автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Исследование оптических неоднородностей турбулентного неравновесного газового потока

На правах рукописи

Гришаев Роман Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ТУРБУЛЕНТНОГО НЕРАВНОВЕСНОГО ГАЗОВОГО ПОТОКА

05.27.03 — квантовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Шатура-2006

Работа выполнена в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН (ИПЛИТ РАН)

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН Панченко Владислав Яковлевич (ИПЛИТ РАН)

Официальные оппоненты:

кандидат физико-математических наук Завалов Юрий Николаевич (ИПЛИТ РАН)

доктор технических наук, профессор Васильцов Виктор Владимирович (ИПЛИТ РАН)

кандидат физико-математических наук Митин Константин Владимирович (ГНЦ ГУП «НПО Астрофизика»)

Ведущая организация:

ГНЦ РФ ТРИНИТИ, г. Троицк

Защита состоится «6» июля 2006 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета К 002.126.01 по специальности 05.27.03 — квантовая электроника в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН по адресу 140700, г. Шатура, ул. Святоозерская 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПЛИТ РАН

Автореферат разослан «5» июня 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета / , »---

доктор технических наук, профессор ОшЛ^/ЦФ^ Л.А.Новицкий

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интерес к исследованию прохождения когерентного излучения через турбулентную неравновесную среду определяется, прежде всего, стремлением к повышению качества выходного излучения мощных прокачных газовых лазеров. Оптические неоднородности активной среды таких лазеров, являющиеся источниками аберраций волнового фронта генерируемого излучения, можно разделить на крупномасштабные пространственные неоднородности показателя преломления и мелкомасштабные (по сравнению с поперечным размером лазерного пучка) оптические неоднородности, вызванные, в том числе, турбулентными флуктуация ми плотности газа, которые носят случайный характер.

Несмотря на большое количество публикаций, посвященных исследованию мелкомасштабных оптических неоднородностей, ряд вопросов остается слабоизученным, как теоретически, так и экспериментально. В частности, недостаточно исследовано влияние разряда и лазерной генерации на структуру турбулентности активной среды, и эффект, который это влияние оказывает на оптическое качество среды. Здесь, в свою очередь, значительный интерес для исследования представляет эффект усиления амплитуд турбулентных флуктуаций плотности и рефракции в термодинамически неравновесных средах (активная среда газового лазера с быстрой прокачкой смеси, ионосфера). Эти эффекты особенно сильно проявляются в активной среде мощных прокачных газовых лазеров, определяя предельное качество их выходного излучения. Мелкомасштабные оптические неоднородности такой среды усиливаются в результате неоднородной диссипации энергии разряда в тепло, и вносят дополнительные искажения в волновой фронт проходящего такую среду лазерного излучения, что может быть использовано, например, для лабораторного моделирования прохождения когерентных лазерных пучков по протяженным атмосферным трассам на установках с контролируемыми параметрами турбулентности активной среды.

Таким образом, проблема актуальна также для изучения эффективности передачи узконаправленных информационных или энергетических потоков посредством лазерных пучков в атмосфере и, в частности, в ионосфере.

Цель работы заключается в исследовании мелкомасштабных оптических неоднородностей термодинамически неравновесной турбулентной активной среды технологического газоразрядного СОг-лазера с быстрой аксиальной прокачкой газа (БАПГ). Методом люминесцентной диагностики были проведены измерения турбулентных пульсаций плотности активной среды БАПГ С02- лазера с накачкой продольным тлеющим разрядом постоянного тока и БАПГ С02- лазера с накачкой поперечным ВЧ разрядом. Также теоретически исследовался эффект усиления мелкомасштабных оптических неоднородностей в БАПГ С02- лазере.

Научная новизна. В результате исследования на устойчивость двухтемпературной системы кинетических уравнений, описывающих газоразрядный БАПГ С02- лазер, выведена формула расчета пороговой величины удельной объемной мощности разряда (по превышении которой в потоке активной среды происходит развитие мелкомасштабных оптических неоднородностей), с учетом зависимости скорости УТ релаксации с верхнего лазерного уровня от температуры рабочей смеси и доли мощности разряда, идущей на прямой нагрев рабочей смеси. Показано существенное влияние этих факторов на расчетную величину пороговой удельной объемной мощности разряда.

На примере турбулентной среды БАПГ СО2- лазеров среднего давления изучено влияние электрического разряда и интенсивности генерируемого лазерного излучения на пульсации плотности в потоке низкотемпературного ионизованного газа, и на степень когерентности пучка, проходящего через такого рода среду. Для различных величин энерговкладов в присутствии и отсутствии излучения экспериментально получены спектры продольных пульсаций плотности активных сред БАПГ С02- лазеров с накачкой продольным тлеющим разрядом постоянного тока и накачкой поперечным ВЧ разрядом. В тех случаях, когда продольные пульсации плотности имели колмогоровский характер, сделаны оценки структурной характеристики показателя преломления Сп2 активной среды.

Положения, выносимые на защиту:

1. Теоретически показано, что наличие зависимости скорости УТ релаксации с верхнего лазерного уровня от температуры рабочей смеси существенно снижает пороговое значение

плотности мощности энерговклада для развития мелкомасштабных неоднородностей активной среды газоразрядного БАПГ СОг- лазера.

2. Структурная характеристика показателя преломления С„2 активной среды БАПГ С02- лазера с накачкой продольным тлеющим разрядом постоянного тока перестает быть постоянной при превышении пороговой величины удельной объемной мощности разряда и начинает расти с ростом энерговклада. Также показано, что в отсутствие лазерной генерации величина С„2 имеет меньшее значение, чем при наличии лазерной генерации.

