Разработка метода многочастотного лазерного зондирования и определения спектроскопических характеристик газовых смесей в диапазоне 4.3. 10.6 МКМ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ч'^Ч ' МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ (технический университет)

На правах рукописи

ТИМОШЕНКО Алексей Вячеславович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА МНОГОЧАСТОТНОГО ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ В ДИАПАЗОНЕ 4.3, 10.6 МКМ

01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-натематических наук

Автор! К

7

Москва 1994

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете).

Научный руководитель ' - кандидат технических наук, доцент

В.П.Неиименко

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

в.н.с. Е.М.Кудрявцев - кандидат физико-математических наук, с.н.с. С.Т.Корнилов

Ведущая организация - НПО "Астрофизика"

Защита состоится •аз."___у/_____ __1994г. в час. СО мин.

на заседании диссертационного совета A~053.03.02 в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете) по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, А. 31, аудитория ___. тел. 324-84-98, 323-91-67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан '_____________1994г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации

Учений секретарь диссертационного совета, д. ф.-м. н., профессор

Е,М.Кудрявцев

Подписано к печати

'/¿.<0.9^ . Заказ . Тирах 60 ->к<

Типография МИФИ, Каширское шоссе, л. 31

ОБИАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним но наиболее крупных достижений квантозоя электроники и молекулярной физики является разработка мощных лазеров ИХ-диапазона на колебательно-вращательных переходах молекул. Успехи Фундаментальных и прикладных исследования привели к тому, что из уникальных лабораторных устройств лазеры превратились в широко используемые на г1рактике инструменты. Лазеры применяются в медицине, при разработке новых промышленных технологий, в военных тактических системах, при решении экологических задач.

Рекордные параметры получены в С02-лазерах. Наиболее распространенным способом возбуждения активных сред является электрический разряд - импульсный или непрерывный. В настоящее время проводятся широкие исследования, направленные на повышение удельных энергетических характеристик и КПД лазеров.

Классической для С02-лазерных систем является газовая смесь С02 , N2, Не(НгО>. В ряде работ исследовались потенциальные возможности молекулярной пары 02-С0г и показанп эффективность ее использования для повышения энергетических характеристик газодинамических к элэктроионизационных лазеров. Успехи в создании мойных лаз'еров так же связаны с разработкой новых методов экспериментальных исследований и диагностики молекулярных состояний в условиях существенного отклонения от термодинамического равновесия.

Важными оптическийи характеристиками молекулы С02, необходимыми для анализа явлений в газовых средах, содержащих эти молекулы, являются столкновительные полуширины, коэффициенты Эйнштейна (матричные элементы дипольного момента) линий колебательно-вращательных полос. Литературные данные об этих характеристиках для секвенциального и горячего переходов молекулы СС>2 носят противоречивый характер.

Целью настоящей диссертации является разработка методов и аппаратуры диагностики С02-лазерных систем, определение спектроскопических характеристик молекулы С02 и исследование влияния дейтерия на характеристики активных сред, возбуждаемых самостоятельным разрядом. Задачами работы являются!

— разработка и экспериментальная реализация метода параллельного многзчастотного лазерного зондирования активных сред, который позволит определять запасы энергии в резервуарах, колебательных и поступательно-враиательных степеней свободы, выявлять особенности процессов накачки и колебательного обмена, а также рассчитывать параметры лазерного излучения;.

— разработка методики и определение спектроскопических параметров основных лазерных переходов молекулы СО^.;

— исследование температурной зависимости коэффициента поглощения излучения Ио-Ме-лазера с длиной волны 4.2183 мкм в газовых средах, содержащих С02 ;

— разработка и создание аппаратуры для исследования спектрального состава и пространственно-временных, характеристик 1азерного излучения;

— исследование с использованием разработанной аппаратуры и , методик характеристик дейтерийсодержасшх СОг-активных сред атмосферного давления, возбуждаемых импульсным самостоятельный разрядом.

