Газодинамический лазер

Газодинамический лазер входит в семейство газовых лазеров. В 1964 году Кумаром Пателем был создан газоразрядный лазер, работавший на переходах между колебательными уровнями энергии молекулы углекислого газа ${\displaystyle {{\ce {CO2}}}}$. В 1968 году сотрудники Физического института им. П. Н. Лебедева А. М. Прохоров и В. К. Конюхов запустили газодинамический лазер на ${\displaystyle {{\ce {CO2}}}}$, в котором происходила генерация электромагнитного излучения на длине волны ${\displaystyle 10,6\;{\text{мкм}}}$ в результате непосредственного преобразования тепловой энергии в энергию излучения^[2].

Рабочей смесью газодинамических лазеров могут выступать трёхатомные газы, например, ${\displaystyle {{\ce {N2O}}}}$, ${\displaystyle {{\ce {COS}}}}$, ${\displaystyle {{\ce {CS2}}}}$, или двухатомные, такие как ${\displaystyle {{\ce {CO}}}}$, ${\displaystyle {{\ce {HCl}}}}$ и некоторые другие.

Принцип действия газодинамического лазера состоит в том, что температурные зависимости времён релаксации разных энергетических уровней молекул газа различны, что при резком (адиабатическом) расширении (охлаждении) приводит к возникновению инверсной населённости некоторой части таких энергетических уровней. Колебательные уровни молекул газа обладают бо́льшими временами жизни по сравнению с другими уровнями, такими как вращательные или электронные, что позволяет добиться инверсии населённости и использовать это для генерации электромагнитного излучения^[3].

В качестве рабочей среды в газодинамическом лазере обычно используются смеси газов, в образце А. М. Прохорова и В. К. Конюхова это были ${\displaystyle {\ce {8\;\%\;CO2}}}$ (основной газ) и ${\displaystyle {\ce {92\;\%\;N2}}}$ (вспомогательный газ). Смесь нагревалась до температуры ${\displaystyle 1400\;{\text{К}}}$ при давлении ${\displaystyle 17\;{\text{бар}}(1\;700\;000\;{\text{Па}})}$. В этих условиях населённости основного уровня молекулы ${\displaystyle {{\ce {CO2}}}}$ равна примерно ${\displaystyle 10\;\%}$, нижнего — ${\displaystyle 25\;\%}$. После достижения всех этих параметров смесь газов пропускалась через группу параллельно расположенных сопел Лаваля^[4], в результате чего температура смеси резко уменьшалась до ${\displaystyle 350\;{\text{К}}}$, а давление — до ${\displaystyle 0,1\;{\text{бар}}\;(10\;000\;{\text{Па}})}$.

Поскольку время жизни на верхнем уровне значительно превышает время жизни на нижнем уровне, в газовой смеси возникает инверсия населённости на некотором расстоянии от сопла Лаваля. Часть избыточной энергии верхних уровней в резонаторе газодинамического лазера преобразуется в энергию электромагнитного излучения. Таким образом, происходит переход тепловой энергии непосредственно в энергию электромагнитного излучения. При работе в непрерывном режиме мощность подобного газодинамического лазера достигает величины порядка ${\displaystyle 100\;{\text{Вт}}}$. Газодинамический лазер, в котором используется смесь углекислого газа и азота, генерирует электромагнитное излучение с длиной волны ${\displaystyle \lambda =10,4\div 9,4\;{\text{мкм}}}$. Вспомогательный газ вводят для того, чтобы замедлить релаксацию на верхнем уровне молекул основного газа и обеспечить большее накопление энергии колебаний молекул основного газа на верхних уровнях.

Коэффициенты полезного действия газодинамических лазеров невелики (менее ${\displaystyle 2\div 3\;\%}$) при удельных энергиях излучения порядка ${\displaystyle 50\div 100\;{\Biggl [}{\frac {\text{Дж}}{\text{кг}}}{\Biggl ]}}$ и коэффициентах усиления менее ${\displaystyle 3\div 5\;{\Biggl [}{\frac {1}{{\text{м}}^{-1}}}{\Biggl ]}}$.