Моделирование процессов в газах и газовых потоках при взаимодействии излучения с внутренними степенями свободы молекул тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

9 9 И

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.М.В.ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

СТАРИК АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ГАЗАХ И ГАЗОВЫХ ПОТОКАХ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВНУТРЕННИМИ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ ' МОЛЕКУЛ (01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы)

А ВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва-1991

/У/

Работа выполнена в Центральном институте авиационного моторостроения им.П.И.Баранова и Институте механики Московского Государственного университета им.М.В. Ломоносова

доктор физико-математических наук, профессор Лосев С. А., доктор физико-математических наук, профессор Осипов А.И. доктор физико-математических наук Заслонко И.С.

Ведущая организация - Институт тепло- и массообмена им.А.В.Лыкова АН БССР.

Защита состоится " /»¿у^-^ЛЭЭ! г. в "¿¿"час. "¿£>'мин. на заседании специализированного совета Д.053.05.02 при Московском государственном университете по адресу: 119899, Т.Москва, В-234, Ленинские горы, МГУ, механико-математический факультет,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке механико-математического факультета МГУ.

Официальные оппоненты:

Автореферат разослан

года.

Ученый секретарь специализированного совета, профессор

рг.угн I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Лазеры в настоящее время широко используются в различных отраслях науки и техники. С появлением лазеров, способных давать высокие уровни интенсивности излучения, новые возможности получили химия и технология, биология и медицина, локация, атмосферные и астрофизические исследования. Интенсивное развитие этих направлений ставит перед газовой динамикой и лазерной физикой целый ряд новых задач, связанных с получением мощного когерентного излучения ИК-диапазона и взаимодействием этого излучения с молекулярными газами. Они включают поиск новых лазерноактивных сред, исследование кинетики неупругих столкновений в них, анализ особенностей формирования инверсии и генерации излучения в мощных лазерах со сверхзвуковой скоростью движения активной среды, изучение процессов в молекулярных системах при воздействии как импульсного, так и непрерывного излучения и исследование особенностей распространения лазерного излучения, резонансно взаимодействующего с. газовой средой.

Их решение вызывает необходимость изучения и моделирования процессов в газах и газовых потоках с неравновесным распределением энергии по внутренним степеням свободы движения молекул при воздействии резонансного излучения.

Общим для всех этих задач является возникновение в системе релаксационных процессов, обусловленных нарушением термодинамического равновесия и затрагивающих как внутренние, так и поступательные степени свободы молекул. Это позволяет проводить изучение широкого класса явлений, связанных с формированием инверсии и генерацией излучения в проточных газовых лазерах и распространением электромагнитного излучения в поглощающих и усиливающих срэдшс, в том числе и в атмосфере, на основе общих

принципов и единых моделей. В связи с исключительно! сложностью, высокой стоимостью, а часто и невозможностьк экспериментального изучения этих явлений актуальное^ теоретического моделирования указанных процессы представляется очевидной.

Нелью настоящей работы является создание физически} и математических моделей процессов в газах и газовьи потоках с неравновесным распределением энергии пс внутренним степеням свободы молекул при воздействш резонансного излучения ИК-диапазона и на их основе анализ особенно.стей формирования инверсии и генерацш излучения на колебательно-вращательных переходах двух- 1 многоатомных молекул в газовых лазерах со сверхзвуково! скоростью движения активной среды, исследование возможности увеличения эффективности преобразование энергии в них, изучение динамики формирование нелинейности диэлекрической проницаемости среды и анали; особенностей распространения импульса излучения в газовыз средах с нелинейной восприимчивостью.

Основные положения, выносимые на защиту, их новизн научная и практическая ценность. В диссертации авто! защищает .следующие положения, представляющие научнук новизну работы:

- модель колебательного энергообмена в смесяз н20- и2- о2- н2- не и исследование процессов формирование инверсии на колебательно-вращательных переходах молекуль Н20 при расширении водяного пара или смеси н2о-не I сверхзвуковых соплах,

- модель колебательного энергообмена в продукта) сгорания углеводородов в воздухе и в атмосфере мго, позволяющая моделировать высокотемпературные течение смеси компонентов сог, ог, нао, ы_,о, со, ыо, н2, он, не с неравновесным распределением колебательной энерги!

молекул, и анализ влияния на инверсные и энергетические характеристики С02-ГДЛ содержания в активной среде газов

о , со. n0. n о.

2 ' ' ' 2 '

- анализ энергетических возможностей непрерывных проточных лазеров на молекулах галогеноводородов с нерезонансной передачей энергии от двухатомных гомоядерных молекул,

- анализ влияния формы сопла на формирование функции распределения молекул по колебательным уровням, энергетические и спектральные характеристики газодинамического лазера на смеси н2-нс1 и предложение нового класса сопел для систем с нерезонансным обменом энергией между донорными и изучающими молекулами,

- анализ влияния неодномерного характера течения в соплах проточных лазеров, а также стационарных и нестационарных возмущений на формирование неравновесного распределения энергии по колебательным степеням свободы молекул,

- исследование механизмов, приводящих к охлаждению газа при взаимодействии излучения с вращательными, колебательно-вращательными и электронно-колебательными переходами молекул в неподвижном и движущемся газе, и анализ термализации поглощенной молекулами Н20 (в том числе и во влажной атмосфере) энергии излучения С02-, не- и СО-лазеров,

- анализ процессов, приводящих к увеличению эффективности преобразования энергии в быстропроточных газовых лазерах при оптической подкачке собственным излучением,

- математическая модель для описания изменения диэлектрической проницаемости среды при воздействи на газ импульса резонансного ИК-излучения и анализ динамики формирования нестационарной фокусирующей линзы при усилении излучения в инверсной среде и при поглощении излучения не-, СО- и С02-лазеров атмосферным водяным паром,

- моделирование распространения импульса излучения в газах с нестационарной нелинейностью диэлектрической проницаемости и анализ влияния нелинейного насыщения и особенностей термализации поглощенной энергии на распространение импульса излучения и динамику самофокусировки.

