ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-7

Активные среды химических лазеров (1)

Интерес к использованию в лазерах химически реагирующих смесей связан прежде всего с с тем, что в ходе химических реакций может выделятся значительное количество энергии (> 106

дж/кг), существенная доля которой может пойти на возбуждение. Критериями при выборе

химической системы служат распределение энергии в молекулах, возникающих в результате химической реакции и релаксационные процессы.

Число образующихся возбужденных молекул должно превышать количество молекул в низших энергетических состояниях (возможность создания инверсной населенности). Время жизни частиц в возбужденном состоянии не должно быть слишком малым.

Самыми подходящими для создания активных сред являются реакции окисления и горения, в

ходе которых выделяется большое количество энергии. Наиболее часто в химических

лазерах используются реакции ассоциативного или диссоциативного типа.

Реакция ассоциативного типа описывается уравнением типа: А + В → АВ. В экзотермической реакции часть теплоты реакции переходит в энергию колебательно-вращательного или электронного овзбуждения молекулы АВ. Наиболее интересным примером такого лазера являются HF и DF лазеры.

Реакция диссоциативного типа имеет вид: АВС → А + ВС. Если эта реакция экзотермическая, то часть тепла может выделиться в виде электронной энергии атомов А или в виде внутренней энергии молекулы ВС. Примером данного типа лазеров служат фотохимические или фотодиссоционные лазеры, излучающей частицей в которых является атомарный йод, в элетронно-возбужденном состоянии, образующиеся в ходе диссоциации перфторпилиодидов ((CF3)2AsJ, C3F7J и др.) под действием импульсных источников УФ-излучения. Лазерный переход возбужденного атома соответствует длине волны λ = 1.315 мкм.

Атомарный йод в электронно возбужденном состоянии может быть получен и другим путем: в реакции молекулярного хлора с щелочным раствором перекиси водорода образуется молекулярный кислород, возбужденный до долгоживущего синглетного состояния, а он, в свою очередь, передает возбуждение атомарному йоду (химический кислородно-йодный лазер (COIL)).

Активная среда химических HF(DF) лазеры (1)

Активная среда химических HF(DF) лазеры Источником атомарного фтора служат либо молекулы фтора F2, либо трифторид азота NF3 Диссоциация (разложение) происходит либо в электрическом разряде, либо в камерах сгорания.

Атомарный фтор реагирует с молекулярном водородом: F + H2 → HF* + H (холодная реакция) и в результате образуется атомарный водород,

который, в свою очередь реагирует с

молекулярным фтором: H + F2 → HF* + F (горячая реакция), после чего атом фтора может вступить в новый цикл реакций. Таким образом происходит цепная реакция.

Разница энергий двух колебательных уровней молекулы HF соответствуют λ ≈ 2.7…3.3 мкм. Тогда в холодной реакции молекулы HF могут возбудиться до уровня v = 3, а в горячей

до уровня v = 10.

Однако в реальных непрерывных химических лазерах удается обеспечить устойчивую работу

только при холодной реакции, поэтому наработка атомарного фтора требует дополнительных

затрат энергии и организации этого процесса.

Еще одной проблемой HF-лазера является почти полное поглощение излучения в атмосфере. Решением этой проблемы оказалось использование в качестве горючего изотопа водорода – дейтерия (D2), работающего по идентичной схеме, но в спектральном диапазоне λ ≈ 3.5…5 мкм, где отсутствуют сильные линии поглощения паров воды.

Активная среда химических HF(DF) лазеры (2)

Генераторы активной среды (ГАС) Получение атомов F может Происходить при термич. диссоциации F2 или фтор cодержащих молекул - SF6

вплазмотроне или NF3 – в камерах сгорания. При этом

вкачестве горючего для HF

лазера используется D2 или его соединения, а для DF – лазера – водород, чтобы исключить поглощение на рабочей длине лазера продуктами сгорания.

Чтобы в камере происходила наработка диссоциированного F в реакцию должна вступать только половина исходного Окислителя, а остальная его часть становится источником атомарного фтора, который

из камеры вместе с продуктами сгорания поступает в систему накачки, где происходит химическая реакция его взаимодействия с лазерным горючим (водородом или дейтерием). Конструкция охлаждаемого генератора активной среды НХЛ приведена на рисунке.

