Mavzu: kimyoviy lazerlarning ishlash prinsipi reja kirish lazerlarning foydalanish prinsipi va turlari

Ko'p bosqichli va ko'p kanalli tizimlar

Yuqori quvvatli impulsli lazerlarni yaratishda sezilarli muvaffaqiyat neodimiy shisha kabi muvaffaqiyatli materialdan foydalanish bilan bog'liq. Bu erda shisha tuzilishiga kiritilgan neodimiy ionlari Nd (lantanidlardan biri, davriy tizimning 60-elementi) emitent bo'lib xizmat qiladi, ularning bir necha foizi shisha ichiga kiritiladi. Nasos ta'sirida neodimiy ionlari yuqori energiya darajalaridan biriga o'tadi va keyin ularning o'zlari ma'lum bir metastabil darajaga tushadilar, bu erda ular nisbatan uzoq vaqt, taxminan 300 mks qolishlari mumkin. Bu metastabil darajada juda ko'p miqdordagi ionlarni to'plash va keyin qisqa pulsda ularning energiyasini "ta'kidlash" imkonini beradi. Radiatsiya 1,06 mikron = 1060 nm = 10,600 Å to'lqin uzunligida sodir bo'ladi, ya'ni infraqizil diapazonda ko'rinadigan nurlanishning eng uzun to'lqin uzunligi taxminan 750 nm (7500Å) to'lqin uzunligi bo'lgan qizil yorug'likdir.
Neodimiy novda yaxshi nasos bilan 0,5 J / sm3 energiya zichligini olish mumkin, ya'ni har bir kub santimetrda juda ko'p miqdorda hayajonlangan neodimiy ionlarida tarqalgan 0,5 J to'planishi mumkin. Bu erda o'rtacha quvvatni oshirishning oddiy usuli borga o'xshaydi - siz faqat ishlaydigan ionlar sonini ko'paytirishingiz kerak, ya'ni ishchi suyuqlik hajmini oshirishingiz kerak, keyin unda to'plangan umumiy energiya ortadi. Aynan shunday qilishadi, lekin ular faqat lazer nurlanishini yaratish va uning kosmosdagi kuchini oshirish jarayonini ajratib turadilar - o'rnatishlar ko'p bosqichli, ko'p kaskadli amalga oshiriladi.
Birinchi bosqich lazer generatorining o'zi bo'lib, unda yorug'lik impulsi hosil bo'ladi. Bu yuqori quvvatni talab qilmaydi - generator qisqa pulsni berishi kerak va quvvatning oshishi keyingi kaskadlarda, lazer kuchaytirgichlarida sodir bo'ladi. Kuchaytirgich uchun lazer generatorining yorug'lik zarbasi ham harakat uchun signal, ham kuchliroq yorug'lik impulsini yaratish uchun shablondir. Neodimiy ionlari tomonidan yorug'lik chiqishi o'z-o'zidan emas, balki lazer generatoridan keladigan yorug'lik impulsi ta'sirida sodir bo'ladi. Kuchaytirgich, printsipial jihatdan, generator bilan bir xil tarzda joylashtirilgan, ammo uning rezonatori yo'q, ya'ni nometall yo'q.
Neodimiy lazerdan yuqori o'rtacha quvvatni ololmaysiz - shisha yaxshi o'tkazmaydi va issiqlik chiqaradi. Impulsli quvvatga kelsak, u chiziqli bo'lmagan jarayonlar bilan cheklanadi, masalan, o'z-o'zini yo'naltirish, bu kuchli yorug'lik maydonida shishani yo'q qilishga olib keladi. Neodimiy novda unda to'planishi mumkin bo'lgan barcha quvvatni berishi uchun bu novda orqali 6 J / sm2 yorug'lik energiyasi oqimi o'tishi kerak. Ammo, afsuski, neodimiy shisha uchun bunday energiya yuki qabul qilinishi mumkin emas - hatto 1-2 J / sm1 oqim ham optik elementlarning shikastlanishiga olib keladi. Va quvvati 5 GVt / sm2 bo'lgan oqim, impuls davomiyligi 0,1 ns bo'lgan, atigi 0,5 J / sm2 energiya oqimi bilan birga bo'lib, rezonatorda nurning o'z-o'zidan yo'naltirilishiga olib keladi - bu tufayli optik xususiyatlarning notekis o'zgarishi, shisha nurlarni egadi, to'lqin old qismini buzadi, nurlanishni shunday darajada to'playdiki, uning o'zi yo'q qilinadi. Energiya oqimini uning ruxsat etilgan zichligidan oshmasdan oshirish uchun, ya'ni novda qismining har bir kvadrat santimetriga to'g'ri keladigan joullarning bardosh berish mumkin bo'lgan sonidan oshmasdan, ular bu qismni iloji boricha kattaroq qilishga harakat qilishadi. Shunday qilib, lazer-kuchaytirgichning neodimiy tayog'i diskka aylanadi, u ma'lum bir burchak ostida joylashtiriladi va nasos diskning tekisliklari orqali amalga oshiriladi.
