Введение к работе
^vj, і
Лазеры в настоящее время широко используются в различных отраслях науки и техники. С появлением лазеров, способных давать высокие уровни интенсивности излучения, новые возможности получили химия и технология, биология и медицина, локация, атмосферные и астрофизические исследования. Интенсивное развитие этих направлений ставит перед газовой динамикой и лазерной физикой целый ряд новых задач, связанных с получением мощного когерентного излучения ИК-диапазона и взаимодействием этого излучения с молекулярными газами. Они включают поиск новых лазерноактивных сред, исследование кинетики неупругих столкновений в них, анализ особенностей формирования инверсии и генерации излучения в мощных лазерах со сверхзвуковой скоростью движения активной среды, изучение процессов в молекулярных системах при воздействии как импульсного, так и непрерывного излучения и исследование особенностей распространения лазерного излучения, резонансно взаимодействующего с газовой средой.
Их решение вызывает необходимость изучения и моделирования процессов в газах и газовых потоках с неравновесным распределением энергии- по внутренним степеням свободы движения молекул при воздействии резонансного излучения.
Общим для всех этих задач является возникновение в системе релаксационных процессов, обусловленных нарушением термодинамического равновесия и затрагивающих как внутренние, так и поступательные степени свободы молекул. Это позволяет проводить изучение широкого класса явлений, связанных с формированием инверсии и генерацией излучения в проточных газовых лазерах и распространением электромагнитного излучения в поглощающих и усиливающих срэдшс, в том числе и в атмосфере, на основе общих
принципов и единых моделей. В связи с исключительно! сложностью, высокой стоимостью, а часто и невозможностьк экспериментального изучения этих явлений актуальності теоретического моделирования указанных процессої представляется очевидной.
Целью настоящей работы является создание физически} и математических моделей процессов в газах и газовьи потоках с неравновесным распределением энергии пс внутренним степеням свободы молекул при воздействш резонансного излучения ИК-диапазона и на их основе анализ особенно.стей формирования инверсии и генерации излучения на колебательно-вращательных переходах двух- і многоатомных молекул в газовых лазерах со сверхзвуково! скоростью движения активной среды, исследование возможности увеличения эффективности преобразование энергии в них, изучение динамики формирование нелинейности диэлекрической проницаемости среды и анали; особенностей распространения импульса излучения в газовыз средах с нелинейной восприимчивостью.
Основные положения, выносимые на зашиту, их новизн научная и практическая ценность. В диссертации автої защищает .следующие положения, представляющие научнук новизну работы:
модель колебательного энергообмена в смесяз Н2" N2_ 2~ нг" Не и исследование процессов формирование инверсии на колебательно-вращательных переходах молекуль Н20 при расширении водяного пара или смеси н2о-не і сверхзвуковых соплах,
модель колебательного энергообмена в продукта) сгорания углеводородов в воздухе и в атмосфере N2o, позволяющая моделировать высокотемпературные течение
СМеСИ КОМПОНеНТОВ С02, N2, 02, Н20, N20, СО, N0, Н2, ОН,
не с неравновесным распределением колебательной знергиі
молекул, и анализ влияния на инверсные и энергетические характеристики С02-ГДЛ содержания в активной среде газов
2 ' ' ' 2 '
анализ энергетических возможностей непрерывных проточных лазеров на молекулах галогеноводородов с нерезонансной передачей энергии от двухатомных гомоядерных молекул,
анализ влияния формы сопла на формирование функции распределения молекул по колебательным уровням, энергетические и спектральные характеристики газодинамического лазера на смеси н2-нс1 и предложение нового класса сопел для систем с нерезонансным обменом энергией между донорными и иалучающими молекулами,
анализ влияния неодномерного характера течения в соплах проточных лазеров, а также стационарных и нестационарных возмущений на формирование неравновесного распределения энергии по колебательным степеням свободы молекул,
исследование механизмов, приводящих к охлаждению газа при взаимодействии излучения с вращательными, колебательно-вращательными и электронно-колебательными переходами молекул в неподвижном и движущемся газе, и анализ термализации поглощенной молекулами Н20 (в том числе и во влажной атмосфере) энергии излучения С02-, hf- и СО-лазеров,
- анализ процессов, приводящих к увеличению
эффективности преобразования энергии в быстропроточных
газовых лазерах при оптической подкачке собственным
излучением,
- математическая модель для описания изменения
диэлектрической проницаемости среды при воздействи на газ
импульса резонансного ИК-излучения и анализ динамики
формирования нестационарной фокусирующей линзы при
усилении излучения в инверсной среде и при поглощении
излучения hf-, СО- и С02-лазеров атмосферным водяным
паром,
- моделирование распространения импульса излучения в газах с нестационарной нелинейностью диэлектрической проницаемости и анализ влияния нелинейного насыщения и особенностей термализации поглощенной энергии на распространение импульса излучения и динамику самофокусировки.
Практическая и научная ценность работы заключается і том, что разработанные математические модели процессов v. результаты исследований имеют, с одной стороны, общи! фундаментальный характер и могут быть использованы і самых различных разделах химической физики, квантової электроники, физики атмосферы, газовой динамики, і задачах взаимодействия излучения с веществом. С другої стороны, они представляют практический интерес прі проектировании и создании мощных проточных газовыз лазеров, комплексов для лазерного зондирования атмосфері и передачи энергии излучения на большие расстояния, разработки новых методов диагностики газовых потоков.
Апробапия работы и публикации. Основные результаті диссертации докладывались на viii Международно! коллоквиуме по газодинамике взрыва и реагирующим система] (Минск, 1980), vi Международной конференции "Лазеры-83' (США, Сан-Франциско, -1983), і Всесоюзном симпозиуме пі макроскопической кинетике и химической газодинамикі (Алма-ата, 1984), ш Всесоюзном совещании по детонаци: (Таллинн, 1985), і Межотраслевой научно-техническо: конференции "Взаимодействие излучения,' плазменных электронных потоков с веществом" (Троицк, 1986), Ні Всесоюзных школах-семинарах "Фундаменальные проблемі физики ударных волн" (Азау, . 1987), "Проблем: физико-химических взаимодействий в механике сплошны: сред" (Ужгород, 1989), "Современные проблемы механик .жидкости и газа" (Иркутск, 1990), а также- в
многочисленных тематических семинарах в ФИАН СССР, Институте механики МГУ и ЩАМ им. П.И.Баранова. Содержание и результаты работы отражены в 52 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 322 наименований, приложения и содержит 107 рисунков и 18 таблиц. Полный объем диссертации составляет 403 страницы