ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ЛАЗЕР НА НР

Источником атомарного фтора для химических лазеров на основе НЕ мо­гут служить молекулы БЕ6 или ¥2. С технической точки зрения, эти два лазе­ра очень сильно отличаются. В серийно-выпускаемых устройствах в качестве донора используется инертная молекула вЕ6. Помимо этого, газовая смесь со­держит Н2 и большое количество Не. Для диссоциации молекулы вЕ6 и возбу­ждения реакции используется электрический разряд. Полное давление в га­зовой смеси близко к атмосферному, лазер работает в импульсном режиме и имеет конфигурацию, очень близкую к конфигурации ТЕА-С02 лазера. Тем не менее, выходная оптическая энергия такого устройства значительно мень­ше входной электрической. Это связано с тем, что лазер получает лишь ма­лую долю энергии химической реакции и поэтому может считаться химиче­ским лазером лишь косвенно. С другой стороны, когда используется смесь Е2 и Н2, лазер может работать в непрерывном режиме, и он получает наиболь­шую долю энергии от химической реакции. По этой причине, ниже будет рассмотрен только последний пример — НЕ лазер.

В химическом лазере на основе Е2 + Н2 большая часть атомарного фтора получается из молекул фтора. Атомарный фтор реагирует с молекулярным водородом согласно следующей реакции:

Г + н2 -► йде* + н,

В результате которой образуется атомарный водород. Далее атомарный водо­род реагирует с молекулярным фтором, согласно второй реакции:

Н + ¥2 -> НЕ* + Е.

Тогда после второй реакции атомарный фтор может восстановиться, и далее этот атом фтора может вступить в такой же цикл реакций, и т. д. Та­ким образом, имеет место классическая цепная реакция, в результате кото­рой может образоваться большое количество возбужденных молекул НЕ* Следует отметить, что теплота реакций (10.3.1)и(10.3.2) составляет 31,6 и 98 ккал/моль соответственно, и поэтому эти реакции называются холод­ной и горячей. Также можно показать, что в случае холодной реакции выдех ляемая энергия АН = 31,6 ккал/моль соответствует энергии АН =1,372 эВ* при которой образуется молекулярный НЕ. Поскольку разница энергий двузс колебательных уровней молекулы НЕ соответствует длине волны перехода X « 3 мкм (что составляет примерно АЕ = 0,414 эВ), можно оценить, что если бы вся эта энергия выделилась в виде колебательного возбуждения, то моле­кулы НЕ могли бы оказаться в возбужденном состоянии вплоть до колеба­тельного уровня с квантовым числом и = АН/АЕ = 3 (см. рис. 10.22а). Тем не менее, было обнаружено, что доля энергии реакции, которая переходит в колебательную энергию, зависит от относительной скорости соударяющих­ся частиц реакции и от ее направления относительно оси Н-Н. В случае газа, когда молекулы ориентированы хаотично, можно вычислить долю молекул, находящихся в колебательных состояниях V = 0, 1, 2 или 3 соответственно. На этом же рисунке изображено относительное число Ы(и) возбужденных молекул НЕ. Например, можно видеть, что 5 из 18 молекул находятся в со* стоянии V = 3 и, таким образом, поглощают почти всю энергию в виде коле* бательной энергии. С другой стороны, 1 из 18 молекул находится в основном

Состоянии (и = 0), и в этом случае вся энтальпия реакции переходит в кине­тическую энергию продуктов реакции (большей частью это водород, посколь­ку основным продуктом является именно он). Из рисунка можно видеть, что если бы протекала только эта реакция, то возникла бы инверсия населенно­стей, особенно на переходе (и = 2) -> (и = 1).

В случае горячей реакции (рис. 10.22б) может образоваться молекула НЕ, возбужденная вплоть до колебательного уровня си = 10. Относительная на­селенность И(и) этих колебательных уровней, которую можно вычислить, показана на том же рисунке. Теперь видно, что наибольшая инверсия насе­ленностей возникает на переходе (и = 5) -»(и = 4). Из приведенного объясне­ния можно легко подсчитать, что, например, в холодной реакции (10.3.1) в виде колебательной энергии в среднем выделяется более 60% энергии реак­ции. Теперь несложно понять причину, по которой молекула НЕ оказывает­ся в возбужденном состоянии после химической реакции. Рассмотрим атом фтора, соударяющийся с молекулой водорода. В силу большого сродства ато­ма фтора к электрону взаимодействие Е-Н2 на больших расстояниях харак­теризуется сильным притяжением, что приводит к значительной поляриза­ции распределения заряда в молекуле Н2. Из-за малой инерционности элек­трона связь НЕ может сформироваться до того, как протон участвующего в реакции атома водорода окажется на том межъядерном расстоянии, которое соответствует основному электронному состоянию молекулы НЕ. Таким об­разом, существует большая вероятность того, что после реакции протон бу­дет находиться на большем расстоянии от атома Е, чем равновесная длина связи НЕ. Это классическое представление показывает, что после того как реакция завершится, молекула НЕ останется в возбужденном колебатель­ном состоянии.

