«Методы измерения параметров активной среды химического кислород - йодного лазера» Никитин С.А. Смирнов А.В. Балтийский Государственный Технический Университет им. Д.Ф. Устинова «ВОЕНМЕХ»

Химический кислород-йодный лазер Исходными рабочими компонентами лазера являются перекись водорода, раствор гидроокиси калия (щелочь), хлор и йод. В процессе работы получаются абсолютно нетоксичные продукты. Химический кислород-йодный лазер – это лазер на электронных переходах с длиной волны мкм.

Химический кислород-йодный лазер Привлекательным для использования этот лазер делают простота и относительная не дороговизна получения активной среды, а так же слабое поглощение излучения с длиной волны мкм атмосферой. График пропускания излучения атмосферой

Химический кислород-йодный лазер Химический кислород-йодный лазер может быть использован: Резки атомных реакторов Дистанционного разрушения горных пород В системах двойного назначения

Активная среда химического кислород-йодного лазера. Факторы, определяющие энергетические характеристики ХКИЛ: - давление, температура и содержание компонентов на выходе из генератора синглетного кислорода (ГСК); - расход и температура буферного газа; - расход газа, несущего молекулярный йод; - геометрия сопла и канала в рабочей зоне; - смешение синглетного кислорода с молекулярным йодом; - отражение зеркал и их геометрия.

Пневмометрический метод измерения газодинамических характеристик активной среды. Для измерения полного давления используется зонд – трубка Пито Для измерения статического давления в невозмущенном потоке используется зонд – трубка Пито - Прандтля процесс обтекания зонда потоком вызывает необходимость корректировки результатов измерений.

Коэффициент усиления. Коэффициент усиления один из важнейших параметров активной среды, характеризуется пространственным и спектральным распределениями. Пространственное распределение этого параметра позволяет судить о развитии и протяженности зоны генерации, дает возможность осуществить выбор конфигурации и размеров оптического резонатора. Спектральное распределение может быть использовано для определения некоторых газодинамических параметров активной среды и концентрации активных частиц в зоне резонатора.

Схемы методов лазерной спектрометрии для определения пространственного распределения КУ Схема с использованием ПЗС матрицы Схема с использованием двухкоординатного сканера Схема с использованием дисков Нипкова

Спектральное распределение коэффициента усиления активной среды Имеются две принципиальные причины уширения спектральных линий – эффект Доплера и уширение, вызванное соударениями – эффект Лоренца. Доплеровский (2) и лоренцевский (1) контуры спектральных линий

Схема метода лазерной спектрометрии для определения спектрального распределения КУ (без использования интерферометра) 1. П/п лазер мкм; 2. Блок питания лазера; 3. АЦП компьютера; 4. Делители луча; 5. Исследуемая среда; 6. Йодная ячейка для настройки и сравнения; 7. Фотоприемники.

Получение и обработка экспериментальных данных Поиск минимумов Выделение действительных минимумов

Получение и обработка экспериментальных данных

Практическая реализация алгоритма измерения параметров активной среды. Схема уровней атома йода

Схема исследования параметров активной среды с использованием интерферометра. 1 – источник питания полупроводникового лазера 2 – полупроводниковый лазер; 3 – делитель луча; 4 – интерферометр Фабри-Перо; 5,7 – зеркала; 6 – фотоприемник; 8 – исследуемая активная среда; 9 – персональный компьютер с платой АЦП.

Переход от отсчетов АЦП к частоте Анализируя количество отсчетов АЦП между двумя соседними пиками пропускания интерферометра, можно перейти от величины «отсчет АЦП» к реальным частотам

Для решения интеграла в конечном итоге, мы используем, метод квадратур Гаусса, преимущества которого заключается в значительной экономии вычислительного времени при сохранении точности вычислений. Формула квадратуры имеет следующий вид: При воздействии ударного и доплеровского механизмов уширения спектральной линии, полный форм-фактор является функцией Фойхта

По подобранным значениям W D W L, температура и полное давление активной среды может быть определено по формулам: При использовании одного из методов определения пространственного распределения КУ, можно построить поле распределения основных параметров АС, что исключительно важно для оптимизации конструкции лазера. Концентрация может быть определена через полную инверсную населенность по формуле:,где f(T,Y) функция температуры Т и содержания O 2 ( 1 ) в активной среде:

Выводы по работе Измерение значений газодинамических параметров активной среды пневмометрическими методами на данный момент является основным источником данных об активной среде. Точность этих методов не всегда высока и требует корректировки полученного результата. Методы лазерной спектрометрии дают дополнительную возможность измерения параметров активной среды. Бесконтактные методы измерения позволяют производить измерения параметров среды без изменения конструкции лазера и без внедрения посторонних источников возмущения в поток смеси газов. Среди достоинств метода лазерной спектрометрии необходимо отметить малую инертность измерения, а так же то, что одно измерение дает возможность получить информацию о величинах сразу нескольких параметрах активной среды. Приведенный в работе алгоритм позволяет измерять методом лазерной спектрометрии газодинамические параметры активной среды ХКЙЛ: её температуру, давление, а так же коэффициент усиления и концентрацию активных частиц. Использование при вычислении функции Фойхта, Гауссовых квадратур, значительно ускоряет время, затраченное на задачу с сохранением точности вычисления. Использование интерферометра позволило разработать схему для построения поля распределения основных параметров АС.