1.5 Хімічний лазер

Лазери хімічні, пристрої для прямого перетворення енергії хім. р-ції в енергію когерентного еле-ромагн. випромінювання. Інверсія населеності рівнів обумовлена ​​нерівноважних розподілом енергії хім. р-ції за ступенями свободи молекул продукту. Для створення лазерів хімічних використовують р-ції, швидкість яких брало перевищує швидкість встановлення рівноважного розподілу виділяється енергії. Як правило, це р-ції за участю хімічно активних атомів або радикалів. Серед них особливе місце займають ланцюгові і розгалужені ланцюгові р-ції, в яких брало хімічно активні центри (атоми і своб радикали). Відтворюються (в розгалужених р-ціях - розмножуються) в ході р-ції. Для створення деякого початкового числа активних центрів (ініціювання ланцюгової р-ції), необхідно затратити енергію. Тому чим більше довжина ланцюга р-ції, тим більше у хім. енергії перетравиться в лазерне випромінювання і тим меншу роль будуть грати витрати енергії на створення активних центрів. При цьому вирішальне значення має т. наз. хемолазерная довжина ланцюга, що визначається як відношення швидкості продовження ланцюга до швидкості релаксації збуджених молекул, використовуваних для генерації когерентного випромінювання (але не до швидкості загибелі активних центрів). Чим більше хемолазерная довжина ланцюга, тим вище ефективність лазера по відношенню до витрат енергії на ініціювання р-ції. Початкова концентрація активних центрів м. б. створена за допомогою нехім. видів енергії або чисто хім. способом, напр. в результаті термодіссоціаціі молекул газової суміші, що нагрівається до високої т-ри за рахунок енергії протікає в ній хім. р-ції, або шляхом використання розгалуженої ланцюгової р-ції. На нехім. ініціювання заснована робота потужних лазерів хімічних імпульсної дії, в яких брало використовують заздалегідь приготовлену суміш газів при достатньо високому тиску (напр., атмосферному). Така суміш містить означає. запас енергії, але хімічно стабільна[6]

Малюнок 1.13. Схема фтор-водородпого лазера з нехім. ініціюванням: 1 - змішувач, 2 - активна зона (реактор), 3 - вікна для виходу випромінювання, 4 і 5 - дзеркала (непрозоре і частково відображає), 6 - ініціює агент Q (УФ випромінювання або пучок електронів). Вказані основні процеси в реакторі, повний їх набір включає десятки процесів, в т. ч. релаксацію і загибель активних центрів.

З змішувача 1 (мал. 1.13) робоча суміш надходить в реактор 2, де під дією УФ опромінення або пучка електронів (ініціює агент) ініціюється швидка молекулярно-радикальна р-ція, що вивільняє запасену в суміші енергію у вигляді короткого імпульсу когерентного випромінювання. При одній і тій же мірі ініціювання чим більше хемолазерная довжина ланцюга р-ції, тим вище енергія лазерного імпульсу. наиб. споживані суміші, що містять молекулярні фтор і водень (дейтерій), стабілізовані киснем. Ці суміші мають наиб. хемолазерной ланцюгом. Генеруючими молекулами в них є коливально збуджені HF * (DF *). На рис. 2 представлена ​​схема лазера хімічного з чисто хімічним способом ініціювання, що працює на основі нецепной р-ції атомарного фтору з молекулярним воднем (або дейтерієм).

Малюнок. 1.14. Схема фтор-водневого лазера з хім. ініціюванням (термодіссоііаціей), 1 - камера згоряння, 2 сопловий блок, 3 активна зона (реактор), 4 - вікна для виходу випромінювання, 5 і 6 - дзеркала.

