Введение к работе
. Работа посвящена определению основных параметров (колебательных температур трёх типов нормальных колебаний молекулы СО2 - ТІ, Т2, ТЗ, поступательной температуры газа Т и концентрации активных частиц {%qq )) активных
сред СОг-лазеров методом "лазерного спектрографа", разработке и исследованию основного инструмента данного метода - зондирующего СОз лазера, перестраиваемого по линиям пяти полос (001-100, 00 1-020, 002-101, 002-021, 014-11).
Актуальность проблемы. При исследовании активных сред СОг лазеров всегда существует потребность в детальных методах диагностики. Обычно при исследовании, например, газодинамических лазеров (ГДЛ) измеряются два параметра-мощность излучения и коэффициент усиления слабого сигнала. Следствием измерения мощности является определение двух других важных параметров-удельного энергосъёма и приведенной мощности излучения. Однако эти характеристики, можно сказать, интегральные, они определяются многими факторами, так величина мощности в гомогенных и смесевых ГДЛ (СГДЛ) в значительной степени определяется конструкцией и качеством оптического резонатора, причем эффективность резонатора изменяется при изменении рабочих режимов в ГДЛ. Обычно измеряемая величина показателя усиления слабого сигнала (а) на линии традиционной полосы (00^-10) также неоднозначно характеризует состояние инверсной среды и не позволяет без дополнительных предположений определить, например, запасенную колебательную энергию, которую, в принципе, можно преобразовать в энергию когерентного излучения.
В рамках современных представлений для понимания процессов, происходящих в активных средах СОг-лазеров, необходимо знание всех колебательных температур (ТІ, Т2, ТЗ), поступательной температуры газа (Т) и концентрации активных частиц (Е,со ) На этой основе можно определить населенности
уровней, запасенную энергию, понять кинетику возбуждения и
распада уровней, а также ответить на такие "тонкие" вопросы, как
в динамике изменяется диссоциация активных частиц или имеет
ли место преимущественная накачка асимметричного
4 уровня молекулы СС>2 за счет энергии экзотермической реакции. Часто эти значения определяют расчетным образом, решая, как, например, в ГДЛ совместно уравнения колебательной кинетики, газодинамики и уравнение состояния. Но ввиду того, что константы скоростей одних процессог. имеют значительный разброс, а некоторых вообще отсутствуют, то точность такого расчета оставляет, как правило желать лучшего. Поэтому требуется определять их экспериментальным образом. Основным экспериментальным направлением в настоящее время по определению колебательных температур, поступательной темперітурьі и концентрации СО2 становится "метод лазерного спектрографа" ("Л.С") - диагностика, основанная на измерении спектрального распределения коэффициента резонансного усиления. Из теоретического описания метода следует, что для определения всех колебательных температур (ТІ, Т2, ТЗ), поступательной температуры смеси (Т) и концентрации активных частиц (,со ) необходимо
провести измерения на линиях, как минимум, четырех полос: 001-100, 001-020, 002-101, Ol'l-tl'O, т.е. для применения метода в полном объеме необходимы зондирующие лазеры, работающие и перестраиваемые в "нетрадиционных" полосах (002-101, 002-021, Ol'l-ll'O), что стало возможным в последние годы благодаря усилиям двух Г|тупп исследователей, в том числе благодаря работам автора с сотрудниками. Представляет интерес применить данный метод в полном объеме к исследованию активных сред ГДЛ и СГДЛ и получить таким образом максимум информации о псех вышеперечисленных параметрах. Особый интерес предстапляет исследование методом "лазерного спектрографа" химико-газодинамического лазера (ХГДЛ), т.к. на сегодняшний день все еще остается открытым вопрос о преимущественной накачке асимметричного уровня 00 1 молекулы. СОг в результат;: экзотермических регкиин типа:
СО+О-М«СО2ч550 кДж/моль СО + ^О-^СОз+ЛбО кДж/ыоль
имеющих м:сю з ХГДЛ.
Также большой интерес представляет исследование данным методом активной среды волноводного СС^-лазера, исследование вопроса о колебательном равновесии лазерных уровней 100 и 020 связанных резонансом Ферми и вопрос, связанный с диссоциацией активных частиц,. Общим несомненным интересом этих исследований является то, что сведений об измерении коэффициента усиления на нетрадиционных переходах в активных средах перечисленных СО2-лазеров в литературе нет.
И последнее, исследование активных сред СОг-лазеров методом "лазерного спектрографа" требует постоянного уточнения матаппарата метода. Необходимо знание спектроскопических данных молекулы СОг: абсолютных значений частот переходов 0( в области 9... 11ц.; вероятностей спонтанного излучения A^U) и выражений для ударных полуширин линий. И если к настоящему времени таблицы абсолютных частот лазерных переходов СО2 выглядят давно устоявшимися (например, в монографии В.Виттемана /1/), то анализ данных по вероятностям спонтанного излучения и значений ударных полуширин линий проводится до сих пор, т.к. всё время совершенствуется экспериментальная база исследователей и растут возможности машинного счёта. Вследствие этого является необходимым провести экспериментальное обоснование выбора спектроскопических констант и аналитических выражений для ударной полуширины линий, используемых в данном методе.
