Химические лазеры Инверсная населенность достигается за счет энергии, выделяемой в результате прохождения экзотермической химической реакции – энергия. - презентация

1 Химические лазеры Инверсная населенность достигается за счет энергии, выделяемой в результате прохождения экзотермической химической реакции – энергия идет на возбуждение колебательных или электронных состояний молекулы- продукта реакции Типы реакций A+BAB – реакция синтеза ABCA+BC – реакция разложения A+BCAB+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

2 Химические лазеры HF-лазер Инверсная населенность возникает между колебательными уровнями молекулы HF при реакции замещения между атомарным фтором и молекулой водорода, находящимися в газовой фазе: F+H 2HF+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+B 2 AB*+B A 2 +BAB*+A и т. д. В качестве молекул активной среды необходимо использовать наиболее простые (желательно, двухатомные) молекулы

3 Химические лазеры Вследствие различий в скоростях термодинамической релаксации разных колебательных состояний в течение определенного периода времени населенность 2-го колебательного уровня приблизительно в 3 раза превышает населенность 1-го уровня - на переходе 21 возникает генерация Второй тип реакции: F 2 +HHF+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

4 Химические лазеры Процессы релаксации возбужденных состояний в химических лазерах аналогичны рассмотренным ранее процессам для молекулярных лазеров, работающих на колебательных переходах Происходят процессы VV-обмена и VT-релаксации 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

5 Химические лазеры Способы получения исходных компонентов атомарный фтор может быть получен при столкновениях молекулы SF 6 (или NF 3, UF 6 ) с электроном в электрическом разряде 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

6 Химические лазеры Другие химические лазеры - DF-, HCl, HBr-DF-лазеры Область генерации - ближний ИК диапазон в области длин волн мкм 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 CF 3 I : CF 3 I+h I*+CF 3 Источником излучения для этой реакции могут служить кварцевые лампы Длина волны генерации мкм

7 Химические лазеры Основным достоинством йодного лазера является возможность обеспечения фотодиссоциации больших объемов CF 3 I, что приводит к высоким величинам энергосъема Поглощение проходит в широкой спектральной полосе, обусловленной множеством энергетических состояний молекулы CF 3 I, имеющей большое количество колебательных степеней свободы Для накачки могут использоваться открытые разряды Вследствие наличия релаксационных процессов реакция фотодиссоциации должна протекать быстро. Поэтому накачка включается в импульсном режиме Кроме молекулы CF 3 I, могут использоваться молекулы C 3 F 7 I и CH 3 I

8 Химические лазеры DF-CO 2 -лазер Лазер излучает на тех же самых переходах, что и рассмотренный ранее CO 2 лазер. Однако в данном случае механизм создания инверсной населенности принципиально иной и состоит в прохождении следующей последовательности реакций: Сначала смешиваются молекулы оксида азота и фтора, в результате чего происходит образование атомарного фтора: NO+F 2 NOF+F Далее фтор взаимодействует с молекулярным дейтерием, и происходит образование молекулы DF в возбужденном колебательном состоянии: F+D 2 DF*+D Образовавшийся атом дейтерия может про взаимодействовать с непрореагировавшим молекулярным фтором также с образованием возбужденной молекулы DF: D+F 2 DF*+F

9 Химические лазеры DF-CO 2 -лазер На последней стадии к DF подмешивается двуокись углерода, и в результате резонансной передачи энергии заселяется верхний лазерный уровень CO 2 : DF*+ CO 2 DF+ CO 2 * NO F2F2 D2D2 CO 2 NOF, F DF, CO 2 CO 2 *

10 Химические лазеры DF-CO 2 -лазер На выходе проточной емкости, в которой происходят химические реакции, устанавливаются зеркала резонатора лазера Cхема близка к схеме газодинамического лазера с поперечным протоком активной среды 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