Oddiy disk kuchaytirgichi radiatsiya quvvatini 3-4 marta oshiradi va butun kuchaytiruvchi tizimning eng yuqori chiqish quvvati oxirgi diskning o'lchamlari bilan belgilanadi - uning diametri odatda 30 sm dan oshmaydi va maksimal chiqish energiyasi 0,1 ns impuls davomiyligi bilan 1-2 kJ ni tashkil qiladi. Diskning diametrining oshishi va u bilan birga radiatsiya quvvati ham bir nechta murakkab jarayonlar, xususan, o'z-o'zidan parazit hosil bo'lishi bilan chegaralanadi.
Ko'pgina qiyinchiliklar ko'p bosqichli kuchaytirgichlar bilan ham bog'liq va shuning uchun juda yuqori quvvatga intilish nafaqat ko'p bosqichli, balki ko'p kanalli lazer tizimlari ham yaratiladi. Ularda umumiy generatordan birlamchi impuls oladigan bir nechta ko'p bosqichli kuchaytirgichlar parallel ravishda ishlaydi, so'ngra optik qurilmalar - nometall, prizmalar, linzalar yordamida bu parallel kanallarning barchasi o'z nurlanishini umumiy nishonga qo'shadi. Bunday ko'p kanalli ob'ektga misol sifatida Fanlar akademiyasining P. N. Lebedev nomidagi Fizika institutida akademik N. G. Basov laboratoriyasida yaratilgan Delfindir. Delfinda har biri 50 J bo'lgan 216 ta parallel ko'p bosqichli kuchaytiruvchi kanallar mavjud, lazer nurlanishining umumiy energiyasi taxminan 10 kJ ni tashkil qiladi, bu 1 pulsning davomiyligi bilan 10 milliard kVt impuls kuchini bermaydi, ya'ni 10 TW (teravatt).
Yuqori quvvatli lazerlarning ishchi suyuqligi uchun yana bir modda, ehtimol bugungi kunda eng muvaffaqiyatli bo'lgan - bu karbonat angidrid, aniqrog'i, uning azot va geliy bilan aralashmasi. Karbonat angidrid yoki boshqa so'z bilan aytganda, CO2 lazerlarida asosiy emitent CO2 molekulasi bo'lib, to'qnashuvlarda u N2 azot molekulasidan energiya oladi va u nasos jarayonida osonlik bilan energiya oladi. Karbonat angidrid lazerining muhim afzalliklaridan biri uning ko'p qirraliligi bo'lib, bu erda energiyani saqlash va nurlanish jarayonlarining o'ziga xos xususiyatlari impulsli, takroriy impulsli va uzluksiz rejimlarda ishlashga imkon beradi. Barcha holatlarda CO2 lazeri taxminan 10600 nm to'lqin uzunligida infraqizil nurlarni hosil qiladi, bu qizil yorug'likka mos keladigan to'lqin uzunligidan taxminan 15 baravar uzunroqdir.
Karbonat angidrid lazerida nasosning asosiy manbai elektr tokidir, xususan, gazning o'zida porlash razryadi, bunda N2 molekulalari harakatlanuvchi elektronlardan energiya oladi.