Практическая и научная ценность работы заключается I том, что разработанные математические модели процессов у результаты исследований имеют, с одной стороны, общи! фундаментальный характер и могут быть использованы I самых различных разделах химической физики, квантовоГ электроники, физики атмосферы, газовой динамики, I задачах взаимодействия излучения с веществом. С друго! стороны, они представляют практический интерес пр! проектировании и создании мощных проточных газовыэ лазеров, комплексов для лазерного зондирования атмосферь и передачи энергии излучения на большие расстояния, разработки новых методов диагностики газовых потоков.

Апробаттия работы и публикации. Основные результат! диссертации докладывались на VIII Международно! коллоквиуме по газодинамике взрыва и реагирующим система] (Минск, 1980), VI Международной конференции "Лазеры-83' (США, Сан-Франциско, -1983), I Всесоюзном симпозиуме п< макроскопической кинетике и химической газодинамик! (Алма-ата, 1984), ш Всесоюзном совещании по детонаци: (Таллинн, 1985), I Межотраслевой научно-техническо: конференции "Взаимодействие излучения,' плазменных электронных потоков с веществом" (Троицк, 1986), н; Всесоюзных школах-семинарах "Фундаменальные проблем! физики ударцых волн" (Азау, . 1987), "Проблем: физико-химических взаимодействий в механике сплошны: сред" (Ужгород, 1989), "Современные проблемы механик .жидкости и газа" (Иркутск, 1990), а также- в

многочисленных тематических семинарах в ФИАН СССР, Институте механики МГУ и ЦИАМ им. П.И.Баранова. Содержание и результаты работы отражены в 52 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 322 наименований, приложения и содержит 107 рисунков и 18 таблиц. Полный объем диссертации составляет 403 страницы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности решаемых в диссертации задач, формулируется цель работы и приводится ее краткое содержание, излагаются основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена моделированию процессов колебательного энергообмена при течении молекулярных газов в сверхзвуковых соплах.

Быстрое охлаждение поступательных степеней свободы молекул при расширении газа может, как известно, приводить к нарушению 'термодинамического равновесия в молекулярной системе. Именно этот метод создания неравновесного состояния среды положен в основу работы газодинамических лазеров (ГДЛ), являющихся в настоящее время одними из наиболее мощных источников излучения ИК-диапазона. Увеличение эффективности преобразования энергии и расширение спектрального диапазона излучения лазерных систем требуют продолжения исследований кинетики неупругих столкновений и создания достаточно подробных моделей для описания процессов колебательного энергообмена в смесях, содержащих лазерноактивные молекулы. Эти модели достаточно универсальны и могут применяться не только для прогнозирования характеристик

мощных проточных лазеров (газодинамических, химических и электроразрядных), но и для анализа неравновесных течений в элементах реактивных двигателей и при движении летательных аппаратов в верхних слоях атмосферы, а также при изучении процессов, связанных с распространением мощного лазерного излучения через молекулярные среды. Поэтому значительное внимание в этой главе уделено вопросам, связанным с построением таких моделей и их экспериментальной апробацией в сверхзвуковых потоках. Приведены уравнения неравновесной газовой динамики для модели невязкого нетеплопроводного газа, которые служат основой для теоретического анализа процессов в таких потоках, и рассмотрены особенности численного интегрирования этих уравнений в квазиодномерном случае, который используется для анализа течений конкретных молекулярных смесей.

Подробно рассмотрена кинетика колебательного энергообмена в смесях н2о - нг- ог- и2- не ив смесях, образующихся при сгорании углеводородов в воздухе или в закиси азота (соа- ыг- ог- ызо - нго- со -N0- нг-он-н-о), являющихся основной активной средой для С02-ГДЛ. Даны схемы релаксационных процессов у-у и V-! обменов, в соответствии с которыми в приближении модели локальных температур получены уравнения, описывающие изменение внутренней энергии молекул.

На основе сопоставления результатов расчета с данными по измерению коэффициента поглощения излучения с длиной волны а = 27,971 мкм потоком водяного пара, нагретого ударной волной и расширяющегося в сверхзвуковом клиновидном сопле, определены основные параметры спектральной линии перехода 001(633) —'' 020(5ВО) молекулы Н20 (коэффициент Эйнштейна, коэффициент ударного уширения и его зависимость от температуры) и показано, что при расширении водяного пара в сопле при определенных условиях реализуется неравновесное распределение молекул

Н20 по колебательным уровням, приводящее к возникновению инверсии на переходе 001(6.33) —» 020(56о). Проведенные расчеты также показали, что в профилированных соплах даже при небольшой степени раскрытия -20 величина коэффициента усиления (\) на указанном переходе может достигать 1м"1.

Проведено также сопоставление результатов расчета с экспериментом по измерению к„ на переходе 00° 1—10° 0 молекулы С02 при расширении в соплах различной формы смеси co2-n2-o2-h2o-co-no-h2-oh-o-h с широким диапазоном изменения состава, давления и температуры перед соплом, полученной как при нагреве модельных смесей в ударной трубе, так и при горении ацетилена в воздухе или в атмосфере nzo. Это сопоставление позволило определить механизмы влияния на инверсные характеристики С02-ГДЛ содержания газов 02 и n2o и показало, что предложенная модель правильно отражает основные закономерности течения (расхождение между измеренными и рассчитанными значениями не превышает 12%) и может с успехом использоваться для моделирования неравновесных процессов в смесях, содержащих газы со2, n2, ог, нао, со, no, n2o, н2, он, н, О, Не.

В этой же главе проводится анализ энергетических возможностей непрерывных проточных лазеров на молекулах галогеноводородов с нерезонансной передачей энергии от гомоядерных двухатомных молекул и изучаются особенности формирования инверсии в таких системах. Расчеты, проведенные по разработанной аналитической методике, показали, что наиболее перспективными с точки зрения получения наибольшей удельной энергии излучения и эффективности преобразования колебательной энергии являются смеси h2-hci, d2-hbr, d2-dci, dz-hj, n2-dci и л2-ит. В них эффективность преобразования энергии при электроразрядном способе возбуждения может превышать 25% (при тепловом 2,5%), а удельная энергия излучения 150 Дзс/г, что в несколько раз превосходит соответствующие

величины в разрабатываемых в настоящее время лазерных системах непрерывного действия на основе молекул со2,

n о. со.