Научная новизна работы. В процессе исследований по теме диссертации разработана методика диагностики . активных лазерных сред в режиме реального времени. Методика основана на одновременной регистрации усиления на линияЯ регулярной и секвенциальной полос излучения непрерывных лазеров, работающих на регулярных переходах молекулы ,гС"Ог и изотопозамещенных молекул СОг• Предложено использовать для диагностики Не-Ие-лазер с длиной волны излучения 4.2183 мкм.

Разработана методика и определены матричные элементы ди-польных моментов основных лазерных колебательных переходов IЯ у I: регулярного, секвенциального и горячего молекулы .

Исследована температурная зависимость коэффициента поглощения излучения Не-Ие-лаэера ( Д = 4.2183 мкм) в газовых средах, содержащих СО^.

Разработана новая оптическая схема панорамного спектроана-лизатора излучения С02-лазеров, основанная на принципе умножения предварительно полученной угловой дисперсии исследуемого излучения. 1

С использованием разработанной аппаратуры и методик проведено исследование усилительных и энергетических характеристик

лазерных сред 02-С02, Нг-02-С02 ',и Не-С02, К2-Не-СОг атмосферного давления, возбуждаемых импульсным самостоятельным электрическим разрядом с УФ-предыонизацией.

Показано, что замена Не на Э2 в рабочих средах приводит к увеличению удельных лазерных характеристик, что обусловлено большей эффективностью разряда в дейтерийсодержащих средах, при этом влияние нерезонансного колебательного обмена мало. В .дсйтерийсодержаиие. активные среды удается вложить Большую энергию. С увеличением энерговклада однородность излучения увеличивается и достигает максимума при энергиях накопительного конд=нсатора, поступающей в основной разряд. Ер = ¿60...180 Ах/атм/ф. Для дейтерийсодержащих активных сред однородность излучения выше, чем для гелийсодержания. Генерация реализуется на регулярном переходе 00011 - 10001 , линия Р20 для всех рассматриваемых типов активных сред.

Практическая ценность работы. Методика и аппаратуры диа|— ностики С02-лазерных систем могут быть использованы при создании моьчых лазеров как импульсно-периодических, так и непрерывных. -

Разработанная методика многочастотного лазерного зондирования дает максимальный эффект при отладке, оптимизации и исследовании крупномасштабных лазерных систем. Особенно данная методика эффективна для случая установок, в которых трудно (а иногда и невозможно) достичь удовлетворительной повторяемости параметров, например, для квазистационарных еегаватных газодинамических лазеров на твердых топливах.

Результаты исследования влияния дейтерия на характеристики С02-активных сред могут быть использованы для повышения энергетических характеристик Уже существующих лазерных систем. 02-С02"лазеры, генерирующие короткие импульсы, могут найти применение при создании лидарных систем, в системах с удвоением частоты лазерного излучения, в термоядерных исследованиях с инерционным удержанием плазмы.

Результаты экспериментальных исследований могут быть использованы при проверке математических моделей кинетических процессов с резонансным и нерезонанснык колебательным обменом.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на II семинаре "Диагностические применения лазеров и волоксннсЛ оптики в народном хозяйстве" (Волгоград, 1989), II Всесоюзной научно-технической конференции "Петрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров" (Харьков, 1990), VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" ( Ленинград. 1990).

Автор защищает:

1. Метсдику параллельного многочастотного лазерного зондирования неравновесных газовых сред, содержащих С02 .

2. Методику и результаты определения матричных- элементов дипольних моментов регулярного, горячего и секвенциального колебательных переходов молекулы ^С'^О^.

3. Результаты экспериментального исследования температурной зависимости коэффициента поглощения излучения Не-Пе-лазера с длиной волны 4.2103 икм в газовых средах, содержащих С0г.

4. Разработанную аппаратуру для исследования спектрального состава и пространственно-врёменных характеристик лазерного излучения.

5. Результаты экспериментального исследования усилительных и энергетических характеристик активных сред лазеров 02-С02," N2—Э^-СОг и Не-СО^. Мг~Не-С02 атмосферного давления, возбуждаемых импульсным самостоятельным электрическим разрядом.

