6.5.1. Лазер на HF

Механизм накачки, используемый в лазере на связан с так называемой холодной реакцией:

Поскольку выделяемая в реакции теплота составляет 31,6 ккал/моль, молекула HF может оказаться в возбужденном состоянии вплоть до колебательного уровня (рис. 6.35).

Рис. 6.35. Возбуждение колебательных уровней молекулы HF за счет двух реакций Показаны также создаваемые таким образом относительные населенности

Вследствие того что скорости релаксации с различных колебательных уровней отличаются, уровень обладает самой большой населенностью и на переходе образуется большая инверсия населенностей. Из рис. 6.35 видно, что на колебательные степени свободы приходится более энергии реакции. То, что вследствие химической реакции молекула HF оказывается в возбужденном состоянии, понять нетрудно. Рассмотрим реакцию, записываемую в виде (6.22). В силу большого сродства к электрону атома взаимодействие на больших расстояниях характеризуется сильным притяжением, что приводит к значительной поляризации распределения заряда в молекуле Из-за малой инерционности электрона связь

HF может сформироваться до того, как протон участвующего в реакции атома водорода окажется на том межъядерном расстоянии, которое соответствует основному электронному состоянию молекулы HF. Таким образом, существует большая вероятность того, что после реакции протон будет находиться на большем расстоянии от атома чем равновесная длина связи HF. Следовательно, это приведет к классическому колебательному движению. Заметим, что для протекания реакции, записанной уравнением (6.22), необходим атомарный фтор. Его получают путем диссоциации тех или иных молекул, играющих роль донора для фтора, таких как или молекулярный Диссоциацию можно получить различными способами, например, при столкновениях с электронами в электрическом разряде

Если используется молекулярный фтор, то инверсия населенностей может также возникать при реакции недиссоциировавшей молекулы с атомарным водородом, образующимся в реакции (6.22), т. е.

Поскольку химическая энергия этой «горячей» реакции (98 ккал/моль) существенно превосходит энергию реакции (6.22), реакция (6.23) может приводить к возбуждению молекулы HF вплоть до колебательного уровня (рис. 6.35). Реакция (6.23) позволяет достаточно эффективно создавать инверсию населенностей между многочисленными колебательными уровнями молекулы HF. Приведенные выше замечания могут привести к предположению, что по сравнению с молекулярный фтор лучше подходит для HF-лазера. Однако в работе со смесью намного труднее обращаться, чем со смесью Действительно, атомарный фтор, образующийся в реакции (6.23), может снова принять участие в реакции (6.22), в которой в свою очередь образуется атомарный водород, который затем участвует в реакции (6.23), и т. д. Таким образом, уравнения (6.22) и (6.23) составляют классическую цепную реакцию, которая при определенных значениях параметров может приобрести взрывной характер.

Генерация происходит на нескольких колебательных переходах, от 1 —0 до мкм) и на нескольких вращательных линиях в пределах каждого колебательного перехода. Как уже говорилось в связи с СО-лазером, генерация на столь большом количестве линий обусловлена двумя обстоятельствами. Во-первых, это явление каскадной генерации.

Действительно, если генерирует переход (обычно самый сильный), то населенность уровня 2 будет уменьшаться, а населенность уровня 1 будет накапливаться. Следовательно, может возникнуть генерация на переходах Во-вторых, это явление частичной инверсии (см. рис. 6.23), при котором может наблюдаться инверсия населенностей между отдельными вращательными линиями даже тогда, когда между полными населенностями соответствующих колебательных уровней инверсии нет. Кроме лазера на HF следует упомянуть лазеры на которые работают по схемам, аналогичным лазеру на и генерируют в диапазоне мкм.

Лазеры на HF могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В импульсных лазерах атомарный фтор создается за счет столкновений между донорами фтора и электронами, образующимися либо за счет электрического разряда, либо с помощью дополнительного генератора электронного пучка. В промышленных приборах в качестве донора фтора применяется молекула и используется электрический разряд. Схема накачки аналогична схеме -лазера (рис. 6.21); при этом для создания более однородного разряда используется также УФ-предыонизация. Однако выходная энергия такого устройства значительно ниже, чем поступающая в лазер энергия электрической накачки. Отсюда следует, что в данном лазере лишь часть выходной энергии берется из энергии химической реакции. Однако заметим, что при использовании молекулярного фтора вместо возникает цепная реакция и выходная энергия лазера может существенно превосходить энергию электрического разряда. В этом случае лазер с большим основанием можно считать химическим. В непрерывных лазерах и при высоких мощностях (как, например, в системах, применяемых в военных целях) используется молекулярный фтор. Фтор подвергается тепловой диссоциации в плазмотронном нагревателе и затем истекает через сверхзвуковые сопла (до чисел Маха около 4). Затем в поток подмешивается молекулярный водород, чтобы вступить в цепную реакцию, описываемую уравнениями (6.22) и (6.23) (рис. 6.36). Лазерный резонатор помещается ниже по течению в области расширения таким образом, что его ось перпендикулярна направлению потока. В данном устройстве, а также в рассмотренном выше импульсном лазере, если необходимо получать высокие мощности (или большие энергии), нередко применяют неустойчивые резонаторы.

Химические лазеры описанных выше типов способны давать высокую выходную мощность (большую энергию) с высоким химическим КПД. 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 молекуле он позволяет получить самую высокую непрерывную мощность среди всех лазеров (2,2 МВт). Применение молекулы вместо HF связано с тем, что длина волны излучения попадает в область прозрачности атмосферы. Следует заметить, что хотя импульсные лазеры с электрическим разрядом производятся промышленностью, проблемы безопасности видимо, наиболее агрессивный и реакционноспособный из известных частиц) сильно ограничивают применимость химических лазеров данного типа. Поэтому главной областью использования этих лазеров будут, по-видимому, военные применения, в которых требуются высокие мощности излучения.

Рис. 6.36. Сверхзвуковой химический HF-лазер. (Согласно Честеру [42].) 1 — диссоциированный фтор; 2 — охлаждаемый канал; 3-инжекция через перфорированные трубки.