Radiatsiya va nasosning nozik molekulyar mexanizmlari bilan bog'liq sof jismoniy muammolardan tashqari, yuqori quvvatli lazerlarni yaratuvchilar ham murakkab muhandislik muammolariga duch kelishadi. Ulardan biri rezonatordagi faol moddaning haroratining pasayishi hisoblanadi. Xususan, CO2 lazerlari nisbatan yuqori samaradorlikka ega, taxminan 10%, lekin bu holatda ham, chiqarilgan o'rtacha quvvatning har bir kilovatti uchun gazda asosan issiqlik shaklida ajralib chiqadigan 9 kilovatt quvvat yo'qoladi. Va gaz aralashmasining kuchli isishi daromadni pasaytiradi, gazning optik bir hilligini buzadi va nihoyat, oddiygina halokatni keltirib chiqaradi - u faol moddaning molekulalarini parchalaydi, gaz joylashgan kyuvetani yo'q qiladi.
Quvvat cheklovlaridan biri gaz aralashmasining infraqizil nurlanishning o'zi tomonidan parchalanishi bo'lib, u rezonatorda 10 J / sm2 lazer oqimi zichligida sodir bo'ladi. Ammo haqiqiy ruxsat etilgan zichlik chegarasi bundan ham pastroq. 3 J / sm2 oqimlarda allaqachon infraqizil optika elementlari shikastlangan va undan ham pastroq energiyalarda radiatsiya kogerentligini buzadigan murakkab hodisalar yuzaga keladi. Birinchi karbonat angidrid lazerlarida uzunlamasına razryad ishlatilgan - gaz quvuri bo'ylab yuqori kuchlanish ta'sir ko'rsatdi va quvurlar uzunligini oshirish orqali quvvat oshirildi, juda uzun, ko'p metrli rezonatorlar yaratildi. Natijada, bir kilovatt uzluksiz nurlanish tartibida quvvat olish mumkin bo'ldi, birinchi kuchli kilovattli CO2 lazerlaridan biri P. N. Lebedev nomidagi Fizika institutida akademik A. M. Proxorov laboratoriyasida qurilgan. Eslash yaxshi
Lazer nurlanish quvvati miqyosida sezilarli o'sish gazni tez haydash g'oyasi bilan bog'liq. Bu so'z "nasoslash" so'ziga mos keladi, lekin u bilan hech qanday aloqasi yo'q - karbonat angidrid pompalanadi, rezonator orqali haydaladi va shu bilan gazning intensiv aylanishini yaratadi, bu esa issiqlik almashtirgichlarda keyingi sovishini ta'minlaydi. Nasos rezonator bo'ylab emas, balki bo'ylab amalga oshiriladi va elektr zaryadi ham bo'ylama emas, balki ko'ndalang shaklda hosil bo'ladi. Gaz lazerlarini pompalash bo'yicha qiziqarli yo'nalish akademik N. G. Basov laboratoriyasining ishi tomonidan topilgan. 25 atmosferagacha bosim ostida zich gazning bir xil qo'zg'alishini olish uchun unga tez elektronlar nuri tashqi tomondan ta'sir qiladi. Shunday qilib, o'z-o'zidan oqmaydigan lazerlar oilasi paydo bo'ldi. Zamonaviy yuqori quvvatli CW CO2 lazeriga misol LT-1 o'rnatilishi, I. V. Kurchatov nomidagi Atom energiyasi institutida akademik E. P. Velixov laboratoriyasida yaratilgan. U CO2: N2 aralashmasining ko'ndalang aylanishini amalga oshiradi: He, bu komponentlar 1:20:20 nisbatda kiritilgan. Issiqlik almashtirgichdan har soniyada 2-3 kubometr gaz o'tadi, undan 50 kVt issiqlik quvvati olinadi. Dastlabki tadqiqotlar nisbatan kam quvvatli tashqi gazni ionlash manbasidan foydalanishga va uning bosimini oshirmasdan, 5 kilovatt quvvatga ega uzluksiz lazer nurlanishini yaratishga imkon berdi.
