості звуку в газі). Доля енергії коливань молекул при такому русі газу може бути різною залежно від умов розширення. Ми вже говорили раніше, що при низькій температурі перехід коливальної енергії в поступальну відбувається вельми рідко, і частота переходів залежить від природи молекул, що стикаються. Якщо охолоджування і розширення газу відбувається настільки швидко, що енергія коливань не встигає перейти в поступальну, то в охолодженому газі низької щільності вона зберігається досить довго. Говорять, що енергія коливань «заморожується» в змозі з високою початковою температурою. Деяка парадоксальність терміну «заморожування» енергії коливального руху, проте, добре передає суть справи — при загальному зниженні температури газу енергія коливань застигає на колишньому рівні. Стан газу стає термодинамічно нерівноважним.

       Інакше  йде справа, якщо в процесі розширення енергія коливань встигає перейти  в поступальну. Значного порушення  термодинамічної рівноваги в  цьому випадку не відбувається.

       У газодинамічному лазері робоча суміш майже повністю складається з азоту. Ми пам'ятаємо, що енергія його коливань при кімнатній температурі зберігається дуже довго. Антисиметричне коливання вуглекислого газу також зберігає енергію достатньо тривалий час. Якщо ж в суміш додати такі компоненти, як вода або гелій, енергія деформаційного і симетричного коливань вуглекислого газу дуже швидко переходить в теплову. Для суміші азоту, вуглекислого газу і води або гелію можна так підібрати швидкість розширення, що коливання азоту і антисиметричні коливання СО₂ «заморозяться», а деформаційні і симетричні коливання знаходитимуться в стані термодинамічної рівноваги з поступальною ходою. За цих умов виникне інверсія населенностей, стануть можливими посилення і генерація світла.

       Подивимося, які конкретно ці умови, яке потрібно вибрати сопло для газодинамічного лазера. Найбільша швидкість зміни газодинамічних параметрів газу — температури і тиск — існує поблизу шийки сопла, найбільш вузького перетину, званого критичним. Тут встановлюється швидкість течії, рівна швидкості звуку, визначуваною температурою газу в цьому перетині. Час прольоту газу через облаємо, поблизу шийки практично визначає час охолоджуванні. Воно рівне відношенню ширини шийки до місцевої швидкості звуку (швидкість звуку залежить від температури газу, яка сильно змінюється при розширенні). Цей час повинен бути менше часу переходу енергії коливань азоту і антисиметричного коливання вуглекислого газу в теплову енергію. Тоді будуть досягнуті умови «заморожування» цих типів коливань. Найбільш поширені робочі параметри нагрітого газу — температура 1400—1600°К, тиск 20—30 атм. Ширина шийки в цьому випадку повинна бути від 0,5 до 1мм залежно від складу суміші. Ми бачимо, що сопло газодинамічного лазера вельми мініатюрно, воно не порівнянне по своїх розмірах, наприклад, з соплами реактивних двигунів. Для того, щоб забезпечити велику витрату газу, необхідно використовувати багато таких сопел, цілий сопловий блок. Дія газодинамічного лазера, що працює на спалюванні окислу вуглецю в повітрі, відбувається таким чином. Продукти згорання, що складаються з вуглекислого газу і азоту з невеликою домішкою води, змішуються з холодним азотом для того, щоб декілька понизити температуру газу і полегшити тепловий режим сопів. Після цього суміш газів поступає . у сопловий блок, де охолоджується до 250—300°К і розгониться до швидкості 1200—1500 м/с. На виході соплового блоку розташований оптичний резонатор, в якому енергія коливань частково переходить в світлову. Відпрацьований газ потрапляє в надзвуковий дифузор. Його призначення полягає в тому, щоб загальмувати газ і погоджувати тиск зовнішнього повітря і газу на виході дифузора з тиском в камері резонатора. Останнє зазвичай складає 0,05—0,1 атм.

       Основна частина енергії, що випромінюється лазером, запасена в азоті. Щоб перетворити її на світлову, спочатку необхідно передати її молекулам вуглекислого газу. Для цього довжина оптичного резонатора у напрямі руху газу повинна бути не менше тієї, яку газ пролітає за час передачі збудження, звичайне 1—3 см. З конструктивних міркувань, пов'язаних з руйнуванням дзеркал під дією інтенсивного випромінювання, резонатор роблять значно довшим. Це виявляється вигідно і енергетично — із зменшенням щільності потужності падають і втрати на нагрів дзеркал. З іншого боку, надмірне зменшення щільності потужності і, отже, збільшення довжини резонатора приводять до збільшення тієї енергії, яка переходить в теплову при зіткненнях молекул. Тому ясно, що оптирисьною буде та довжина резонатора, при якій максирисьна вихідна потужність лазера.

       Запас енергії, яку принципово можна трансформувати в світлову в газодинамічному  лазері, визначається температурою газу в камері високого тиску. Чим вище температура, тим більше цей запас  енергії. Наприклад, при температурі  1500°К 1 кг суміші з 10% СО₂ і 90% N₂ містить 42 кДж енергії, яку можна отримати у вигляді випромінювання у разі повного перетворення. Підвищення температури до 2000°К збільшує енергозміст до 76 кДж на 1 кг тієї ж суміші.

       У газодинамічних лазерах першого  покоління для створення робочої суміші використовувався нагрів газу електричним струмом, стисненням у високотемпературній області за фронтом сильної ударної хвилі або горінням окислу вуглецю в повітрі. По опублікованих відомостях, найбільш могутній з таких лазерів випромінював 60 кВт світловій потужності. Расходімость випромінювання ставала близькою до дифракційної межі при зменшенні потужності генерації до 30 кВт. Ці цифри показують, наскільки великі можливості газодинамічного методу створення інверсної населеності.

       Газодинамічні лазери, з якими ми зараз познайомилися, володіють істотними недоліками — для їх роботи використовується токсичне паливо, а їх ККД не перевищує 1%. Спробуємо тепер оцінити шляхи і перспективи їх розвитку і вдосконалення.

       Використання  широко поширених і дешевих вуглеводневих палив вимушує працювати на газових сумішах, що містять велику кількість води, що утворюється в процесі горіння. Проте релаксація енергії коливань вуглекислого газу на молекулах води володіє поряд особливостей. Енергія деформаційного коливання СО₂ при зіткненнях з молекулами води переходить в тепло дуже швидко — для цього потрібно лише декілька десятків зіткнень. В цьому відношенні вода сприяє роботі газодинамічного лазера. Але виявляється, що вода дуже ефективна і в перетворенні енергії антисиметричного коливання в теплоту. Правда, цей процес відбувається повільніше — потрібно декілька сотень зіткнень з молекулами води, щоб молекула вуглекислого газу втратила квант антисиметричного коливання, — але все таки це дуже швидкий процес. Щоб втрата енергії в цьому процесі не порушувала роботу лазера, необхідно підвищувати загальний запас енергії коливань, тобто температуру в камері високого тиску, і зменшувати відносну роль зіткненні з втратою енергії. З цією метою потрібно зменшити концентрацію вуглекислого газу в суміші (безпосередній перехід енергії коливань азоту в теплоту відбувається вельми поволі), і статичний тиск в камері резонатора.