РАСЧЕТ НАКАЧКИ ЧЕТЫРЕХУРОВНЕВОЙ КВАНТОВОЙ

СИСТЕМЫ

Накачка квантовой системы может происходить по четырехуровневой схеме, например, в газовом лазере. Возбуждение осуществляется с уровня 1 на уровень 4. Инверсия населенностей образуется между средними уровнями 3 и 2. Вероятности переходов с уровня 4 на уровень 3 и с уровня 2 на уровень 1 достаточно велики, так что уровни 4 и 2 можно всегда считать пустыми (рис 4.1). Кинетические уравнения для такой системы обычно записываются в виде

;

где W – число частиц, попадающих на уровень 3 за счет накачки в единицу

времени;

n₃ – число частиц на уровне 3 (напомним, что число частиц на уровне 2

равно n₂=0);

B₀ – константа, зависящая от частоты;

N – число фотонов в типе колебаний резонатора лазера;

τ – время спонтанного излучения;

τ_p – время жизни фотонов в резонаторе;

ε_c – вероятность того, что фотоны, образующиеся в результате спонтан

ного распада, попадают в рассматриваемый тип колебаний.

Рисунок. 4.1. Четырехуровневая система

Накачка происходит с уровня 1 на уровень 4. Рабочий переход осуществляется между уровнями 3 и 2. Прямыми стрелками показаны излучательные переходы, а волнистыми – безизлучательные.

Для вычисления величины B_c рассмотрим изменение числа фотонов в типе колебаний за счет индуцированных переходов. Если - спектральная плотность энергии поля, V - объем кристалла, то изменение числа фотонов в тпе колебаний в единицу времени за счет индуцированных переходов будет

Учтем, что , а также соотношения между коэффициентами и . Тогда

где – кратности вырождения уровней,

- форм-фактор линии.

Учитывая, что

и вводя обозначение

получим

. (4.1)

Для лоренцевой формы линии имеем

где - полуширина линии. Тогда

. (4.2)

Из равенства (7.2) видно, что

(4.3)

и, в частности, для вершины линии

. (4.4)

Выражения (4.3) и (4.4) для константы получены в предположении, что на обоих рабочих уровнях число активных частиц отлично от нуля. Согласно же условиям задачи , т.е. . Подставляя это выражение в (4.1), получаем вместо (4.3) и (4.4)

; (4.3а)

. (4.4а)

Отметим, что в формулы (7.3) и (7.4) входит длина волны излучения в веществе. Если - показатель преломления кристалла, то

где - длина волны излучения в вакууме.

Вычислим теперь независимым образом . Предположим, что все поверхности лазерного кристалла идеально отражающие, т.е. сам кристалл представляет собой резонатор без потерь. Тогда в частотном интервале от до в кристалле с показателем преломления возбуждается число типов колебаний:

где V - объем кристалла.

Число спонтанных распадов уровня 3 в единицу времени составляет , причем частное распределение излучаемых фотонов определяется формой линии люминесценции активного вещества, и в частотный интервал от до попадает фотонов.

Очевидно, число фотонов, попадающих в один тип колебаний, равно

Следовательно,

Для лоренцевой формы линии люминисценции

Учитывая, что и то, что для рассматриваемой четырехуровневой системы , получаем

Это позволяет записать кинетическое уравнение для числа фотонов в виде

. (4.5)

ЛЕКЦИЯ 7

Газовые лазеры.

Это лазеры с активной средой в виде газов, паров или их смесей. Как и все виды лазеров, газовый лазер состоит из следующих элементов:

- активная среда, обладающая усилением на одной или нескольких линиях в оптическом диапазоне;

- оптический резонатор для создания положительной обратной связи

- устройство накачки для создания инверсной населенности уровней.

Многообразие физических процессов, приводящих к инверсии населенностей, создает большое многообразие типов, характеристик и режимов работы газовых лазеров. Газовые лазеры, работающие в непрерывном и импульсном режимах, существенно отличаются как конструктивно, так и по характеристикам.