3. В БАПГ СОг-лазере способы накачки активной среды (продольным тлеющим разрядом постоянного тока, поперечным ВЧ разрядом) различным образом изменяют спектр турбулентных пульсаций плотности газа. Структура турбулентных пульсаций плотности активной среды БАПГ СОг- лазера с поперечной ВЧ накачкой имеет неколмогоровский характер.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается корректностью постановки задач; тщательностью проработки методики проведения экспериментов; удовлетворительным соответствием результатов расчета с экспериментальными данными.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть применены для оценки влияния различных физических факторов, таких, как: величина энерговклада в разряд, давление смеси, степень турбулизации потока и ряда других, на турбулентные флуктуации рефракции активной среды и, соответственно, на качество выходного излучения БАПГ С02-лазеров, что особенно актуально для лазеров мультикиловаттного уровня мощности.

Апробация работы. Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на семинарах ИПЛИТ РАН; Международной конференции "Лазерные и лазерно-информационные технологии" (2226 июня 2001, Суздаль); International Quantum Electronics Conference 2002 (22-27 июня 2002, Москва); XIV International Symposium on Gas

Flow and Chemical Lasers & High-Power Laser Conference (24 - 31 августа 2002, Вроцлав, Польша); VII International Conference "Laser and Laser-Information Technologies: Fundamental Problems and Applications" (27 сентября - 1 октября 2003, Пловдив, Болгария); XV International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High-Power Laser Conference (30 августа - 3 сентября 2004, Прага, Чехия); V межвузовской школе молодых специалистов "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине" (15-16 ноября 2004, Москва, МГУ); International Quantum Electronics Conference 2005 (10-15 мая 2005, Санкт-Петербург); VIII Китайско-Российском симпозиуме "Новые материалы и технологии" (31 октября -7 ноября 2005 года, г. Гуан-Чжоу, Китай); конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики" (2528 февраля 2006, Москва, ФИАН).

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 87 страницах. Состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 19 рисунков, 3 таблицы. Список использованной литературы -81 наименование.

II. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность выполненных исследований, сформулированы задачи работы и защищаемые положения, показана их научная новизна.

Первая глава носит обзорный характер. В ней кратко изложены результаты теоретических и экспериментальных работ по исследованию мелкомасштабных оптических неоднородностей мощных прокачных С02 - лазеров. Рассматриваются процессы возникновения и развития таких неоднородностей, их влияние на качество выходного излучения.

Вторая глава. На основе уравнений кинетики и теплового баланса для активной среды БАПГ С02-лазера в условиях лазерной генерации исследуется явление нарастания пульсаций плотности в потоке газа вследствие развития тепловой неустойчивости, которая ведет к нарастанию турбулентных пульсаций плотности смеси и является причиной ухудшения оптических свойств активной среды лазера. В частности, учитывается непосредственный нагрев смеси

разрядом, и зависимость скоростного коэффициента безизлучательной УТ релаксации с ассиметричной моды С02 от температуры смеси. Выводится выражение для расчета порогового значения удельной объемной мощности разряда, по превышении которого происходит усиление пульсаций плотности активной среды: г

а!.

V с рТ

1 +

И1.

{Гс+Гп)т2К > I а2)

(Гс+Г„)г2

Г, Л

,1+тг+2т

л та . V _ 8

V с„рТ 1

М

с„рТ

УД

{Гс+Уп)Т2

Ус

'^♦М.о^лг,

1+-

V — 4

I

"3 •'¡У \\/с 2

где е} - число колебательных квантов на объединенном верхнем лазерном уровне; \Р = ]'Е- удельная объемная мощность разряда; ср- удельная теплоемкость смеси при постоянном давлении; р - плотность газа; а - коэффициент усиления излучения; 1 - интенсивность излучения; - интенсивность насыщения;

V - частота излучения; V,, и3 - частоты симметричной и антисимметричной мод; V - скорость течения смеси; куТ -скорость безизлучательной столкновительной релаксации с С02 (001) на С02 (010+100); - молярная доля С02 в смеси, уп - Ы2; т] -доля мощности накачки, идущая на возбуждение верхнего лазерного уровня; X) • температуропроводность газа; О, - коэффициент турбулентной диффузии;а -радиус газоразрядной трубки (ГРТ); I - длина ГРТ; Т0 - температура смеси на входе в ГРТ; Т - средняя по сечению ГРТ температура газа; г2 - характерное время столкновительной безизлучательной УТ релаксации с ассиметричной

моды С02;

^ (^КЛ ^т {. ех&т )Р

■ интенсивность насыщения;

V. дтТ )р

Выражение рассчитывает пороговое значение

плотности мощности энерговклада для развития неустойчивости для точки активной среды, находящейся в середине зоны разряда на оси ГРТ.

Для расчета параметров активной среды: а, , Т, т2, входящих в выражение для пороговой плотности мощности энерговклада, составлена программа, в которой система кинетических уравнений БАГГГ С02 - лазера с заданными начальными условиями численно решалась методом Рунге-Кутта четвертого порядка с переменным шагом.

Третья глава. В данной главе приводятся результаты исследования пространственной неоднородности турбулентного потока молекулярного газа возбужденного самостоятельным разрядом постоянного тока, полученные методом регистрации люминесцентного свечения активной среды БАПГ С02 -лазера (см. Рис. 1). Определялось распределение амплитуд относительных продольных пульсаций плотности газа от пространственного масштаба пульсаций. Полученные зависимости представлены для нескольких значений плотности мощности энерговклада в разряд, как в режиме генерации лазерного излучения, так и в его отсутствии, для чего ставилась диафрагма, подавляющая генерацию (Рис. 2).

В режиме непрерывной накачки превышение порогового значения плотности мощности энерговклада приводило к контракции разряда, однако переход к импульсной накачке позволил наблюдать явление усиления оптических неоднородностей в активной среде С02 — лазера с быстрой аксиальной прокачкой. Пороговое значение плотности мощности энерговклада, при котором в режиме непрерывной генерации происходила контракция, было »12 Вт/см3 с излучением, а без излучения »13 Вт/см3. Расчет показал, что заметное развитие ионизационно-перегревной неустойчивости начинается при наличии и при отсутствии излучения с величины плотности мощности энерговклада »25 Вт/см3. Расхождение экспериментальных и расчетных данных может быть объяснено тем, что в расчетах полагалось равномерное заполнение объема ГРТ разрядом, тогда как в С02 -лазере с продольным потоку смеси разрядом положительный столб разряда имеет тенденцию стягиваться к оси ГРТ, что означает больший энерговклад на оси.

