Поступательная неравновесность йодной составляющей в активной среде сверхзвукового химического кислородно-йодного лазера
Парахина Елена Валерьевна
Самарский государственный университет

Научный руководитель: Курочкин Виктор Иванович, д.ф.-м.н.

Активная среда сверхзвукового химического кислородно-йодного лазера состоит из смеси атомарного йода в основном и возбужденном состояниях, молекулярного кислорода в основном и возбужденном состояниях и молекулярного азота N2. Молекулярный кислород играет роль источника энергии накачки йода, непосредственно взаимодействующего с излучением, а азот является транспортным средством. Данная газовая смесь прокачивается со скоростью 500 - 600 м/с при температуре около 200 K и давлении около 3 торр в направлении, перпендикулярном распространению лазерного излучения, соотношения компонент J:O2:N2 = 1:100:300. Соотношение возбужденного кислорода к невозбужденному составляет 2:1.

При столкновении атомов йода с молекулами кислорода происходит процесс передачи электронной энергии с выделением тепла

. (1)

В данной работе представлена кинетическая модель, учитывающая резонансное взаимодействие атомарного йода с излучением, в результате которой происходит нарушение равновесного максвелловского распределения по скоростям вдоль оптической оси резонатора, процесс обмена электронной энергией между йодом и кислородом (неупругое взаимодействие) и релаксацию функции распределения атомов йода по скоростям в результате упругого взаимодействия с азотом.

Модель основана на решении системы кинетических уравнений для функций распределения по скоростям йода в основном и возбужденном состоянии:

 (2)

где – сечение взаимодействия йода с фотоном, индексы 1 – 5 относятся к невозбужденному и возбужденному йоду, к невозбужденному и возбужденному кислороду и азоту соответственно, – оператор Лоренца, учитывающий резонансное взаимодействие йода с излучением в k-ой моде, – проекция скорости на направление распространения излучения, – интенсивность излучения k-ой моды, – частота нулевой моды, соответствующая длине волны  мкм, , – частота k-ой моды, и – интегралы упругих и неупругих столкновений.

Функции распределения молекулярного кислорода считаются максвелловскими, что позволяет частично проинтегрировать интегралы неупругих столкновений . Для расчета интегралов упругих столкновений применяется приближение Гамеля с использованием модельных максвелловских функций распределения с параметрами , , и частот столкновений , i = 1, 2.

Согласно преобразованиям интегралов система (2) записывается в виде

 (3)

где K1, K2, K3, K4 – функции скорости.

Считая общий расход частиц постоянным, выполняется условие равновесия по массе

. (4)

Система уравнений (3) дополняется уравнением для стационарного усиления k-ой линии

, (5)

где - определяется такими параметрами резонатора как длина активной зоны и коэффициенты пропускания зеркал.

Модель позволяет рассчитать как сами функции распределения, так и усиление линии излучения в одномодовом и многомодовом режиме, а также определить возможное количество, расположение и интенсивность линий мод.

(c) АСФ России, 2001