Структура и обг>ем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех основных разделов, ¡заключения и списка использованных литературных источников. Работа содержит 156 страниц, 12 таблиц, 38 рисунков и список использованноЛ литературы из 89 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулирована цель работы и дана краткая аннотация к каждоп из глаз.

В диссертации приводится обзор литература. Кратко освещены кинетические процессы, приводяиие к формированию инверсии на-селенностей в СО^-лазерных системах. Генерация и максимальные значения коэффициентов усиления реализуются на колебательно-вращательных переходах полос:

регулярной - 06011 - 10001' С 1R ). 00011,- 10002 •< 2R );

горячей - 01111 - 11101 ( 1Н ). 01111 - 11102 С 2Н );

секвенциальной - 00021 - 10011 ( 1S ), 00021 - 10012 ( 2S ) . - Введены следупиие обозначения полос: регулярной (Regular) -R, горячгй (Hot) - Н, секвенциальной (Sequence) — S; 1 обозначает длинноволноаую 'полосу, 2 - коротковолновую.

Прсгзеден анализ процоссоз колебательного энергообмена. Показано. что дейтерий не? только передает колебательную энергию на COj, но и эффективно дезактивирует ;>.г<мий лазерный уровень. Отмечается, что актуальной задачей является исследование влияния дейтерия но характеристики- TEA СО^-лазеров (импульсных лазеров атмосферного давления, возбуждаемых поперечным самостоятельным электрическим разрядом).

Показано, что среди методов диагностики неравновесных состояний в активных средах, содержащих С02 , наиболее универсальным является метод лазерного зондирования. Физическую основу метода составляет зависимость величина ненасыщенного коэффициента усиления (поглощения) (КУ(П)) от параметров исследуемой среды и параметров линии зондирующего лазера. Отмечается, что для успешной диагностики необходимо повысить Эффективность и информативность метода, уменьшить габариты зондирующего комплекса, а также определить матричные элементы ди-польных моментов колебательных переходов Н и S.

- Из анализа методов экспериментального определения спектроскопических характеристик колебательно вращательных переходов молекулы COj следует, что актуальной задачей является разработка методики определения спектроскопических параметров колебательных переходов S и Н, а для использования Не-Ые-лазера < 3 = 4.2183 мкм) в качестве зондирующего необходимо экспериментально исследовать температурную зависимость коэффициента поглощения при различных даолениях и составах газовых сред, содержащих COj . п

Констатируется, что для контроля за распределением мощности лазерного излучения по поперечному сечению необходим пространственно-временной анализатор на основе матричного преобразователя. Актуальной задачей является создание панорамного спектроанализатора лазерного излучения. В настоящее время данные о таких разработках в литературе отсутствуют.

В диссертации для диагностики активных сред предлагается использовать метод многочастотного лазерного зондирования. Зондирующий лазерный комплекс состоит из излучающего ■ блока и приемного блока (рис. 1). В состав излучающего блока входят три непрерывных частотностабилизированных С02-лазера ИЛГН-901. Лучи зондирующих лазеров совмещаются в пространстве на полупрозрачных пластинах. Не-Ке-лазер ( .Я = 0¿63 мкм) необходим для визуализации трассы лазерного комплекса при юстировке. Прием-, ный комплекс зондирующего лазерного излучения состоит из трех <ротоприемников ФСГ-22-ЗА1, снабженных диффузными зеркалами. Лучи зондирующих лазеров разводятся по фотоприемником дифракционной решеткой и зеркалом.

При использовании трех зондирующих лазероо, имеется принципиальная возможность.определить любые три параметра среды. Предполагается, что остальные параметры известны. По результатам восстановления температур С02 можно рассчитать колебательные температуры и Dj, вкладываемую энергию,.запасенную лазерную энергию, средний КПД резонатора, энергию лазерного импульса, КУ на любом переходе и ряд других йараметров.