Рис. 1 Схема экспериментальной установки по регистрации люминесцентного сигнала. 1- разрядная трубка СОг-лазера, 2- анод, 3-катод, 4- турбулизатор, 5- локальное свечение плазмы разряда, 6-линза, 7- фотодиод, 8- система сбора и обработки данных (усилитель сигнала + АЦП + персональный компьютер)

о 22\М/стЗ д19\ЛЛ/стЗ о 15.5\ЛМстЗ

1.2 1

0.8

§ 0.6 п>

5. 0.4

&

t 0.2 о

0

-----------------

й--

.2

22ШстЗ

* 19У№сггО

♦ 15.5 У\Л/стЗ » 12 \ЛЛ/стЗ

4 6 дгона, см

8

10

Рис. 2 Зависимость относительных пульсаций плотности газа от пространственного масштаба турбулентных флуктуаций для различных значений плотности мощности энерговклада (слева - без лазерной генерации, справа — в условиях лазерной генерации).

Проведенные исследования показали, что в неравновесных условиях газового разряда и лазерной генерации в турбулентном потоке активной среды БАПГ С02 -лазера с накачкой продольным разрядом постоянного тока при превышении порогового значения плотности мощности энерговклада происходит возрастание амплитуд флуктуаций плотности, и соответствующее увеличение структурной характеристики показателя преломления Сп2 до значений порядка

5х10"15 см_2/3 (см. Рис. 3), что соответствует набегу фазы лазерного излучения на апертуре выходного зеркала резонатора: А<р = 0.02 рад.

И/, Вт/см3

Рис. 3 Зависимость Сп2 от энерговклада в разряд в присутствии и в отсутствии лазерного излучения.

Результаты диагностики активной среды люминесцентным методом показали, что наличие лазерной генерации приводит к увеличению амплитуд пульсаций плотности среды при тех же значениях энерговклада. Это находится в согласии с тем фактом, что рассчитанные характерные времена развития неустойчивости для энерговкладов превышающих порог развития ионизационно-перегревной неустойчивости имеют меньшую величину в отсутствии лазерного излучения, что означает меньший рост амплитуды пульсаций.

Характер спектрального распределения пульсаций позволяет говорить о применимости модели турбулентности Колмогорова-Обухова в данном случае.

Четвертая глава. В этой главе описывается эксперименты по регистрации люминесцентного свечения плазмы в ГРТ БАПГ СОг-лазера с ВЧ накачкой. Накачка активной среды производится высокочастотным емкостным разрядом поперечным потоку рабочей смеси в ГРТ.

С ростом энерговклада турбулентные пульсации плотности газа возрастают. Воздействие разряда невелико на входе газового потока в разрядную зону ГРТ и максимально проявляет себя ближе к выходу потока газа из разряда: вниз по потоку нарастают амплитуды пульсации плотности среды (Рис. 4).

§ х

5

0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0

1

у/

0 0.5 1 1.5 длина, см

г

0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0

( \

\

V __а

/

Л

0.5 1 1.5 2 длина, см

Рис. 4 Спектры относительных пульсаций плотности газа для разных точек наблюдения (слева — в начале зоны разряда, справа - в конце). (1) - 100%, (2) - 85%, (3) - 71% от номинального энерговклада в разряд (30 Вт/см3).

Спектр пульсаций плотности газа не может быть принят колмогоровским, по причине подавления турбулентных пульсаций с пространственными масштабами выше границы вязкостного и инерционного интервалов.

Расчет порогового значения плотности мощности энерговклада №* дает 31.5 Вт/см3 при отсутствии излучения, и 29.5 Вт/см3 при интенсивности излучения ] = 700 Вт/см3. Судя по поведению полученных спектров, порог развития ионизационно-перегревной

неустойчивости лежит ниже диапазона, в котором проводились эксперименты (21-30 Вт/см3).

Заключение.

1. Методом люминесцентной диагностики плазмы разряда в ГРТ БАПГ С02-лазера с продольной накачкой тлеющим разрядом постоянного тока, получены пространственные спектры турбулентных пульсаций плотности в потоке активной среды в зависимости от различных величин плотности мощности энерговклада в разряд, в присутствии и отсутствии лазерной генерации. Зависимость величины пульсаций плотности активной среды от их пространственного масштаба хорошо описывается законом Колмогорова-Обухова для однородной изотропной турбулентности. Показано, что в неравновесных условиях газового разряда и лазерной генерации в турбулентном потоке активной среды при превышении порогового значения плотности мощности энерговклада происходит возрастание амплитуд флуктуаций плотности и соответствующее увеличение (в 2 - 8 раз) структурной характеристики показателя преломления среды Сп2 до значений порядка 5х10~'5 см_2Л.

2. Теоретически исследовано влияние газового разряда и процесса лазерной генерации на турбулентные мелкомасштабные пульсации плотности в потоке активной среды БАПГ СОг-лазера. Выведена формула расчета порогового значения плотности мощности энерговклада в разряд, выше которого неоднородности плотности в потоке активной смеси БАПГ С02-лазера начинают возрастать. Показано, что наличие лазерного излучения понижает расчетный порог. Расчет порогового значения плотности мощности энерговклада в разряд дает удовлетворительное согласие с данными эксперимента.

3. Методом люминесцентной диагностики плазмы разряда в ГРТ БАПГ СОг-лазера с поперечной ВЧ накачкой получены спектры турбулентных пульсаций плотности в потоке активной среды для различных величин плотности мощности энерговклада. Показано, что с ростом плотности мощности энерговклада происходит рост пульсаций плотности активной среды. Установлено, что вдоль по потоку активной среды пульсаций плотности активной среды возрастают. Структура турбулентных пульсаций плотности активной среды лазера носит явно неколмогоровский характер.

