§ 2. УСТРОЙСТВО И ДЕЙСТВИЕ НЕКОТОРЫХ ХИМИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ

Схема типичного химического лазера малой мощности изображена на рис. 16.2. Кварцевая трубка длиной примерно от 50 см до нескольких метров замыкается брюстеровскими пластинками. Химическую реакцию инициирует вспышка лампы с энергией от 500 До нескольких тысяч джоулей. Длительность вспышки должна быть возможно короче, порядка нескольких микросекунд, но не более . С помощью светоделительной пластинки небольшая часть энергии ответвляется из резонатора и служит для исследования развития излучения лазера во времени с помощью осциллографа. Если используется двухлучевой осциллограф, один из лучей

Рис. 16.2. Схема химического лазера малой мощности [11]. 1 — первый детектор, 2 — двухлучевой осциллограф, 3 — монохроматор, 4 — второй детектор, 5 — устройство поджига, 6 — к вакуумному насосу и системе заполнения.

служит для записи временного хода всего излучения, а другой — для записи излучения определенной линии; в последнем случае линия выделяется с помощью монохроматора.

а. Хлористоводородный лазер (взрывного типа)

Химическую реакцию в таком лазере можно записать в виде [11]

Здесь обозначает мощное импульсное излучение лампы-вспышки. Остальные обозначения пояснены на рис. 16.1. В возбужденной молекуле (звездочкой обозначено возбужденное состояние) наблюдаются переходы типа Лазер генерирует линии серии Р: от до Нижний индекс обозначает верхнее колебательное состояние, а цифра в скобках — вращательное квантовое число конечного состояния (см. рис. 10.1). Длительность лазерного импульса короче длительности реакции.

б. Лазер на UF6 - Н2

Компа и Пиментел [6] обнаружили, что молекула является прекрасным фотолитическим источником атомов фтора. Это вещество обладает исключительно большим эффективным поперечным сечением

Рис. 16.3. Лазерные переходы в системе

Давления компонентов рабочей смеси составляли: . С помощью монохроматора определялись моменты появления отдельных линий. Время измерялось от момента поджига лампы.

поглощения для света импульсной лампы; кроме того, оно не повреждает брюстеровские окна разрядной трубки. Реакция в лазере имеет следующий вид:

Усиление света в этом лазере очень велико, значительно выше, чем в системе Возбужденная молекула HF излучает линии от до Соответствующие переходы обозначены на рис. 16.3. С помощью детектирующей схемы, показанной на рис. 16.2, изучена последовательность появления отдельных линий, начиная с момента зажигания лампы-вспышки. Излучение лазера на HF начиналось с запаздыванием на и продолжалось лишь Обнаружено, что линии с большими вращательными квантовыми числами появляются лишь при полном развитии химической реакции, когда температура смеси достаточно высока. Одновременная генерация нескольких линий свидетельствует о процессе медленного обмена энергией между различными вращательными состояниями.

в. Лазер на H2 + F («чисто химический» лазер)

Прямое использование химической энергии для получения инверсии населенностей колебательных состояний молекулы HF было продемонстрировано Спенсером с сотрудниками [12] в 1969 г. Схема их лазера изображена на рис. 16.4. Сверхзвуковой поток смеси

Рис. 16.4. Схема чисто химического лазера (видоизмененный рисунок из работы [12]). 1 — электрическая дуга, 2 — оптически активная область, 3 — сверхзвуковой поток, 4 - выходной пучок, 3 мкм.

протекает через трубку, в стенках которой имеются отверстия. Диффузия водорода в поток сквозь эти отверстия приводит к реакции

В первой камере происходит сильный разогрев азота с помощью электрической дуги мощностью около 28 кВт. Затем азот смешивается с поступающим во вторую камеру. Температура смеси достигает 2500 К. При такой температуре значительная часть молекул диссоциирует. Смесь расширяется сквозь сопло прямоугольного поперечного сечения размером см. Оптический резонатор лазера образован двумя зеркалами выполненными из бериллия и меди и покрытыми слоем золота. В центре выходного зеркала имеется отверстие, диаметр которого подобран так, чтобы обеспечивать максимальную мощность пучка. В случае когда площадь отверстия составляла 30% от площади зеркала, максимальная мощность пучка на длине волны 3 мкм достигала 475 Вт. КПД установки был относительно велик — до 12% (по отношению к энергии химической реакции). Скорости потоков газов составляли

Лазер работал в непрерывном режиме.

г. Фотохимический йодный лазер гигаваттной мощности

В 1973 г. Хола и Компа [13] запустили фотохимический йодный лазер, который состоял из генератора и усилителя и генерировал в ближней инфракрасной области спектра мкм) пучок мощностью 1,2 ГВт. Рабочим веществом в лазере служили атомы иода, возбуждение которых происходило в процессе фотодиссоциации:

Давление составляло 100 мм рт. ст. Эта молекула обладает высокой обратимостью в процессе диссоциации. Поэтому трубка, однажды заполненная смесью, может быть отключена от резервуаров и вакуумной системы. Однако срок службы такой трубки невелик и составляет около 100 вспышек.

В табл. 16.1 приведены важнейшие параметры этого лазера. Детали конструкции лазера (ниже мы будем называть его генератором) и двухступенчатого усилителя бегущей сретовой волны показаны на рис. 16.5. Генератор работает с оптической накачкой, причем большая часть энергии выделяется в виде одного короткого импульса. Для обрезания импульса служит комбинация ячейки Поккельса и призмы Глана. Часть излучения, отраженная призмой

Таблица 16.1 Важнейшие параметры йодного лазера

Рис. 16.5. Схема генерации и усиления света с помощью фотохимического возбуждения атомов иода [13]. 1 — генератор, 2 — ячейка Поккельса, 3 — призма Глана, 4 — первый усилитель, 5 — второй усилитель, 6 — высокое напряжение. В нижней части рисунка показана последовательность включения импульсных ламп, 7 — второй усилитель, 8 — первый усилитель, 9 - генератор, 10 — лазерная генерация,

в поперечном направлении, вызывает пробой между остриями электродов и переключает тем самым ячейку Поккельса. Световой импульс генератора имеет мощность 10 МВт при длительности 10 не. Поскольку ячейка Поккельса открывается периодически с помощью искрового разрядника, излучение может состоять из нескольких импульсов длительностью по несколько наносекунд. Расширенный с помощью телескопической системы световой пучок поступает в первый усилительный каскад с усилением, равным 400. Оптическая накачка второго усилительного каскада осуществляется в течение более продолжительного времени (см. графики в нижней части рис. 16.5). В эксперименте не применялся режим максимального усиления обоих каскадов, чтобы избежать развития паразитных колебаний. Эффективное усиление было равно 200 для первого каскада и лишь 6 для второго. Энергия первого импульса достигала 12 Дж, что при длительности 10 не дает мощность 1,2 ГВт.