2 '

На примере смеси н2-нс1 анализируется влияние формы сопла на формирование функции распределения молекул по колебательным уровням в системах с нерезонансным v-v, обменом. Расчеты, проведенные для различных типов сопел (клиновидные, характеристические, экспоненциальные и предложенные в работе сопла специальной конфигурации), показали, что наибольшая степень отличия функции распределения от больцмановской и наибольшие значения коэффициента усиления реализуются в соплах специальной конфигурации (СК), сверхзвуковая часть которых при некоторой небольшой степени раскрытия рн= 30-200 (ее величина зависит от параметров и состава смеси) плавно переходит в канал постоянного сечения или слаборасширяющийся канал, а затем при х ~ где 1уу,-длина нерезонансного v-v' обмена, с целью достижения низких поступательных температур и значительной величины инверсии вновь расширяется по закону, обеспечивающему безотрывное обтекание тупого угла.

Во второй главе анализируется влияние неодномерного характера расширения в плоских профилированных соплах проточных лазеров, а также стационарных и нестационарных возмущений на формирование параметров в неравновесных газовых потоках и инверсные характеристики среды.

Проведенный на основе численного интегрирования двумерных уравнений газовой динамики анализ показал, что реальная структура потока даже в профилированном сопле оказывает существеннде влияние на формирование инверсии. Особенно это важно учитывать при определении эффективности замораживания колебательной энергии в до- и трансзвуковой частях сопла, где происходят основные релаксационные потери, и при сравнении рассчитанных и измеренных значений коэффициена усиления внутри сопла,

проводимого обычно для уточнения кинетической модели. Расчеты показали, что основной причиной уменьшения эффективности замораживания колебательной энергии в до- и трансзвуковой частях сопла с участком постоянного сечения в области горла (именно такие сопла используются в настоящее время в проточных лазерах) является скачок уплотнения, возникающий за угловой точкой на стенке в начале горла. Безскачковое течение реализуется в соплах, имеющих выполненный по радиусу участок, образующий трансзвуковую часть сопла, и в них достигается наибольшая эффективность замораживания колебательной энергии.

Также установлено, что для профилированных сопел, в которых реализуется безотрывное течение, максимальное расхождение между значениями коэффициента усиления и удельной энергии излучения, полученными в одномерном приближении и при осреднении двумерного потока, не превышает 10-15%. Этот результат имеет важное методическое значение, поскольку указывает на возможность использования одномерного приближения при расчете энергетических и спектральных характеристик проточных лазеров.

Помимо значительной неоднородности для сверхзвуковых потоков характерно и наличие различных типов возмущений газодинамических параметров. Наиболее важным с практической точки зрения является исследование влияния слабых стационарных возмущений, обусловленных, например, наличием в соплах газодинамических и химических лазеров не идеально острой кромки (в выходном сечении контур сопла составляет некоторый (2-6°) угол с плоскостью симметрии). Излом контура в выходном сечении сопла приводит, как показали расчеты, к осциллирующему изменению всех -газодинамических параметров на каждой струйке тока. При этом в потоке при определенных условиях возникают чередующиеся области с повышенной и пониженной, по сравнению со случаем отсутствия возмущений,

однородностью плотности и коэффициента усиления. Протяженность этих зон по потоку может быть сравнима с размерами зеркал резонатора, что позволяет использовать этот эффект для улучшения амплитудно-фазовых характеристик излучения.

Нестационарные гидродинамические возмущения как акустические, так и энтропийные, распространяющиеся в направлении движения газа, также могут оказывать значительное влияние на изменение параметров инверсной среды. Проведенный анализ показал, что при определенной длительности и амплитуде возмущений в потоке может возникать ударная волна, перемещающаяся вверх по течению. Это приводит к резкому ухудшению инверсных харатеристик среды и срыву генерации.

В третьей главе рассматриваются процессы, приводящие к временному охлаждению молекулярного газа при воздействии резонансного излучения.

Возможность уменьшения температуры среды связана с нарушением термодинамического равновесия, вызванного индуцированными переходами молекул и переносом энергии между внутренними и поступательными степенями свободы. Перенос энергии определяется тем, в какое состояние (вращательное, колебательное или электронное) возбуждается молекула при поглощении излучения. Поэтому в первых трех разделах главы последовательно анализируются механизмы охлаждения молекулярного газа при взаимодействии излучения с чисто вращательными, колебательно-вращательными и электронно-колебательными переходами. Проведено аналитическое рассмотрение и определены необходимые условия для реализации эффекта кинетического охлаждения как при поглощении, так и при усилении излучения в указанных случаях. На основе полученных соотношений проанализирована роль различных механизмов и рассчитан их вклад в величину эффекта.

В этой же главе анализируются особенности изменения

газодиначеских параметров движущегося по каналу постоянного сечения газа в поле непрерывного излучения. Найдены аналитические решения линеаризованных уравнений релаксационной газовой динамики и обоснована возможность "газодинамического усиления" эффекта кинетического охлаждения в движущемся со сверхзвуковой скоростью потоке газа по сравнению с неподвижным. На примере различных газов (нс1,н2о, со2-м2) проведено численное моделирование эффекта кинетического охлаждения в этом случае.