Исходя из вышеизложенного, целью диссертационной работы является:
создание и экспериментальное исследование различных вариантов зондирующих перестраиваемых СС^-лазеров для целей диагностики активных сред различных СОг-лазеров, проведение их сравнительного анализа, в том числе автоматизированного перестраиваемого СОг-лазера;
доказательство возможности определения параметров активной среды СГДЛ методом "ЛС";
экспериментальное исследование активных смесей ГДЛ, СГДЛ методом "ЛС";
экспериментальное исследование активной смеси ХГДЛ методом "ЛС, исследование вопроса о преимущественной накачке асимметричного уровня 001;
экспериментальное исследование активной смеси волноводного СС^-лазера (ВГЛ) методом "ЛС", исследование вопроса о колебательном равновесии лазерных уровней 100 и 020;
экспериментальное обоснование выбора спектроскопических констант и аналитических выражений для ударной полуширины линий, используемых в данном методе.
Научная новизна предлагаемой работы заключается в следующем:
создание и экспериментальное исследование быстросканирующего СОг-лазера с высокоселективным резонатором, что впервые позволило получить в сканирующем режиме последовательную генерацию на линиях традиционной и нетрадиционных полос;
создание и экспериментальное исследование высокодобротного непрерывного зондирующего COj-лазера с высокоселективным резонатором, с ручной подстройкой частоты и перестраиваемого по линиям пяти полос (001-100, 001-020, 002-101, 002-021, OlM-11'O), общее количество линий генерации —180, в области Р-ветви полосы 10.6)1 - 59 линий;
в экспериментальном доказательстве несоблюдения больцмановского равновесия между уровнями 10 0 и 02 0, связанными резонансом Ферми, в газодинамических СОг-лазерах, т.е. в доказательстве, что Т^Тг при исследованных параметрах активной среды;
в экспериментальном доказательстве отсутствия преимущественной накачки асимметричного уровня 00 1 в активной среде ХГДЛ в химической системе CO-I-N2O;
впервые проведено экспериментальное исследование активной среды волноводного СОг-лазера методом "лазерного спектрографа", показано, что резонанс Ферми между уровнями 100 и 02 0 не обеспечивает равновесное распределение населённостей этих уровней и Т^Тг, а диссоциация СО2 в волноводах из ВеО при достаточно больших энерговкладах мала по сравнению с диссоциацией в обычных электроразрядных лазерах.
Практическая значимость настоящей работы состоит:
/
в разработке и создании нескольких образцов быстросканирующих и непрерывных перестраиваемых СС^-лазеров для целей диагностики активных сред, газоанализа и спектроскопии, в том числе непрерывного перестраиваемого СС>2-лазера с воздушным охлаждением , впоследствии применяемого в тематике отделения;
в разработке и создании автоматизированного непрерывного стабилизированного перестраиваемого компактного СОг-лазера для тех же целей и как составной части газоанализатора "лазерный спектрограф";
в создании аналогичного образца перестраиваемого С- О2 -лазера (впервые) по линиям пяти полос для целей газоанализа;
в расширении сферы применения метода "лазерного спектрографа" в полном объёме, а именно в его экспериментальной апробации в активных смесях ГДЛ, СГДЛ, ХГДЛ, ВГЛ, ( где ранее он не применялся), т.е. в доказательстве универсальности метода и получении новых экспериментальных результатов.
Из представленных в диссертации результатов автор выносит на защиту:
разработку селективного непрерывного СС^-лазера с ручной подстройкой частоты (РПЧ) и высокодобротным резонатором (общее количество линий генерации в пяти полосах - 180, в области Р-ветвн 10,6мкм - 59 линий) и разработку быстросканирующего селективного лазера, что впервые позволило получить в сканирующем режиме последовательную генерацию на линиях традиционных и нетрадиционных полос;
разработку непрерывного компактного С02-лазера с
автоматизированной перестройкой по спектру (по заданной программе) и автоматической подстройкой частоты (АПЧ);
результаты экспериментального исследования активных смесей ГДЛ,
СГДЛ методом "лазерного спектрографа" с измерением
коэффициентов усиления на линиях нетрадиционных полос (00 2-
10 1, 01 1-110), экспериментальное доказательство несоблюдения
равновесного распределения населённостей уровнен 10 0 и 02 0,
связанных резонансом Ферми, в активной среде ГДЛ при
исследованных параметрах активной среды, т.е. Тр^Тг:
результаты экспериментального исследования активной среды ХГДЛ методом "лазерного спектрографа" с измерением коэффициента усиления на линиях нетрадиционных полос (002-101, Ol'l-ll'O), основной из которых - это отсутствие преимущественного энерговклада в асимметричный тип колебаний;
результаты экспериментального исследования активной смеси волноводного СО2 - лазера методом "лазерного спектрографа" с измерением коэффициента усиления на линиях нетрадиционных полос (002-101, Ol'l-U'O), одни из которых - Ферми-резонанс между колебательными уровнями 10 0 и 02 0 не обеспечивает равновесное распределение населённостей этих уровней в электроразрядном волноводиом СОз - лазере, т.е. Tj ^ Tj при исследованных условиях.
Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, обсуждались на семинарах отделения ВНИИЭФ, докладывались на семинаре в ЦИАМЕ в 1989 году, на VII Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" в 1993 году.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 158 страниц, включая 36 рисунков и 18 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 118 наименований.
