Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 42
Текст из файла (страница 42)
В результате этого за счет энергии, выделяющейся в процессе реакции, молекулы НР* оказываются возбужденными, Эти молекулы и служат источником лазерного излучения. Реальная цепь не бесконечна, так как активные центры существуют конечное время. Г1озтому вводят понятие длины цепи т,„„, как отношение общего числа наработанных молекул (в данном примере 1НР1) к исходному числу -химически активных центров ((Р)) ч„„„= = 1НР)/(Р). Но на практике эффективность химического лазера, работающего на основе цепной реакции, определяется не химической, а так называемой лазерной длиной цепи т, Лазерная длина 185 цепи равна отношению скорости наработки возбужденных молекул (НГ~) к скорости гибели инверсной населенности в результате релаксации. Обычно ч, < ч „, и поэтому именно лазерная длина цепи определяет КПД химического лазера.
С кинетической точки зрения можно выделить две группы лазерных систем на основе химической накачки: 1) лазеры с пря. мым образованием инверсии населенностей в результате химиче. ской реакции; 2) лазеры с созданием инверсии населенностей путем передачи энергии от молекул, возбузкдаемых химической реакцией, к молекулам, образующим лазерную среду. Решающим фактором при создании инверсии в первом случае явлиегся соотношение между скоростью химической реакции и скоростями релаксапии уровней.
Для достижения пороговой плотности инверсии необходимо, чтобы скорость накачки на верхний рабо~ий уровень превосходила скорость заселения нижнего уровня. Во втором случае образование инверсии населенностей происходит за счет резонансной передачи энергии возбуждения иевозбужденным многоатомным молекулам, которые затем высвечиваются в резонаторе. Для образования инверсии в этом случае не требуется инверсии заселенности энергетических уровней возбужденных молекул, образую1цихся в результате химической реакции.
Необходимо лишь, чтобы эффективная температура колебательных степеней свободы исходных молекул была выше температуры рабочей молекулы. Кроме того, химические лазеры можно разделить по виду инициирования иа «чисто химические» (без внешнего инициирования) н с инициированием химической реакции. В первом случае химическая реакция возникает самопроизвольно прп смешивании компонентов. Во втором случае для обеспечения условий, необходимых для возникновения и протекания химической реакции, требуется предварительное возбуждение тех или иных реагентов, вступающих в реакцию.
На практике наибольшее распространение для инициирования получили фотодиссоциация и диссоциация молекул электронным ударом. Источником фотонов при диссоциации может служить либо кварцевая импульсная лампа, либо различные типы открытых разрядов: искровые разряды в газе, взрывающаяся проволочка, скользящий разряд н т, п. Электроны для диссоциации электронным ударом можно получить путем формирования самостоятельного нлн несамостоятельного разряда в рабочей среде химического лазера; возможно использовать для этих целей и электронный пучок. По режиму работы химические лазеры делятся на лазеры импульсного и непрерывного действия, Они имеют общую химико- кинетическую основу. Импульсный химический лазер состоят из следующих основных узлов: реактора, где протекает химическая реакция с образованием активной среды; оптического резонатора; системы нниции- 186 Рве.
Зив. Схема химического лазера непрерывного два«твин е тепловым инипивроваавееа à — замера катрееаккя тенкекесатеп»; 3 — камеРа аля смемпезпня Хкмкеыкете реагезта с теплонесвтелезп 3 — сзсркззу. козой воток: е — зеркала резсватора рования реакции; системы приготовления и напуска смеси реагентов в реактор; системы удаления отработанных продуктов, Для получения непрерывного режима генерации в химическом лазере необходимо обеспечить достаточно быструю смену реаген' тов в реакторе и решить проблему получения химически активных , центров в непрерывном режиме. В основу «чисто химического» ОР— СОт лазера может быть по' ложена реакция дейтерня с фтором с последующей передачей возбуждения на СО,. Для поджига реакции в качестве вспомога, тельного реагента применяется окись азота, которая при взаимо. ;, действии с молекулой фтора образует атомарный фтор, служащий , активным центром, ннициирутощнм лазерохимнческую цепь: )з1О + Р— )т)ОР + Р; Р + От -е- 0Ре + О; П+Р,-пОРе+Р; ОГ~ + СО« ~00 О) ПР + СО, ~00~1).
Общая скорость потока смеси в резонаторе оливка к скоростн звука, но не превышает ее. Для получения больших скоростей потоков истечения необходимо нагреть газ до высоких температур, что одновременно позволяет осуществлять тепловую днссоциацию молекул, т. е, тепловое инициирование химической реакции. Струя теплоноси, теля в смеси с химически активными центрами выпускается через сопловой блок, приобретая сверхзвуковую скорость.
Примером ' лазера с тепловым инициированием является лазер, в котором используется следующая реакция (рнс, 6.15): Р + Н«11)з) — НР (ПР ) + Н 1О). Лазер состоит из камеры, в которой с помощью дугового разряда происходят разогрев молекулярного азота, второй камеры, где происходят смешивание разогретого до температуры 2500'С азота с гексафторндом серы и диссоциация последнего в резуль. тате передачи тепловой знергии от азота, сопровождающаяся образованием атомарного фтора.