4. Отличие в характере поведения спектров турбулентных пульсаций активных сред БАПГ С02-лазеров с поперечной ВЧ накачкой и продольной накачкой разрядом постоянного тока

объяснено влиянием направления электрического поля разряда к потоку рабочей смеси.

Публикации по теме диссертации:

1. Галушкин М.Г., Голубев B.C., Ю.Н. Завалов, ИонинА.А., Котков А.А., Короленко П.В., Панченко В .Я., Дубров В.Д., Буяров С.А., Гришаев Р.В. Структура турбулентности активной среды быстропроточного С02 -лазера // Квантовая электроника, т.ЗЗ, №8, стр. 671-676,2003.

2. Panchenko V.Ya., Zavalov Yu.N., Galushkin M.G., Grishaev R.V., Golubev V.S., Dubrov V.D. The Development of Turbulence in the Active Medium of a Fast-Flow Gas-Discharge Laser // Laser Physics, vol. 16, №1, 2006.

3. Галушкин М.Г., Голубев B.C., Ю.Н. Завалов, Ионин А.А., Котков А.А., Короленко П.В., Панченко В.Я., Дубров В.Д., Буяров С.А., Гришаев Р.В. Исследование мелкомасштабных неоднородностей активной среды прокачных С02-лазеров (часть 1): Современные лазерно-информационные и лазерные технологии. Сборник трудов ИПЛИТ РАН / Под ред. Панченко В.Я., Голубева B.C. - М.: Интерконтакт Наука, с.275-281,2005.

4. Панченко В .Я., Буяров С.А. , Галушкин М.Г. , Голубев B.C., Гришаев Р.В., Дубров В.Д., Завалов Ю.Н. Исследование мелкомасштабных неоднородностей активной среды прокачных С02-лазеров (часть 2): Современные лазерно-информационные и лазерные технологии. Сборник трудов ИПЛИТ РАН / Под ред. Панченко В.Я., Голубева B.C. - М.: Интерконтакт Наука, с. 282- 290,2005.

5. Panchenko V.Ya., Grishaev R.V., Zavalov Yu.N., Dubrov V.D., Dubrovina E.A., et.al. The investigation of quality of FAF RF C02 laser active medium by luminescent method // Proc. SPIE vol. 5958,2005.

6. Galushkin M.G., Golubev V.S., Zavalov Yu.N., Dubrov V.D., et.al. Turbulent flow structure of FAF C02 laser active medium at nonuniform temperature and heat generation // Proc. SPIE vol. 5777, p. 469-478,2005.

7. Buyarov S.A., Dubrov V.D., Golubev V.S., Zavalov Yu.N., Grishayev R.V., Ionin A.A., Kotkov A.A., Panchenko V.Ya., Galushkin M.G. Diagnostics of turbulent flow parameters of active mixture in fast axial flow C02 laser // Proc. SPIE, vol. 4644, p. 176-182, 2001.

8. Galushkin M.G., Golubev V.S., Panchenko V.Ya., Zavalov Yu.N., Grishayev R.V. The Estimation of Cn2 of Nonequilibrium Turbulent Gas

Flow in C02- laser on Data of Luminescence Diagnostics. Proc. SPIE, v.4184, p.406-409,2001.

9. Галушкин М.Г., Голубев B.C., Гришаев P.B., Дубров В.Д., Завалов Ю.Н. Исследование люминесцентным методом оптического качества активной среды С02 -лазера с ВЧ накачкой: Труды VI межвузовской научной школы молодых специалистов "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине" / Под ред Ишханова Б.С, Новикова Л.С. - М.: УНЦ ДО, стр. 123-127,2005.

10. Галушкин М.Г., Голубев B.C., Гришаев Р.В., Дубров В.Д., Завалов Ю.Н. Усиление оптических неоднородностей в активной среде С02 -лазеров с быстрой аксиальной прокачкой: Труды V межвузовской научной школы молодых специалистов "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине" / Под ред Ишханова Б.С, Новикова Л.С. - М.: УНЦ ДО, стр. 43-48,2004.

11. Galuskin M.G., Golubev V.S., Zavalov Yu.N., Dubrov V.D., Buyarov S.A., Grishayev R.V., Panchenko V.Ya. The diagnostic of turbulent flow parameters of active medium mixture in fast-axial flow C02 laser. // VII Международная конференция "Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и приложения": Программа и аннотации докладов. 22-26 июня 2001, Владимир-Суздаль / Под ред. ВЛ.Панченко, В.С.Голубева. - ИПЛИТ РАН, Шатура - ВлГУ, Владимир, 2001. стр.50.

12. M.G.Galuskin, V.S.Golubev, V.Ya.Panchenko, Yu.N.Zavalov, V.D.Dubrov, S.A.Buyarov, R.V.Grishayev The properties of fast-axial turbulent flow of lasermixture with light-induced heat releasing. // Тезисы докладов XVII Международ, конференции по когерентной и нелинейной оптике "ICONO 2001", Минск 26 июня - 1 июля 2001, стр.232.

13. Гришаев Р.В., Завалов Ю.Н. Результаты люминесцентной диагностики активной среды мощного С02 -лазера с ВЧ накачкой // Тезисы докладов конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики", М.: ФИАН, с. 63-64,2006.

Подписано в печать 1.06.2006 Формат 60x88 1/16. Объем 1 п.л. Тираж 50экз. Заказ № 522 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119992 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. 102

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОПТИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО АКТИВНОЙ СРЕДЫ МОЩНЫХ

С02-ЛАЗЕР0В (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ УСИЛЕНИЯ МЕЛКОМАСШТАБНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ПЛОТНОСТИ ГАЗА В АКТИВНОЙ СРЕДЕ БАПГ С02 -ЛАЗЕРА.

