3.1.2.4. Химические лазеры

Одним из перспективных типов лазеров являются химические лазеры, в которых инверсия заселенностей создается в ходе химической реакции [7].

Для создания химического лазера нужна реакция, протекающая с выделением достаточно большой энергии, причем эта энергия должна не рассеиваться в виде тепла, а оставаться в образующихся продуктах; молекулы продуктов должны достаточно долго оставаться в возбужденно-колебательном состоянии. Скорость протекания этих химических реакций должна быть больше скорости установления теплового равновесия в реакционной среде. Такими скоростями могут обладать только реакции с участием очень активных частиц – свободных атомов или радикалов. Причем, энергия лазерного излучения должна намного превышать энергию, затрачиваемую на инициирование реакции.

Например, из двух классических цепных процессов:

для создания химического лазера пригоден лишь второй, так как

- колебательно-возбужденные молекулы при фторировании водорода получаются в обоих звеньях цепи;

- скорость обоих звеньев реакции в этом процессе выше скорости релаксационных процессов, в то время как скорость первого звена при хлорировании водорода меньше скорости процесса дезактивации молекулы;

- энергия диссоциации фтора значительно меньше энергии диссоциации хлора.

Именно реакции фторирования водорода была использована для создания первого химического лазера (1969 г. В.Л.Тальрозе, СССР).

На   рис. 3.4. показана схема химического HF(DF)-лазера  с тепловым инициированием реакции. В настоящее время этот лазер является самым мощным из лазеров непрерывного действия.

Рис.3.4. HF(DF)-лазер  с тепловым инициированием реакции:

1 – камера сгорания; 2 – сопловая решетка; 3 – зона реактора; 4 – окна для вывода излучения в резонатор; 5 – полупрозрачное зеркало резонатора; 6 – глухое зеркало резонатора

В камеру сгорания (1) вводятся фтор, водород и гелий при заданном избытке молекулярного фтора. Здесь происходит сильно экзотермическая реакция взаимодействия водорода с фтором, в результате которого температура смеси повышается до 1500-2000 К. При этой температуре практически весь избыток молекулярного фтора диссоциирует на атомы. Можно изменять долю атомарного фтора в реакционной смеси, повышая или понижая температуру смеси путем изменения содержания водорода или разбавления смеси гелием. Таким образом, лазер данного вида работает без внешнего источника энергии. Однако этот метод инициирования не является универсальным, так как для других веществ энергия диссоциации на атомы значительно больше, чем у фтора. Например, для диссоциации молекул водорода требуется температура выше 4000 К.

Полученную в камере сгорания смесь пропускают через набор сопел (сопловую решетку 2), разгоняя в них поток до сверхзвуковых скоростей (2000 м/с), что сопровождается охлаждением газа. Сопловой блок обеспечивает не только охлаждение, но и эффективное смешение компонентов за счет разделения общего потока смеси на струи малого сечения. Кроме того, сопловая решетка позволяет обеспечить быструю прокачку вещества, позволяя получить большие мощности излучения.

На выходе из сопел к потоку примешивается поток дейтерия также в виде струй малого сечения. В зоне реактора 3 проходит реакция, сопровождающаяся образованием колебательно возбужденных молекул F + D2 → DF* + D. Реакторная зона лазера имеет окна (4) для вывода излучения в пространство резонатора, состоящего из полупрозрачного (5) и глухого (6) зеркал.

Другим видом химического лазера, основанным на фторировании водорода, является (DF-CO2)-лазер. Атомарный фтор в этом лазере получают за счет реакции  NO + F2 → NOF + F. Образующийся при взаимодействии  с дейтерием DF* быстро передает энергию молекулам СО2, которые и служат излучателем. Такой лазер имеет более простую конструкцию, так как не содержит сопловой решетки. Однако мощность (50-60 Вт/г расходуемого вещества) ниже, чем мощность аналогичного лазера с тепловым инициированием реакции (100-200 Вт/г).

Лазеры на HF генерируют излучение на длине волны 2,7 мкм, а на молекулах DF – на длине волны 3,6 мкм и достигают мощности непрерывного излучения 1 – 10 кВт.

Существуют лазеры, основанные на других химических реакциях. Например, кислород-йодный лазер использует энергию синглетного кислорода, то есть молекулы кислорода, находящейся в первом электронно-возбужденном состоянии. Такие молекулы могут образовываться во многих химических реакциях, в том числе при пропускании молекулярного хлора через раствор перекиси водорода в NaOH:

Н2О2 + 2NaOH + Cl2 → 2H2O + 2NaCl + O2 (1Δ).

Синглетный кислород плохо излучает, поэтому долго живет. Для использования его энергии к потоку добавляют йод, молекулы которого разбиваются на атомы:

I2 + O2 (1Δ) → 2I + O2(3∑).

Образовавшиеся атомы йода при столкновении с синглетным кислородом возбуждаются и образуют активную среду лазера

I + O2 (1Δ) → I* + O2(3∑).

Один литр смеси перекиси водорода с щелочью способен дать до (5-10) .104 Дж энергии лазерного излучения.

Кроме описанных химических лазеров, имеющих наилучшие характеристики и являющихся наиболее развитыми в инженерном отношении, существуют и другие химические лазеры: лазеры на основе реакции окисления сероуглерода, в котором излучателем являются молекулы СО, лазеры, основанные на передаче энергии от колебательно-возбужденных радикалов ОН молекулам СО2, HF-лазер, в котором используется смесь молекул водорода и SF6, выпускаемый для медицинских целей и др.

В настоящее время на основе химических реакций разработаны также импульсные  лазеры, позволяющие получать короткие мощные импульсы когерентного излучения. Однако инициирование реакций в таких лазерах осуществляется излучением импульсной лампы, потоком электронов высокой энергии или электрическим током. К.п.д. таких лазеров выше единицы, так как энергия, генерируемая лазером, черпается не из энергии инициирования, а из химической энергии, запасенной в реакторе.