Газодинамический лазер — газовый лазер, в котором инверсия населённостей создаётся в системе колебательных уровней энергии молекул газа путём адиабатического охлаждения нагретых газовых масс, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Газодинамический лазер состоит из нагревателя, сверхзвукового сопла (или набора сопел, образующих сопловую решётку), оптического резонатора и диффузора. В нагревателе происходит тепловое возбуждение специально подобранной смеси газов (в результате сгорания топлива или подогрева с помощью электрических разрядов и ударных волн). При течении газа в сверхзвуковом сопле смесь быстро охлаждается; при этом нижние уровни энергии опустошаются быстрее, чем верхние, в результате чего образуется инверсия населённостей определённых уровней энергии молекул. В резонаторе генерируется когерентное излучение. Диффузор предназначен для торможения потока и повышения давления газа.
Самые мощные газодинамические лазеры работают в ИК области спектра (λ=10,6 мкм) на переходах между колебательными уровнями молекул СО2 (в смеси с азотом и парами воды или гелием). В этих газодинамических лазерах наиболее просто получить генерацию в продуктах сгорания углеводородных топлив. Получена генерация в ИК газодинамического лазера на молекулах СО, N2O и СS2. Кпд этих лазеров невелик (~1%), что связано с небольшой эффективностью теплового возбуждения и переходом основной доли энергии в кинетическую энергию молекул. Преимущество таких лазеров — возможность непрерывной генерации значит, мощности (до сотни кВт). Перспективно создание мощных газодинамических лазеров на переходах между электронными уровнями атомов и молекул, излучающих в видимой области спектра (фоторекомбинационные и плазмо-динамические лазеры).
Химический лазер — газовые лазеры, в которых инверсия населённостей образуется в результате химических реакций. Возможность создания такого рода лазеров основана на том, что продукты многих экзотермических химических реакций образуются преимущественно в возбуждённых состояниях. Большинство химических лазеров работает на колебательных переходах двухатомных молекул. Возбуждение осуществляется в результате экзотермических реакций замещения:
А+ВС→АВ+С+∆ε,
причём значительная часть δ выделяющейся энергии ∆ε идёт на возбуждение колебательных уровней молекулы АВ. В результате образуется неравновесный газ двухатомных молекул АВ, в котором средняя величина колебательной энергии значительно превышает величину энергии, приходящейся на поступательную и вращательную степени свободы молекул. Такой неравновесный газ является активной средой с инверсной населённостью для большого количества колебательных переходов. В таблице приведены некоторые реакции, приводящие к инверсной населённости, величины ∆ε и δ, а также примерный диапазон длин волн λ излучения, соответствующий каждой из реакций.
Таблица 1
Для работы химического лазера требуется создать некоторое количество химически активных свободных радикалов (атомов А). Для этого используются: прямой нагрев, приводящий к термической диссоциации вещества; облучение УФ или видимым светом, приводящее к частичной фотодиссоциации исходных продуктов; химические реакции, сопровождающиеся появлением свободных радикалов; газовый разряд, в котором частичная диссоциация компонент происходит в результате столкновений молекул с электронами, электронная бомбардировка и др. Т. к. в результате реакций, приводящих к возбуждению химического лазера, происходят необратимые изменения химического состава исходных веществ, необходимое условие длительной работы лазера — непрерывное возобновление рабочего вещества.
