Газодинамічний СО2 – лазер. Молекулярні лазери Газові лазери
Газодинамічні лазери досягають сотень кВт у майже
безперервному режимі генерації при ККД одиниці відсотків. При високих потужностях лазер працює долі - одиниці секунд для запобіганню руйнування оптичних елементів під дією лазерного випромінювання.
Молекулярні ексімерні та хімічні лазери.. |
Газові лазери |
|
Ексімерні лазери відносяться до молекулярних лазерів на електронно-коливних переходах. В них використовуються квазімолекули - дімери, які можуть існувати тільки в збудженому стані і отримали скорочену назву ексімерів (exited dimer).
Взагалі ексімерні лазери можна класифікувати трьома групами:
-лазери на дімерах інертних газів (Ar2, Kr2, Xe2);
-лазери на моноголоідах інертних газів (ArCl, ArF, XeBr, XeCl.. );
-лазери на оксидах інертних газів (KrO, XeO).
Також розробляються на сполуках парів металів з інертними газами HgXe, TlXe і на суміші металів NaHg, GdHg.
Молекулярні ексімерні та хімічні лазери. |
Газові лазери |
|
В основному стані ексімерна молекула є нестійкою і для двоатомної молекули криві потенційної енергії мають наступний вид (рис.a). Рівень E0 є основним, а E1 -- збудженим.
При переході в основний стан молекула дуже швидко, за час 10-14c, розпадається, а значить нижній лазерний рівень дуже швидко стає порожнім. Час життя збудженої молекули - ексімера має порядок нс.
Молекулярні ексімерні та хімічні лазери. |
Газові лазери |
|
Лазерний перехід відповідає широкому спектральному інтервалу, що дозволяє отримувати широку смугу робочих частот, що знаходяться у видимому та УФ діапазонах довжин хвиль із майже плавною її перебудовою.
Здатність генерувати наносекундні імпульси великої енергії (до 105 Дж) при високих ККД (до 10%) робить їх перспективними ОКГ для використання у медицині, для очистки металів, у хімічній діагностиці та синтезі, для розділення ізотопів та інш.
Хімічні лазери
Хімічний лазер звичайно визначають як лазер, у якім інверсія населеності досягається “безпосередньо” за рахунок хімічної реакції. Хімічні лазери становлять інтерес по двом основним причинам:
Вони являють цікавий приклад прямого перетворення хімічної енергії в електромагнітну.
Від цих лазерів можна одержувати високу вихідну потужність (у безперервному режимі) або високу вихідну енергію (в імпульсному режимі), що обумовлене досить великим виділенням енергії в екзотермічній реакції, яку можна використовувати в роботі лазера.
Хімічні лазери
В імпульсному лазері є реактор, в якому готується газова суміш, в якій ініціалізується швидка реакція під дією імпульсу світла або розряду.
У безперервному лазері реагенти, як правило, прокачують із високими швидкостями в реакторі при тисках у 100 разів меншим або рівним атмосферному.
Діапазон довжин хвиль хімічних лазерів від 1,3 до 5 мкм. Використовують в авіаційній та космічній галузях за рахунок великих
потужностей при невеликих об'ємах.
Недоліком є висока токсичність, корозійна здатність та вибухонебезпечність більшості робочих речовин.
Хімічні лазери. Фтор-водневий лазер
Механізм накачування, використовуваний у лазері на HF,
пов'язаний з ланцюговою реакцією: |
|
F2+E→ 2F; |
F+H2→HF*+H; |
H+F2 →HF*+F; |
F+H2→HF*+H…… |
Оскільки виділювана в реакції теплота становить 71,6 ккал/моль, |
|
молекула HF може виявитися в збудженому стані. |
|
Для ініціації дисоціації F2 |
потрібна енергія від самостійного та |
несамостійного розряду (пучок 0,1– 10 МеВ електронів для великих об'ємів та тисків 10 атм.) або світлового імпульса.
Хімічна енергія цієї «гарячої» реакції (98 ккал/моль) суттєво перевершує енергію холодної реакції й може приводити до збудження молекули HF до більш високих коливальних рівнів.
Хімічні лазери. Фтор-водневий лазер
Хімічна енергія цієї «гарячої» реакції (98 ккал/моль) суттєво перевершує енергію холодної реакції й може приводити до збудження молекули HF до більш високих коливальних рівнів.
Часткова дисоціація молекул F2 (5-10%) відбувається за рахунок температури 1000 -1200 К, що забезпечується горінням суміші F2+ Н2
(додавання Не може знизити температуру). Молекула водню розкладається при 4000К .
Хімічний ККД – відношення потужності лазерного випромінювання до енергії, що виділяється за одиницю часу за рахунок хім. реакції - для НF – лазера становить 12%.
Зовнішній ККД перевищує 800%.
Хімічні лазери. Фтор-водневий лазер
Енергія імпульсу НF – лазера може перевищувати 5000 Дж за середньої потужності 1010 Вт. Тому є перспективним для накачування термоядерної реакції.
Використовується у космічних системах зв'язку (висока ефективність, малі габарити та маса, висока, до 1кВт, потужність у безперервному режимі ), але діапазон генерації в 2,7-3,5 мкм сильно поглинається парами води при проходженні атмосфери.
Саме тому використовують фтор-дейтерієвий лазер, що працює на довжинах хвиль 3,5 – 4,1 мкм, які відповідають вікнам прозорості атмосфери.
Застосування в програмі СОІ для знищення міжконтинентальних балістичних ракет.
Хімічні лазери
Схема фтор-водневого лазера з нехімічним ініціюванням: 1 - змішувач; 2 - активна зона (реактор); 3 - вікна для виходу випромінювання; 4 и 5 - дзеркала (непрозоре і частково прозоре); 6 - ініціюючий агент Q (УФ випромінювання або пучок електронів). Вказані основні процеси в реакторі; повний їх набір включає десятки процесів, в т. ч. релаксацію і знищення активних центрів.