Uzluksiz kogerent nurlanishning eng kuchli manbalari qatoriga gaz-dinamik lazerlar kiradi. Ushbu qurilmalarning kvant elektronikasida o'xshashi yo'q, ularda kogerent nurlanish to'g'ridan-to'g'ri issiqlik energiyasidan tug'iladi. Gaz-dinamik lazerning bir versiyasida azot, karbonat angidrid va suv bug'ining N2: CO2: H2O yuqori isitiladigan aralashmasi yuqori bosim ostida kengayadigan nozulga kiradi. Chiqishda gaz oqimi supersonik tezlikka etadi, uning harorati va bosimi keskin pasayadi. Bunda molekulalarning xaotik harakati energiyasi gaz oqimining tartiblangan harakati energiyasiga aylanadi. Faqatgina o'zlarining tebranish harakatlarining katta inertsiyasiga ega bo'lgan azot N2 molekulalari sezilarli energiya zahiralarining saqlovchisi bo'lib chiqadi. Bu zahiralar CO2 molekulalariga katta samaradorlik bilan uzatiladi, bu esa, ikkita ko'zgu orasidagi bo'shliqqa kirib, ya'ni optik rezonatorga kirib, ular CO2 uchun odatiy to'lqin uzunligi - 10600 nm bo'lgan infraqizil nurlanish hosil qiladi. Energiyasini lazer nuriga topshirgan gaz aralashmasi rezonatorning o'zini tark etadi va uning o'rniga gazning boshqa qismlari keladi va shu bilan gaz iste'moli yuqori bo'lsa-da, qizib ketish muammosi yo'q. KVt quvvati 100 kVt gacha bo'lgan gaz-dinamik lazerlar yaratilgan va adabiyotlarda tavsiflangan, ularning samaradorligi 1-2%, gaz sarfi 10-20 kJ uchun 1 kg, nurlanish energiyasi. Fotonik mashinaning g'oyasi muhokama qilinadi, unda gaz-dinamik lazer tomonidan chiqarilgan gaz kompressorga kiradi va undan yana kengaytirish nozulining boshiga qaytadi. Ko'pgina laboratoriyalarda kimyoviy-gazdinamik va elektrogazdinamik lazerlar ishlab chiqilmoqda.
Gaz lazerini haydashning qiziqarli usuli akademik E. P. Velixov laboratoriyasida va Amerikaning ikkita laboratoriyasida ko'rsatildi - karbonat angidrid lazerini to'g'ridan-to'g'ri yadroviy reaktordan neytronlar bilan haydash. Shu bilan birga, gaz aralashmasining bir qismi bo'lgan geliy neytron bombardimoni ta'sirida protonni chiqarib yuborib, tritiyga aylandi va bu gaz aralashmasi molekulalarini pompalagan proton energiyasi edi. Lazer nurlanishini yaratish uchun yadro energiyasidan to'g'ridan-to'g'ri reaktorga nurlantiruvchi elementlarni kiritishgacha foydalanishning boshqa imkoniyatlari ko'rib chiqilmoqda. Bunday holda, to'g'ridan-to'g'ri, vositachilarsiz, yadro energiyasini yuqori quvvatli kogerent yorug'lik nurlanishiga aylantirish amalga oshiriladigan yopiq reaktor-lazer tizimini yaratish mumkin bo'ladi. Bunday lazer reaktori kelajakdagi energetika sanoatining muhim elementiga aylanishi mumkin. Xususan, kosmik orbitada ishlagan holda u energiyani kuchli lazer nuri shaklida Yerga uzata olgan.
XULOSA
Lazer bugungi fanning eng kuchli vositalaridan biridir. Uni qo'llashning barcha sohalarini sanab o'tishning iloji yo'q, chunki har kuni lazer uchun yangi vazifalar topiladi.
Ushbu maqolada biz lazerlarning asosiy turlarini va ularning ishlash printsipini ko'rib chiqdik. Qo'llashning asosiy yo'nalishlari ham qamrab olindi, xususan: sanoat, tibbiyot, axborot texnologiyalari, fan.
Xususiyatlari tufayli lazer bilan bunday turli xil vazifalarni bajarish mumkin. Kogerentlik, monoxromatiklik, yuqori energiya zichligi murakkab texnologik operatsiyalarni hal qilish imkonini beradi.
Lazer - bu bizning hayotimizga allaqachon mustahkam kirib borgan kelajak vositasi.