Разработка метода многочастотного лазерного зондирования и определения спектроскопических характеристик газовых смесей в диапазоне 4.3. 10.6 МКМ Тимошенко, Алексей Вячеславович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Одним из наиболее крупных достижений квантозоя электроники и молекулярной физики является разработка мощных лазеров ИК-диапазона на колебательно-вращательных переходах молекул. Успехи Фундаментальных и прикладных исследовании привели к тому, что из уникальных лабораторных устройств лазеры превратились в широко используемые на практике инструменты. Лазеры применяются в медицине, при разработке новых промышленных технологии, в военных тактических системах, при решении экологических задач.

Рекордные параметры получены в С0₂-лазерах. Наиболее распространенным способом возбуждения активных сред является электрический разряд - импульсный или непрерывный. В настоящее время проводятся широкие исследования, направленные на повышение удельных энергетических характеристик и КПД лазеров.

Классической для С0₂-лазерных систем является газовая смесь С0₂ , N₂, He(HjO). В ряде работ исследовались потенциальные возмохности молекулмрной пары D₂-C0₂ и показанг» эффективность ее использования для повышения энергетических характеристик газодинамических и элэктроионизационных лазеров. Успехи в создании мойных лаз*еров так же связаны с разработкой новых методов экспериментальных исследований и диагностики молекулярных состояний в условиях существенного отклонения от термодинамического равновесия.

Важными оптическими характеристиками молекулы С0₂, необходимыми для анализа явлений в газовых средах, содержащих эти молекулы, являются столкновительные полуширины, коэффициенты Эйнштейна (матричные элементы дипольного момента) линий колебательно-вращательных полос. Литературные данные об этих характеристиках для секвенциального и горячего переходов молекулы С0₂ носят противоречивый характер.

Целью настоящей диссертации является разработка методов и аппаратуры диагностики С0₂-лазерных систем, определение спектроскопических характеристик молекулы С0₂ и исследование влияния дейтерия на характеристики активных сред, возбуждаемых самостоятельным разрядом. Задачами работы являются:

разработка и экспериментальная реализация метода параллельного многзчастотного лазерного зондирования активных сред, который позволит определять запасы энергии в резервуарах, колебательных и поступательно-враиательных степеней свободы, выявлять особенности процессов накачки и колебательного обмена, а также рассчитывать параметры лазерного излучения;.

разработка методики и определение спектроскопических параметров основных лазерных переходов молекулы СО^.;

исследование температурной зависимости коэффициента поглощения излучения lle-Ne-лазера с длиной волны 4.2183 мкм в газовых средах, содержащих С0₂ ;

разработка и создание аппаратуры для исследования спектрального состава и пространственно-временных, характеристик іазерного излучения;

исследование с использованием разработанной аппаратуры и . методик характеристик деятерийсодержацих С0₂-активных сред атмосферного давления, возбуждаемых импульсным самостоятельный разрядом.

Научная новизна работы. В процессе исследований по теме диссертации разработана методика диагностики . активных лазерных сред в режиме реального времени. Методика основана на одновременной регистрации усиления на линиях регулярное и секвенциальной полос излучения непрерывных лазеров, работаюаих на регулярных переходах молекулы ^,2C"0j и изотопозамещенных молекул СОг Предложено использовать для диагностики He-Ne-лазер с длиной волны излучения 4.2183 мкм.

Разработана методика и определены матричные элементы дипольних моментов основных лазерных колебательных переходов IRvl: регулярного, секвенциального и горячего молекулы ^1ІС^1С Oj.

Исследована температурная зависимость коэффициента погло-иения излучения He-Ne-лаэера ( Д = 4.2183 мкм) в газовых средах, содержащих СО^.

Разработана новая оптическая схема панорамного спектроана-
лизатора излучения СОг-лазеров, основанная на принципе умноже
ния предварительно полученной угловой дисперсии исследуемого
излучения. ₄

С использованием разработанной аппаратуры и методик проведено исследование усилительных и энергетических характеристик

лазерных сред D_z-C0₂. HfD₂-C0₂ ',и Не-С0₂, Н₂-Не-СО_г атмосферного давления, возбуждаемых инпульсным самостоятельным электрическим разрядом с УФ-предыонизвцией.

Показано, что замена Не на D₂ в рабочих средах приводит к увеличению удельных лазерных характеристик, что обусловлено большей эффективностью разряда в дейтерийсодержащих средах, при этом влияние нерезонансного колебательного обмена мало. В . дг.йтерийсодержаиие. активные среды удается вложить Большую энергию. С увеличением энерговклада однородность излучения увеличивается и достигает максимума при энергиях накопительного конденсатора, поступающей в основной разряд. Ер = І60...180 Ах/атн/л. Для дейтерийсодержащих активных сред однородность излучения выше, чем для гелийсодержащих. Генерация реализуется на регулярном переходе 00011 - 10001 , линия Р20 для всех рассматриваемых типов активных сред.

Практическая ценность работа. Методика и аппаратуры диаі—
ностики С0₂-лазерных систем могут быть использованы при соз
дании моьчых лазеров как импульсно-периодических, так и неп
рерывных. -

Разработанная методика многочастотного лазерного зондирования дает максимальный эффект при отладке, оптимизации и исследовании крупномасштабных лазерных систем. Особенно данная методика эффективна для случая установок, в которых трудно (а иногда и невозможно) достичь удовлетворительной повторяемости параметров, например, для квазистационарных еегаватных газодинамических лазеров на твердых топливах.

Результаты исследования влияния дейтерия на характеристики С0₂-активных сред могут быть использованы для повышения энергетических характеристик Уже существующих лазерных систем. D₂-С0₂"лазеры, генерирующие короткие импульсы, могут найти применение при создании лидарных систем, в системах с удвоением частоты лазерного излучения, в термоядерных исследованиях с инерционным удержанием плазмы.

Результаты экспериментальных исследований могут быть использованы при проверке математических моделей кинетических процессов с резонансным и нерезонанснык колебательным обменом.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на II семинаре "Диагностические применения лазеров и волоконное оптики в народном хозяйстве" (Волгоград, 1989), II Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение измерения частотных и спектральных характеристик излучения лазеров" (Харьков, 1990), VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" ( Ленинград, 1990).

Автор зачищает:

1. Методику параллельного многочастотного лазерного зондирования неравновесных газовых сред, содержащих С0₂ .

2. Методику и результаты определения матричных- элементов дипольних мопентов регулярного, горячего и секвенциального колебательных переходов молекулы ^,гС^,60_г.

3. Результаты экспериментального исследования температурной зависимости коэффициента поглощения излучения Не-Пе-лазера с длиной волны 4.2103 мкм в газовых средах, содержащих СО^.

4. Разработанную аппаратуру для исследовании спектрального состава и пространственно-временных характеристик лазерного излучения.

5. Результаты экспериментального исследования усилительных и энергетических характеристик активных сред лазеров D₂-C0₂," N2-D1-CO2 и Не-СО^. N^-He-COj атмосферного давления, возбуждаемых импульсным самостоятельным электрическим разрядом.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех основных разделов, заключения и списка использованных литературных источников. Работа содержит 156 страниц, 12 таблиц, 38 рисунков и список попользованное литературы из 89 наименований.