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.
26
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.
27
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 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 для “подмораживания” СО2.
Осталось предложить резонатор, в котором истечение
пороховых газов используется на всей длине присутствия
инверсии населённости.
Резонатор:
Для заявленных целей предлагается использовать
принципиально новый псевдогиперболоидный резонатор.
Внешний вид псевдогиперболоидного резонатора заявлен на рис.
№ 1
Более подробная информация о новом резонаторе в форме
псевдогиперболоида представлена в публикации по следующей
ссылке – псевдогиперболоидный резонатор.
В конструктивном плане реализация газодинамической лазерной
насадки на основе псевдогиперболоида со сквозным полно проходным каналом для стрельбы штатным патроном заявлена на рис. № 2.
Рис. № 2. Газодинамическая лазерная насадка на основе
псевдогиперболоида.
Вывод:
Энергетика и состав истечения газов выстрела штатным патроном позволяет использовать их в качестве активной среды газодинамического лазера.
Сменная насадка – резонатор на основе псевдогиперболоида 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.
Псевдогиперболоидный резонатор-насадка должен быть оборудован системой ввода паров воды в активную зону