Известны два метода получения инверсной населенности:
быстрое расширение газа в сопле (колебательная температура газа больше температуры активных степеней свободы Т^> Т) и быстрый нагрев газа (например, в ударной волне), когда Т~> Т ^. Обращается внимание на то, что при сверх быстрого изменения температуры системы в силу различия времен релаксации для разных энергетических уровней в процессе установления термодинамического равновесия для некоторых пар энергетических уровней возникает состояние с отрицательной температурой. Возникает инверсия населённостей. Дальнейший самопроизвольный переход системы в нормальное состояние сопровождается излучением фотонов стохастически (не упорядочено).
Предлагается вариант конструктивного исполнения первого
метода (быстрое расширение газа в сопле) для получения инверсной населенности.
Предлагается сменная насадка на ствол стрелкового оружия,
позволяющая преобразовать энергию пороховых газов холостого
патрона в инфракрасное лазерное излучение с длиной волны от 9,4 до 10,6 мкм .
О газодинамических лазерах:
Известно, что в случае быстрого понижения или резкого
повышения поступательной температуры газа, состоящего из много атомных молекул (например, в ударных волнах), из-за разной скорости колебательно-колебательного и колебательно-поступательного обмена для различных компонентов смеси между некоторыми квантовыми уровнями может возникнуть инверсная населённости.
Рассмотрим классический газодинамический лазер. В
газодинамических лазерах используется тепловая накачка. Если
нагретый газ быстро охладить, например, путем адиабатического
расширения, то населенность отдельных уровней не успевает быстро установиться в соответствии с новой температурой. Такие уровни называют «замороженными». Между «замороженными» и
нижележащими уровнями возникает на некоторое время инверсия
населенности.
Один из вариантов реализации данного способа заключается в
пропускании нагретого газа через сопло Лаваля со сверхзвуковой
скоростью (рис. 1). Углекислый газ, полученный в результате сжигания топлива в камере сгорания, смешивается с азотом и водяным паром в соотношении 7,5 : 91,7 : 1,2.
В результате образуется высокотемпературная газовая смесь
(Т1=14000 К), которая под высоким давлением со сверхзвуковой
скоростью (U= 4 М) проходит через сверхзвуковое сопло.
За соплом происходит быстрое расширение газовой смеси,
сопровождающееся его охлаждением (до Т2=3000
К). В силу относительно большего времени жизни верхнего энергетического уровня молекул СО2 и малого времени прохождения газа через сопло населенность этого уровня сохраняется на значительных (до 1 м в крупных лазерных установках) расстояниях от сопла.
Время жизни нижнего энергетического уровня значительно
меньше и его населенность быстро падает, и практически исчезает уже на расстоянии 3 см от сопла. Это приводит к тому, что инверсия населенности возникает уже на расстоянии 1 см от сопла и сохраняется по направлению потока газа на протяженности свыше 1 м.
Для получения стимулированного излучения в области, где
существует инверсионная населенность, устанавливаются зеркала
резонатора, ось которых перпендикулярна потоку газа.
В лазерных устройствах широко используются оптические
резонаторы, состоящие чаще всего из двух плоскопараллельных или сферических зеркал. Оптические резонаторы обеспечивают
необходимую для лазерной генерации положительную обратную связь и позволяют повысить плотность мощности светового поля до уровня, при котором происходит эффективный съем энергии с активной лазерной среды.
В газовой смеси, состоящей из 10% СО2 и 90% N2 при Т=14000 К
удельная мощность излучения составляет 40 кДж/кг. КПД газодинамических ОКГ составляет 2-5% и увеличивается с ростом
температуры газовой смеси.
Энергетика пороховых газов:
В процессе выстрела штатного холостого патрона образуются
следующие дымовые газы:
2KNC3 + 3C + S= N2 + 3CO2 +K2S.
Продукты сгорания пороха содержан необходимые элементы, как
азот и СО2 в возбуждённом состоянии.
Продукты сгорания имеют скорость истечения 1200-2000м/с.
Заявленные характеристики пороховых газов можно
использовать для создания активной среды газодинамического лазера.
Заключительным и необходимым элементом в создании
активной среды газодинамического лазера должны стать пары
воды в активной зоне для “подмораживания” СО2.
Осталось предложить резонатор, в котором истечение
пороховых газов используется на всей длине присутствия
инверсии населённости.
Резонатор:
Геометрия резонатора во многом определяет структуру лазерного
излучения. Рассмотрим резонатор, в котором необходимо обеспечить нахождения газа в резонаторе, в так называемом “возбужденном” состоянии.
Для газодинамического лазера-насадки предлагается
использовать конфокальный неустойчивый резонатор, рис. № 1.
Рис. 2. Неустойчивый конфокальный резонатор.
Мода неустойчивого конфокального резонатора представляет
собой суперпозицию сферической волны, исходящей из общего фокуса и плоской волны. Лучи последней, покидая резонатор, формируют на выходе узконаправленное излучение.
С учётом того, что инверсия населенности при истечении
пороховых газов возникает на расстоянии 1 см от сопла и сохраняется по направлению потока газа на протяженности более 1 м., можно применить завихрение истечения пороховых газов в неустойчивом конфокальном резонаторе (рис. № 1). Вихревой поток пороховых газов внутри резонатор будет использоваться на всей длине присутствия инверсии населённости .
Вывод:
Энергетика и состав истечения газов дымного пороха холостого патрона позволяет использовать их в качестве активной среды газодинамического лазера.
Сменная конфокальная насадка – резонатор к стрелковому оружию позволит преобразовать энергию пороховых газов выстрела холостого патрона в инфракрасное лазерное излучение с длиной волны от 9,4 до 10,6 мкм.
Необходимым элементом в работе является ввод паров воды для “подмораживания” СО2.
Конфокальный резонатор-насадка должен быть оборудован системой ввода паров воды в активную зону.