В заключительном разделе главы рассматриваются особенности термализации поглощенной молекулами нго энергии излучения не-, СО- и С02-лазеров. Пары воды являются основным компонентом атмосферы Земли, поглощающим излучение этого частотного диапазона, и кроме того они присутствуют в большинстве активных сред лазеров на основе углекислого газа. До недавнего . времени считалось, что поглощение излучения нг-, СО- и С02-лазеров парами воды может приводить только к нагреву среды и образованию тепловой дефокусирующей линзы при распространении излучения этого частотного диапазона во влажной атмосфере. Проведенный в работе анализ позволил определить механизмы, приводящие к временному уменьшению температуры в средах, содержащих пары воды (н2о-и2-о2 и СОЭ-Н2-02-Н.20), при взаимодействии излучения нг-, СО- и С02-лазеров с колебательно-вращательными переходами молекулы Н30. На основе полученных аналитических решений и численного моделирования рассмотрено влияние параметров газовых сред, частоты и интенсивности воздействующего излучения на глубину охлаждения и длительность существования эффекта. Показано также, что как при поглощении, так и при усилении излучения с длиной волны а=9,4 мкм (С02-лазер) в средах с02_н2~02~н20 тепловые эффекты, обусловленые термализацией поглощенной молекулами Н20 энергии, могут оказывать существенное влияние на динамику изменения поступательной температуры

В четвертой главе исследуются закономерности изменения показателя преломления молекулярного газа при воздействии импульса резонансного излучения.

Характер распространения мощного лазерного излучения в газовой среде определяется, как известно, зависимостью диэлекрической проницаемости среды е от напряженности электрического поля электромагнитной волны. В общем случае изменяются как мнимая, так и действительная части с. Первая определяет процесс поглощения энергии излучения средой, а вторая - изменение показателя преломления. Особый интерес представляет изучение процессов, приводящих к изменению с при воздействии ИК-излучения, поскольку в настоящее время рассматриваются перспективы передачи . энергии излучения этого диапазона через атмосферу Земли. Анализ показал, что в этом случае изменение показателя преломления 5п происходит вследствие изменения плотности среды, а также резонансной и нерезонансной части поляризуемости молекул. Изменение нерезонансной части поляризуемости определяется в основном возбуждением молекулярных колебаний, а резонансной - изменением населенностей уровней поглощающего перехода (выражение для нее получено с использованием связи между действительной и мнимой частями е в виде соотношений Крамерса-Кронига).

Подробно рассмотрен вопрос о выборе гидродинамической модели для определения плотности и температуры среды при воздействии импульса резонансного излучения. Анализ системы нестационарных уравнений Навье-Стокса для газа с' возбужденными колебательными степенями свободы позволил выделить характерные времена процессов макро- и микропереноса, иерархия которых определяет выбор этой модели. Это длительность импульса воздействующего излучения - время индуцированных переходов - время колебательной релаксации -время поступательной - ^ и колебательной - . \

еплопроводности, время диффузии (в том числе и олебательной) - т время распространения звука поперек пучка - а также времена направленного движения газа в зоне пучка, установления скорости движения в поле силы тяжести и конвекции вследствие действия сил трения (вязкости) - то, и тк.

Для большинства практически интересных случаев (лазерные среды, атмосфера Земли и др.) Т1 ~ - т3 « •с,, тгф < тк ~ го~ тв. Такая иерархия характерных (времен позволяет в зависимости от тц рассматривать более ¡простые приближения общей системы уравнений Навье-Стокса, классификация которых приведена в работе.

Проанализировано изменение плотности и температуры среды, обусловленное кинетическим охлаждением или .нагревом газа при наличии нелинейной пондеромоторной силы, действующей на непроводящий слабопоглощающий газ в неоднородном электро- магнитном поле, в режиме "коротких" импульсов, когда - Х^ т^ тз « тт, (к этому

случаю проявляется наибольший интерес, поскольку именно такие \ (0,1-10 мкс) характерны для мощных импульсных лазеров ИК-диапазона). Определены условия, при которых составляющими этой силы в направлении распространения пучка (сила Абрагама и 'сила светового давления) можно пренебрегать и учитывать только составляющую, направленную поперек пучка (стрикционная'сила).

На основе численного интегрирования полученной системы уравнений, включающей волновое уравнение для возмущения плотности, уравнение энергии и кинетические уравнения, описывающие возбуждение молекул при индуцированных переходах, для гауссовых пучков проанализирована динамика изменения показателя преломления и исследованы закономерности формирования нестационарной линзы при поглощении излучения нг-, СО- и С02-лазеров на колебательно-вращательных и чисто вращательных переходах молекулы Н20. Установлено, что для

широких пучков и на временах ъ<г опрделяющий вклад в ¿п дает изменение поляризуемости молекул смеси. При расстройке, сопоставимой с шириной линии поглощения, и достаточно большой силе линии изменение резонансной части поляризуемости может подавлять вклад в обусловленный изменением плотности среды, даже при

Пятая глава посвящена моделированию распространения импульса излучения в газовых средах с нелинейной восприимчивостью.

Основное внимание здесь уделено вопросу распространения излучения в резонансно поглощающих средах, когда весьма существенны эффекты самовоздействия. Формулируется математическая модель для описания распространения импульса излучения в поглощающей среде. Она включает уравнения для возмущений плотности и температуры, полученные в предыдущем разделе для режима "коротких" импульсов, кинетические уравнения, описывающие изменение внутренней энергии молекул, соотношения, определяющие изменение коэффициента поглощения и показателя преломления, и уравнение для комплексной амплитуды а электромагнитной волны в квазиоптическом приближении

е е - <1 + + =°

с с

где ко= и со - круговая частота, с -скорость

света в вакууме, ео=с(ъ=о). Поскольку в рассматриваемых случаях существенным является изменение во. времени как действительной, так и мнимой части с, то при выводе уравнения для комплексной амплитуды -учтен член, содержащий зе/аь (он имеет более высокий порядок малости по сравнению с рассматривавшимися ранее). Следующее из (5.1) уравнение для переноса излучения вдоль направления распространения элементарного луча ? отличается от общепринятого вида (азуа^-к^!)

Ж. _ _ к ! _ -А^ _ (5 2)

а? - V пос ^ • <5.2)

Здесь I = - интенсивность излучения,

е Последний член в (5.2) как раз'-: и

характеризует изменение с во времени.