По характеру возбуждения газовой среды (накачки) газовые лазеры различаются на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением, газовые лазеры с возбужденными заряженными частицами, газодинамические лазеры, химические лазеры.

По типу переходов, на которых возбуждается генерация, газовые лазеры различают – лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры.

Газовые лазеры являются наиболее распространенным типом лазеров. Они излучают на волнах от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона (0,16 – 1600 мкм) и обладают самой высокой степенью когерентности по сравнению со всеми другими лазерами. Газовая среда имеет хорошую оптическую однородность, поэтому позволяет получать наименьший угол расхождения оптического пучка. Они способны излучать в широком интервале мощностей от 100 мкВт до 1 мвт в непрерывном режиме и до одного тераватта в импульсном режиме. Этому способствует возможность быстрой прокачки газовой активной среды через оптический резонатор.

Газоразрядные лазеры

В них инверсная населенность уровней создается за счет газового разряда. Атомы возбуждаются при их соударении с быстрыми свободными электронами.

Первым газовым лазером подобного типа был гелий-неоновый лазер на нейтральных атомах. Активной средой в нем является смесь двух газов: гелия (He) и неона (Ne), а лазерными уровнями – энергетические уровни возбужденных атомов Ne. Для создания инверсии населенностей используется электрическая накачка в виде тлеющего разряда в газоразрядной трубке. (рис.7.1).

При разряде вследствие неупругих столкновений со свободными электронами происходит возбуждение атомов гелия, которые могут переходить на метастабильные уровни II и III. Энергия возбужденных атомов He передается далее атомам Ne. Атомы неона переходят в возбужденное состояние 2s или 3s, а атомы He в основное состояние I. Атомы гелия являются посредниками при передаче энергии от быстрых электронов к атома неона. Поэтому гелий можно назвать вспомогательным, а неон – основным или рабочим газом. Рабочий переход 3s-3p соответствует длине излучения 3,39 мкм. Однако наиболее используемым является переход 3s-2p с длиной волны излучения 0,6328 мкм (красный свет).

В настоящее время получена генерация на более, чем 450 переходах между уровнями нейтральных атомов. Эти лазеры работают в непрерывном режиме, который обеспечивается газоразрядной накачкой.

Молекулярные лазеры представляют собой газовые лазеры, в которых в качестве рабочего вещества используются молекулы. В отличие от атомов, молекулы газов кроме электронных энергетических уровней имеют также колебательные и вращательные уровни.

Рис. 7.1 Схема газоразрядного лазера.

Первый молекулярный лазер был реализован на смеси молекул углекислого газа (CO₂) и азота (N₂). Молекулы углекислого газа возбуждаются при соударении с быстрыми электронами в газовом разряде и переходят на возбужденные уровни 1-4. Одновременно происходит ионизация молекул азота, вследствие чего энергия от возбужденных молекул N₂ передается молекулам CO₂ на уровне 4. Излучательными переходами являются переходы 4-3 и 4-2 молекул CO₂, создающие вынужденное излучение на длинах волн 10,6 и 9,6 мкм. (рис. 7.2)

Рисунок 7.2 Схема молекулярного газового лазера

Наиболее интенсивным является переход с длиной волны 10,6 мкм, при этом генерация на других переходах специально подавляется.

Газовая смесь прокачивается через разрядные трубки, составляющие многократный оптический резонатор. С одного метра активной среды можно получить лазерное излучение в 50 Вт в непрерывном режиме. Лазеры, в которых возбуждение рабочей смеси достигается за счет разряда при высоком давлении пучком быстрых электронов носят название электроионизационных лазеров. В таком типе лазеров с одного метра активной среды можно получить мощность до 100 кВт.

Эксимерные лазеры – представляют особый тип газовых лазеров, активная среда которых состоит из эксимерных молекул. Эксимерные молекулы существуют только в электронно-возбужденном состоянии. В основном состоянии атомы эксимерной молекулы стремятся отталкиваться друг от друга. Однако в возбужденном состоянии атомы удерживаются в молекуле. Время жизни эксимерной молекулы в возбужденном состоянии определяется временем ее радиационного распада. Такие эксимерные молекулы имеют также название разлетные молекулы.