Воспламенение смеси NF3 с С2Н4, разбавленной буферным газом (Не) в камере сгорания инициируется электроплазменным зажигательным устройством, к которому отдельно

подводятся горючее (С2Н4), окислитель (NF3) и электроэнергия на свечу через блок зажигания.

Охлаждение соплового блока ГАС осуществляется водой, камеры сгорания – регенеративно

смесью буферного газа (Не) с горючим.

Активная среда химических HF(DF) лазеры (3)

Фотографии ГАС показаны на рис. В форсуночной головке происходит равномерное распределение газообразных потоков окислителя и первичного горючего по всей ее площади. Для этого окислитель (NF3) подается сначала в первый коллектор, затем через выравнивающую решетку во второй коллектор, а из него через систему отверстий, выполненных в монолитном днище форсуночной головки, вводится в

полость охлаждаемого корпуса камеры сгорания. Смесь горючего (С2Н4) и разбавителя (Не) попадает в

камеру сгорания через свои отверстия, которые чередуются с отверстиями подачи окислителя и образуют с ними регулярную решетку по всей площади форсуночной головки. В камеру

сгорания под давлением в одну атмосферу или более одновременно поступают окислитель (F2 или NF3) и первичное горючее (H2 либо C2H4). Использование в качестве окислителя трехфтористого азота NF3 обусловливается тем, что он обеспечивает определенные эксплуатационные преимущества перед фтором при практическом использовании НХЛ. Этот газ обладает существенно меньшей агрессивностью и токсичностью, чем молекулярный фтор. смесь первичного горючего и разбавителя, перед тем как поступить в камеру сгорания, осуществляет регенеративное проточное охлаждение ее корпуса (по каналам охлаждения) и форсуночной головки (каналы в монолитном днище).

Электроплазменное зажигательное устройство предназначено для поджига смеси горючего с окислителем на выходе форсуночной головки, поскольку молекулы NF3 в химическом отношении достаточно инертны и при температурах

эксплуатации модуля не образуют (в отличии от F2) самовоспламеняющихся смесей с Н2 или C2H4. Охлаждаемый корпус камеры сгорания герметично стыкуется с форсуночной головкой и служит для протекания в камере сгорания реакции горения C2H4 с Развивающаяся при этом температура в камере сгорания

(~1700...1800К) обеспечивает высокую степень

диссоциации избытка NF3 с образованием F.

щелочи, обладает наиболее широким температурным диапазоном гомогенного жидкого

состояния. При смешивании щелочи и перекиси водорода происходит ряд электролитических реакций, сопровождаемых выделением тепла (**).

MOH + H2O2 → M+ + H2O + HO2ˉ Cl2 + 2 HO2ˉ ֶ→ O2(1Δ)↑ + H2O2 + 2Clˉ + (**)

Возбужденное состояние O2(1Δ) является метастабильным. Радиационное время жизни СК в газовой фазе при отсутствии тушащих примесей составляет > 2000 с. Очевидно, что для получения большей мощности необходим больший расход синглетного кислорода, что легче реализуется при сверхзвуковой прокачке.

Активная среда химического кислород-йодного лазера (COIL)(2)

Источником активной среды является генератор синглетного кислорода, в котором физико-химические процессы протекают при пониженных температурах и давлениях, обеспечивая тем самым неоспоримые преимущества с точки зрения безопасности. Современные эффективные COIL используют генераторы

струйного типа (рис). Газообразный хлор поступает из системы

коллекторов через инжекторные отверстия. Щелочной раствор перекиси водорода поступает сверху в реакционную камеру также через инжекторные пластины со специальными отверстиями.

Раствор подается в виде струй диаметром около миллиметра. Полученный в ГСК кислород выходит через две щели сверху реакционных камер, где к нему подмешивается первичный буферный газ - азот.

Активная среда химического кислород-йодного лазера (COIL)(3)

Щелочной раствор перекиси водорода подготавливается в специальном баке. Бак оборудован змеевиком и рубашкой охлаждения, как показано

на риc. Охлаждение бака необходимо для компенсации тепловыделения

в ходе реакции между перекисью водорода и щелочью в процессе приготовления, а также для поддержания заданной температуры Раствора в ходе работы. Обычно используется перекись водорода с концентрацией около 35 % и раствор КОН, приготовленный из сухой щелочи. Тепловыделение в ходе химической реакции компенсируется одноконтурной фреоновой холодильной машиной. Хлор хранится в сжиженном виде в баллоне при нормальной температуре и давлении 35 атм. Однако для безопасности эксплуатации лазера снабжение ГСК хлором в процессе работы осуществляется через промежуточную емкость, выполненную в виде эластичного пакета. В пакете хлор хранится при давлении немного ниже атмосферного в объеме, достаточном для проведения серии из

3-4 пусков.

