ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР

ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР

-газовый лазер, в к-ром инверсия населённостей образуется в результате хим. реакций. Возможность создания X. л. основана на том, что продукты многих экзотермич. хим. реакций образуются преим. в возбуждённых состояниях. Большинство X. л. работает на колебательно-вращат. переходах двухатомных молекул. Возбуждённые молекулы эффективно образуются, в частности, в результате экзотермич. реакций замещения:

причём значит. часть d выделяющейся энергии Dидёт на возбуждение колебат. уровней молекулы АВ. В результате образуется неравновесный газ двухатомных молекул АВ, в к-ром ср. величина колебат. энергии значительно превышает величину энергии, приходящейся на поступат. и вра-щат. степени свободы молекул. Такой неравновесный газ является активной средой с инверсной населённостью для большого кол-ва колебат. переходов (см. Молекулярные спектры). В табл. приведены нек-рые реакции, ведущие к инверсной населённости, величины D и d, а также примерный диапазон длин волн l соответствующего излучения.

Для работы Х. <л. необходимо создать нек-рое кол-во химически активных свободных радикалов, стимулирующих протекание хим. реакции. С этой целью используются все способы воздействия на молекулы, приводящие к их диссоциации: прямой нагрев, вызывающий термич. диссоциацию; облучение УФ- или видимым светом, вызывающее частичную или полную фотодиссоциацию молекул; хим. реакции, сопровождающиеся образованием свободных радикалов; газовый разряд, в к-ром свободные радикалы образуются в осн. при столкновениях электронов с молекулами; облучение хим. реагентов пучками быстрых электронов или ионов, продуктами ядерных реакций и др. Поскольку в результате реакций, приводящих к возбуждению X. л., происходят необратимые изменения хим. состава исходных реагентов, необходимым условием длит. ра-

боты X. л. является непрерывное возобновление рабочего вещества.

В активной среде Х. <л. наряду с реакцией (1) протекают разнообразные столкновительные процессы с участием колебательно возбуждённых молекул. Эти процессы оказывают существ. влияние на формирование заселённостей и определяют выходные характеристики X. л. Наиб. важным является процесс колебательно-поступательной релаксации колебательно возбуждённых молекул:

где М - молекулы, входящие в состав активной среды X. л., u - колебательное квантовое число молекулы. Указанный процесс, в результате к-рого колебательная энергия молекулы, образовавшейся при протекании экзотермич. реакции, преобразуется в тепло, разрушает инверсию населённостей в активной среде X. л. и ограничивает его выходные характеристики. Эфф. преобразование хим. энергии в энергию лазерного излучения возможно только при условии, если характерное время протекания реакции (1) не превышает характерного времени процесса колебат. релаксации (2). Поскольку обычно при протекании газофазных хим. реакций выполняется противоположное условие, лишь незначит. число химически реагирующих систем пригодно для использования в качестве активной среды X. л. с высокими выходными характеристиками.

Энергия, выделяющаяся в результате протекания экзотермич. хим. реакций, обычно распределена по значит. числу колебат. состояний молекулы - продукта реакции. Характер этого распределения определяется соотношением между временами протекания хим. реакции (1), колебат. релаксации (2), а также характерным временем процесса обмена колебат. квантами при столкновении молекул АВ между собой. Это соотношение весьма сложным образом зависит от состава активной среды лазера, темп-ры газа и определяет спектр излучения X. л. Кроме того, молекулы, принадлежащие определ. колебат. состоянию, распределены по значит. числу вращат. состояний. При этом в силу быстрого обмена вращат. энергией при столкновениях друг с другом и с молекулами буферного газа распределение молекул по вращат. состояниям в активной среде X. л. обычно описывается ф-лой Больцмана:

где N_u- концентрация молекул, принадлежащих данному колебательному состоянию; В- вращат. постоянная молекулы; J- вращат. квантовое число, характеризующее данное вращат. состояние; Т- темп-pa газа. В этих условиях в активной среде X. л. реализуется режим частичной инверсии, когда инверсия населённостей на колебательно-вращат. переходах Р -ветви (переходы JJ+ 1) реализуется при нарушении условия N_u>N_u-1. Указанные обстоятельства влияют на характер спектра генерации X. л., к-рый обычно состоит из большого числа колебательно-вращат. переходов Р -ветви, принадлежащих неск. колебат. полосам.