2.1. Введение.

2.2. Постановка задачи.

2.3. Исследование уравнений кинетики и теплового баланса для С02-лазера с быстрой аксиальной прокачкой на устойчивость

2.4. Расчет порогового значения плотности мощности энерговклада.

2.5. Анализ формулы для расчета пороговой величины плотности мощности энерговклада.

2.6. Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ ПЛОТНОСТИ В ПОТОКЕ АКТИВНОЙ СРЕДЫ БАПГ С02 ЛАЗЕРА (НАКАЧКА ПРОДОЛЬНЫМ РАЗРЯДОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА).

3.1. Введение.

3.2. Описание экспериментальной установки.

3.3. Результаты обработки экспериментальных данных.

3.4. Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ ПЛОТНОСТИ В ПОТОКЕ АКТИВНОЙ СРЕДЫ БАПГ С02 ЛАЗЕРА (НАКАЧКА ПОПЕРЕЧНЫМ ВЧ РАЗРЯДОМ).

4.1. Введение.

4.2. Описание экспериментальной установки.

4.3. Результаты обработки экспериментальных данных.

4.4. Выводы к главе 4.

Интерес к исследованию прохождения когерентного излучения через турбулентную неравновесную среду определяется, прежде всего, стремлением к повышению качества выходного излучения мощных прокачных газовых лазеров. Оптические неоднородности активной среды таких лазеров, являющиеся источниками аберраций волнового фронта генерируемого излучения, можно разделить на крупномасштабные пространственные неоднородности показателя преломления и мелкомасштабные (по сравнению с поперечным размером лазерного пучка) оптические неоднородности, вызванные, в том числе, турбулентными флуктуациями плотности газа, которые носят случайный характер.

Несмотря на большое количество публикаций, посвященных исследованию мелкомасштабных оптических неоднородностей, ряд вопросов остается слабоизученным, как теоретически, так и экспериментально. В частности, недостаточно исследовано влияние разряда и лазерной генерации на структуру турбулентности активной среды, и эффект, который это влияние оказывает на оптическое качество среды. Здесь, в свою очередь, значительный интерес для исследования представляет эффект усиления амплитуд турбулентных флуктуаций плотности и рефракции в термодинамически неравновесных средах (активная среда газового лазера с быстрой прокачкой смеси, ионосфера). Эти эффекты особенно сильно проявляются в активной среде мощных прокачных газовых лазеров, определяя предельное качество их выходного излучения. Мелкомасштабные оптические неоднородности такой среды усиливаются в результате неоднородной диссипации энергии разряда в тепло, и вносят дополнительные искажения в волновой фронт проходящего такую среду лазерного излучения, что может быть использовано, например, для лабораторного моделирования прохождения когерентных лазерных пучков по протяженным атмосферным трассам на установках с контролируемыми параметрами турбулентности активной среды.

Таким образом, проблема актуальна также для изучения эффективности передачи узконаправленных информационных или энергетических потоков посредством лазерных пучков в атмосфере и, в частности, в ионосфере.

Цель данной работы заключается в исследовании мелкомасштабных оптических неоднородностей термодинамически неравновесной турбулентной активной среды технологического газоразрядного СОг- лазера с быстрой аксиальной прокачкой газа (БАПГ). Методом люминесцентной диагностики были проведены измерения турбулентных пульсаций плотности активной среды БАПГ С02- лазера с накачкой продольным тлеющим разрядом постоянного тока и БАПГ СО2- лазера с накачкой поперечным ВЧ разрядом. Также теоретически исследовался эффект усиления мелкомасштабных оптических неоднородностей в БАПГ СО2- лазере.

Новизна результатов. В результате исследования на устойчивость двухтемпературной системы кинетических уравнений, описывающих газоразрядный БАПГ С02- лазер, выведена формула расчета пороговой величины удельной объемной мощности разряда (по превышении которой в потоке активной среды происходит развитие мелкомасштабных оптических неоднородностей), с учетом зависимости скорости VT релаксации с верхнего лазерного уровня от температуры рабочей смеси и доли мощности разряда, идущей на прямой нагрев рабочей смеси. Показано существенное влияние этих факторов на расчетную величину пороговой удельной объемной мощности разряда.

На примере турбулентной среды БАПГ С02- лазеров среднего давления изучено влияние электрического разряда и интенсивности генерируемого лазерного излучения на пульсации плотности в потоке низкотемпературного ионизованного газа, и на степень когерентности пучка, проходящего через такого рода среду. Для различных величин энерговкладов в присутствии и отсутствии излучения экспериментально получены спектры продольных пульсаций плотности активных сред БАПГ СОг- лазеров с накачкой продольным тлеющим разрядом постоянного тока и накачкой поперечным ВЧ разрядом. В тех случаях, когда продольные пульсации плотности имели колмогоровский характер, сделаны оценки структурной характеристики показателя преломления Сп2 активной среды.

Защищаемые положения:

1. Теоретически показано, что наличие зависимости скорости VT релаксации с верхнего лазерного уровня от температуры рабочей смеси существенно снижает пороговое значение плотности мощности энерговклада для развития мелкомасштабных неоднородностей активной среды газоразрядного БАПГ СО2-лазера.

2. Структурная характеристика показателя преломления Сп2 активной среды БАПГ СОг- лазера с накачкой продольным тлеющим разрядом постоянного тока перестает быть постоянной при превышении пороговой величины удельной объемной мощности разряда и начинает расти с ростом энерговклада. Также показано, что в отсутствие лазерной генерации величина Сп2 имеет меньшее значение, чем при наличии лазерной генерации.

3. В БАПГ СОг-лазере способы накачки активной среды (продольным тлеющим разрядом постоянного тока, поперечным

ВЧ разрядом) различным образом изменяют спектр турбулентных пульсаций плотности газа. Структура турбулентных пульсаций плотности активной среды БАПГ СО2-лазера с поперечной ВЧ накачкой имеет неколмогоровский характер.

