Лазеры Химические

Устройства для прямого преобразования энергии хим. Р-ции в энергию когерентного элект-ромагн. Излучения. Инверсия населенности уровней обусловлена неравновесным распределением энергии хим. Р-ции по степеням свободы молекул продукта. Для создания Л. Х. Используют р-ции, скорость к-рых превышает скорость установления равновесного распределения выделяющейся энергии. Как правило, это р-ции с участием химически активных атомов или радикалов. Среди них особое место занимают цепные и разветвленные цепные р-ции, в к-рых химически активные центры (атомы и своб. Радикалы) воспроизводятся (в разветвленных р-циях - размножаются) в ходе р-ции. Для создания нек-рого начального числа активных центров (инициирования цепной р-ции) необходимо затратить энергию.

Поэтому чем больше длина цепи р-ции, тем большее кол-во хим. Энергии переработается в лазерное излучение и тем меньшую роль будут играть затраты энергии на создание активных центров. При этом решающее значение имеет т. Наз. Хемолазерная длина цепи, определяемая как отношение скорости продолжения цепи к скорости релаксации возбужденных молекул, используемых для генерации когерентного излучения (но не к скорости гибели активных центров). Чем больше хемолазерная длина цепи, тем выше эффективность лазера по отношению к затратам энергии на инициирование р-ции. Начальная концентрация активных центров м. Б. Создана с помощью нехим. Видов энергии либо чисто хим. Способом, напр. В результате термодиссоциации молекул газовой смеси, нагреваемой до высокой т-ры за счет энергии протекающей в ней хим.

Р-ции, или путем использования разветвленной цепной р-ции. На нехим. Инициировании основана работа мощных Л. Х. Импульсного действия, в к-рых используют заранее приготовленную смесь газов при достаточно высоком давлении (напр., атмосферном). Такая смесь содержит значит. Запас энергии, но химически стабильна. Рис. 1. Схема фтор-водородпого лазера с нехим. Инициированием. 1 - смеситель. 2 - активная зона (реактор). 3 - окна для выхода излучения. 4 и 5 - зеркала (непрозрачное и частично отражающее). 6 - инициирующий агент Q (УФ излучение или пучок электронов). Указаны основные процессы в реакторе. Полный их набор включает десятки процессов, в т. Ч. Релаксацию и гибель активных центров. Из смесителя 1 (рис. 1) рабочая смесь поступает в реактор 2, где под действием УФ облучения или пучка электронов (инициирующий агент) инициируется быстрая молекулярно-радикальная р-ция, высвобождающая запасенную в смеси энергию в виде короткого импульса когерентного излучения.

При одной и той же степени инициирования чем больше хемолазерная длина цепи р-ции, тем выше энергия лазерного импульса. Наиб. Употребительны смеси, содержащие молекулярные фтор и водород (дейтерий), стабилизированные кислородом. Эти смеси обладают наиб. Хемолазерной цепью. Генерирующими молекулами в них являются колебательно возбужденные HF* (DF*). На рис. 2 представлена схема Л. Х. С чисто химическим способом инициирования, работающего на основе нецепной р-ции атомарного фтора с молекулярным водородом (или дейтерием). Рис. 2. Схема фтор-водородного лазера с хим. Инициированием (термодиссоииацией). 1 - камера сгорания. 2 сопловый блок. 3 активная зона (реактор). 4 - окна для выхода излучения. 5 и 6 - зеркала. Активные центры - атомы фтора - нарабатываются в камере сгорания в результате тепловой диссоциации избыточного F2, к-рый одновременно служит окислителем горючего.

В качестве горючего используют в-ва, осн. Требование к к-рым состоит в том, чтобы продукты сгорания не тушили возбужденные молекулы, образующиеся в активной зоне и генерирующие лазерное излучение. Из камеры сгорания 1 атомарный фтор выпускается через сопловую решетку 2, в к-рой он разгоняется до сверхзвуковых скоростей и разбивается на мелкие струи для эффективного смешения с Н 2, к-рый подается в активную зону лазера. Р-ция между атомарными фтором и водородом приводит к образованию колебательно возбужденных молекул HF*, к-рые генерируют излучение с длиной волны в диапазоне 2,7-3,2 мкм. Замена водорода дейтерием дает возможность получить когерентное излучение в диапазоне длин волн 3,8 4,2 мкм. Высокая т-ра в камере сгорания (~1800 К) позволяет создать высокоскоростной сверхзвуковой поток реагентов, что увеличивает мощность лазера.

