Химические лазеры

прохождения экзотермической химической реакции – энергия
идет на возбуждение колебательных

Типы реакций

A+B→AB – реакция синтеза
ABC→A+BC – реакция разложения
A+BC→AB+C – реакция замещения

В газе наиболее эффективным каналом высвобождаемой тепловой энергии
является преобразование ее в энергию колебательно-вращательных
состояний продукта реакции

Необходимо, чтобы скорость релаксации верхнего лазерного уровня была
меньше, чем нижнего

при реакции замещения между атомарным фтором и
молекулой водорода, находящимися

F+H2→HF+H

Выделяемая теплота - 32 ккал/моль (приблизительно 70 % от нее идет на
возбуждение колебательных состояний фторида водорода)

Цепные реакции - один из продуктов реакции может повторно вступать в
химическую реакцию:

A+B2→AB*+B
A2+B→AB*+A и т. д.

В качестве молекул активной среды необходимо использовать наиболее
простые (желательно, двухатомные) молекулы

в течение определенного периода времени
населенность 2-го колебательного уровня приблизительно

Второй тип реакции: F2+H→HF+F

Выделяемая теплота - 98 ккал/моль - возбуждаются колебательные уровни
вплоть до 10-го

Генерация происходит на нескольких колебательных переходах в
диапазоне уровней от 1-го до 6-го в диапазоне от 2.7 мкм до 3.3 мкм

Особенности генерации

в спектре наблюдается колебательно-вращательная структура

наличие каскадной генерации

имеется только частичная инверсия между соседними
колебательными уровнями

ранее процессам для молекулярных лазеров,
работающих на колебательных переходах
Происходят

В возбужденных колебательных состояниях
очень быстро устанавливается равновесное
распределение по вращательным состояниям

Скорости колебательно-вращательной релаксации в молекулах существенно
меньше по сравнению со скоростями электронной релаксации

В результате реакций в процессе образования новых молекул
перестраиваются химические связи, и высвобождаемая энергия идет на
перестраивание этих химических связей через колебательные состояния

В многоатомных молекулах высвобождаемая в химической реакции энергия
будет идти на возбуждение множества состояний, и инверсную населенность
между какой-нибудь парой уровней получить сложно

при столкновениях молекулы
SF6 (или NF3, UF6) с электроном в

диссоциация молекул фтора и водорода на атомы в результате
облучения УФ излучением

Использование смеси, состоящей только из молекул фтора и водорода,
опасно вследствие ее высокой взрывоопасности. Поэтому в исходные
газовые смеси обычно добавляется молекулярный кислород

Источники УФ излучения: кварцевые лампы и искровые разряды

Электрический разряд используется, как правило, в импульсных лазерах,
а УФ воздействие чаще применяется для обеспечения работы лазера в
непрерывном режиме

Эффективность УФ диссоциации выше по сравнению с использованием
электрического разряда

В электрическом разряде удается достигать заметно более коротких времен
диссоциации

- ближний ИК диапазон в области длин волн 3.5 -

Наибольшая выходная мощность получена в DF-лазере – до нескольких
МВт в непрерывном режиме

Величины энергосъема с единицы объема активной среды достигают
сотней джоулей с литра при атмосферном давлении газовой смеси

Иодный лазер

Инверсная населенность в атомарном иоде достигается в реакции
фотолиза молекулы CF3I:

CF3I+hν→I*+CF3

Источником излучения для этой реакции могут служить кварцевые лампы

Длина волны генерации 1.315 мкм

объемов CF3I, что приводит к высоким
величинам энергосъема
Поглощение проходит

Для накачки могут использоваться открытые разряды

Вследствие наличия релаксационных процессов реакция фотодиссоциации
должна протекать быстро. Поэтому накачка включается в импульсном
режиме

Кроме молекулы CF3I, могут использоваться молекулы C3F7I и CH3I

и рассмотренный ранее
CO2 лазер. Однако в данном случае механизм

Сначала смешиваются молекулы оксида азота и фтора, в результате чего
происходит образование атомарного фтора:

NO+F2 → NOF+F

Далее фтор взаимодействует с молекулярным дейтерием, и происходит
образование молекулы DF в возбужденном колебательном состоянии:

F+D2 → DF*+D

Образовавшийся атом дейтерия может провзаимодействовать с
непрореагировавшим молекулярным фтором также с образованием
возбужденной молекулы DF:

D+F2 → DF*+F

и в
результате резонансной передачи энергии заселяется верхний лазерный
уровень

DF*+ CO2 → DF+ CO2*

NO

F2

D2

CO2

NOF, F

DF, CO2

CO2*

реакции,
устанавливаются зеркала резонатора лазера
Cхема близка к схеме газодинамического

Мощность лазера может достигать нескольких сотен ватт при расходе
веществ порядка одного грамма в секунду

Причины интереса к химическим лазерам

1. Сам по себе механизм накачки, заключающийся в непосредственном
преобразовании энергии химической реакции в энергию электромагнитного
поля является интересным

2. Большие количества энергии, выделяющейся в результате
экзотермической химической реакции, приводят к большим мощностям
излучения химических лазеров