Химические лазеры

Характерная длительность импульсов излучения этих источников составляют примерно 1 мкс. Электронные пучки могут обеспечивать более кратковременное воздействие (1-100 нс), но их общая эффективность ниже.Для получения инверсии желательны наиболее простые молекулы – продукты реакций, предпочтительнее всего – двухатомные гетероядерные молекулы типа АВ. Примером импульсного химического лазера является HF-лазер. Для получения сначала атомарного фтора, а затем фтороводорода используются смеси молекул-фторносителей типа NF3, UF6, SF6, WF6или фреонов с водородом или водородосодержащими молекулами. Так, в смеси H2 :F2 :O2 : SF6в отношении 10:36:14:10 при общем давлении 1 атм и инициировании электронным пучком получен энергосъем100 Дж/л в импульсе длительностью 30 нс. К.п.д. инициирования достигал 800%. Следует обратить внимание, что смесь абсолютно чистых водорода Н2 и фтора F2 нестабильна. Добавление кислорода и SF6 стабилизирует смесь. Выбор исходной смеси газов представляет, таким образом, в химических лазерах серьезную проблему не только с точки зрения релаксационной кинетики, но и с точки зрения кинетики цепных реакций взрывного типа.Химические лазеры непрерывного действияЧтобы получить непрерывную генерацию в химическом лазере, необходимо достаточно быстро менять реагенты в реакторе и уметь производить химически активные центры в непрерывном режиме. Поскольку реакции с участием радикалов очень быстры, то для смены вещества в реакторе нужны околозвуковые или даже сверхзвуковые скорости прокачки.Химический лазер непрерывного действия состоит из:- источника химически активных центров; - системы смешения свободных атомов или радикалов с другим компонентом, реакция с которым дает возбужденные молекулы; - реактора, где создается активная лазерная среда; - оптического резонатора. Кроме того, нужна быстрая подача исходных и откачка отработанных реагентов.Рассмотрим, как практически реализуется эта общая схема в различных типах химических лазеров непрерывного действия.Непрерывный режим работы химических лазеров возможен при смешивании газов, например в сопловых блоках. Так как смешивать в потоке можно взаимно совершенно нестабильные реагенты, а затем быстро, со скоростью, близкой звуковой, удалять продукты их реакции, то становится возможным чисто химический лазер без инициирования. РассмотримDF-СО2-лазер (рис. 5), в котором возбужденные молекулы DF* возникают в ходе цепной реакции, поджигаемой при смешивании устойчивого радикала NOс молекулярным фтором, что дает атомарный фтор, служащий активным центром цепной реакции:NO + F2 → NOF + F,F + D2 → DF* + D, D + F2 → DF* + F, …Рисунок 5 - Схема химического DF-СО2-лазера, работающего на цепной реакции фторирования дейтерия;J - камера наработки атомарного фтора; 2 - смесительная камера; 3 - зона реактора (лазерная зона); 4 - окна для вывода излучения в резонаторК возбужденному DF* ниже по потоку подмешивается СО2, возбуждаемый по хорошо известной схемеDF* + СО2→ СО2* + DF.Отработка газодинамической системы, реализующей такую схему, представляет известные трудности ввиду взрывоопасности используемых смесей и высокой токсичности продуктов реакции. На рисунке 6 показана соответствующая схема проточного реакционного сосуда, снабженного на выхлопе лазерным резонатором.Рисунок 6 – Схема проточного реакционного сосуда химического DF-СО2-лазерВолнистая стрелка показывает выход излучения через частично прозрачное зеркалоПерспективы развития химических лазеровВ химических лазерах непрерывного действия цепной механизм получения возбужденных молекул используется лишь в системе DF-СО2, инициируемой радикалом NO.Между тем применение цепного механизма для создания других лазеров, например, НР-(или ВР)-лазера непрерывного действия, обещает значительные выгоды. Расчеты показывают, что энергетика HF-лазера на основе цепной реакции может быть увеличена примерно вдвое по сравнению с нецепной. Это, пожалуй, основная, но не единственная выгода.Несмотря на большое разнообразие химических лазеров, число молекул, генерирующих излучение, ограничено. Это прежде всего двухатомные молекулы: СО, галогеноводороды и их дейтерозамещенные аналоги; молекула СО2; атом йода I. Этот перечень определяет и диапазон длин волн, генерируемых химическими лазерами. Все эти волны лежат в инфракрасном диапазоне. Поэтому весьма интересны новые идеи, позволяющие создать химические лазеры в видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазоне. Поиски в этом направлении ведутся. Предложен ряд химических реакций, с которыми связывается надежда на выход в видимый диапазон. В частности, большой интерес проявляется к реакции окисления олова, продуктом которого является окись олова в возбужденном электронном состоянии. Однако, пока нет сообщений о создании химического лазера на этой основе.В последнее время пристальное внимание привлекают химические лазеры, излучающие в далекой инфракрасной области, где другими методами получить генерацию трудно. Предполагается использовать переходы между вращательными состояниями молекул без изменения колебательной энергии (чисто вращательные переходы). ЗаключениеХимические лазеры широко применяются для исследования кинетических процессов: скоростей химических реакций, путей перераспределения энергии, выделяющейся в процессе реакции и т. п. Изучение этих процессов важно как для развития многих областей науки и техники, так и для глубокого понимания особенностей работы самих химических лазеров.Химические лазеры полезны, во-первых, уникальным диапазоном генерируемых частот. Во-вторых, исследуя особенности процессов излучения во времени, можно получить очень ценную информацию о кинетике химических реакций, лежащих в основе данного химического лазера. Однако химические лазеры обладают и рядом недостатков. Их главный недостаток - необходимость от импульса к импульсу быстро менять смесь в реакторе и восстанавливать реагенты. Большая система требует больших расходов. К тому же возникают технические трудности, связанные с сохранением в крупномасштабных установках параметров лазера, достигнутых в условиях малого масштаба, и другие.Список используемой литературыХимические лазеры. Под редакцией Н.Г.Басова.- М.: Наука, Главнаяредакция физико-математической литературы, 1982, 400 с.Лекции по квантовой электронике. Н.В.Карлов- М.: Наука,1986, 322 с.Аблеков В.К., Денисов Ю.Н. Проточные химические лазеры. – М.: Энергоатомиздат, 1987, 177 с.