Точность (а иногда и достоверность) восстановления неизвестных параметров в большой степени зависит от выбора линий зондирующих лазеров. При одновременном определении двух параметров высокая точность достигается, если использовать один переход, например R. Для восстановления трех немззестных параметров неравновесных газовых сред необходимо использовать результаты измерения КУШ) как минимум на двух различных колебательных переходах (R, Hs R, S или Н, S). Необходимо отметить, что применение, в качестве третьего зондирующего лазера He-Ne-пазера < Л » 4.2183 мкм).излучение которого поглощается линиями перехода £0011 - 00001, позволяет снизить погрешность , восстановления концентрации.

Аля измерения КУ линий перехода Н или S молекулы предлагается использовать лазеры, излучающие на регулярном переходе изотопозамещенных молекул. В табл.. 1 приведен ряд линий изотопозамещенных молекул, линии излучения которых взаимодействуют с линиями переходов Н или S, и вклад в усиление которых перехода R минимален. Использование изотопозамещенных молекул позволяет свести к минимуму размеры лазерного, зонди-

I —"плоское зеркало: £ - сферическое зеркало; \ - дифракционная решетка; Ц - полупрозрачная пластина; J - фильтр:0- ФП ФСГ-22-ЗА1

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

1 - блок питания прибора ЛГ-74; 2 - блок автоподстройки частоты и моинссти излучении прибора ЛГ-74; 3 - разрядная трубка ГЛ-501; 4 - зеркало уголкового отражателя; 5 — пьезокорректор; 6 -фотоприемник ФСГ-22-ЗА1; 7 - сферическое зеркало; 8 - излучающий блок (частотностабнлизиропамнне лазеры ИЛГН--901 с линиями генерации 1R PI.6 ( 1R Р30 ( < Си'0г>. 2R R18

t'^C^O^)); 9 - спй(трометр ИКС-21; 10 - реле-прерыватель: 11 -разрядная камера TEA усилителя: 12 - приемный блок зондируишего . лазерного излучения

рующего комплекса, так кок габариты лазеров, Работэюяих на переходе И иного пеньке габаритов лазеров. работающих на переходах Н или Б.

Псзмудения плотности газа или наличие з рабочей среде систеи посторонних веществ способны стать причиной искажения регистрируемых КУ. Информация о неселективных потерях лазерного излучения необходима для коррекции результатов измерений коэффициентов усиления, а также при расчете лазерных характеристик. Не<?елективные сптяческие потери могут быть определены по результатам исследования прохождения излучения лазеров нз изотопозамещеиних молекулах С02 через активные среды. Ряд линий изотопозамесенных молекул. неперекрывающихся с пиниями природного С02 , приведены в табл. 2.

Метод определения параметров лазерных переходов молекулы ^С'^Ог основан на измерении распределения КУ в активной среде Т£А 12С<502-усилителя излучения непрерывных чостотностэбилизиро-ванных перестраиваемых лазеров, работающих на переходе Я молекул ,2С,с02. 1ЛС<60г. <2С,302 и 02. Базовой является методика трехчастотного лазерного восстановления Т, Т|2, Т3 .

По измеренным значениям КУ линий колебательно-вращательных переходов (КВП) зондирующих лазеров ' Р16. ; 1И Р30 молекулы 12С и одном из КВП, приведенных-в табл. 2. рассчитываются

Т. Т№ , Г3. Далее рассчитываются средние значения и среднеквад-. ратичные отклонения Т, > Тд» по которым определяются зна-

чения Используя новые значения рассчитываются

Т, Т^ , Т3 и т.д. Итерационный процесс считается .законченный, когда для температур выполняются условия сходимости. В качестве исходных брались значения 1Я ^ I из литературных источников. Критерием достоверности методики приняты

получение величины параметра Ц?^'! для наиболее изученного перехода И, совпадающей с имеющимися литературными данными;

совпадение в пределах погрешностей расчетных й экспериментальных значений КУ излучения зондирупиих лазеров, работающих на КВП молекул 12С^02. 4}С1£02. <2С'1в01, 15С,а0г,

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. В качестве зондирующего использовался дополнительный частотнос-табилизированный перестраиваемый лазер, собранный на основе газоразрядной трубки ГЛ-501. Спектр - генерации э^ого лазера-

_ -Г - 10" - •■'■ ..• '■' •

Тзбпица 1

Параметры линяй излучения зондирующих лЗзеров и ппрам'Этры регистрируемых линий

1 Излучаю- 1 1 щая моле-1 КВП из- 1 лучзющей 1 КПП 12С46 0г нп котором регист— 1 А СО, !

