6.5. Химические лазеры [26f 27]

Химический лазер обычно определяют как лазер, в котором инверсия населенностей достигается «непосредственно» за счет химической реакции. В соответствии с этим определением газо­динамический СОг-лазер нельзя считать химическим, хотя в нем заселение верхнего уровня происходит исключительно за счет

6.5. Химические лазеры

397

реакции сгорания (например, сгорания СО в О2). В химических лазерах обычно используются реакции между газообразными веществами и, как правило, это экзотермические реакций ассо­циативного или диссоциативного типа. Реакция ассоциативного типа описывается уравнением вида

А+В = АВ. (6,20)

В экзотермической реакции часть теплоты реакции перейдет в энергию колебательно-вращательного или электронного возбу­ждения молекулы АВ. Таким образом, если достичь инверсии населенностей, то на основе реакция ассоциативного типа мож­но в принципе создать лазеры на колебательно-вращательных или вибронных переходах. Однако несмотря на то, что были приложены большие усилия, до сих пор удалось создать лишь химические лазеры на колебательно-вращательных переходах. Генерация в этих лазерах была получена в диапазоне длин волн 3—10 мкм, причем наиболее примечательными примерами яв­ляются лазеры на HF и DF, которые мы рассмотрим в следую­щем разделе. Реакция диссоциативного типа в общем виде запи­сывается следующим образом:

АВС^А+ВС. (6.21)

Если реакция экзотермическая, то часть теплоты реакции может выделиться в виде электронной энергии атомов А или в виде внутренней энергии молекул ВС. Наиболее замечательным при­мером данного типа лазеров следует считать лазер на атомар­ном иоде, в котором атомарный иод в возбужденном состоянии образуется в результате диссоциации соединения CH3I (или CF₃I, или C3F7I) под воздействием УФ-излучения (А ~ 300 нм) мощной импульсной лампы. Этот лазер, таким образом, принад­лежит категории лазеров с фотохимической диссоциацией (или фотодиссоциацией). Генерация с X = 1,315 мкм происходит на переходе атомарного иода из возбужденного состояния ²Рц₂ па основной уровень ²Р_т.

Химические лазеры представляют интерес по двум основным причинам: 1) они являются интересным примером прямого пре­образования химической энергии в электромагнитную; 2) от этих лазеров в принципе можно получать высокую выходную мощность (в непрерывном режиме) или высокую выходную

энергию (в импульсном режиме), что обусловлено весьма боль­шим выделением энергии в экзотермической реакции, которую можно использовать в работе лазера»).

¹⁾ Например, смесь Н₂, F₂ и других веществ (16% И₂ и F₂ в газовой смеси при атмосферном давлении) обладает тепловым эффектом реакции 2000 Дж/л, из которой 1000 Дж остается в виде колебательной энергии.

6.5.1. Лазер на hf

Механизм накачки, используемый в лазере на HF, связан с так называемой холодной реакцией:

^{F + H}₂^{^HF*+H.}

(6.22)

Поскольку выделяемая в реакции теплота составляет 31,6 ккал/моль, молекула HF может оказаться в возбужденном состоянии вплоть до колебательного уровня v = 3 (рис. 6.35).

(в)

дн;зшкаа

f+h₂

(7)

(6)

(5)

йн: 98 кш

(3)

(2)

(0)

_III

t

Горячая реакция

<16)

•30 -jj

•9

Рис. 6.35. Возбуждение колебательных уровней молекулы HF на счет двух реакций F + Н₂-* Н + HF* и Н + F₂-v F + HF*. Показаны также создавае­мые таким образом относительные населенности п(v).

Вследствие того что скорости релаксации с различных колеба­тельных уровней отличаются, уровень v = 2 обладает самой большой населенностью и на переходе {v* = 2) (v = I) обра­зуется большая инверсия населенностей. Из рис. 6.35 видно, что на колебательные степени свободы приходится более 60 % энер­гии реакции. То, что вследствие химической реакции молекула HF оказывается в возбужденном состоянии, понять нетрудно. Рассмотрим реакцию, записываемую в виде (6.22). В силу боль­шого сродства к электрону атома F взаимодействие F—на больших расстояниях характеризуется сильным притяжением, что приводит к значительной поляризации распределения за­ряда в молекуле Нг. Из-за малой инерционности электрона связь

6.5. Химические лазеры

₃₉₉

HF может сформироваться до того, как протон участвующего в реакции атома водорода окажется на том межъядерном рас­стоянии, которое соответствует основному электронному^]) со­стоянию молекулы HF. Таким образом, существует большая ве­роятность того, что после реакции протон будет находиться на большем расстоянии от атома F, чем равновесная длина связи HF. Следовательно, это приведет к классическому колебатель­ному движению. Заметим, что для протекания реакции, запи­санной уравнением (6.22), необходим атомарный фтор. Его по­лучают путем диссоциации тех или иных молекул, играющих роль донора для фтора, таких как SF₆ или молекулярный F₂. Диссоциацию можно получить различными способами, напри­мер, при столкновениях с электронами в электрическом разряде (SFe + е—^SFs + F + е).

^{Если используется молекулярный фтор, то инверсия населен-}

ностей может также возникать при реакции недиссоциировав-шей молекулы F₂ с атомарным водородом, образующимся в ре­акции (6.22), т. е.

