Введение к работе
Актуальность теш. Практически с момента появления периого газового лазера на колебательно-вращательных переходах молекул С0? требования повышения к.п.д., удельного энергосъема и мощности генерации привели к необходимости организации прокачки активной среда ,(АС) в системах с разрядным способом возбуждения. Прокачка АС также используется в мощных СО -лазерах при создании инверсии населенностей газодинамическим способом, предложенным в конце шестидесятых годов.
Впоследствии в связи с расширением сфер применения мощных С02~лазеров в различных областях науки и техники на первое место выдвинулись вопросы стабильности оптической оси и частота, а также уменьшения угловой расходимости выходного излучения (вплоть до' дифракционного предела). Одним из возможных способов решения круга поставленных вопросов является создание лазерных устройств, построенных по схеме "задающий генератор-усилитель мощности". В таких устройстеах . при сохранении достаточного уровня мощности стабильность оптической оси и частоты, а ' также угловая расходимость выходного излучения во многом определяются качеством начального пучка, получаемого от задащего генератора небольшой мощности, и, как правило, превосходят значения соответствующих параметров мощных проточных С02~лазеров.
Увеличение начальной угловой расходимости излучения в проточной АС газоразрядного СО -усилителя может быть вызвано эффектами самовоздействия излучения - тепловой рефракцией и неоднородным усилением,: а также наличием регулярных и случайных возмущений плотности газового потока. В настоящей работе исследуется влияние самовоздействия излучения на угловые и энергетические 'характеристики усиливаемого пучка. Под
самовоздействием здесь понимается образование' локальных тепловых неоднородностей показателя преломления АС при взаимодействий с излучением и насыщение усиления.
Элементы отражательной и проходной оптики в лазерах с прокачкой АС выносят в сторону от ядра газового потока с тем,. чтобы избежать порчи рабочих поверхностей. По этой причине между ядром потока АС и отражающими поверхностями зеркал образуются застойные зоны с тем же составом газа, что и АС. Особенно отчетливо это явление выражено в газодинамических лазерах, использующих сверхзвуковую прокачку АС. Присутствие застойных поглощающих зон внутри резонатора ГДЛ влияет на диаграмму направленности излучения и приводит к снижению его потенциальных энергетических характеристик, что необходимо учитывать при разработке и эксплуатации этих устройств.
. Поиск и изучение АС для мощных проточных газовых лазеров, дающих повышенные удельные энергосъемы в сочетании с альтернативными газовому разряду способами накачки, и по сегодняшний день являются самостоятельной актуальной проблемой. В связи с этим в работе проведено . численное исследование особенностей- колебательной релаксации в быстрорасширякщейся в сверхзвуковом сопле бинарной смеси CO.- N , состав которой отражает стехиометрическое соотношение этих компонент:в продуктах сгорания некоторых твердых нитросоединений.
Успехи математического, моделирования физических процессов усиления и-генерации излучения в лазерных системах во многом определяются развитием численных методов интегрирования трехмерного параксиального волнового уравнения в АС, хотя решение ряда конкретных задач иногда можно получить в аналитическом виде в результате выработки новых методических подходов. Поэтому в работе уделяется достаточно внимания разработке и . последующим
теоретическим исследованиям нового численного метода . интегрирования трехмерного параксиального волнового уравнения в свободном пространстве, а также развитию приближенного практического подхода с целью получения аналитического решения задачи об энергетических потерях в С02-ГД7Г с устойчивым резонатором. .,
Цель» работа является математическое моделирование процессов усиления и генерации излучения в С0„ и СО лазерных системах с проточной АС. Моделирование осуществляется для прогнозирования параметров выходного излучения и выяснения, зависимостей этих параметров от изменения условий, наложенных на АС, а также для внбора оптимальных режимов работы лазерных устройств.
Научная новизна.
Впервые проведены дифракционные трехмерные численные расчета параметров излучения в стационарном многопроходном проточном С0о-усилителе с поперечным разрядным возбуждением. В расчетах использованз трехтемпературяая кинетическая модель активной среды совместно с уравнениями неравновесной газовой динамики в струйном приближении. /'.-."