1 кула 1 молекулы 1 руется КУ 1 см 1

1 1 1Г* Р4 1 1Н Р20 1 0.032

1 1 1Я Р16 1 . 1Н Р31 1 0.030

1 15С<6 02 I 1Я Я16 1 15 Р37 1 С".025

I I 1Я Н2В 1 III ГШ 1 0.036

I I ?к ГМ0 1 15 Р21 1 0.072

1 1 2П И28 ! УЯ Р27 1 0.004

1 1 . 1Д Р24 1 1Н Р20 1 0.074

1 «С1УОг 1 1Я П16 1 . 1Н К16 1 0.032

1 1 2П Я18 1 2Б Р25 I 0.008

1 1 1И Р2б 1 1Н Я27 1 0.023

1 ■ 1 Ш ШВ I 1Б К29 0.053

1 1 1И Я16 1 1Б Н.27 0.013

1 1 Я14 1 15 1*25 0.031

1 12.С^О2 I 1й 1*12 1 1Б Й23 0.072

21* Р30 1 2Н Р13 0. 057

2Я ' Р32 1 2Н Р15 0.002

I I 2К И4 1 2Н И21 0. 022

2К. Я6 1 2Н Н23 0.034

Таблица 2

Линии изотспозпмещенных молекул, неперекрываюцпеся с линиями молекулы

1 Излучаыиэя 1 .Переход 1 Линия

I молекула 1 1

1 1 00011-10032 (21?) 1 Р34. -Р1Ё, Р22. . Р30 1

1 1 00011-10002 (2Я) 1 Р1б. ■Р20. Р24. . Р28 1

I 12 с 12 0- 1 00011-10002 С 2Р.') 1 Я18. .ЯМ0

контролировался спектрометром ИКС-21.

Значения матричных элементов дипольных моментов: Г. переход Я: 1К( I = (3. 79 .£ 0.06) 10"г О.

1Кг I = (3.38 г 0.05) 10"2 О; ' ' -

переход Н: . ( = (3.42 10.25), 10"2 О, '

|Я2 I = (3.06 i 0.22) 10'г Р; переход Б! I = (5.32 * 0.12) 10"г О.

I г (4.71 г 0.10) 10** о. Выполнение условий, сформулированных выше, свидетельствует о достоверности проведенных исследований. ' .

Расчет КП излучения Не-Ие-лазера как простой сумки лорен-цевских линий невозможен, вследствие значительного отклонения реальных профилей линий от лоренцевского контура в области крыльев. Поэтому в данной работе найдена эмпирическая зависимость КП. Гелий-неоновый лазер с длиной волны излучения Я = 4.2183 мкм собран на базе серийного прибора ЛГ-79. Внутрь ; резонатора введена кювета, содержащая метан, для подавления паразитной генерации. С целью стабилизации средней мощности излучения лазера проводилось сканирование выходного зеркала резонатора пьезокорректором и генератором синусоидальных колебаний. '

Измерения проводились по поглодению излучения в измерительных прогреваемых кюветах. Вакуумная.система позволяла напускать газовые смеси в кюветы. Диапазон изменения тенператур — 300...400 К, давления - 0...0.12 атм. Экспериментальные ре-

зультаты аппроксимировались зависимостью

ВоРгГсо.

оС ='

с, т

г.5

, ГУ ¿С)с(СОг-м)

(И0.0<<),

(1)

N

где В0 = 1.285 10<о СК1'5/атмг/мЗ, X. = ехр (-ЗЗ80/Т3). Хк = ехр (-521/Т), Х5 = ехр (-35/Т). Оу - колебательная статистическая сумма, «0с(С02-N2 >/4(^(^2-002) - 0.в0; Л^(С0г-Ве)/йС^(С0г-С02) = 0.51 -относительные коэффициенты столкновктельного уаирения С04.

