Газодинамический лазер – газовый лазер, в котором инверсия населённостей создаётся в системе колебательных уровней энергии молекул газа путём адиабатического охлаждения нагретых газовых масс, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Газодинамический лазер состоит из нагревателя, сверхзвукового сопла (или набора сопел, образующих сопловую решётку), оптического резонатора и диффузора. В нагревателе происходит тепловое возбуждение специально подобранной смеси газов (в результате сгорания топлива или подогрева с помощью электрических разрядов или ударных волн). При течении газа в сверхзвуковом сопле смесь быстро охлаждается. Необходимая для возбуждения генерации инверсия населённостей энергетических уровней рабочего компонента смеси достигается, если: скорость опустошения (релаксации) нижнего уровня лазерного перехода в процессе расширения выше скорости релаксации верхнего уровня; время опустошения верхнего уровня больше характерного так называемого газодинамического времени (время движения газа до резонатора). Если для определённой пары энергетических уровней эти условия выполнены, то из-за сильной зависимость времён релаксации от температуры и плотности газа, начиная с некоторого момента от начала расширения, быстрое падение населённости вверх уровня сменяется медленным, тогда как населённость нижнего продолжает уменьшаться с заметной скоростью. Часть избыточной энергии верхнего уровня может быть трансформирована в резонаторе в энергию лазерного луча. Диффузор служит для торможения потока и повышения давления газа, который выбрасывается в атмосферу.

Требованиям, накладываемым на активную среду, наиболее полно отвечают колебательные состояния молекул, обладающие большими временами жизни (по сравнению с электронными и вращательными уровнями). Процессы колебательной релаксации позволяют осуществить: полную инверсию колебательных уровней и так называемую частичную колебательно-вращательную инверсию. В соответствии с этим «рабочими частицами» газодинамического лазера служат как многоатомные, так и двухатомные гетероядерные молекулы, имеющие, в отличии от гомоядерных молекул, разнорешённые колебательно-вращательные переходы.

Первым и наиболее распространённым является газодинамический лазер на полной колебательной инверсии между уровнями 0001 и 1000 (или 0200) молекулы СО₂. Соответствующие длины волн генерации λ=10,4 – 9,4 мкм. Уровень 0001 соответствует ассиметричным колебаниям молекулы СО₂, уровни 1000 и 0200 – колебаниям деформационного и симметрического типов. Однако в чистом СО₂ необходимое соотношение времён релаксации этих уровней не выполнено. Это соотношение сдвигается в нужную сторону при добавлении определённого количества молекул Н₂, Н₂О, атомов Не и других. Их столкновения с молекулами СО₂ опустошают нижние лазерные уровни (1000 и 0200) значительно быстрее, чем уровень 0001. Увеличение запаса колебательной энергии в охлаждённом газе достигается также введением в газовую смесь в форкамере донорного газа, молекулы которого релаксируют медленно и способны быстро передавать запасённую в них энергию на уровни, соответствующие ассиметричным колебаниям молекулы СО₂ Роль донорного газа обычно выполняют возбуждённые молекулы N₂, колебательные уровни которых близки к уровням молекулы СО₂.

 

 

Газодинамический С0₂-лазер заслуживает особого внимания, поскольку инверсия населенностей в нем создается не электрическим разрядом, а за счет быстрого расширения газовой смеси (содержащей СО₂), предварительно нагретой до высокой температуры. Инверсия населенностей возникает в потоке в области расширения.

Согласно опубликованным данным, от газодинамических СО₂-лазеров можно получить выходную мощность до 80 кВт, причем химический КПД составляет 1 %. Непрерывный режим работы такого лазера был получен лишь в течение короткого времени (несколько секунд), что связано с сильным нагревом отдельных элементов (например, зеркал) лазерным пучком. Вследствие трудностей, возникающих при работе со сверхзвуковым истечением, промышленные применения для газодинамических лазеров пока не найдены.

Принцип действия газодинамического лазера можно кратко описать следующим образом. Предположим, что вначале газовая смесь находится при высокой температуре (например, Т =1400 К) и высоком давлении (например, р = 17 атм) в соответствующем резервуаре. Поскольку газ первоначально находится в термодинамическом равновесии, у молекулы СO₂ будет большой населенность уровня 00°1 (порядка 10% населенности основного состояния; рис.1). Разумеется, по сравнению с этой населенность нижнего уровня является более высокой (~25%), и, следовательно, инверсия населенностей отсутствует. Предположим теперь, что газовая смесь истекает через какие-то сопла (рис. 2). Поскольку расширение является адиабатическим, температура поступательного движения смеси становится очень низкой. За счет УТ-релаксации населенности как верхнего, так и нижнего лазерных уровней будут стремиться к новым равновесным значениям. Однако, поскольку время жизни верхнего уровня больше времени жизни нижнего, релаксация нижнего уровня произойдет на более ранней стадии процесса расширения (рис. 1). Таким образом, ниже по потоку от зоны расширения будет существовать достаточно широкая область с инверсией населенностей. Протяженность этой области приближенно определяется временем, необходимым для передачи возбуждения от молекулы N₂ молекуле СO₂, При этом оба лазерных зеркала выбирают прямоугольной формы и их располагают так, как показано на рис. 2. Такой способ создания инверсии населенностей будет эффективным лишь в том случае, когда в процессе расширения температура и давление смеси понижаются за время, которое 1) мало по сравнению с временем жизни верхнего лазерного уровня и 2) велико по сравнению с временем жизни нижнего лазерного уровня. Чтобы удовлетворить этим условиям, расширение должно проходить со сверхзвуковыми скоростями (число Маха ~4). В заключение следует заметить, что начальную высокую температуру газовой смеси получают за счет сгорания специально подобранного топлива (например, сгорания СО и O₂ или бензола С₆Н₆ с закисью азота (N₂O), при этом автоматически образуется смесь СО₂/Н₂О в отношении 2:1).