Осн. параметры, характеризующие эффективность X. л.,- его хим. кпд h _х (отношение энергии лазерного излучения к величине энергии, выделяющейся в результате хим. реакции) и т. н. электрич. кпд h _э (отношение энергии лазерного излучения к энергии, затрачиваемой на инициирование хим. реакции). Т. к. энергия, требуемая для инициирования мн. экзотермич. реакций, меньше энергии, к-рая выделяется в результате протекания таких реакций, то величина h _э не имеет принципиальных ограничений сверху и может превышать 100%. Напр., электрич. кпд X. л. на основе цепной реакции фтора с водородом (или дейтерием)

в определ. условиях достигает 1000%. Это связано с особенностями протекания цепной хим. реакции, для иници-

ирования к-рой достаточно создания незначит. кол-ва химически активных радикалов. Однако величина h _х лазеров со столь высоким значением h _э относительно невелика (~ 1 %), поскольку при малой нач. степени диссоциации молекул F₂ время протекания цепной реакции оказывается много больше характерного времени разрушения инверсной населённости в результате межмолекулярных соударений, сопровождающихся колебат. релаксацией. В силу этого обстоятельства величина h_x лазера на основе цепной реакции фтора с водородом с уменьшением нач. степени диссоциации молекул e спадает по закону h _х~, в то время как для h _э справедлива зависимость h _э~1/ Отсюда следует, что использование цепной реакции не позволяет осуществить сколько-нибудь полное преобразование хим. энергии в энергию лазерного излучения. В связи с этим наиб. мощные X. л. на основе HF, обладающие высоким значением h _х (до 10%), работают на основе простых реакций замещения (табл.). Макс. энергия излуче-

ния HF-лазеров в импульсном режиме достигает 10 кДж при длительности импульса в неск. десятков нc. Наиб. мощные X. л. на HF непрерывного действия работают при прокачивании активного вещества через резонатор со сверхзвуковой скоростью и характеризуются выходной мощностью в неск. кВт при h _э~24%.

Наряду с колебательно возбуждёнными молекулами в результате протекания экзотермич. реакций могут образовываться электронно возбуждённые молекулы, излу-чательный распад к-рых также может составить основу работы хим. лазера. Из большого числа обсуждавшихся в литературе конкретных хим. механизмов создания электронно возбуждённых атомов или молекул в качестве активной среды X. л. практическую реализацию нашёл механизм создания инверсной заселённости на переходе между состояниями тонкой структуры атома иода I(²P_1/2 )и I(²P_3/2) с длиной волны 1,315 мкм. Заселение верх. состояния лазерного перехода осуществляется в результате передачи возбуждения от молекулы синглетного кислорода:

В свою очередь синглетный кислород получают в результате протекания реакции хлора с перекисью водорода в щелочной среде. Т. о., кислородно-йодный лазер не тре-

бует для своей работы внеш. источника энергии, потребляя исключительно хим. энергию реагентов. Выходная мощность этого лазера достигает неск. сотен ватт в непрерывном режиме при кпд в неск. процентов. Привлекательные качества лазера этого типа связаны с длиной волны из-лучения соответствующей макс. прозрачности оптич. устройств на кремниевой основе, а также с наиб. высоким среди X. л. качеством лазерного луча, что обусловлено незначит. энерговыделением в активной среде лазера.

В основе применений X. л. лежат, с одной стороны, их высокие кпд и мощность генерации, а с другой стороны- возможность получения генерации на большом числе переходов в широкой области ИК-спектра. Наряду с др. типами мощных лазеров X. л. используются в технологии обработки материалов, в установках по исследованию лазерного управляемого термоядерного синтеза, в системах лазерного зондирования атмосферы, в лазерной спектроскопии, лазерной химии и лазерном разделении изотопов, а также при исследовании процессов молекулярных соударений с изменением колебат. и вращат. состояний молекул.

Лит.: Химические лазеры, под ред. Н. Г. Басова, М., 1982; Елецкий А. В., Процессы в химических лазерах, "УФН", 1981, т. 134, в. 2, с. 237; Химические лазеры, под ред. Р. Гросса и Дж. Ботта, пер. с англ., М., 1980; Аблеков В. К., Денисов Ю. Н., Прошкин В. В., Химические лазеры, М., 1980.

А. В. Елецкий.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.