Юный техник 1972-03, страница 65

молекул переходит в направленное движение потока газа. Скорость истечения 1 км/сек, а температура уже на очень близких расстояниях от узкой части сопла (область А на рис. 2) понижается до десятков градусов. (В обычных условиях при столь низких температурах атомы в молекулах почти «неподвижны»: энергия соударяющихся молекул недостаточна для интенсивной раскачки атомов.) Именно этот механизм и использован в газодинамическом лазере.

Из камеры сгорания вылетают молекулы с запасом внутренней энергии в виде энергии колебаний атомов. Но если хаотическое движение молекулы как целого очень быстро замедляется (температура понижается), то колебания атомов в самой молекуле сохраняются долго. Особенно в такой молекуле, как С0₂, состоящей из тяжелых атомов. В области А возникает энергетическая неравновесность. Температура газа здесь всего десятки градусов, а энергия колебаний атомов в молекулах С0₂ соответствует еще высокой температуре газа в камере. Естественно, молекула пытается избавиться от этого излишка энергии, перейти в соответствующее низкой температуре невозбужденное состояние (при котором атомы покоятся). Каким же способом ей удается это сделать?

Молекула может самопроизвольно испустить квант света, который унесет излишек энергии, и атомы в молекуле «успокоятся». Этот процесс не зависит от скорости молекулы. Кванты излучаются со строго определенной частотой, соответствующей разности энергий в возбужденном и невозбужденном состояниях.

Однако более вероятен (особенно при больших давлениях) следующий процесс. Прежде чем произойдет самопроизвольное излучение, возбужденная молекула столкнется с какой-либо другой. Толчок вызовет излучение, но при этом излучается «неполноценный», сквжем, половинный (при прямом столкновении) квант: ведь в излучении участвуют две молекулы. Энергия кванта зависит от характера столкновения молекул: от их относительной скорости, под каким углом они сталкиваются и т. п. Поскольку столкновения носят хаотический характер, то и энергия квантов, стимулированных ударом, очень разнообразна. Поэтому спектр такого излучения сплошной. Он накладывается на очень узкий спектр самопроизвольного излучения.

Возможен и еще один способ излучения. Его могут вызвать нванты света. Но не всякие, а лишь те, которые родились при самопроизвольном излучении. Чем обусловлена такая неравноправность? Дело в том, что молекула — это своего рода резонатор. И подобно камертону, она «откликается» лишь иа определенные частоты. В данном случае как раз на ту частоту, с которой испускаются иваиты света при самопроизвольном излучении, а неполноценные кванты света, стимулированные ударом, не воздействуют иа молекулу (камертон молчит). Под действием же самопроизвольно испущенного кванта возбужденная молекула начинает в резонанс раскачиваться, и... «иить», удерживающая ее собственный квант, обрывается. Происходит излучение, причем все с той же строго определенной длиной волны.

Но и такое излучение «полноценных» квантов в естественных условиях маловероятно. Стимулирующий этот процесс исходный квант редко наталкивается на молекулы. Куда чаще он пролетает в промежутках между ними. Чтобы увеличить вероятность столкновения — поднять к.п.д. кванта, — нужно заставить его большее число раз пробежать сквозь область А. Тогда он наверняка встретит возбужденную молекулу.

Эту проблему решают зеркала с большим радиусом кривизны и фокусами, лежащими на единой центральной оси. Квант света, прежде чем поиинуть область А, многократно отражается от каждого зеркала. После какого-то очередного отражения он встречает возбужденную молекулу и выбивает из нее квант. Теперь исходный и только что родившийся квант «работают» вдвоем, затем вчетвером и т. д. Лавина квантов быстро нарастает. И вскоре из отверстия, сделанного в одном из зеркал, вырывается луч света строго определенной длины волиы. Лазер готов.

Газодинамические лазеры очень перспективны. Для них не нужны мощные батареи высоковольтных конденсаторов, используемых для ламп-вспышеи в оптических лазерах, да и сами устройства, по-видимому, не будут отличаться сложностью и громоздкостью. А тепло, выделяющееся при сжигании 1 г горючего, значительно превосходит энергию, приходящуюся на грамм веса даже самого высоковольтного современного конденсатора.

69