Нижнее состояние оптического перехода опустошается в процессе разлета атомов эксимерной молекулы, характерное время которого 10^-12 – 10^-13 с. Это время значительно меньше времени радиационного опустошения верхнего состояния, поэтому газ, содержащий эксимерные молекулы, является активной средой для переходов между возбужденным верхним уровнем и низким основным разлетным уровнем.

Эксимерные молекулы, как правило, представляют собой короткоживущие соединения атомов инертных газов между собой, с галогенами и кислородом.

Оптимальные параметры активной среды соответствуют условиям образования эксимерных молекул. Наиболее благоприятные условия создаются при высоких давлениях 10-30 атм. При столь высоких давлениях наиболее эффективный способ введения энергии накачки в активную среду состоит в пропускании через газ пучка быстрых электронов, которые производят ионизацию газа и превращение атомных ионов в молекулы. Возможно образование эксимерных молекул в мощном электрическом разряде.

Особенностью экисмерных лазеров является большая ширина линии активного перехода. Это обстоятельство позволяет создавать мощные лазеры для длин волн ультрафиолетового диапазона. Одновременно можно выполнять плавную перестройку частоты излучения в широком диапазоне.

Мощные эксимерные лазеры, возбуждаемые электронным пучком, применяются в установках по исследованию лазерного нагрева мишеней с целью осуществления термоядерных реакций. Лазеры с высокой частотой повторения импульсов используются в технологических целях при обработке изделий микроэлектроники, медицине, зондировании атмосферы. Энергия лазерных импульсов эксимерных лазеров может достигать 100 кДж при длительности импульса ~ 1 нс.

Газодинамические лазеры – это газовые лазеры, в которых инверсия населенностей создается в системе колебательных уровней энергии молекул газа с помощью адиабатического охлаждения нагретых газовых масс, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Другими словами, в качестве активной среды используется быстро охлаждаемая смесь газов, в которой и возникает при охлаждении инверсная населенность уровней.

В упрощенной схеме газодинамического лазера (рис. 7.3) имеется камера сгорания,

Рисунок 7.3 Схема газодинамического лазера.

в которой сжигается углеводородное топливо с выделением большого количества углекислого газа. Нагретая газовая смесь молекул CO₂, Ar, Ne аэродинамическими средствами разгоняется до сверхзвуковой скорости (~1,8 км/с) и резко расширяется и охлаждается. Вследствие относительно большего времени жизни верхнего уровня молекул CO₂ и малого времени прохождения газа через сопло населенность возбужденного при нагреве газа верхнего уровня сохраняется за время движения молекул от камеры сгорания до оптического резонатора. Значительно меньшее время жизни молекул на нижнем уровне приводит к тому, что населенность нижнего уровня оказывается много меньше населенности верхнего уровня уже на расстоянии нескольких сантиметров от сопла и газ поступает в резонатор, состоящий из двух зеркал, параллельных потоку. В непрерывном режиме газодинамические лазеры позволяют получать излучение мощностью до 100 кВт.

В современных газодинамических лазерах двуокись углерода получают при сгорании топлива (природный газ, керосин).

ЛЕКЦИЯ 8

ХИМИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРЫ

Химические лазеры относятся к классу газовых лазеров, в которых инверсия населенностей образуется в результате химических реакций. Возможность создания химических лазеров основана на том, что продукты многих экзотермических (т.е. с выделением тепла) реакций образуются преимущественно в возбужденных состояниях. Переход этих продуктов в нормальное состояние может сопровождаться электромагнитным излучением.

Различают три вида химических реакций, на основе которых созданы химические лазера:

- фотодиссоциация или распад молекул под действием света;

- диссоциация молекул при электрическом разряде в газе;

- взаимодействие молекул, атомов и соединений.

Поскольку в результате реакций происходят необратимые изменения химического состава исходных реагентов, то необходимым условием длительной работы химического лазера являются непрерывное возобновление рабочего вещества.

Большинство химических лазеров работает на колебательно-вращательных переходах двухатомных молекул.

