Выбор длины волны излучения

Выбор длины волны лазерного излучения является одним из самых важных вопросов для ЛТД, однако до сих пор ему уделялось мало внимания. До настоящего времени работы по ЛТД были сконцентрированы на использовании излучения с длиной волны 10,6 мкм.

Очевидно, что этот выбор был обусловлен наличием С02-лазеров большой мощности. Оптимальная для ЛТД длина волны будет зависеть от совокупности большого числа параметров и даже от программы полета КЛА. До появления лазера на свободных электронах (ЛСЭ) набор длин волн лазерного излучения, которые могли быть использованы в ЛТД, был сильно ограничен. Возможно, что концепция ЛСЭ позволит выбирать длину волны излучения из соображений пропускания и поглощения излучения атмосферой. Тем не менее чрезвычайно важным параметром остается КПД лазера, и с учетом этого фактора следует изучать различные типы лазеров.

Выбор длины волны излучения будет, в частности, определяться характеристиками атмосферы, особенно если лазер должен располагаться на земле. Длина волны ~2,2 мкм не попадает в атмосферные полосы поглощения, и в настоящее время может рассматриваться как оптимальная. Применение лазерных систем космического базирования, по-видимому, позволит избежать этого ограничения и выбрать рабочие длины волн, исходя из других требований.

Важную роль при выборе длины волны играют также размеры оптических элементов. Полуугол дифракционно ограниченной расходимости идеального луча равен:

α = 1,22 Vd,              (1.24)

где λ — длина волны излучения, d — диаметр передающей оптики. Следовательно, для более коротких длин волн нужна приемная оптика меньшего диаметра. Например, изменение длины волны с 10,6 до 2,2 мкм привело бы к уменьшению диаметра приемной оптики в ~5 раз. Отметим, что переход к коротким длинам волн потребует более тщательной финишной обработки оптических поверхностей.

При выборе длины волны необходимо также учитывать влияние окна, через которое луч вводится внутрь поглощательной камеры. Как указывалось выше, по-видимому, можно подобрать материалы окна с достаточно высоким пропусканием для любых представляющих интерес длин волн, однако критическим параметром оказывается тепловое нагружение окна. Объемные коэффициенты поглощения для большинства материалов окон быстро увеличиваются с ростом длины волны. Поэтому для излучения с длиной волны 10,6 мкм окно с приемлемыми характеристиками, по-видимому, придется делать из таких материалов, как фториды кальция или стронция (CaF2 или SrF2), тогда как для излучения с длиной волны 2,2 мкм можно использовать сапфир (А120з), обладающий более высокими прочностью и теплопроводностью. Свойства аэродинамических окон, по-видимому, не зависят от длины волны лазерного излучения.

До сих пор при обсуждении критериев выбора длины волны рассматривались явления, происходящие вне двигательной системы. В заключение рассмотрим выбор оптимальной длины волны с точки зрения поглощения излучения рабочим телом. Обеспечение полного поглощения является, без сомнения, наиболее важным аспектом рассматриваемой проблемы. Зависимости коэффициента поглощения водорода от длины волны излучения показывают, что с увеличением длины волны коэффициент поглощения возрастает. Таким образом, может показаться, что при выборе длины волны следует учитывать только поглощательные свойства среды и использовать излучение с большей длиной волны. Однако следует отметить, что максимальное значение коэффициента поглощения остается достаточно большим в широком диапазоне длин волн, поэтому даже при более коротких длинах волн излучение может быть полностью поглощено на очень короткой длине. Критерий полного поглощения необходимо рассматривать в совокупности с наиболее желательной максимальной температурой, характеристиками смешения и неравновесными потерями.