6.6 Эксимерные лазеры.

В последние годы получили быстрое развитие так называемые эксимерные лазеры, в которых активной средой являются нестабильные возбужденные состояния химических соединений инертных газов. После снятия возбуждения (в том числе путем испускания фотона) эти соединения распадаются. Инициирование реакций, приводящих к появлению эксимеров, осуществляется от внешних источников путем разогрева газовой смеси пучком электронов электрического разряда в газовой среде, либо так называемой “ядерной” накачки (использование нейтронов ядерного реактора для образования в рабочем объеме высокоэнергетических ионов, которые затем сами инициируют необходимые реакции). Высказывалась также идея накачки эксимерного лазера ядерным взрывом.

Эксимерные лазеры – это импульсные монохроматические лазеры. [Волна называется монохроматической, если не только период T, но и амплитуда Q и начальная фаза  есть величины не зависящие от t ].

Для эксимерных реакций характерно высокое значение “внутреннего” КПД, т.е. выхода лазерного излучения по отношению к вложенной в активную среду энергии – этот КПД достигает 50%. Но полный КПД системы с учетом эффективности вложения внешней энергии в рабочий объем, естественно, более низок. Называют значения полного КПД ~ 5-6%.

Избыток энергии идет, в основном, на нагрев газового компонента, который нельзя использовать для повторного процесса, пока он не остынет. Если в не очень мощных эксимерных лазерах промышленного типа удается сравнительно простыми способами охлаждать рабочую смесь и достигать частоты повторения импульсов до 1 кГц, то при энерговыделениях, соответствующих задачам СОИ, необходимую скорострельность обеспечить уже не удается. Это потребует блочного построения системы и резкого увеличения габаритов и массы боевой космической станции.

Другая особенность этих лазеров связана с тем, что они излучают в УФ диапазоне, для которого, вообще говоря, атмосфера мало прозрачна.

Приведем характерные длины волн для галогенидов инертных газов, которые могут использоваться в эксимерных лазерах:

1. фтористый аргон ArF - =1930А

2. хлористый криптон KrCl - =2200А

3. фтористый криптон KrF - =2480А

4. хлористый ксенон XeCl - =3080А

5. фтористый ксенон XeF - =3510А

Упомянем еще молекулярный ксенон с =1720А.

Попробуем дать оценку удельному энерговыделению эксимерных лазеров. Будем считать, что газовая смесь прореагировала полностью, возбуждение эксимерных молекул снимается только за счет излучения лазерного фотона (число фотонов в каждом индивидуальном акте излучения равно единице), а коэффициент разбавления равен 1. Оценку проведем для двух длинноволновых эксимерных лазеров (XeCl и XeF).

Длине волны 3080А для XeCl (3510А для XeF) соответствует энергия фотона 4 эВ (3,5 эВ для XeF). Молекулярная масса XeCl составляет 167 (150 для XeF). Отсюда удельное энерговыделение для XeCl равно 2,4 кДж/г, для XeF – 2,3 кДж/г.

Отметим, что мы определим верхнюю границу.

Указанные длины волн находятся как раз на границе окна прозрачности атмосферы. Для гарантированного свободного прохождения через атмосферу было бы желательно слегка увеличить длину волны. Это может быть реализовано на основе так называемого вынужденного рассеяния, когда излучение с частотой , проходя через вещество с характеристической молекулярной частотой _m, преобразуется в излучение с частотами n_m, где n – целое число. При таком процессе происходит потеря энергии, по крайней мере, наполовину.

Приведенные выше энергетические характеристики эксимерных лазеров несколько превосходят соответствующие величины для химического лазера на фтористом водороде, если не касаться энергетики боевой лазерной станции вцелом. Химическим лазерам не нужна специальная энергосистема для накачки, тогда как для эксимерных лазеров с их малым КПД проблема энергетики накачки становится основной, поскольку необходимо обеспечивать мощности порядка сотен гигаватт с частотой повторения порядка десятка герц. Размещение на станции накопителей энергии, способных обеспечить такие энергозатраты, приводит к неприемлемому увеличению массы станции, поскольку массовый эквивалент энергии для накопителей слишком велик – значение 100 Дж/г для многих накопителей является пока что желательным, но отдаленным ориентиром.

По этой причине применение эксимерных лазеров на боевых космических станциях считается нецелесообразным. Напротив, эксимерные лазеры наземного базирования сторонниками СОИ рассматриваются как перспективный элемент системы ПРО. Предлагаются сложные схемы нацеливания на атакующие ракеты противника с использованием системы зеркал космического базирования.

Поскольку  меньше чем у химических лазеров, то дальность поражения увеличивается (меньше расходимость) по сравнению с HF-лазером в ~10 раз.