Система подготовки паров йода основана на принципе испарения кристаллического йода при нагревании. Кристаллический йод испаряется до достижения давления насыщенных паров над поверхностью. Во время проведения эксперимента над поверхностью насыпки прокачивается азот (вторичный буферный газ). Именно азот и транспортирует йод в сопловой блок к точке смешения с синглетным кислородом. Вся система испарения йода должна быть надежно теплоизолирована. Внешний нагрев испарителей, нагревателей азота, а также элементов системы после испарителей осуществляется при помощи горячего воздуха.

Газовые активные среды

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ)

В ЛСЭ электронный пучок, двигаясь со скоростью близкой к скорости света, пропускается через магнитное поле, создаваемое периодической структурой (называемой вигглерами или ондулятором). Процесс вынужденного излучения происходит за счет взаимодействия электромагнитного поля лазерного пучка с

релятивистскими электронами, движущимися в периодической магнитной структуре. Инжектированные вдоль вигглера электроны движутся в плоскости перпендикулярной магнитному полю, по траекториям, имеющим волнистый вид с завитушками (виггли). Возникающее при этом ускорение электронов приводит к излучению синхротронного типа в продольной направлении. Частоту излучения можно определить из выражения:

ωq = (2π / λq)× vz ≈ (2π / λq)× c

где, λq- период магнитов и vz - средняя продольная скорость электрона в вакууме, практически равная скорости света с.

Поскольку электрон излучает в своей системе координат, то частота его колебаний в ней будет определятся с учетом лоренцова сокращения времени:

ω’= ωq × (1- (vz/c)2)-1/2

а соответствующая длина волны излучения: λ0 = λq × (1- (vz/c)2) /2, которая может быть заметно

короче λq, поскольку vz ≈ c.

Учитывая характеристики движения электрона в магнитном поле вигглера получается, что при изменении энергии электронов от 100 до 1000 МэВ излучаемый свет попадает в диапазон от инфракрасного до ультрафиолетового.

Рентгеновские лазеры

Рекомбинационный рентгеновский лазер, схема которого представлена на рис. излучает в мягком рентгеновском диапазоне. Активной средой является 24-кратноионизированный селен Se24+, образующийся при облучении Тонкой (75 нм) полоски селена, напыленной

на фольгу с d≈150нм. Пучок света от импульсного лазера с λ=532нм, энергией ~1 кдж и длительностью ~1нс фокусируется до интенсивности ~5×1013 Вт/см2, в результате фольга взрывается и образуется плазма высоко ионизированного Se, в форме цилиндра Ø~200мкм

В результате электронно-ионной рекомбинации

плазмы остается долгоживущая составляющая – Ne-подобные ионы Se24+. Неупругие столкновения с электронами горячей плазмы (Те≈ 1 КэВ) приводят к возбуждению иона Se24+ и возникает инверсия между еще более долгоживущим возбужденным состоянием и основным состоянием с менее длительным временем жизни. При этом наблюдается излучение на двух линиях (λ=20.63 нм и λ=20.96 нм).

Серьезной технической проблемой создания рентгеновских лазеров является его высокая проникающая способность из-за которой очень трудно подобрать материалы для покрытий зеркал лазерных резонаторов. Многослойные диэлектрические зеркала рентгеновских лазеров обладают большими потерями и сложны в изготовлении. Для получения приемлемых коэффициентов отражения необходимо использовать большое число (сотни) диэлектрических слоев, а рассеяние света на столь большом числе поверхностей раздела приводит к очень

большим потерям и зеркала могут не выдержать высокую интенсивность рентеновского

лазерного излучения. Поэтому до сих пор рентгеновские лазеры работают без зеркал в режиме УСИ (усиленного спонтанного излучения). Фактически это означает работу лазера со 100% коэффициентами пропускания обоих зеркал. Т.е. УСИ требует очень высоких значений коэффициента усиления или большой протяженности активной среды.