7. Столкновительные процессы в химических лазерах

Дж. Дж. Хинчен

7.1. Введение

Химические лазеры работают в условиях постоянной конкуренции между химическими реакциями, которые приводят к образованию частиц с неравновесными функциями распределения по колебательным и вращательным уровням, и процессами дезактивации возбужденных состояний, обусловленными как столкновениями, так и вынужденным излучением. Среди продуктов таких реакций в наибольшей степени исследована молекула HF вместе с ее изотопической формой DF. Особенно большое внимание к исследованиям химических лазеров на фтористом водороде и фтористом дейтерии вызвано тем, что эти лазерные системы являются наиболее перспективными с точки зрения возможности достижения высоких энергий лазерного излучения. Было показано, что в непрерывном режиме такие лазеры обеспечивают мощность выходного излучения порядка многих киловатт, а в импульсном режиме позволяют получать импульсы с энергией излучения, равной нескольким килоджоулям.

Изучая кинетику химических реакций накачки и процессов с участием колебательных и вращательных уровней, обладающих инверсией населенностей, мы получаем не только информацию о соответствующих процессах молекулярной динамики, но и фундаментальные данные, необходимые для построения расчетных моделей, описывающих работу лазеров. В прежних моделях рассматривалась только кинетика химических реакций накачки и колебательной релаксации, причем считалось, что вращательное равновесие устанавливается мгновенно. С появлением данных, показывающих, что вращательная релаксация протекает за времена, сравнимые с теми, которые требуются для опустошения уровней в процессе вынужденного излучения, в более поздних моделях стали учитывать кинетику

вращательной релаксации. Например, как было показано в работах [14, 39] для непрерывных лазеров и в работах [3, 21] для импульсных лазеров, учет скорости вращательной релаксации изменяет расчетные значения мощности и спектрального состава выходного излучения.

Изучая реакции химической накачки

Полани и Вудолл [31] нашли распределение населенностей по колебательным и вращательным уровням молекул, образующихся в этих реакциях. Они обнаружили, что 66% химической энергии распределяется по колебательным и колебательно-вращательным уровням, что приводит к образованию распределений населенностей, сильно отличающихся от равновесных. Полученные ими значения относительных населенностей колебательных уровней приведены в табл. 1.

Таблица 1. Относительные населенности колебательных уровней

Для каждого из колебательных уровней в табл. 1 указаны также квантовые вращательные числа соответствующие вращательным уровням с максимальной населенностью. Для рассматриваемых молекул равновесное распределение по вращательным уровням должно иметь максимальное значение для или

Вследствие колебательной релаксации, колебательно-колебательного обмена и вращательной релаксации образующиеся в химических реакциях распределения населенностей релаксируют к равновесным распределениям. Ботт и Коэн в книге [5] сделали подробный обзор большинства из имеющихся данных по реакциям химической накачки, колебательной релаксации и V — V-обмену. Реакции химической накачки рассматривались также в соответствующих обзорах Полани и Шрайбером [33], а также Андерсоном [2]. Мур

[28] сделал обзор большого количества данных по V-V-обмену; эта тема обсуждается также в гл. 4 настоящей книги.

Несмотря на то что имеется обширная информация по кинетике химических лазерных систем, предлагаемые механизмы колебательной релаксации, обусловленной обменом энергией между колебательными и вращательными степенями свободы, а также кинетика вращательной релаксации пока еще не получили достаточно четкого объяснения. Цель настоящей главы состоит в том, чтобы собрать вместе отдельные публикации, часть которых находится еще в печати, по рассматриваемой теме и попытаться сформулировать четкие выводы относительно наших представлений по этим вопросам.