С использованием уравнения (5.2) на примере тепловой нелинейности п проведен анализ влияния нестационарного изменения с на распределение интесивности излучения вдоль направления распространения в среде с поглощением. На основе аналитического решения задачи получено выражение для граничного значения I (онр зависит от параметров среды, длины трассы и частоты воздействующего излучения), при превышении которого необходимо учитывать член с дс/аь в уравнении (5.1) или (5.2). Для излучения нг- и С02-лазеров, распространяющегося в среде н2о-ы2-ог, пренебрежение этим членом может уже при 1= 1 ГВт/смг приводить к существенным погрешностям при расчете распределения интенсивности вдоль трассы.

Здесь же на основе численного решения сформулированной системы нестационарных нелинейных уравнений показана необходимость учета как возбуждения различных типов колебаний молекул смеси и конечной скорости термализации поглощенной энергии, так и насыщения поглощающего перехода при определении амплитудно-фазовых характеристик светового пучка. Проанализирована динамика самовоздействия при распространении импульса монохроматического излучения, генерируемого нг-, СО- и С02-лазерами, в среде н2°-м2-02' (влажная атмосфера). Установлено, что вследствие образования нестационарной фокусирующей линзы,

перемещающейся с течением времени вдоль направления распространения, в канале луча может формироваться многофокусная структура поля излучения, а его интенсивность в области фокусов может в несколько раз

превышать начальное значение, несмотря на поглощение и дифракционное расплывание пучка. Показано также, что, изменяя интенсивность излучения и радиус пучка, можно управлять динамикой самовоздействия с целью уменьшения потерь энергии на рассеяние и получения максимальной плотности мощности в заданном сечении трассы.

В шестой главе рассматриваются вопросы моделирования энергетических и спектральных характеристик проточных газовых лазеров и проводится их анализ для конкретных систем.

В общем случае расчет динамики генерации необходимо проводить на основе совместного решения уравнения для комплексной амплитуды электромагнитной волны, распространяющейся между зеркалами резонатора, и уравнений, описывающих состояние среды. Однако решение такой системы особенно для лазеров, в которых генерация излучения происходит на нескольких иногда существенно отличающихся частотах, пока не может быть реализовано без существенных упрощений. Широкое применение для расчетов нестационарной генерации в лазерах с неподвижной средой получил метод, основанный на использовании уравнения для эволюции интенсивности излучения в оптической полости, которое по сути является обычным уравнением переноса излучения вдоль лучей при наличии потерь' в зеркалах резонатора. В работе проведено обобщение этого уравнения на случай значительной неоднородности параметров, которая практически всегда имеет место в проточных лазерах. Это обобщение основано на представлении интенсивности генерируемого на каждом переходе излучения - ^(х.уЛ) в виде произведения функции формы - определяющей

распределение электромагнитного поля по зеркалу резонатора и одинаковой для всех генерирующих переходов, и функции, зависящей только от времени - Уравнение

для Jy.it) при этом имеет вид

дЗ

~Г = - + <1зр> (6.1)

ОЪ

э э

где д,^ - величина, определяемая геометрическими параметрами резонатора и потерями в зеркалах, -коэффициент усиления излучения,генерируемого на данном переходе с частотой - член, характеризующий вклад

спонтанного излучения, э - площадь зеркала.

При стационарной генерации из (6.1) следует

= д, (6.2)

Уравнения вида (6.2) отражают интегральный закон равенства потерь и усиления за проход излучения между зеркалами; для каждого генерирующего перехода. Методика расчета многочастотной генерации в проточных лазерах основана, таким образом, на совместном интегрировании уравнений вида (6.1) или (6.2), уравнений газовой динамики и кинетических уравнений, определяющих изменение энергии внутренних степеней свободы молекул.

С использованием разработанных методов расчета проанализировано влияние ударных волн на динамику изменения интенсивности генерируемого излучения в сверхзвуковом проточном С02-лазере, а также влияние формы сверхзвуковой части сопла, состава и параметров газа на спектр генерации и энергетические характеристики ГДЛ на смеси нг-нс1. Показано, что использование в таком ГДЛ сопел СК, предложенных в работе, позволяет ~ в 2 раза повысить эффективность преобразования энергии, по сравнению с соплами, имеющими традиционный контур с плавным расширением. Удельная энергия излучения (Ив), спектр которого лежит в диапазоне длин волн *=3,6+4,4мкм, может составлять при этом 120 Дж/г. Существенно большие

значения и эффективности преобразования энергии в 3-4 раза) удается получить, как показали расчеты, при подмешивании в сверхзвуковом потоке к возбужденному в несамостоятельном разряде н2 (высокая эффективность возбуждения колебаний нг в этом случае была продемонстрирована в работе Басова Н.Г. и др. Квантовая электроника. 1986. т.13. №2. с.1161-1167) небольшого количества (~ 1-2%) нс1. Генерация при этом может возникать не только на основных частотах нс1, но и на обертонах (л=1,9*2,2 мкм).

Из результатов этой главы следует также выделить анализ влияния содержания компонентов о2, со, N0 и и2о на энергетические характеристики С02-ГДЛ, имеющий важное прикладное значение при использовании для получения активной среды реальных углеводородных топлив, и анализ энергетических возможностей Н20-ГДЛ. Установлено, что увеличение содержания ог, со, n0, N.,0 в активной среде С02-ГДЛ приводит к уменьшению Для N.,0 это уменьшение может в зависимости от начальных условий составлять от 1,25 до 1,5 раз на 1% N.,0. для ог, со, N0 оно существенно слабее и составляет для 02 от 1,23 до 1,35, для СО от 1,5 до 1,75 и для N0 от 1,2 до 1,25 раз на 10% данного компонента. Показана возможность реализации экологически чистого ГДЛ, генерирующего излучение с *=27,971 мкм на переходе -001 (633)—020(55О) молекулы Н20 в непрерывном режиме, с удельной энергией *20 Дж/г. Его особенностью является необходимость использования сопел с быстрым расширением и существенно меньших значений параметра Р0Ь, (~ в 50-100 раз), чем в С02-ГДЛ.

Рассмотрена также возможность увеличения эффективности преобразования энергии в ГДЛ при дополнительном возбуждении молекулярных колебаний собственным излучением лазера. Установлено, что основными причинами этого увеличения, которое может достигать несколько десятков процентов, является охлаждение газа

рри поглощении излучения и уменьшение релаксационных потерь за счет перераспределения колебательной энергии ■¡между осцилляторами с различными временами релаксации.