Полученная смесь продувается через сопла со сверхзвуковой скоростью. Ка выходе сойлового ' блока в поток добавляют люлекулярный водород, что ведет к ини' циированию реакции, сопровождающейся появлекием возбужденных молекул фтористого водорода НР'. Возбуждение моле- 187 кул фтористаго водорода обусловлено экзотермическим характером протекающей реакции, в ходе которой выделяется энергия, равная 134,4 Дж/моль. Процесс смешения реагентов в химическом лазере иепрерывнога действия — это и особенность, которую необходимо учитывать при анализе характеристик такого лазера, и важная проблема, Наиболее перспективны лазерохимическяе системы с цепной накачивающей реакцией в смесях Нз (0,) + Г, и 13л + Р, -1- СО,, В лазерах со сверхзвуковым истечением продуктов реакции на колебательно-возбужденных молекулах Нг (Х - 2,7 мкм) или 1)Г (л = 3,6 мкм) достигаются мощности в непрерывном режиме ! — 10 кВт при химическом КПД до 10О4, Излучение лазера на Нг на длине волны 2,7 мкм сильно поглощается в атмосфере парами волны, и поэтому основное внимание уделяется лазерам иа молекуле Рг, хотя в этом случае и требуется более дорогой дейтерий.
Зиергасъем в химических лазерах достигает 100 джоулей с одного литра, Достоинствами химических лазеров являются высокий КПД (10 — 15об ) и высокое значение энергии, снимаемой с единицы объема. Кроме того, для лазеров без инициирования химических реакций не требуются громоздкие источники питания, как это имеет место в твердотельных, газовых и жидкостных лазерах, Недостаток химических лазеров заключается в токсичности боль- ' шинства используемых веществ.
Применение химических лазеров в технологии тесно связано с будущим энергетики. В настоящее время изучаются преимущества преобразования ядерной энергии сначала в химическую, а затем в другие ее виды. И химический лазер в этом случае является наиболее естественным устройством в цикле ядерная энергия— химическая энергия — когерентное излучение. б.з. ЛАЗЕРЫ НА ОАМООГРАНИЧЕННЫХ ПЕРЕХОДАХ К лазерам на самоограииченных переходах относят лазеры„ работающие иа самоограииченных переходах в атомах паров металлов и химических элементов (иа парах меди, марганца, бария и пр,), и лазеры на самоаграииченных переходах молекул (молекулярный азот и молекулярный водород).
Несмотря на различие в конструктивном исполнении и используемых видах переходов эти лазеры имеют аналогичный механизм создания инверсии, который и способствовал выделению их в отдельную гругпу. В отличие ат непрерывных лазеров инверсия в этой труппе лазеров образуется лишь иа короткое время на переходе с первого резонансно-возбуждаемого электронным ударом уровня иа метастабильный за счет разницы в скорости заселения этих уровней в начальные моменты возбуждения разряда. Поскольку нижний лазерный уровень в данном случае мета- стабильный и скорость его распада обычно мала, населенность !Вз полозово еосоюолое Рпс.
6Л6, Схема рабе»их уровкея лазера ка парах медИ Ч Чв Ье»,„ям Е» ам+И» на этом уровне постепенно увеличивается Е, и инверсия пропадает, т. е. она существует ограниченное время. Длительность суп1ествовапня инверсии имеет порядок времени жкзни верхнего рабочего уровня. В связи с этим лазеры на таких переходах с нераспадающимся нижним уровнем называются лазерами на самоограпичениых переходах, поскольку длительность генерации ограничена свойствами рабочих уровней.
Возбудить этя ликии можно импульсной накачкой при условии, что возбуждающий импульс короче времени жизни верхнего лазерного уровня, Рассмотрим более подробно два типичных представителя этой группы лазеров, получивших наибольшее распространение. лазер на парах меди и лазер на молекулярном азоте. Лазер на парах меди имеет ряд положительных свойств, что и способствовало его широкому применению: высокий КПД в видимой области спектра (квантовый выход до 50в4, практический КПД вЂ” единицы процентов), высокую импульспукз мощность— да сотен киловатт, среднюю мощность — до сотен ватт, частоту повторения — до десятков килогерц.
Достоинством этих лазеров является и чрезвычайно высокое усиление (до 1000 дБ/м). Схема рабочих переходов медного лазера представлена на рнс. 6,16. Два верхних лазерных уровня конфигурации 4р принадлежат резонансным переходам, которые эффективно возбуждаются электронами в разряде. Время жизни этих переходов при.,мерно 5 10 ' с. Гене~виня наблюдается иа двух переходах с этих уровней на уровни 46, являющиеся метастабильными, время жизни которых определяется соударениями (около 10 ' с). Зтим переходам соответствуют две длины волны генерации.
В обычных условиях мощность генерации на зеленой линии (Х = 610,5 нм) намного больше, чем на желтой (Х вЂ” 578,2 нм). КПД лазера на самоограииченных переходах равен где д и д — статистические веса верхнего и нижнего лазерного уровней; Ьч„ — энергия кванта лазерного перехода; Е„ — энергия верхнего уровня; Ч вЂ” доля энергии, затрачиваемой на заселение верхнего лазерного уровня.
Множитель д„,/(й + + д„) ж !, отношение Ы )Е„ ж 0,5 †: 0,7, Ч„ ж 0,5, что на практике позволяет достигать КПД около 1Овб. Одна из уникальных особенностей этих лазеров — чрезвычайно высокий коэффициент усиления, обусловливающий работу в режиме сверхсветимости, т. е. без резонатора. Эта особенность дает возможность использовать их в качестве когерентных усилителей света, способных на несколько порядков усиливать яркость 189 световых пучков, несущих изображение. Это свойство было ис пользовано при осуществлении лазерных проекционных микро.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