Практическая ценность работы

Полученные результаты могут быть применены для оценки влияния различных физических факторов, таких, как: величина энерговклада в разряд, давление смеси, степень турбулизации потока и ряда других, на турбулентные флуктуации рефракции активной среды и, соответственно, на качество выходного излучения БАПГ ССЬ-лазеров, что особенно актуально для лазеров мультикиловаттного уровня мощности.

Апробация работы

Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на семинарах ИПЛИТ РАН; Международной конференции "Лазерные и лазерно-информационные технологии" (22-26 июня 2001, Суздаль); International Quantum Electronics Conference 2002 (22-27 июня 2002, Москва); XIV International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High-Power Laser Conference (24 - 31 августа 2002, Вроцлав, Польша); VII International Conference "Laser and Laser-Information Technologies: Fundamental Problems and Applications" (27 сентября - 1 октября 2003, Пловдив, Болгария); XV International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High-Power Laser Conference (30 августа - 3 сентября 2004, Прага, Чехия); V межвузовской школе молодых специалистов "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине" (15-16 ноября

2004, Москва); International Quantum Electronics Conference 2005 (10-15 мая

2005, Санкт-Петербург); VIII Китайско-Российском симпозиуме "Новые материалы и технологии" (31 октября -7 ноября 2005 года, г. Гуан-Чжоу,

Китай); конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики" (25-28 февраля 2006, Москва, ФИАН).

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержание диссертации изложено на 87 страницах машинописного текста, иллюстрированного 20 рисунками и 3 таблицами. Список цитированной литературы включает 81 наименование.

4.4.Выводы к главе 4

На основе полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы.

С ростом энерговклада турбулентные пульсации плотности газа возрастают. Воздействие разряда невелико на входе газового потока в разрядную зону ГРТ и максимально проявляет себя ближе к выходу потока газа из разряда. Вниз по потоку нарастают амплитуды пульсации плотности среды.

Спектр пульсаций плотности газа не может быть принят колмогоровским, по причине подавления турбулентных пульсаций с пространственными масштабами выше границы вязкостного и инерционного интервалов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении следует отметить основные результаты, изложенные в диссертации.

1. Методом люминесцентной диагностики плазмы разряда в ГРТ БАПГ ССЬ-лазера с продольной накачкой тлеющим разрядом постоянного тока, получены пространственные спектры турбулентных пульсаций плотности в потоке активной среды в зависимости от различных величин плотности мощности энерговклада в разряд, в присутствии и отсутствии лазерной генерации. Зависимость величины пульсаций плотности активной среды от их пространственного масштаба хорошо описывается законом Колмогорова-Обухова для однородной изотропной турбулентности. Показано, что в неравновесных условиях газового разряда и лазерной генерации в турбулентном потоке активной среды при превышении порогового значения плотности мощности энерговклада происходит возрастание амплитуд флуктуаций плотности и соответствующее увеличение (в 2 - 8 раз) структурной характеристики показателя преломления среды С„2 до значений порядка 5х10"15см2/3.

2. Теоретически исследовано влияние газового разряда и процесса лазерной генерации на турбулентные мелкомасштабные пульсации плотности в потоке активной среды БАПГ СОг-лазера. Выведена формула расчета порогового значения плотности мощности энерговклада в разряд, выше которого неоднородности плотности в потоке активной смеси БАПГ СОг-лазера начинают возрастать. Показано, что наличие лазерного излучения понижает расчетный порог. Расчет порогового значения плотности мощности энерговклада в разряд дает удовлетворительное согласие с данными эксперимента.

3. Методом люминесцентной диагностики плазмы разряда в ГРТ БАПГ С02-лазера с поперечной ВЧ накачкой получены спектры турбулентных пульсаций плотности в потоке активной среды для различных величин плотности мощности энерговклада. Показано, что с ростом плотности мощности энерговклада происходит рост пульсаций плотности активной среды. Установлено, что вдоль по потоку активной среды пульсаций плотности активной среды возрастают. Структура турбулентных пульсаций плотности активной среды лазера носит явно неколмогоровский характер.

4. Отличие в характере поведения спектров турбулентных пульсаций активных сред БАПГ СОг-лазеров с поперечной ВЧ накачкой и продольной накачкой разрядом постоянного тока объяснено влиянием направления электрического поля разряда к потоку рабочей смеси.

1. Pfeiffer W., Bea M., Herdtle A., et.al. Minimized phase-distortion in industrial high-power C02 lasers // Proc. SP1., vol. 2502, p. 583-588, 1995.

2. Krasjukov A. G., Naumov V.G., Shachkin L.V., et.al. Investigation of physical processes in atmospheric pressure e-beam C02 lasers // Proc. SPIE, vol. 4165, p. 70-79, 2000.

3. Niehoff J., Jarosch U., Loosen P. Optimization of power incoupling and statistical phase distortions by flow-shaping of fast axial flow C02 lasers // Proc. SPIE, vol. 2502, p. 536-541, 1995.

4. Гембаржевский Г.В., Генералов H.A. О модели турбулентного течения ближнего следа в тлеющем разряде // ТВТ, т.42, №4, с. 501-505,2004.

5. Велихов Е.П., Голубев B.C., Пашкин B.C. Тлеющий разряд в потоке газа //УФН, т. 137, с.117, 1982.

6. Яценко Н.А. Интегральные характеристики электродных слоев в емкостном разряде среднего давления // ТВТ, т.20, №6, с. 1044, 1982.

7. Lotch H.K.V., Davis W.C. The lensing effect of C02 laser plasma // Appl. Opt. vol. 9, №12, 1970.

8. Moissl M., Paul R., Breining K., et.al. Thermal lensing effect in fast axial flow C02 lasers //Proc. SPIE, vol. 1397, pp.395-398,1991.