В заключении формулируются основные результаты работы:

1.Предложена модель колебательного энергообмена в смесях н2о - н2- о2- не и проведено комплексное расчетно-экспериментальное исследование формирования неравновесного распределения энергии по колебательным степеням свободы молекулы Н20 при расширении нагретого водяного пара в сверхзвуковых соплах. Теоретически показана возможность получения в этом случае на переходе 001 (6 )— 020(55О) молекулы Н20 коэффициента усиления -1м'1 и удельной энергии излучения с длиной волны -28 мкм - 15 Дж/г. Предложенная модель может использоваться как при анализе процессов получения инверсии при различных способах возбуждения колебаний молекулы Н20, так и при исследовании процессов поглощения лазерного излучения атмосферным водяным паром.

2.Разработана модель колебательного энергообмена в продуктах сгорания углеводородов в воздухе и в закиси азота, согласующаяся с экспериментом по измерению коэффициента усиления в широком диапазоне параметров и состава газа и позволяющая моделировать высокотемпературные течения смеси компонентов со2, ыг, о2, н2о, со, N0, н2, он, Не с неравновесным распределением колебательной энергии молекул. Проведен анализ влияния содержания газов о2, со, N0 и мго на энергетические характеристики С02-ГДЛ, имеющий важное прикладное значение при использовании для получения активной среды лазера реальных углеводородных топлив.

3.Разработаны методы расчета энергетических и спектральных характеристик быстропроточных газовых лазеров при стационарной и нестационарной генерации на колебательно-вращательных переходах двухатомных и

многоатомных молекул и на их основе проведен анализ влияния ударных волн на динамику генерации и анализ энергетических возможностей непрерывных проточных лазеров на молекулах галогеноводородов с нерезонансной передачей энергии от гомоядерных двухатомных молекул. Показано, что наиболее перспективными с точки зрения получения наибольшей удельной энергии излучения и эффективности преобразования колебательной энергии являются смеси н2-нс1, D2-HBr, d3-dc1, d2-hj, n2-dci и n2-dj. В них эффективность преобразования энергии при электроразрядном способе возбуждения может превышать 25% (при тепловом -2,5%), а удельная энергия излучения 150 Дж/г.

4.На примере газодинамического лазера на смеси нг-нс1 проанализировано влияние формы сопла на формирование функции распределения молекул по колебательным уровням, энергетические и спектральные характеристики излучения лазеров, использующих смеси с нерезонансным обменом колебательной энергией между донорными и излучающими молекулами. Для таких систем предложен новый класс сопел со специальным профилем сверхзвуковой части, содержащей слаборасширяющийся протяженный канал. Использование этих сопел приводит к увеличению удельной энергии излучения более чем в 2 раза, по сравнению с традиционными соплами.

5.Проведен анализ влияния неодномерного характера течения в соплах проточных лазеров на формирование неравновесного распределения энергии по колебательным степеням свободы молекул. Показано, что именно двумерные эффекты определяют эффективность замораживания колебательной энергии в трансзвуковой части сопла, а игнорирование этих эффектов даже при реализации безотрывного течения может привести к неправильной итерпретации результатов при сравнении теории с экспериментом по измерению инверсных характеристик среды внутри сопла.

6.Проанализировано влияние гидродинамических возмущений, возникающих в сверхзвуковых потоках, на инверсные характеристики проточных лазеров. Показано, что стационарные возмущения, обусловленные наличием в реальных соплах не идеально острой кромки, могут приводить к появлению в потоке чередующихся областей с повышенной и пониженной, по сравнению со случаем отсутствия возмущений, однородностью плотности и коэффициента усиления, а нестационарные - к возникновению ударной волны, двигающейся вверх по потоку, резкому уменьшению коэффициента усиления и срыву генерации. Характер влияния этих возмущений определяется не только их интенсивностью, но и особенностями кинетики колебательного энергообмена.

7.Проведено комплексное исследование процессов переноса энергии из поступательных во внутренние степени свободы молекул при воздействии резонансного излучения. Показана возможность временного уменьшения поступательной температуры газа и определены условия существования эффекта кинетического охлаждения как при поглощении, так и при усилении излучения на вращательных, колебательно-вращательных и связанно-связанных электронно-колебательных переходах молекул, . проанализированы особенности термализации поглощенной молекулами Н20 энергии излучения не-, СО- и С02-лазеров и определены основные закономерности временного уменьшения температуры при поглощении излучения этого частотного диапазона во влажной атмосфере и в активной среде С02-лазеров. Рассмотрены особенности изменения газодинамических параметров движущегося по каналу постоянного сечения газа при воздействии непрерывного излучения и обоснована возможность "газодинамического усиления" эффекта кинетического охлаждения в движущемся со сверхзвуковой скоростью потоке газа по сравнению с неподвижным.

8.Рассмотрены основные механизмы изменения

диэлектрической проницаемости среды при воздействии на (газ импульса резонансного ИК-излучения. Для импульсов, длительность которых меньше времени диффузии, теплопроводности и конвекции, на основе построенной Математической модели проанализирована динамика изменения параметров, определяющих формирование нестационарной линзы в канале луча. Для гауссовых пучков показана ■возможность образования фокусирующей линзы при усилении излучения в инверсной среде и при поглощении излучения НК-, СО- и С02-лазеров атмосферным водяным паром.

9.Проведен анализ распространения импульса излучения в газовых средах с нелинейной восприимчивостью и развита математическая модель, учитывающая влияние нелинейного насыщения; особенностей термализации поглощенной энергии и изменения диэлектрической проницаемости во времени на распространение импульса излучения в резонансно поглощающих газовых средах. Показана возможность нестационарной самофокусировки и исследована ее динамика при поглощении лазерного излучения атмосферным водяным паром. Установлено, что, изменяя интенсивность воздействующего излучения и радиус пучка, можно управлять динамикой самовоздействия, смещая вдоль направления распространения сечение, в котором достигается максимальная плотность мощности на оси пучка.