Как видно из приведенного выше рассуждения, в НЕ лазере инверсия населенностей возникает между несколькими колебательными уровнями молекулы НЕ, что является следствием комбинированного эффекта и холод­ной, и горячей реакций. Поэтому при помещении активной среды в подходя­щий резонатор генерация будет идти сразу на нескольких уровнях возбуж­денных молекул НЕ. Действительно, генерация была получена на несколь­ких вращательных линиях, начиная с перехода (и = 1) -> (у = 0) и вплоть до перехода (и = 6) -> (и = 5). Благодаря ангармоничности потенциала взаимодей­ствия, вращательные энергетические уровни расположены неэквидистантно (рис. 10.22), и спектр лазера состоит из множества вращательно-колебатель­ных линий, заключенных в довольно широком спектральном диапазоне (к = 2,7-3,3 мкм). Также следует отметить, что количество наблюдаемых ла­зерных переходов больше, чем следовало бы ожидать исходя из инверсии населенностей, распределение которой приведено на рис. 10.22. Так же, как и в случае СО лазера, генерация на столь большом количестве линий обу­словлена двумя обстоятельствами: во-первых, это может быть связано с кас­кадной генерацией. Действительно, если генерирует переход (V = 2) -»(и = 1) (обычно самый сильный), то населенность уровня 2 будет уменьшаться, а на­селенность уровня 1 будет увеличиваться, и, следовательно, может возник­нуть генерация на переходах (и = 3) —» (V = 2) и (и= 1 )->(и = 0). Во-вторых,

Может иметь место частичная инверсия, при которой инверсия населенно­стей между отдельными вращательными линиями может наблюдаться даже тогда, когда между полными населенностями соответствующих колебатель­ных уровней инверсии нет. Кроме лазера на HF также следует упомянуть лазеры на DF, НС1 и НВг, которые работают по схемам, аналогичным лазеру на HF, и генерируют в диапазоне 3,5-5 мкм.

На рис. 10.23 представлена одна из возможных конфигураций мощных непрерывных HF и DF лазеров. Здесь фтор подвергается тепловой диссоциа­ции в плазмотронном нагревателе и затем истекает через сверхзвуковые со­пла (до чисел Маха около 4). Затем в поток подмешивается молекулярный водород через перфорированные трубочки, помещенные в соплах, чтобы всту­пить в цепную реакцию, которая описывается уравнениями (10.3.1) и (10.3.2). Лазерный резонатор помещается ниже по течению в области расширения таким образом, что его ось перпендикулярна направлению потока. Чтобы управлять высокой мощностью, находящейся в расширяющемся пучке (обыч­но большого диаметра), часто используются неустойчивые резонаторы с во- доохлаждаемыми металлическими зеркалами. Химические лазеры такого типа позволяют получать высокую выходную мощность (порядка мегаватт!) в непрерывном режиме с высоким химическим КПД.

Импульсный HF лазер TEA-типа выпускается серийно. Он нашел приме­нение там, где требуется интенсивный источник когерентного излучения среднего ИК-диапазона (например, в спектроскопии). Химические лазеры на HF hDF в конфигурации, показанной на рис. 10.23, используются ис­ключительно в военных целях. На самом деле, использование этих лазеров в промышленности сильно ограничено из соображений безопасности. Моле­кула F2 — самая агрессивная и реакционноспособная из всех известных час­тиц. Продукты реакции с этим элементом очень сложно удалять, и, более того, при определенных условиях реакции (10.3.1) и (10.3.2) могут стано­виться даже взрывоопасными. Благодаря большой выходной мощности, в военных целях эти лазеры могут применяться непосредственно как энерге­тическое оружие, например для уничтожения ракет противника. Непрерыв­ный лазер для военных целей под названием MIRACL (аббревиатура англ. слов mid-infrared advanced chemical laser) представляет собой усовершенст­вованный химический лазер в среднем ИК-диапазоне, работающий на моле­
кулах БЕ. Он позволяет получить самую высокую непрерывную мощность среди всех лазеров (2,2 МВт). Применение молекулы БЕ вместо НЕ связано с тем, что длина волны излучения БЕ попадает в область прозрачности атмо­сферы, и эти устройства можно использовать в наземном исполнении. Со­всем недавно был построен НЕ лазер с выходной мощностью порядка 5 МВт. Предполагается использовать этот лазер либо на самолетах, способных ле­тать на большой высоте, для уничтожения ракет, находящихся на баллисти­ческой траектории, либо на космических станциях для поражения ракет во время их запуска (в момент, когда ракеты имеют более низкую скорость и поэтому являются наиболее уязвимыми).