9. Акиртава Д.О., Голубев B.C., Галушкин М.Г., Забелин A.M., Панченко В.Я. Исследование качества излучения непрерывных быстропроточных С02-лазеров. // Сб. препринтов НИЦТЛ АН СССР.-Шатура, 1991.-с. 91-125.

10. Галушкин М.Г., Гаршев В.И., Голубев B.C. Исследование нелинейных свойств устойчивых резонаторов мощных технологических С02 лазеров // Известия АН СССР, Серия физическая, т.57, №12, с.75-82,1993.

11. Семенов В.Е., Федоров С.В., Юрьев М.С. Рефракция лазерного излучения на волнах самовоздействия в С02-лазерах // Квантовая электроника, т. 13, №3,1986.

12. Бердышев А.В., Напартович А.П. О влиянии самовоздействия на осевую яркость излучения импульсных С02-лазеров // Квантовая электроника, т. 14, №10, 1987.

13. Schwartz J., Lavie Y. Effects of turbulence in weakly ionized plasma column // AIAA Journal vol. 13, p.647,1975.

14. Du K., Loseen P. Influence of statistical phase distortions of laser medium on laser performance // Optics Communications, vol. 95, p.64, 1995.

15. Акишев Ю.С., Напартович А.П. Влияние газодинамической турбулентности на устойчивость разряда в потоке газа. // Физика плазмы, т.4, №4, с.1146-1149,1978.

16. Акишев Ю.С., Пашкин С.В., Трушкин Н. И. и др. Двумерные измерения турбулентного потока в поперечном тлеющем разряде // ТВТ, т.22, с.1218,1984.

17. Гембаржевский Г.В., Генералов Н.А., Косынкин В.Д. Явление аномальных изменений пульсаций скорости турбулентного газового потока при воздействии газового разряда. Письма в ЖТФ, т. 13, с.427, 1987.

18. Артемов В.И., Левитан Ю.С., Синкевич О.А. Неустойчивости и турбулентность в низкотемпературной плазме. М.: Издательство МЭИ, 1994.

19. Голубев B.C., Галушкин М.Г., Забелин A.M., Панченко В.Я. Сильная нелинейность в усиливающей среде и особенности ее проявления в технологических С02-лазерах // Известия АН СССР, Серия физическая, T.53.C.1136, 1989.

20. Garosi G.A., Bekefi G., Schulz M. The physics of fluids response of a weakly ionized plasma to turbulent gas flow // Phys. Fluids, vol. 13, №11, p.2795-2809,1970.

21. Nath A.K., Golubev V.S., Design considerations and scaling laws for high power convective cooled cw C02 lasers. // J.Phys.(India), vol.51, pp.463-479, 1998.

22. Maerten O., Herzinger G., Klein R., Loosen P. Laser medium/resonator field interaction of fast axial flow C02 lasers // Proc. SPIE, vol.801,1987.

23. Habich U., Loosen P., Hertzler C., Wollermann-Windgasse R. Industrial 30-kW C02 laser with fast axial gas flow and rf excitation // Proc. SPIE, vol.2702, p. 374-384, 1996.

24. Krasjukov A. G., Kosyrev F.K., Naumov V.G., et.al. Development of mobile laser technological complexes // Proc. SPIE, vol. 4165, p. 289-296,2000.

25. Krasjukov A. G., Naumov V.G., Shashkin L.V., et.al. Laser technology in atomic industry // Proc. SPIE, vol. 4165, p. 278-288, 2000.

26. Nanry K.,Sunago K.,Takedo Sh., Fujioka T. COIL for disasters and reverse-industries// Proc. SPIE, vol. 2773, p. 170-172, 1995.

27. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. 2-е изд. - М.: Наука, 1991.

28. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высокочастотный емкостной разряд: Физика. Техника эксперимента. Приложения. М: Наука, 1995.

29. Галушкин М.Г., Голубев B.C., Завалов Ю.Н., Завалова B.E., Панченко В.Я. Исследование турбулентных характеристик термодинамически неравновесного потока молекулярного газа // ТВТ, т.37, №5, с.676-684,1999.

30. Galushkin M.G., Golubev V.S., Zavalov Yu.N., Panchenko V.Ya. et.al. Investigation of nonuniformities of nonequilibrium turbulent gas flow in FAF C02 laser. // Proc. SPIE, vol. 3760, p. 104-113, 1999.

31. Galushkin M.G., Golubev V.S., Panchenko V.Ya. Influence of laser radiation on development of gas dencity small-scale ingradients and glow-discharge thermal instability // SPIE, vol.4165, p.32, 2000.

32. Голубев B.C., Галушкин М.Г., Забелин A.M., Панченко В.Я. Светоиндуцированные мелкомасштабные оптические неоднородности активной среды непрерывных С02-лазеров // Известия АН СССР, Серия физическая, т.56, с. 199,1992.

33. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // Докл. АН СССР, т.30, №4, с.299-303,1941.

34. Обухов A.M. Структура температурного поля в турбулентном потоке // Известия АН СССР, Серия географическая и геофизическая, т. 13, №1, с.58-69,1949.

35. Прохоров A.M., Бункин Ф.В., Гочелашвили К.С., Шишов В.И. Распространение лазерного излучения в случайно-неоднородных средах // УФН, т.114, №3, с.415-456,1974.

36. Selected Papers on Turbulence in a Refractive Medium: SPIE Milestones Series. Vol. MS25 / Ed. by Andreas E.L. USA: SPIE Optical Engineering Press, 1990.

37. Галушкин М.Г., Голубев B.C., Завалов Ю.Н и др. Оптические неоднородности активной среды мощных технологических СОг-лазе-ров с быстрой аксиальной прокачкой // Квантовая электроника, т.24, №3, 1997.

38. Велихов Е.П., Ковалев А.С., Рахимов А.Т. Физические явления в газоразрядной плазме // М.: Наука, 1987.

39. Напартович А.П., Старостин А.Н. Механизмы неустойчивости тлеющего разряда повышенного давления // Химия плазмы. М.: Атомиздат, 1979. -с. 153-208.