Вперше показано, что коэффициент усиления лазерного излучения быстропроточной (сверхзвуковой) С02 .- активной средой можно охарактеризовать'с помощью параметра насыщения. Получены 'соответствующие выражения для насыщенного ковффциента усиления и параметра насыщения быстродвикущейся активной среда. Аналитически решена задача о зависимости . выходной мощности С02 -ГДЛ. от коэффициента нерезонансных потерь активной среды и от параметров термодинамического состояния : газа в поглощающих зонах, расположенных внутри резонатора меяуцг потоком ' активной среды и отражающими поверхностями зеркал. . . - -
Численно найдены трехмерные распределения амплитуд и фаз электромагнитных полей в объеме широкоапертурного неустойчивого резонатора СО -ГДЛ с трехтемпературной моделью колебательной релаксации в газовом потоке. Приближенное решение для комплексной, амплитуды поля получено при больших числах Френеля (N и 200). Параметры газового потока и показатель преломления определялись в результате совместного численного интегрирования кинетических уравнений с уравнениями одномерной неравновесной газовой динамики вдоль линий тока.
Впервые изучен СО-ГДЛ со специальным бинарным составом рабочей смзси C0-N , где концентрация СО существенно превышает концентрацию N , что соответствует составу продуктов сгорания некоторых твердых нитросоединений. Найден оптимальный по давлению и температуре торможения, по раскрытию и длине сопла режим работы этого лазерного устройства. Проанализировано влияние больших высот критического сечения сопла на инверсные характеристики активной среды указанного состава. Показана принципиальная возможность применения сверхвысоких давлений торможения.
Впервые предложен численный ' метод повышенного порядка точности для-интегрирования- параксиального волнового уравнения в свободном пространстве. Метод построен по типу квадратурных формул Филона и основан на приближенном вычислении значений общего решения. Получена формула главного члена локальной - погрешности разработанішх квадратур. В целях сравнения дана оценка погрешности спектрального метода.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что результаты исследований могут быть использованы при проведении экспериментов с крупномасштабными лазерными устройствами с конвективным обменом рабочего тела или на стадии проектирования технологических лазерных систем повышенной мощности и специального
назначения. Разработанные квадратурные формулы вычисления значений интегралов с быстроосцяллирирующей весовой функцией могут применяться во многих областях прикладной оптики и фурье-анализа. На защиту выносятся следующие положения.
1. Результаты трехмерного численного моделирования
распространения лазерных пучков различной формы в активной среде
стационарного СО -усилителя с поперечной прокачкой при учете
эффектов самовоздействия.
2. Аналитические оценки насыщения усиления в быстропроточной
(сверхзвуковой) СО - активной среде с применением параметра
насыщения.
-
Аналитическое решение задачи о влиянии нелинейно поглощающих внутрирззонаторных зон, нерезонансных потерь в активной'среде и снижения коэффициента усиления на срезе соплового" блока на энергетические характеристики СО-ГДЛ с устойчивым резонатором.
-
Численное решение задачи о нахождении трехмерных распределений амплитуд и фаз электромагнитных полей в объеме активного широкоапертурного неустойчивого резонатора СО -ГДЛ при больших числах Френеля (N « 200) с использованием трехтемпературной модели активной .среда и уравнений одномерной неравновесной газовой динамики вдоль линий тока.
-
Результаты численных исследований по колебательной релаксации в системе ангармонических осцилляторов C0-II при быстром расширении газовой смеси "в сверхзвуковом сопле и результаты моделирования СО-ГДЛ со специальной бинарной рабочей смесью СО-М .
6. Метод численного интегрирования параксиального волнового
уравнения в свободном пространстве на основе разработанных
двумерных квадратурных формул типа формул Филона для приближенного
вычисления значений общего решения. Теоретические и численныеv исследования погрешностей вычислений построенных квадратур на примерах решения ряда конкретных задач.
Апробация работы. По результатам диссертации сделаны доклады на VII Всесоюзной конференции ио" тешюфизическим свойствам вещества (Ташкент, 1982г.)і на II Всесоюзной школе-конференции по юшетическим и газодинамическим процессам в неравновесных средах (Москва, 1984г.), на Всесоюзном семинаре по лазерам на парах металлов и их применениям (Новороссийск, 1985г.), на III Всесоюзной конференции по взаимодействию излучения, плазменных и электронных потоков с веществом .(Сухуми, 1988г.), на VII конференции "Оптика лазеров-93" (Санкт-Петербург, 1993г.). Материалы диссертации обсуждались также на семинарах ФИАЭ им. И.В. Курчатова, ИОФАН, МФТИ, ВЩ ГОИ гол. СИ. Вавилова.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и шести приложений. Объем диссертации 296 стр., из них машинописного текста 146 стр., табл. - 10 стр., рис. - 70 стр., список литературы из 166 наименований -16 стр., приложений.- 54 стр. \ ' '.