10.Теоретически обоснована возможность увеличения эффективности преобразования энергии в быстропроточных газовых лазерах при дополнительном возбуждении молекулярных колебаний собственным излучением. Показано, что основными механизмами, приводящими к увеличению эффективности преобразования энергии, являются охлаждение потока газа при поглощении резонансного излучения и увеличение запаса колебательных квантов в системе вследствие преобразования части энергии поступательного движения в энергию молекулярных колебаний и уменьшение релаксационных потерь за счет перераспределения

1 колебательной энергии в зоне воздействия излучения между осцилляторами с существенно различными временами релаксации, наибольшая величина эффекта достигается в смесях с большим содержанием излучающего компонента и может составлять несколько десятков процентов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Бирюков A.C., Сериков Р.И., Старик A.M., Шелепин Л.А. Влияние неоднородностей параметров потока на характеристики рабочих сред С02- и и_,о-газодинамических лазеров//Квантовая электроника. 1977.T.4. №4.с.787-792.

2. Бирюков A.C., Сериков Р.И., Старик A.M. Влияние слабых возмущений потока на показатель усиления газодинамического лазера//Квантовая электроника. 1979. т.6. №5. с.911-916.

3. Британ А.Б., Сериков Р.И., Старик A.M., Хайлов В.М. Экспериментальное исследование течения колебательно-неравновесного газа в профилированном сопле//Изв. АН СССР. МЖГ. 1980. №1. с.203-206.

4. Левин В.А., Старик A.M. Колебательный энергообмен в смесях H2o-H2-o2 при быстром охлаждении в сверхзвуковых соплах// Изв.АН СССР. МЖГ. 1980. №2. с.101-110.

5. Британ А.Б., Старик A.M., К вопросу о резонансном поглощении излучения (10,6 мкм) в смесях C02-n2 за фронтом ударной волны/ЛПМТФ. 1980. №3. с.20-23.

6. Британ А.Б., Старик A.M. Исследование колебательно-неравновесного течения в клиновидном сопле смеси co2-n2-o2-H2o// ЖПМТФ. 1980. №4. с. 41-50.

7. Старик A.M. Движение неравновесных сред при наличии в потоке ударных волн и слабых газодинамических возмущений// В сб. Исследования по гидродинамике и

теплообмену.- Новосибирск. ИТФ СО АН СССР. 1980. с.132-138.

8. Кирмусов И.П., Левин В.А., Старик A.M. Теоретическое исследование характеристик газодинамического лазера на смеси н2-нс1//Квантовая электроника. 1981. т. 8. №5. с.972-979.

9. Левин В.А., Старик A.M. О возможности генерации излучения дальнего инфракрасного диапазона (а=28 мкм) при сверхзвуковом расширении паров воды// ЖТФ. 1981. т. 51. №5. с.1022-1024.

Ю.Гордеев В.В., Левин В.А., Старик A.M. Теоретическое исследование неравновесного течения смесей н2°-н2-°2 в профилированном сопле// Изв. АН СССР. МЖГ. 1982. №1. с.105-112.

П.Бирюков A.C., Сериков Р.И., Старик A.M. Колебательный энергообмен в системах с обратной оптической связью// Квантовая электроника. 1982. т.9. n°i. с.36-43.

12.Левин В.А., Старик A.M. Анализ лазеров на галогено-водородах// Квантовая электроника. 1982. т. 9. №2. с.315-322.

13.Старик A.M. К вопросу об определении времен релаксации .при кинетическом охлаждении движущегося газа// ЖПМТФ.

1982. №2. с. 17-22.

14.Старик A.M. О кинетическом охлаждении движущегося газа// Изв. АН СССР. МЖГ. 1982. №3. с.127-138.

15.Кирмусов И.П., Старик A.M. Нестационарные процессы в движущихся неравновесных средах при наличии поля излучения// В сб.Неравновесные процессы в разреженных средах. - Новосибирск. ИТФ СО АН СССР. 1983. с.53-57.

16.Кирмусов И.П., Старик A.M. Расчетное исследование спектра усиления и поглощения С02 в области 9,2-10,9 мкм// Оптика и спектроскопия. 1984. т.57. Вып.З. с.500-506.

17.Левин В.А., Нетесов В.В., Старик A.M. Численное исследование распространения импульса излучения с

х=10,6 мкм через поглощающие среды// 1ПМТФ. 1984. №3. с.14-19.

18.Старик A.M. К вопросу о кинетическом охлаждении газа из двухатомных молекул// ЖТФ. 1984. т.54. " №8. с.1631-1634.

19.Старик A.M. Охлаждение потока газа из двухатомных молекул резонансным излучением// ЖПМТФ. 1984- №.5. с.8-16.

20.Левин В.А., Сорокин A.A., Старик A.M. О течении газа из несимметричных дипольных молекул в поле резонансного излучения//Изв. АН СССР. МЖГ. 1985. №1. с.128-137.

21.Левин В.А., Нетесов В.В., Старик A.M. Распространение импульса излучения с длиной волны *=10,6 мкм в усиливающих средах//ЖПМТФ. 1985. N»2. с.30-36.

22.Левин . В.А., Сорокин A.A., Старик A.M. Кинетика колебательного энергообмена в расширяющихся потоках базовых смесей н2о-н2-не. Анализ' энергетических характеристик Н20-ГДЛ// Хим.физика. 1985. т. 4. №11. с.1482-1489.

23.Британ A.B., Левин В.А., Смехов Г.Д., Старик A.M., Туник Ю.В., Хмелевский А.Н. Моделирование течений продуктов сгорания углеводородных топлив в импульсной установке взрывного типа// ФГВ. 1985. №6. С.34-41.

24.Британ A.B., Левин В.А., Старик A.M., Хмелевский А.Н. К выбору расчетной модели течения в соплах высокотемпературных ГДЛ на продуктах горения// Квантовая электроника. 1986. т.13. №1. с.86-94.