40. Галушкин М.Г., Голубев B.C., Завалов Ю.Н., Завалова В.Е., Панченко В.Я. Нелинейные оптические свойства турбулентного потока в активной среде С02 лазера // Известия АН, Серия Физическая, т. 63, №4, с.779-785,1999.

41. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: т.VII Гидродинамика. -М.: Наука, 1988.

42. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах: т.2. -М.: Мир, 1981.

43. Веденов А.А., Велихов Е.П., Сагдеев Р.З. Квазилинейная теория колебаний плазмы. // Ядерный синтез, прилож. 2, с.465 475, 1962.

44. Башкин А.С., Коротков П.И., Максимов Ю.П. и др. Исследование оптического качества активной среды мощных химических HF-лазеров методами интерферометрии бокового сдвига // Квантовая электроника, т.24, №9, с.786-790,1997.

45. Галушкин М.Г., Голубев B.C., Дубровин Н.Г., Завалов Ю.Н., Завалова В.Е., Панченко В.Я. Оптические неоднородности турбулентного потока в активной среде С02 лазера с быстрой аксиальной прокачкой // Известия академии наук, Серия физическая, т.63, №6,1999.

46. Ажаронок В.В., Антипов B.C., Скутов Д.К. Тлеющий разряд в поперечном потоке азота и его смесях с гелем и углекислым газом // ТВТ, т.29, №3, с.401-408,1991.

47. Loosen P., Wester R. Parameter limits of thermal instabilities in high-frequency CO2 laser discharges // Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 28, №5, p.849-855,1995.

48. Du K., Niehoff J., Stewen C., et.al. Measurements of statistical distortions of active medium // Proc. SPIE, vol. 2502, p.571-576, 1995.

49. Pfeiffer W., Schmitz C., Giesen A., Huegel H. Optimized homogeneity and stability of gas discharges in fast flow C02-laser systems operating at the choking limit // Proc. SPIE, vol. 3092, p. 227-230, 1997.

50. Hertzler C., Wollermann-Windgasse R., Habich U., Jarosch U., Loosen P. 30-kW fast-axial-flow C02 laser with rf excitation // Proc. SPIE, vol. 2788, p. 14-23,1996.

51. Pfeiffer W., Schmitz C., Giesen A., Huegel H. Optimization of laser active media for fast-flowing gas lasers // Proc. SPIE, vol. 3574, p.209-212, 1998.

52. Распространение лазерного излучения в атмосфере / Под ред. Стробена Д.Б. М.: Мир, 1981.

53. Веденов А.А., Губарев А.В., Камчатнов A.M. и др. Влияние турбулентности газового потока на угловую расходимость излучения в' плоскопараллельном оптическом резонаторе // Квантовая электроника, т. 16, №4, с.715-721,1989.

54. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. -М.: Наука, 1967.

55. Noll R.J. Zernike polynomials and atmospheric turbulence // JOSA, vol. 66, p.207,1976.

56. Лукин В.П., Канев Ф.Ю., Сенников В.А., Макенова Н.А., Тартаковский В.А., Коняев П.А. Фазовое и амплитудно-фазовое управление лазерным пучком и распространение его в атмосфере // Квантовая электроника, т.34, №9,2004.

57. Sergei S. Chesnokov, I. V. Davletshina, Alexander V. Koryabin, Victor I. Shmalhausen Laboratory simulation of large-scale wave front distortions in a turbulent atmosphere // Proc. SPIE, vol. 2771, p.215-225,1996.

58. Лосев C.A. Газодинамические лазеры. -M.: Наука, 1977.

59. Смит К., Томсон Р. Численное моделирование газовых лазеров. -М.: Мир, 1981.

60. Гордиец Б.Ф., Осипов А.И., Шелепин Л.А. Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры. М.: Наука, 1980. - 512 с.

61. Panchenko V.Ya., Zavalov Yu.N., Galushkin M.G., Grishaev R.V., Golubev V.S., Dubrov V.D. The Development of Turbulence in the Active Medium of a Fast-Flow Gas-Discharge Laser // Laser Physics, vol. 16, №1,2006.

62. Baverly III R.E. Kinetic modeling of FAF C02 -laser. //Opt.&Quant. Electr., vol. 14, p.25,1982.

63. Голубев B.C., Дембовецкий B.B., Завалов Ю.Н., Завалова B.E. Влияние радиальной неоднородности активной среды на мощность излучениянепрерывного С02-лазера с БАПГ // Квантовая электроника, т.23, №8, с. 695-698,1996.

64. Баранов Г.А., Бутаев Ю.Б., Град В.И., Зинченко А.К. Исследование усиления в самостоятельном разряде с поперечным потоком газа. // Квантовая электроника, т. 14, №10, 1987.

65. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1963.

66. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003.

67. Galushkin M.G., Golubev V.S., Panchenko V.Ya., Zavalov Yu.N., Grishayev R.V. The Estimation of Cn2 of Nonequilibrium Turbulent Gas Flow in C02- laser on Data of Luminescence Diagnostics. Proc. SPIE, v.4184, p.406-409, 2001.

68. Panchenko V.Ya., Grishaev R.V., Zavalov Yu.N., DubrovV.D., Dubrovina E.A. The investigation of quality of FAF RF C02 laser active medium by luminescent method // Proc. SPIE vol. 5958, 2005.

69. Плазма в лазерах. / Под ред. Бекефи Дж. М.: Энергоиздат, 1982.

70. Виттеман В. С02-лазер. М.: Мир, 1990.

71. Справочник по лазерам (в 2-х томах) / Под ред. A.M. Прохорова. -М.: Советское радио, 1978.

72. Велихов Е.П., Баранов В.Ю., Летохов В.К., Рябов Е.А., Старостин А.Н. Импульсные ССЬ-лазеры и их применение для разделения изотопов. -М.: Наука, 1983.-304 с.