Основные параметры, характеризующие эффективность этого типа лазера— его химический кпд ηх (отношение энергии лазерного излучения к величине энергии, выделяющейся в результате химических реакции) и так называемой электрический кпд ηэ (отношение энергии лазерного излучения к энергии, затрачиваемой на инициирование химической реакции). Т. к. энергия, требуемая для инициирования многих экзотермических реакций, меньше энергии, которая выделяется в результате протекания таких реакций, то величина ηэ не имеет принципиальных ограничений сверху и может превышать 100%, например химический лазер на основе цепной реакции фтора с водородом (или дейтерием):
F+H2→HF+H,
H+F2→HF+F
имеют ηэ>90%. Однако для химических лазеров на основе цепных реакций ηх относительно невелико (~1%), поскольку, например, при малой начальной степени диссоциации молекул F2 время протекания цепной реакции оказывается много больше времени разрушения инверсной населённости в результате межмолекулярных соударений. В связи с этим наиболее мощные хим. лазеры на основе НF (DF), обладающие высоким ηх (до 10%), работают на основе простых реакций замещения (табл.). Максимальная энергия излучения НF-лазеров (в импульсном режиме)>2 кДж при длительности импульса ~30 нc. Наиболее мощные химические лазеры на НF непрерывного действия работают при прокачивании активного вещества через резонатор со сверхзвуковой скоростью и обладают выходной мощностью в несколько кВт при ηэ~2—4%. В основе применений хим. лазеров лежат, с одной стороны, их высокие мощность генерации и кпд, а с другой — возможность получения генерации на большом числе переходов в широкой области ИК спектра. Наряду с другими типами мощных лазеров химические лазеры используются в технологии, в установках по исследованию лазерного управляемого термоядерного синтеза, в лазерной спектроскопии, лазерной химии и лазерном разделении изотопов, а также при исследовании процессов молекулярных соударений.
ЭКСИМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ — газовые лазеры, работающие на переходах между электронными уровнями эксимерных молекул (молекул, существующих только в электронно-возбуждённом состоянии). Нижний уровень лазерного перехода является так называемым «отталкивательным» (невозбуждённые атомы отталкиваются друг от друга и не
Рис. 10
образуют молекулу). Энергия верхнего уровня лазерного перехода (один из атомов X* возбуждён) имеет минимум, соответствующий образованию эксимерной молекулы (рис. 10), При наличии в газе некоторого количества эксимерных молекул, создаваемых накачкой, инверсия населённостей возникает благодаря эффективному опустошению нижнего уровня за счёт разлёта ядер. Быстрое опустошение нижнего уровня обусловливает аномально большую ширину линий усиления эксимерного лазера (≈10–2—10–1 эВ).
В эксимерных лазерах используются двухатомные эксимерные молекулы — короткоживущие соединения атомов инертных газов друг с другом, с галогенами или с кислородом (см. табл. 2). Излучение этих молекул соответствует видимой или УФ областям спектра. Это объясняет интерес к данным лазерам как к источникам УФ когерентного излучения. Аномально большая ширина линии усиления открывает возможность перестройки частоты генерации.
Таблица 2
Активная среда лазера состоит из инертного газа при атмосферном или несколько большем давлении с возможными малыми добавками галогенсодержащих молекул (давление р ≤ 10–2 атм). Эксимерные молекулы образуются в результате протекания следующих процессов:
R*+X2→RX*+X,
R*+2R→ +R,
где R — атом инертного газа, Х2 — молекула галогена (звёздочка означает электронно-возбуждённое состояние). В силу малых времён жизни активных молекул (~10–8 с), малости λ и большой ширины линии усиления для осуществления генерации требуется создать достаточно высокую концентрацию эксимерных молекул. Это достигается за счёт использования мощных импульсных источников возбуждения — мощных электронных пучков или импульсного поперечного разряда, который обычно для обеспечения объёмной однородности предварительно инициируют маломощным электронным пучком или фотоионизирующим УФ излучением.
Наиболее эффективны и хорошо изучены эксимерные лазеры на АrF, КrF, ХеF. Выходная энергия этих лазеров при возбуждении электронным пучком или электрическим разрядом, инициируемым электронным пучком, достигает нескольких сот Дж при кпд 10% и длительности импульса ~10–8 с. При возбуждении импульсным электрическим разрядом кпд ~1%, однако возможность реализации импульсного режима с высокой частотой повторений (~104 Гц) делает такой способ возбуждения удобным. Средняя мощность генерации импульсных эксимерных лазеров с газоразрядным возбуждением достигает нескольких десятков Вт. Угловая расходимость излучения при использовании резонатора специальной конструкции достигает дифракционного предела.
Высокая мощность и эффективность эксимерных лазеров, малость длины волны и возможность её перестройки с помощью параметрических генераторов света и других устройств делают их перспективными. Эти лазеры используются для оптической накачки лазеров на красителях. Они перспективны для селективной лазерной фотохимии и лазерного разделения изотопов, а также лазерного термоядерного синтеза.
Do'stlaringiz bilan baham: |