История разработок

В последние десятилетия непрерывные химические лазеры (НХЛ) привлекают наиболее пристальное внимание как гражданских и военных заказчиков, так и разработчиков новой техники в качестве наиболее перспективных источников мощного лазерного излучения.

В 1970-е – 80-е годы газодинамические СО₂-лазеры мегаваттной мощности, разработанные в СССР и США, впервые позволили практически проверить и оценить масштабность и сложность технологических проблем создания лазерного оружия. Однако большая длина волны излучения (10.6 мкм) и, следовательно, высокая расходимость лазерного пучка и низкая энергетическая эффективность лазерных источников оказались слишком серьезными техническими препятствиями для конкуренции мобильных систем на основе СО₂– газодинамических лазеров с традиционными видами вооружений.

Тем не менее эти работы стали сильнейшим стимулом для ускорения развития систем управления и информационных технологий и заложили условия для их беспрецедентного прогресса в последующие десятилетия.

Непрерывные химические лазеры на молекулах HF (фтористый водород) и DF (фтористый дейтерий) открыли пути для продвижения практически по всем технологическим направлениям, обеспечив значительный рост эффективности лазеров и уменьшение длины волны. Излучение фтористо-водородных непрерывных химических лазеров (диапазон длин волн 2.7-3.1 мкм) сильно поглощается атмосферой, тогда как излучение фтористо-дейтериевых непрерывных химических лазеров (3.6-4.1 мкм) практически полностью попадает в окно прозрачности. В связи с этим фтористо-водородные лазеры могут рассматриваться только для внеатмосферных применений, в то время как фтористо-дейтериевые непрерывные химические лазеры привлекательны в наземных условиях.

Разработанные в США экспериментальные образцы фтористо-водородных и фтористо-дейтериевых лазеров мощностью несколько мегаватт, оборудованные крупногабаритной оптикой (около полутора метров в диаметре), уже позволили провести эффективные испытания, которые продемонстрировали зрелость лазерных, оптических, электронных и информационных технологий, позволяющих решать многие практические задачи в полном объеме.

Конкретной целью работ было создание глобальной системы лазерного оружия космического базирования, основанной на использовании установленных на спутниках мощных химических лазеров на фтористом водороде «Альфа» и предназначенной для поражения баллистических ракет на активном участке траектории.

Совместный американо-израильский проект «Наутилус» активно обсуждается с середины 1990-х годов. Он базируется на системе, в которую входит фтористо-дейтериевые непрерывные химические лазеры мощностью около 400 кВт. Основная задача этого проекта – поражение неуправляемых ракетных снарядов.

В настоящее время можно отметить рост числа обсуждаемых и активно реализуемых проектов фтористо-дейтериевых непрерывных химических лазеров наземного применения, расширяющих их географию.

Начиная с девяностых годов прошлого века стал активно развиваться еще один тип непрерывных химических лазеров – химические кислородно-иодные лазеры (КИЛ). Длина волны излучения кислородно-иодного лазера ( мкм) приходится на окно спектральной прозрачности атмосферы, а также соответствует рабочему диапазону волоконной оптики. Это означает отсутствие принципиальных ограничений на использование лазеров такого типа в различных атмосферных и внеатмосферных условиях. Малая длина волны обеспечивает уменьшение дифракционного предела, а небольшая плотность активной среды в резонаторной полости – высокое оптическое качество лазерного пучка. Поэтому действующий размер (апертура) оптических зеркал кислородно-иодного лазера, обеспечивающего такую же, как и фтористо-водородные и фтористо-дейтериевые лазеры, плотность излучения на цели, может быть в несколько раз меньше.

Проект Airborne Laser (ABL) состоит в размещении кислородно-иодного лазера, предназначенного для поражения баллистических ракет на активном участке траектории, на борту широкофюзеляжного самолета (Боинг 747-400F). Другой возможной задачей боевого применения этого комплекса является поражение спутников на околоземной орбите.