Выбор вида зависимости связан с тем, что максимальный вклад в КП вносит линия Г530 перехода 00011 - 00001. Полученная зависимость при комнатной температуре совпадает с литературными данными.

В настоящей работе разработан панорамный спектроанализатор на основе новой оптической схемы. Характерными временами рс-гистрг-ции спектров от и 10"' с.

Целью разработки является поиск конструктивных элементов, позволяющих значительно увеличить предварительно полученную угловую дисперсию лазерного излучения, что даст возможность сократить габариты прибора и использовать d качестве ргегистри-рующих датчиков отдельные пироэлекгрикч, терморезисторм или другие фотоприемники.

Для повышения угловой дисперсии предлагается поместить между, дифракционной решеткой и экраном собирающую линзу и выпуклое цилиндрическое зеркало. Различные частотные составляющие спектра фокусируются на различные точки ципиндрической поверхности и отражаются под разными углами. При этом те направления, которые ближе к касательной цилиндрической поверхности, будут иметь больший угол отражения, чем те, которые ближе к нормали. Вследствие этого угловая дисперсия спектральных компонент возрастает более, чем в 10 раз (рис. 2, 3).

Для контроля за распределением мощности лазерного излучения по поперечному сечению разработан пространственно-временной анализатор на оснопе матричного преобразователя. Преобразователь состоит из ста (10 х 10) пленочных пирочувствигельных элементов поперечного типа.

Информация со всех измерительных систем может вводится о ЭВИ.

На примере TEA СОд-системы исследованы с использованием разработанной аппаратуры и методик характеристики дейтерийсо-держацих активных сред. Основными блоками установки являются разрядная камера, система электрического питания, система подготовки газовой смеси (рис. 4).

Напряжение нэ разрядный промежуток прикладывается после запуска тиратрона. При зтом начинают заряжаться импульсные конденсаторы через искровые каналы, образующиеся в разрядниках. Под действием УФ—излучения искр п основном разрядном промежутке нарабатываются свободные электроны, что приводит к быстрому изменению импеданса основного разрядного промежутка, и в этот момент загорается основной разряд.

На рис. 5 представлены формы импульсов генерации для дейте-

Рис. 2. Схема панорамного спе/.троанализатора лазерного излучения: .! — н-збор приеиникоо излучения; 2 - цилиндрическое 3'?р.<оло: 3 -коллимируклли'? днатрагм'..'; 4 - фокусирующая линл;л 5 — дифрокцион-' МУЯ решетка - - -

■/о.о ю.1ю.г Ю.1 юл ю.5 щ мл м.& ы.э 2,мм

Рис. 3. УгПтовыа расстояния между соседними линиям генерации С02-«эзьра при различных параметрах панорамного спектроаналиэатора: ------- ¿Ж ~~ угол между линиями после отражения от дифракционной решетки; -- - - угол между диниями после отражения

от цилиндрического зеркала (Р. - радиус перкали); V * -50°: 1. и = .1.1? см. 5 = '-'83; 4. = 2.5 .см, -- 62V

2. К = 1.5 см. ^ ' 60"; 5. И = 3.0 сн. ¡Г = 64«;

3. К = 2.0 сн, ¡Г" 61"

Рис. 4. Схема TEA СО?-системы:

1- Экран ралрчдного контура; 2 - Епок зарядки; 3 - Елок отпуска тиратрона; 4 - Разрядная i'a¡-u?pa (объем разрядного промргугиа -СО. 128 i 0.307) л. длинз - i471± 1) мм): Ь - Бпок компрессоров (5 шт.); б - Система откачки и напуска газов; 7 - Датчики давления;

L - дроссель; Яз^ - 1С? мОм - зарядное сопротигленпе; !\32- Ю кОи - зарядное coripoTMßntiHHp; P¡. (i=t...ll) - искрогшо разрядники Уф-предыонизаиии; Cn¿ = 0.3 нф (i=l...ll) - конденсаторы системы предионизздии; Rp;. = 10 кСМ (Í-.1. . .11) — разрядные сопротивления; Сн = 50 нФ - накопите пьи:-1]1 конденсатор; Ra - 50 Ом -сопротивление делителя напряжения; Т - тиратрон; V - вольтметр

Рис. 5. Характерные формы импульса генерации TEA лазера при

энергии накопительного конденсатора, поступающей в основной разряд, Ер=(164± В). Дж/атм/л.

