О газодинамических лазерах

Для лазерной генерации известны два метода получения инверсной населенности.

Первый метод получения инверсной населенности.

Первый метод реализован в существующих газодинамических лазерах. Существующие газодинамические лазеры на колебательно-вращательных переходах в молекулах газа осуществляют излучение в основном в ближней и средней инфракрасной области спектра. В них газовая смесь с давлением 15 атмосфер и температурой 1500 градусов расширяется через сопло. Истечение из сопла адиабатическое. На выходе температура газа резко падает. Таким образом после зоны расширения за соплом будет достаточно широкая область с инверсией населённости.

Второй метод получения инверсной населенности.

Второй метод, как быстрый нагрев газа (например, в ударной волне), когда Т> Т1 предлагается реализовать в заявленном лазере на встречных детонационных волнах.

Метод основан на встречном “сжатии” двух и более волн детонационного горения газоовоздушной смеси в общем центре.

Генерация лазерного излучения по второму методу.

Рассмотрим принципиально новый резонатор на основе новой геометрической фигуры 2-го порядка с переменной отрицательной кривизной – псевдогиперболоиде.

Псевдогиперболоидом 2-го порядка можно назвать разомкнутую объёмную полость с переменной отрицательной кривизной, которая образована вращением усеченной гиперболы вокруг оси F, параллельной оси фокусов F1F2 гиперболы и смещенной от нее на R.
Рассмотрим образующую в виде усеченной гипербол, описываемую уравнением:

где a = b = 1.

При осевом вращении образующей относительно оси симметрии F, получается поверхность вращения с вогнутыми стенками (отрицательная кривизна), потенциально способная фокусировать и волновую энергию в цилиндрической оси фокусов F1F2.

Рис. № 1. Разомкнутая образующая в виде
двух усеченных симметричных гипербол.

Ход лучей внутри песвогиперболлоида

А) Лучи, направленные в фокусы

В идеальных условиях, согласно фокальному свойству гиперболы — луч, направленный на один из фокусов (F2), отражается на второй фокус (F1). Если продолжить этот луч дальше, то можно заметить, что он последовательно направляется к обоим фокусам. И в пределе, когда ветви гиперболы становятся прямыми (по оси фокусов F1-F2) – попадает в ловушку. Произойдет концентрация лучей по оси фокусов гиперболы F1-F2 в идеальных условиях.

Рис. № 2. Распространение лучей, направленных в фокус псевдогиперболоида.

В) Спиралевидное/гелиоидное сближение с осевой областью

Внеграничные лучи, попадающие на стенки под углом, в большинстве случаев будут многократно отражаться, “обтекая” ось резонатора спиралью. Это распространено во многих волноводных или резонаторных системах. Отражения постепенно приближают траекторию луча к цилиндрической оси фокусов.

Механизм можно сравнить с оптической воронкой — структура, втягивающая световые лучи к своей оси. Только в данном случае фокус существует не как точка, а как цилиндрическая область, к которой стремятся лучи.

Для использования в качестве резонатора в нём необходимо предусмотреть выходную апертуру в месте сосредоточения ЭМ энергии.

Для этого изменим немного трактрису. Возьмём усечение одной ветви гиперболы со стороны выхода ниже оси фокусов, равном длина волны/2. Например, для ИК 5-50 мкм

Рис. № 3. Выходная апертура псевдогиперболоидного источника ЭМ излучения.

В этом случае будет происходить не только концентрация лучей к диаметральной оси фокусов гиперболы, но и узко направленное цилиндрическое распространение по оси фокусов в одном направлении потока с толщиной “стенки” излучения, равной длине волны.

Схема

Реализация лазера представлена на следующем рисунке

Рис. №. 4 Псевдогиперболоидный газодинамический лазер с встречным сжатием волн детонационного горения

Два источника волн детонационного горения, генерируя ударные волны со скоростями порядка 2000–3000 м/с и температурами выше 2000 C, создают условия для интенсивного возбуждения молекулярных уровней газа.

При встрече этих волн в объёме, ограниченном псевдогиперболоидным (или иным фокусирующим) резонатором, происходит резкое повышение давления и локальная компрессия газа, сопровождаемая дополнительным нагревом, который может превышать 3000 градусов

Такие резкие изменения температур вызывают инверсию населённостей на колебательно-вращательных уровнях молекул (например, CO, CO2, N2O, HCl и др.). Это создаёт условия для вынужденного излучения — основы лазерной генерации, поскольку переходы происходят между колебательно-вращательными уровнями, длины волн излучения попадают в ближний (около 1–3 мкм) и средний (от 3 до 8 мкм) инфракрасный диапазон спектра.

Таким образом, описанный процесс — это реализация безэлектродного лазера, где энергетическая накачка осуществляется исключительно за счёт газодинамических процессов, без участия электрических разрядов или оптической накачки.

Заключение

Использование волн детонационного горения в конфигурации с встречным сжатием внутри псевдогиперболоидного резонатора позволяет эффективно формировать инверсию населённостей молекулярных уровней без применения традиционных методов накачки. Такой подход обеспечивает сверхбыстрый нагрев газа до температур, достаточных для возбуждения колебательно-вращательных переходов, что приводит к генерации когерентного излучения в ближней и средней инфракрасной области спектра. Полученный лазерный выход может быть использован в различных приложениях — от дистанционного зондирования и спектроскопии до оборонных и промышленных технологий. Этот метод представляет собой перспективное направление в области разработки высокоэнергетических газодинамических ИК-лазеров.