25.Левин В.А., Сорокин A.A., Старик A.M. О кинетическом охлаждении паров воды излучением СО-лазера// ЖТФ. 1986. т.,56. №1. с.97-104. •

26.Левин В.А., Сорокин A.A..Старик A.M. Об охлаждении паров воды при поглощении излучения с длиной волны А-2,8 мкм//йзв.АН СССР. МЖГ. 1986. м»3. с.141-151.

27.Левин В.А., Сорокин A.A., Старик A.M. О тепловых

эффектах при гиглощении излучения С02-лазера парами воды//Квантовая электроника. 1986. т.13. №3. с.551-558.

28.Старик A.M. Об охлаждении газа двухатомных молекул при усилении света//Хим.физика. 1986. т.5. №Ц. с.1496-1500.

29.Сорокин A.A., Старик A.M. 0 влиянии интенсивности, излучения и параметров среды на глубину охлаждения и изменение показателя преломления при поглощении излучения с ^=9,2-10,6 мкм парами воды// ЖПМТФ. 1986. №6. с.9-16.

30.Кирмусов И.П., Старик A.M. 0 влиянии перекрытия спектральных линий на форму импульса генерации С02-лазера//ЖПС. 1986. т.45. №2. с.188-193.

31.Сорокин A.A., Старик A.M. К вопросу о тепловых эффектах при поглощении и усилении излучения С02-лазера в смесях co2-n2-o2-hzo// Хим. физика. 198?. т. 6. №2. с. 204-212.

32.Кирмусов И.П., Левин В.А., Старик A.M. Влияние формы сопла на функцию распределения молекул по колебательным уровням в потоке h2-hci// Хим.физика. 1987. т.6. №3. с.291-298.

33.Старик A.M. О некоторых механизмах охлаждения молекулярного газа в поле резонансного излучения при

• наличии расстройки//Хим. физика. 1987. т.6. №7. с.899-906.

34.Левин В.А., Сорокин A.A., Старик A.M. К вопросу о распространении импульса излучения в резонансно поглощающей газовой среде// ДАН СССР. 1987. т. 293. №6. _ с.1364-1369.

35.Сальников В.А., Старик A.M. О влиянии трансзвуковой части сопла на эффективность замораживания колебательной энергии в потоке h2-hci// Изв. АН СССР. МЖГ. 1987. №5. с. 137-142.

36.Старик A.M. Охлаждение молекулярного газа при усилёнии

света// Квантовая электроника. 1988. т.15. N»2. с.295-302.

37.Левин В.А., Сорокин A.A., Старик A.M. Об изменении показателя преломления при распространении излучения через резонансно поглощающие газовые среды в режиме кинетического охлаждения// ЖТФ. 1988. т.58. №3. с.567-576.

38.Старик A.M. Об одном механизме охлаждения молекулярного газа в поле резонансного излучения при перекрытии спектральных линий// ЖПМТФ. 1988. №2. с.7-14.

ЗЭ.Востряков В.А., Кирмусов И.П., Старик A.M. К расчету многочастотной генерации газодинамических лазеров на двухатомных молекулах// Хим.физика. 1988. т. 7. №4. с.477-484.

40.Левин В.А., Сорокин A.A., Старик A.M. О механизмах самофокусировки при распространении излучения с длиной волны \=2,8 мкм во влажной атмосфере// ДАН. СССР. 1989. т.304. №5. с. 1073-1077.

41.Британ A.B., Левин В.А., Сорокин A.A., Старик A.M., Хмелевский А.Н. Поглощение излучения а=28 мкм за ударной волной в парах воды// Хим.физика. 1989. т.8. №3. с.406-412.

42.Старик A.M. О механизмах охлаждения молекулярного газа при поглощении излучения на электронных переходах// Хим.физика. 1989. т.8. №6. с.782-789.

43.Востряков В.А., Кирмусов И.П., Старик A.M. О влиянии формы сопла на спектр генерации газодинамического лазера на смеси на-нс1// ТВТ. 1989. т.27. №3. с.588-593.

44.Левин В.А., Сорокин A.A., Старик A.M. О влиянии интенсивности излучения и параметров среды на изменение показателя преломления при поглощении излучения HF-лазера парами воды// ЖПМТФ. 1989. ь»4. с.10-15.

45.Левин В.А., Сорокин A.A., Старик A.M. Нестационарная фокусировка при распространении излучения с длиной волны \=2,8 мкм во влажной атмосфере// ДАН СССР. 1989. т.308. №3. с.610-614.

46.Кирмусов И".П., Старик A.M. Численное моделирование нестационарных процессов в движущихся неравновесных средах при генерации излучения// В сб. Неравновесные течения газа с физико-химическими превращениями.-М.: Изд-во МГУ. 1989. с.29-41.

4?.Востряков В. А., Старик A.M. Особенности преобразования энергии в ГДЛ с обратной связью на двухатомных молекулах// Хим.физика. 1989. т.8. №12. с.1594-1599.

48.Британ А.Б., Левин В.А., Сорокин A.A., Старик A.M., Тестов В.Г. Хмелевский А.Н. Измерение молекулярных постоянных колебательно-вращательного перехода 0G1(633)—*02ü( 5S0) в парах воды за ударной волной// ДАН СССР. 1989. т.309. №1. с.82-84.

49.Журавлев В.В., Сорокин A.A., Старик A.M. Изменение показателя преломления при поглощении атмосферным водяным паром излучения с длиной волны \=4,8-5,3 мкм // Хим.физика. 1990. т.9. №2. с.201-211.

50.Журавлев В.В., Сорокин A.A., Старик A.M. О механизмах самофокусировки при взаимодействии лазерного излучения с газовой средой// Квантовая электроника. 1990. т.16. №4. с.501-506.

51.Кирмусов И.П., Левин В. А., Старик A.M. Распространение возмущений в сверхзвуковых колебательно-неравновесных газовых потоках // Изв. АН СССР. МЖГ. 1990. №2. с. 128-134.

52.Журавлев В.В., Старик A.M. О некоторых механизмах самофокусировки при поглощении излучения на вращательных переходах// ЖПМТФ. 1991. №3.