Состав смеси: СОо: ГЬ : СЬ = 0.2 5 0.25 : 0.50 (.О;

СО? : Nz: Не = 0.25 : '0.2S : 0.50 (2);

С02: D2 . = 0..25 : 0.75 (3). " - 15 -

рий- и гелийсодержащих рабочих сред. Генерация Не-СО^-лазера получена не была. Особенностью импульса генерации Бг-СО^'-ла-зера является отсутствие "хвоста", характерного для импульсов ^-СО^-лазеров. Колебательная энергия не успевает перейти к асимметричной моде СО^ и КУ уменьшается ниже порогоаого значения. ' . ; - . ' '

Зависимости полного КПД лазера и величины вкладываемой энергии Ев от концентрации С02 *Усаг приведены, на рис. 6. Установлено, что наличие оптимальной концентрации углекислого газа обусловлено конкуренцией следующих основных процессов, происходящих при увеличении ^сог. ! Увеличением доли активных молекул; возрастанием Ев и, следовательно, энергии. • поступающей в асимметричные колебания С02 и колебания объединенной моды: уменьшением доли энергии, передаваемой в среднем единичной молекуле С02, что приводит к уменьшении колебательной тепперату-. ры Т3: уменьшением эффективности дезактивации нижнего лазерного уровня.

Как для Не-, так и для О^-содержащи:: активных сред оптимальные концентрации N¡1 и СО2, составляют: = 0.25, 0.25. Наличие оптимального энерговклада (рис. 7) обусловлено насыщением колебательной температуры Т^г'Т и Т^ изменяются при этом по линейному закону. В дейтерийсодержащих активных "средах реализуются большие значения Т^ и меньшие Т. Т12 . что определяет— ся в первую очередь больвгей Эффективностью разряда.

С увеличением анерговклада однородность выходного излучения в ближней зоне по поперечному сечению увеличивается и достигает максимума (достигает минимума среднеквадратичное отклонение от среднего значения интенсивности по 100 точкам ¿1/7) при вкладываемых энергиях Ев =160...180 Дж/ати/л. Это связано с тем, что при увеличении напряжения зарядки конденсатора основного разряда, увеличивается энергия, идущая на. предыонизацию. При дальнейшем росте Ер однородность уменьшается вследствие появления одиночных стримерных каналов (рис. 7). Генерация реализуется на переходе 1И Р20 длч всех рассматриваемых типов активных сред.

1.% к

3

г 1

—ь--. <>

1 . -»-о.

EBt Дх/агф

МО

^га

400 30

0.40

0.20

0.30

ОАО

Тсо,

ПРИ энергии ноко-осноыной разряд,

Рис. б. Зависимости от концентрации СОг пительного конденсатора, поступающей в Ер = (164 1 8) Лж/атм/л:

вкладываемой энергии Ев в смесях ^ -СО,? (1), Не-С02 (2); полного измеренного К'ПД ТЕЛ позера, смесь Вг~ СОл полного КПД ТЕА лазчрз. рассчитанного по методу лазерного зондировани/1, Оо - СОт (4). Не-СОд (5)

Аж/атм/л

Рис. 7. Зависимости от энергии накопительного конденсатора, поступающей в основной разряд. Ер при конзентгаамях fc0, = 0.25; = 0.25:

полного измеренного КПД TEA пазерз 1 при Tj),? = '0.5 fJ),Ti;e = 0.5 С2);

относительного отклонения modihccth генерации по поперечному

сечении луча

¿1/1

при . Ун? = 0.5 (3),

V

352

- 0.