Гелий выполняет роль газа-разбавителя, препятствующего катастрофич. Повышению т-ры в лазерной зоне, к-рое могло бы привести к срыву генерации и тепловому запиранию сверхзвукового потока. При непрерывной подаче и откачке компонентов такие Л. Х. Работают в непрерывном режиме. Решающим обстоятельством при их создании является разделение в пространстве процессов наработки химически активных центров и получения возбужденных частиц, генерирующих излучение. Высокотемпературную камеру сгорания можно заменить низкотемпературной, если использовать цепную р-цию фтора с дейтерием. Атомарный фтор для инициирования цепного процесса нарабатывается при низкотемпературной р-ции NO.+F.:F.+NOF, начинающейся сразу при смешении их потоков.

Истечение газов из камеры инициирования в лазерную зону происходит с дозвуковой скоростью, хотя возможны и сверхзвуковые варианты этого Л. Х. Генерирующая молекула - СО 2, к-рая возбуждается путем передачи колебат. Энергии от DF*. Возбужденная молекула СО 2 релаксирует медленнее, чем DF*, что обеспечивает большую хемолазерную длину цепи. Замена дейтерия на водород приводит к снижению генерируемой мощности, т. К. HF* передает энергию СО 2 менее эффективно, чем DF*. По своим мощностным и энергетич. Показателям фторводородные Л. Х. Импульсного и непрерывного действия пока не имеют равных. Среди др. Типов Л. Х. Следует отметить кислород-йодный лазер, в к-ром генерирующая частица - атомарный иод в состоянии 3P1/2. Возбуждается он в это состояние путем передачи энергии от молекул О 2 в возбужденном синглетном состоянии 1D, к-рые образуются при р-ции Сl2 с водным р-ром Н 2 О 2 и NaOH.

Образование атомарного иода из молекулярного происходит при р-ции. 2O2(1D)+I2:2O2(1S)+2I(3P1/2) Основные р-ции, приводящие к формированию активной среды и генерации когерентного излучения, следующие. O2(1D)+I(3P3/2):O2(3S)+I(3P1/2). I(3P1/2)+nhv:I(3P3/2)+(n +1)hv Длина волны генерируемого когерентного излучения 1,315 мкм. Среди др. Типов Л. Х. Перспективны лазеры на основе разветвленной цепной р-ции горения CS2. Генерирующая молекула-колебательно-возбужденный СО* (длина волны лазерного излучения ~5 мкм). ОН-СО 2 - Л. Х. На основе р-ции Н+О 3:ОН*+О 2. Колебательно-возбужденный радикал ОН* передает энергию молекуле СО 2, к-рая генерирует лазерное излучение с длиной волны ~10 мкм. Можно ожидать создания Л. Х., излучающего в видимом диапазоне длин волн.

Л. Х. Широко применяют в научных экспериментах в хим. Кинетике, лазерной химии и спектроскопии. Это обусловлено прежде всего тем, что в диапазоне длин волн, равных 3-4 мкм, нет других достаточно интенсивных источников когерентного излучения. Техн. Применения Л. Х. Находятся в процессе разработки. Рассматриваются проекты использования мощных фтор-водородных и кислород-йодных Л. Х. Для управляемого термоядерного синтеза. Кислород-йодный Л. Х., генерирующий излучение в ближнем ИК диапазоне, представляет интерес для обработки материалов. Спектр излучения фтор-водородных и кислород-йодных Л. Х. Перекрывает диапазон поглощения огромного числа разл. Молекул. Возможность генерации большого набора частот в одном лазерном импульсе делает эти Л.

Х. Перспективными для создания систем диагностики и контроля состава газовых смесей, в т. Ч. Дистанционных локаторов состава и состояния атмосферы - лидаров . Не исключено, что Л. Х., обладая большой энергией излучения на единицу массы расходуемых реагентов, окажутся полезными при развитии технологии в космосе (напр., лазерной сварки). В иностранной литературе обсуждаются военные применения Л. Х. Лит. Химические лазеры, под ред. Р. Гросса и Дж. Ботта, пер. С англ. М., 1980. Химические лазеры, под ред. Н. Г. Басова, М., 1982. Басов Н. Г., Ораевский А. Н., Химические лазеры, в кн. Наука и человечество, М., 1983, с. 259 73. А. Н. Ораевский..