В последние годы обсуждается новая концепция «Перспективный тактический лазер» (ПТЛ) на базе кислородно-иодного лазера мощностью 50-75 кВт. Предполагается, что такие системы смогут обнаруживать и поражать на дистанциях 8-25 км множество воздушных и наземных объектов, таких как крылатые ракеты, неуправляемые ракеты и беспилотные самолеты, а также автомашины, пусковые установки ракет, системы наблюдения. Перспективные тактические лазеры будут основаны на тех же технологиях, которые применяются в системе лазера воздушного базирования ABL, но их выходная мощность будет намного меньше.

Налицо новая тенденция – смещение интересов в сторону тактических лазерных систем. Накопленный практический опыт испытаний экспериментальных лазеров приводит к лучшему пониманию их возможностей, расширению перечня потенциальных целей, увеличению диапазона дистанций и к еще большей избирательности и точности воздействия. Все это стимулирует переход от гигантизма лазерных систем первого поколения, определявшего скорее организованными, чем техническими причинами, к более эффективным и компактным мобильным системам, рассчитанным на более широкое применение.

Принцип действия фтористо-водородных и фтористо-дейтериевых непрерывных химических лазеров

Принцип работы этих лазеров основан на прямом преобразовании химической энергии в энергию лазерного излучения при быстром смешении сверхзвуковых химически активных потоков окислителя (содержит атомарный фтор, разбавленный в основном нейтральным газом, преимущественно гелием) и горючего (дейтерий) (рис.8.1).

Рисунок 8.1 Функциональная схема фтористо-водородных и фтористо-дейтериевых непрерывных химических лазеров

Смешение потоков сопровождается выделением тепла в результате экзотермической реакции

, (2.1)

идущей с образованием колебательно-возбужденных молекул HF или DF, причем выделяющейся энергии хватает для заселения колебательных уровней вплоть до четвертого. В результате протекания этих процессов в активной среде лазера формируется существенно неравновесное по отношению к поступательной температуре распределение молекул HF(DF) по колебательным уровням. Это создает благоприятные условия для возникновения частичной инверсии населенностей одновременно трех нижних колебательных полос (1→ 0, 2→ 1 и 3→ 2). Химическая реакция накачки является необратимым процессом, т.е. отработанные продукты реакции должны непрерывно удаляться из газодинамического тракта. Это практически исключает возможность реализации замкнутого режима работы фтористо-водородных и фтористо-дейтериевых непрерывных химических лазеров.

Хотя скорость реакции накачки (2.1) весьма велика, из-за малой скорости смешения сверхзвуковых потоков и, в особенности, из-за высокой скорости колебательно-поступательной релаксации возбужденных молекул уровень рабочих давлений в активной среде фтористо-водородных и фтористо-дейтериевых непрерывных химических лазеров достаточно низок (как правило, он не превышает 5-10 Тор). С ростом давления уменьшается ширина лазерной зоны, что также лимитирует рабочее давление активной среды.

Низкое давление делает невозможным удаление отработанных продуктов в атмосферу в наземных условиях за счет собственной энергии потока, поскольку даже после торможения в диффузоре давление газа все равно намного меньше атмосферного.

Во фтористо-дейтериевых лазерах, предназначенных для работы в атмосферных условиях, система восстановления давления (СВД) состоит из сверхзвукового диффузора, в котором происходит торможение сверхзвукового потока и переход к дозвуковому режиму течения, холодильника (теплообменника) и газового эжектора, в котором давление повышается до значений, обеспечивающих устойчивую работу в режиме открытого цикла.

Во фтористо-водородном лазере, установленном на авиационных или космических платформах, сложную и габаритную систему восстановления давления может заменить устройство удаления отработанной смеси, которое должно обеспечивать минимальное воздействие газов на элементы конструкции лазера и носителя и на их ориентацию в пространстве за счет уравновешивания силы тяги истекающих продуктов.

Источником энергии для химического кислородно-иодного лазера служит кислород в синглентном электронно-возбужденном состоянии O₂(¹Δ). Энергетические характеристики лазера в основном определяются содержанием синглентного кислорода (СК) в активной среде. Сам синглентный кислород может быть получен различными способами. Наиболее распространенным является химический способ, основанный на реакции хлорирования щелочного раствора перекиси водорода, осуществляемой в генераторах синглентноого кислорода (ГСК) (рис.8.2).

