1.2.4. Химические лазеры

Лазеры, в которых для создания инверсии населенностей используется энергия, выделяемая в химической экзотермической реакции, имеют очевидные практические преимущества. Важнейшим среди этих преимуществ является возможность в компактной форме запасать энергию с целью ее дальнейшего использования. Таким образом, перед исследователями, занимающимися физикой атомных столкновений, стоит задача — установить те типы химических реакций, в результате которых создается инверсия населенностей, а также сформулировать принципы, которые могли бы предсказывать и объяснять поведение этих реакций.

В первом химическом лазере, созданном Каспером и Пиментелом [57], используется колебательный переход молекулы , возбуждаемой в процессе цепной реакции

Свободные атомы хлора, инициирующие цепной процесс, образовались при фотодиссоциации молекул Наиболее удачным и известным среди химических лазеров является лазер на колебательных переходах молекулы HF. Лазерную генерацию в данном лазере независимо получили Компа и Пиментел [58], а также Дойч [59]; этот лазер подробно рассмотрен Хинченом (см. гл. 7 настоящей книги).

Известно, что во многих случаях пламена, в которых протекают сильно экзотермические химические реакции, испускают интенсивный свет в видимой области спектра, называемый хемилюминес-ценцией. Предполагалось, что эта хемилюминесценция возникает благодаря прямому образованию электронно-возбужденных молекул в химических реакциях, что можно схематически записать в виде следующих процессов:

Хорошо известная аналогия с инфракрасными химическими лазерами (упомянутыми выше), в которых инверсия населенностей возникает между колебательными уровнями и в которых имеет место хемилюминесценция в ИК области спектра, наводила на мысль о благоприятных перспективах создания химического лазера видимого диапазона. Однако из-за отсутствия данных нельзя было установить

какая именно реакция (или реакции) дает продукты, находящиеся преимущественно в возбужденных электронных состояниях.

Поэтому в 1972-1973 гг. была развернута программа исследований с пока еще не осуществленной мечтой создать химический лазер видимого диапазона. Основной упор в этой программе делался на количественных измерениях квантового выхода фотонов в видимой области спектра (т.е. отношения числа испущенных фотонов к числу протекших химических реакций) для экзотермических химических реакций. В результате были обнаружены реакции с большим квантовым выходом (см., например, работу [60]). Детальное исследование зависимости квантоцого выхода от давления показало, что механизмы хемилюминесценции являются значительно более сложными по сравнению с рассмотренными выше реакциями. Кроме того, было показано, что наличие хемилюминесценции указывает лишь на возникновение (возможно, каким-либо косвенным способом) возбужденных состояний, но не может быть свидетельством того, что происходит эффективное избирательное заселение некоторого конкретного уровня, и в особенности того, что образуется инверсия населенностей, необходимая для получения лазерной генерации.

В дополнение к этому теоретическое изучение [61, 62] взаимодействия между поверхностями потенциальной электронной энергии, связанными с реакционным комплексом, подтвердило правило, согласно которому в химической реакции электронные квантовые числа сохраняются. Таким образом, за исключением некоторых особых случаев, большинство реакций с участием частиц, находящихся в основном состоянии (в особенности для указанных выше экспериментально исследованных реакций с большим квантовым выходом), должно приводить к образованию продуктов, находящихся также в основном состоянии (возможно, на высоких колебательных уровнях). Наблюдаемая при этом хемилюминесценция появляется вследствие преобразования колебательной энергии в электронную за счет столкновений с частицами окружающего газа. Однако здесь имеется одно исключение, когда реагенты, находящиеся в основном состоянии (или обладающий достаточной энергией реакционный комплекс) имеют спиновую симметрию, отличную от симметрии основного состояния продуктов (при условии, что спин-орбитальное взаимодействие достаточно мало). К сожалению, показано, что продукты такой реакции с сохранением спина должны быть метастабилями. Тем не менее (о чем уже упоминалось в данной главе) реакция именно такого необычного типа привела к созданию первого химического лазера на электронном переходе

(однако этот лазер работает не в видимой, а в ближней области спектра) — лазера на атомарном иоде, основанного на передаче энергии от метастабиля полученного в процессе химической реакции.