(-1 '

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана и экспериментально реализована методика многочастотного лазерного зондирования неравновесных газооых сред, содержащих СО2. Показана работоспособность метода. Создан зондирующий лазерный комплекс особенностями которого являются:

полное пространственное совмещение лучей зондирующих лазе -ров с последующей селективной регистрацией интенсивности излучения, что позволяет проводить диагностику в режиме реального времени и уменьшить погрешности измерений;

применение, лазеров, генерирующих на линиях переходов изото-позамсг..-»нных молекул СО2. Такая конфигурация позволила значительно сократить массогабаритные характеристики зондирующего комплекса;

для работы комплекса не требуется спектрометр:

учет перекрытия линий зондирующих лазеров с линиями исследуемой среды;

использование констант теоретических зависимостей КУ, по- . лученных в настоящей работе. что обеспечивает достоверность Результатов экспериментов.

2. Разработана методика и определены спектроскопических параметров основных лазерных переходов.

3. Создан экспериментальный стенд и неелс-дооана температурная зависимость коэффициента поглощения излучения Не-Не-лазе-ра С Я = 4.2103 мкм) и газовых средах, содержащих СОг.

4. Проведены расчеты новой оптической схемы панорамного спектроанализатора, основанной на принципе умножения предварительно полученной углэвой дисперсии исследуемого излучения. Собран действующий спектроанализатор, способный регистрировать одновременно до 40 линий генерации СО^-лазера..

5. Разработан пространственно-временной анализатор лазерного излучения на основе матричного преобразователя.

6. Исследовано в лияние дейтерил ' н.' характеристики безазотных и азотсодержащих активных сред. Показано, что с дейтерий-содержащие активные среды удается вложить большую энергии. Добавление дейтерия в рабочею среду позволяет увеличить удельные лазерные характеристики, что в -большей степени связано с

- 1В -

увеличением эффективности разряда, скорости дезактивации нижнего лазерного уровня, увеличением теплоемкости рабочей смеси и в меньшей степени связано с нерезонансным колебательным об-неном D2-CC>2. КПД TEA D2.-C02-лазера превосходит КПД TEA Не-COj-лазера в 3...4 раза ( Xci>2~ 0,25). D^-CO^ -лазер генерирует короткие импульсы шириной на полувысоте 35...50 не.

7. Для дейтерий содержащих активных сред реализуется лучшая однородность выходного излучения. Генерация происходит на переходе IR Р20 для всех рассматриваемых типов активных сред.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Алексеев К.П., Глазенков В.М., Горшунов Н.М., Нещименко Ю.П., Тимошенко A.B., Шиканов A.A. Аппаратура и методика многочастотного лазерного зондирования газовых сред п области длин волн 4.218. 5.405, 9.1 - 11.1 ним. - В сб.: Тезисы докладов II семинара "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве". Волгоград, 1989, с. 36 -37.

2. Алексеев К.П., Бирюлин В.П., Глазенков В.М., Горшунов Н.М., Нещименко Р.П., Толоконников В.А., Тимоменко А.В, Шиканов A.A. Диагностика лазерных СО^-систем. - В сб.: "Неравновесная газодинамика: диагностика и моделирование". / Под. ред. Фомина H.A., Ачасова О.В. - Мн. : ИТНО АН БССР, 1991, с. 25 -34.

3. Алексеев К.П.. Ануфриев Э.В., Горшунов Н. М. , Нещименко Ю.П., Тимошенко A.B., Шиканов A.A., Щербо А.Б. Анализатор спектра COj-naaepoB. - В сб.: Тезисы докладов II Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров". Хорьков, НПО "Метрология", 1990, с. 55 - 66.

4. Алексеев К.П., Горшуноз Н.М., Нещименко Ю.П., Тимошенко A.B., Шиканов A.A. Диагностика активных сред С02-лазеров. - В сб.: Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров". Л.: ГСП, 1990. с.91.

5. Алексеев К.П.. Глазенков В.М., Горшунов Н.М., Михаилов A.A., Нецименко Ю.П., Тимошенко A.B., Шиканов A.A. Аппаратура и методика многочастотного лазерного зондирования неравновесных газовых сред, содержащих С02. - М.: Препринт НИ4И 042-89. 1989, 16 с.