Рисунок 8.2 Функциональная схема химического КИЛа со струйным генератором синглентного кислорода

Щелочной раствор перекиси водорода приготавливается из водных растворов перекиси водорода и щелочи – чаще всего гидроксида калия, т.к. в случае его использования гомогенность жидкого состояния сохраняется в наиболее широком температурном диапазоне. При смешивании щелочи (КОН) и перекиси водорода (Н₂О₂) происходит ряд электролитических реакций, сопровождаемых выделением тепла:

, (2.2)

Возбужденное состояние O₂(¹Δ) является метастабильным. Радиационное время жизни синглентного кислорода в газовой фазе при отсутствии тушащих примесей превышает 2000 с. Очевидно, что для получения большей мощности необходим больший расход синглентного кислорода, что легче реализуется при сверхзвуковой прокачке.

Газодинамическое охлаждение активной среды в сверхзвуковом сопле создает благоприятные условия для извлечения лазерной энергии. Высокая скорость прокачки среды обеспечивает также растяжение активной зоны по потоку, что приводит к равномерному заполнению излучением апертуры резонатора.

Непосредственно перед резонатором в поток кислорода подмешивают пары иода в смеси с буферным газом. В присутствии синглентного кислорода молекулярный иод диссоциирует на атомы. Затем происходит квазирезонансная передача энергии электронных уровней молекул синглентного кислорода атомам иода I,

, (2.3)

которые переходят в верхнее возбужденное состояние I(²P_1/2).

Мощность излучения химического кислородно-иодного лазера можно оценить следующим образом:

, (2.4)

где W_max - потенциально извлекаемая мощность (Вт);

ε = 90.6 х 10³ Дж/моль – энергия одного моля атомов ;

М₀ – молярный расход кислорода на выходе генератора синглентного кислорода (моль/с);

Y – выход синглентного кислорода;

Y_th – пороговая доля синглентного кислорода (доля синглентного кислорода, начиная с которой коэффициент усиления слабого сигнала становится положительным);

K_e = 0.75 х exp(402/Т) – константа равновесия реакции обмена энергией электронных уровней молекул синглентного кислорода и атомов иода;

Т – температура активной среды в кельвинах. Резонатор, как и во фтористо-водородных и фтористо-дейтериевых непрерывных химических лазерах , расположен поперек потока.

Отработанная смесь состоит из кислорода, паров воды, паров иода, буферного газа (гелий, аргон, азот) и небольшого количества неутилизированного хлора. Низколетучие пары иода и остаточный хлор утилизируются в криогенной ловушке. В результате отработанная смесь практически представляет собой буферный газ с небольшой примесью кислорода. Поэтому, в отличие от фтористо-водородных и фтористо-дейтериевых непрерывных химических лазеров, ее выброс в атмосферу не представляет опасности для окружающей среды.

Основными частями кислородно-иодного лазера, определяющими конструктивный облик и оказывающими влияние на его работу, являются: системы подготовки и хранения компонентов, в которых происходит подготовка щелочного раствора перекиси водорода, хлора и молекулярного иода, генератор синглентного кислорода, сверхзвуковой смесительный сопловой блок, обеспечивающий смешение синглентного кислорода с молекулярным иодом и формирование сверхзвукового потока активной среды, резонаторная полость, оптический резонатор и система восстановления давления, обеспечивающая работу лазера в атмосфере.

При не слишком больших расходах активной среды существует реальная возможность эксплуатации кислородно-иодного лазера в наземных условиях в режиме замкнутого цикла с помощью технологии криосорбции. По этой технологии газообразные продукты поглощаются охлажденным сорбентом, имеющим развитую поверхность (например, цеолитом). Восстановление сорбента путем его нагревания, вакуумирования и последующего охлаждения приводит к выделению поглощенных газов и возвращает систему в исходное состояние.

ЛЕКЦИЯ 9

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