Активні центри - атоми фтору - напрацьовуються в камері згоряння в результаті теплової дисоціації надлишкового F2, к-рий одночасно служить окислювачем пального. В якості пального використовують в-ва, осн. вимога до яких полягає в тому, щоб продукти згоряння не гасили збуджені молекули, які утворюються в активній зоні і генеруючі лазерне випромінювання. З камери згоряння 1 атомарний фтор випускається через соплову грати 2, в якій він розганяється до надзвукових швидкостей і розбивається на дрібні струменя для ефективного змішування з Н2, к-рий подається в активну зону лазера. Р-ція між атомарними фтором і воднем приводить до утворення коливально збуджених молекул HF *, к-які генерують випромінювання з довжиною хвилі в діапазоні 2,7-3,2 мкм. Заміна водню дейтерієм дає можливість отримати когерентне випромінювання в діапазоні довжин хвиль 3,8 4,2 мкм. Висока т-ра в камері згоряння (~ 1800 К) дозволяє створити високошвидкісний надзвуковий потік реагентів, що збільшує потужність лазера. Гелій виконує роль газу-розріджувача, що перешкоджає катастрофічний. підвищення т-ри в лазерної зоні, до-рої могло б привести до зриву генерації та тепловому замикання надзвукового потоку. При безперервної подачі і відкачування компонентів такі лазери хімічні працюють в безперервному режимі. Вирішальною обставиною при їх створенні є поділ в просторі процесів напрацювання хімічно активних центрів та отримання збуджених частинок, що генерують випромінювання. Високотемпературну камеру згоряння можна замінити низькотемпературної, якщо використовувати ланцюгову р-цію фтору з дейтерієм. Атомарний фтор для ініціювання ланцюгового процесу напрацьовується при низькотемпературної р-ції NO + F.. F. + Ноф, що починається відразу при змішуванні їх потоків. Закінчення газів з камери ініціювання в лазерну зону відбувається з дозвуковой швидкістю, хоча можливі й надзвукові варіанти цього лазера хімічного. Генеруюча молекула - СО2, к-рая порушується шляхом передачі колебат. енергії від DF *. Збуджена молекула СО2 релаксує повільніше, ніж DF *, що забезпечує велику хемолазерную довжину кола. Заміна дейтерію на водень призводить до зниження потужності, що генерується, т. к. HF * передає енергію СО2 менш ефективно, ніж DF *. За своїми потужносним і енергетичних. показниками фторводородние лазери хімічні імпульсного і безперервного дії поки не мають рівних. Серед ін типів лазерів хімічних слід зазначити кисень-йодний лазер, в к-ром генеруюча частка - атомарний йод в стані 3P1 / 2. Порушується він в цей стан шляхом передачі енергії від молекул О2 в збудженому синглетному стані 1D, к-які утворюються при р-ції Сl2 з водним розчином Н2О2 і NaOH. Освіта атомарного йоду з молекулярного відбувається при р-ції:

2O2 (1D) + I2: 2O2 (1S) +2 I (3P1 / 2)

Основні р-ції, що призводять до формування активного середовища і генерації когерентного випромінювання, такі:

O2 (1D) + I (3P3 / 2): O2 (3S) + I (3P1 / 2);

I (3P1 / 2) + NHV: I (3P3 / 2) + (N +1) Нч[7]

Довжина хвилі генерується когерентного випромінювання 1315 мкм. Серед ін типів лазерів хімічних перспективні лазери на основі розгалуженої ланцюгової р-ції горіння CS2, генеруюча молекула-коливально-збуджений СО * (довжина хвилі лазерного випромінювання ~ 5 мкм), ОН-СО2 - лазери хімічні на основі р-ції Н + О3: ОН * + О2. Коливально-збуджений радикал ОН * передає енергію молекулі СО2, к-рая генерує лазерне випромінювання з довжиною хвилі ~ 10 мкм. Можна очікувати створення лазерів хімічних, випромінюючого у видимому діапазоні довжин хвиль. Лазери хімічні широко застосовують в наукових експериментах в хім. кінетиці, лазерної хімії та спектроскопії. Це зумовлено насамперед тим, що в діапазоні довжин хвиль, рівних 3-4 мкм, немає інших досить інтенсивних джерел когерентного випромінювання. Техн. застосування лазерів хімічних знаходяться в процесі розробки. Розглядаються проекти використання потужних фтор-водневих і кисень-йодних лазерів хімічних для керованого термоядерного синтезу. Кисень-йодний лазер хімічний, генерує випромінювання в ближньому ІЧ діапазоні, становить інтерес для обробки матеріалів. Спектр випромінювання фтор-водневих і кисень-йодних лазерів хімічних перекриває діапазон поглинання величезного числа разл. молекул. Можливість генерації великого набору частот в одному лазерному імпульсі робить ці лазери хімічні перспективними для створення систем діагностики і контролю складу газових сумішей, в т. ч. дистанційних локаторів складу і стану атмосфери - лідаров. Не виключено, що лазери хімічні, володіючи великою енергією випромінювання на одиницю маси витрачених реагентів, виявляться корисними при розвитку технології в космосі (напр., лазерної зварки). В іноземній літературі обговорюються військові застосування лазерів хімічних. [4]