^{Н + F}₂ ^{HF* + F. (6.23)}

Поскольку химическая энергия этой «горячей» реакции (98 ккал/моль) существенно превосходит энергию реакции (6.22), реакция (6,23) может приводить к возбуждению моле­кулы HF вплоть до колебательного уровня v = 10 (рис. 6.35). Реакция (6.23) позволяет достаточно эффективно создавать ин­версию населенностей между многочисленными колебательными

уровнями молекулы HF. Приведенные выше замечания могут привести к предположению, что по сравнению с SF₆ молекуляр­ный фтор лучше подходит для HF-лазера. Однако в работе со смесью H₂ + F₂ намного труднее обращаться, чем со смесью Н₂ + SF₆. Действительно, атомарный фтор, образующийся в ре­акции (6.23), может снова принять участие в реакции (6.22), в которой в свою очередь образуется атомарный водород, который затем участвует в реакции (6.23), и т. д. Таким образом, урав­нения (6.22) и (6.23) составляют классическую цепную реак­цию, которая при определенных значениях параметров может

^{приобрести взрывной характер.}

1) По-видимому, подразумевается низшее колебательное состояние, при­надлежащее основному электронному состоянию. — Прим. персе.

^{Генерация происходит на нескольких колебательных перехо­дах, от 1 —>- 0 до 6—^5 (Я = 2,7—3,3 мкм) и на нескольких вра­щательных линиях в пределах каждого колебательного пере­хода. Как уже говорилось в связи с СО-лазером, генерация на столь большом количестве линий обусловлена двумя об­стоятельствами. Во-первых, это явление каскадной генерации.}

^{Действительно, если генерирует переход (обычно самый}

сильный), то населенность уровня 2 будет уменьшаться, а насе­ленность уровня 1 будет накапливаться. Следовательно, может возникнуть генерация на переходах 3-^2 и 1-^0. Во-вторых, это явление частичной инверсии (см. рис. 6.23), при котором может

наблюдаться инверсия населенностей между отдельными вра­щательными линиями даже тогда, когда между полными насе-ленностями соответствующих колебательных уровней инверсии нет. Кроме лазера на HF следует упомянуть лазеры на DF, НС1 и НВг, которые работают по схемам, аналогичным лазеру на HF, и генерируют в диапазоне 3,5—5 мкм.

Лазеры на HF могут работать как в импульсном, так и в не­прерывном режиме, В импульсных лазерах атомарный фтор создается за счет столкновений между донорами фтора и элек­тронами, образующимися либо за счет электрического разряда, либо с помощью дополнительного генератора электронного пучка. В промышленных приборах в качестве донора фтора при­меняется молекула SF₆ и используется электрический разряд. Схема накачки аналогична схеме TEA ССЬ-лазера (рис. 6,21);

при этом для создания более однородного разряда используется

также УФ-предыоиизация. Однако выходная энергия такого уст­ройства значительно ниже, чем поступающая в лазер энергия

электрической накачки. Отсюда следует, что в данном лазере лишь часть выходной энергии берется из энергии химической реакции. Однако заметим, что при использовании молекуляр­ного фтора вместо SFe возникает цепная реакция и выходная энергия лазера может существенно превосходить энергию элек­трического разряда. В этом случае лазер с большим основа­нием можно считать химическим. В непрерывных лазерах и при высоких мощностях (как, например, в системах, применяемых в военных целях) используется молекулярный фтор. Фтор подвер­гается тепловой диссоциации в плазмотронном нагревателе и затем истекает через сверхзвуковые сопла (до чисел Маха около 4). Затем в поток подмешивается молекулярный водород, чтобы вступить в цепную реакцию, описываемую уравнениями (6.22) и (6.23) (рис. 6.36). Лазерный резонатор помещается ниже по течению в области расширения таким образом, что его ось перпендикулярна направлению потока. В данном устрой­стве, а также в рассмотренном выше импульсном лазере, если

^{необходимо получать высокие мощности (или большие энергии),}

нередко применяют неустойчивые резонаторы.

Химические лазеры описанных выше типов способны давать высокую выходную мощность (большую энергию) с высоким химическим КПД. Непрерывный лазер для военных целей под названием MIRACL (аббревиатура англ, слов mid-infrared ad­

/,27см

v anced chemical laser) представляет собой усовершенствован­ный химический лазер в среднем ИК-Диапазоне, работающий на молекуле DF; он позволяет получить самую высокую непрерыв­ную мощность среди всех лазеров (2,2 МВт). Примене­ние молекулы DF вместо HF связано с тем, что длина вол­ны излучения DF попадает в область прозрачности атмо­сферы. Следует заметить, что хотя импульсные лазеры с электрическим разрядом производятся промышленно­стью, проблемы безопасно­сти (F₂, видимо, наиболее Рис. 6.36. Сверхзвуковой химический агрессивный и реакционно- HF-лаэер. (Согласно Честеру [42].) /­способный из известных час- диссоциированный фтор; 2-охлаждае-

тиц) сильно ограничивают ^{мыи Кап}^ ^пеР"

применимость химических

лазеров данного типа. Поэтому главной областью использова­ния этих лазеров будут, по-видимому, военные применения, в ко­торых требуются высокие мощности излучения.