Потужні молекулярні лазери і їх застосування

       Тут треба відмітити, що всі ці параметри  зв'язані між собою, якщо джерелом енергії є горіння, і використовується вихлоп в атмосферу. Підвищення температури збільшує вихід вуглекислого газу в реакціях горіння. При незмінному ступені розширення газу, яка рівна відношенню площ вихідного і критичного перетину сопла, збільшення температури в камері високого тиску обов'язково веде до зростання температури газу в  резонаторі і  значного заселення нижнього робочого рівня. Проте із зростанням температури збільшується запас енергії коливань, яка переходить в лазерне випромінювання. Як наслідок цього, існує оптирисьна температура гарячого газу, перевищення якої веде до зростання втрат енергії коливань і зменшення посилення. Оптирисьна температура зростає із збільшенням ступеня розширення. Одночасно збільшується і швидкість розширеного газу — в цьому випадку все більше енергії, спочатку запасеної у вигляді теплової, перетворюється на кінетичну енергію направленого потоку. При гальмуванні ця енергія частково витрачається на здійснення роботи по стисненню газу в дифузорі до атмосферного тиску. Чим більше швидкість газу, тим більшою мірою його можна стиснути в дифузорі за рахунок кінетичної енергії. Отже, сопла з великим розширенням дозволяють знизити тиск в резонаторі і збільшити температуру газу в камері високого тиску. Тим самим можна виконати умови, необхідні для роботи газодинамічного лазера на вуглеводневих паливах.

       Про створення лабораторних зразків  таких лазерів стало відомо останнім часом. У них використовуються, зокрема, такі поширені види палива, як бензин, газолін, ацетилен та інші. Можна не сумніватися, що круг речовин, що дозволяють отримувати генерацію в газодинамічних лазерах, швидко розширюватиметься.

       Найбільш  істотним недоліком газодинамічних лазерів треба вважати їх дуже низький ККД. Його риса величина пов'язана з самим принципом дії газодинамічного лазера. Адже в загальному балансі теплової енергії газу двоатомних молекул енергія коливань складає рису частину. В той же час після гальмування і стиснення в дифузорі газ нагрітий до високої температури, і ця енергія марно пропадає. Чи не можна її використовувати, щоб підвищити ККД лазера? І якщо можна, то якої величини може принципово досягати ККД?

       Виявляється, така можливість існує. Вона полягає  в створенні газодинамічних лазерів  із замкнутим циклом використання робочого газу. Такі лазери можна розглядати як теплові машини. Корисна робота, що здійснюється такою тепловою машиною, — потужність випромінювання — складає лише рису частину потужності газового потоку: ККД лазера з одноразовим використанням газу, що не перевищує 1—2%, низький саме з цієї причини. Але риса величина ККД одноразового перетворення ще нічого не говорить про ККД всієї машини в цілому. Адже після того, як за рахунок якого-небудь джерела енергії на початку процесу газ отримав необхідну енергію, зовнішнє підведення енергії повинне тільки компенсувати втрати при русі газу і випромінювану світлову енергію. ККД всього процесу визначатиметься відношенням енергії випромінювання лазера до енергії, що підводиться до газу, а не до значно більшої енергії газового потоку в камері високого тиску.

       Газодинамічний лазер із замкнутим циклом повинен включати камеру високого тиску, сопловий блок, камеру резонатора, дифузор, компресор і теплообмінник. Призначення компресора і теплообмінника полягає в тому, щоб повернути газ, що поступає в камеру високого тиску, до початкової температури і тиску. Гальмування і стиснення газу в надзвуковому дифузорі відбувається так, що температура газу відновлюється до первинної величини, а тиск виявляється менше початкового. Втратою тиску в надзвуковому потоці супроводжується і. виділення енергії, не використаній при генерації. Компресор стискає газ до початкового тиску. Одночасно, як в адіабатичному процесі, зростає і температура. У теплообміннику температура знижується до початкової величини.

       Робочий процес лазера, організований так  само, дуже близький до циклу Карно. Термодинамічні розрахунки показують, що принципово ККД лазера із замкнутим циклом може бути дуже близький до 1, т, е. роботу компресора можна практично повністю перетворити у випромінювання. Проте технічні труднощі на шляху створення такого лазера надзвичайно високі. Для його роботи потрібний компресор, що безперервно діє, з робочою температурою 1500— 1700°К Створення таких компресорів — дуже складне технічне завдання, ще чекаюче свого рішення. Ефективність компресора може бути достатнє високою лише в тому випадку, якщо він дає невеликий ступінь стиснення. Втрати тиску в камері резонатора і дифузорі вельми значительны, тому ККД компресора виявляється невеликим. Потрібна велика дослідницька робота по газодинаміці робочого процесу в об'ємі резонатора, створення високоефективних дифузорів, розробка високотемпературних конструкційних матеріалів перш, ніж стане можливою поява могутніх і ефективних лазерів, що перетворюють механічну роботу у випромінювання.

       Добре відомо, що робочий цикл всякої машини, що періодично діє, можна здійснити в двох напрямах. Прикладами таких машин є електрогенератор і електромотор, пневмодвигатель і компресор. Характер перетворення одного виду енергії в іншій при зміні напряму робочого циклу в такій машині змінюється на протилежний. Якщо електричний генератор дозволяє отримати електричну енергію за рахунок механічної роботи, то електромотор, навпаки, перетворить електроенергію в механічну роботу. Ми бачимо зараз, що газодинамічний лазер може працювати за рахунок механічної роботи. Якщо обернути напрям робочого циклу такого лазера, то стане можливим пряме перетворення світлової енергії в механічну роботу. Інакше кажучи, можна побудувати фотонний двигун.

       Подивимося, як повинен працювати такий двигун. Спочатку газ такого ж складу, як і в газодинамічному лазері, слід розігнати до надзвукової швидкості при закінченні через сопло з камери високого тиску. Температуру газу потрібно зберегти високій, 500—700°К, щоб нижній лазерний рівень був достатньо заселений, і було можливе поглинання випромінювання СО₂-лазера, що підводилося ззовні. Підкреслимо, що газ повинен поглинати світло, інверсна населеність не повинна виникати. Отже, не потрібний рисий час розширення, розігнати газ можна в надзвуковому соплі зазвичай використовуваних в ракетних двигунах розмірів. Інтенсивність випромінювання, що підводиться, повинна бути достатньо велика, щоб за рахунок індукованих переходів почав заселятися антисиметричний тип коливань СО₂. Ми пам'ятаємо, що цей тип коливань швидко передає енергію молекулам азоту. Збуджені молекули азоту і вуглекислого газу, що з'являються таким чином, тільки 40% енергій отримують за рахунок поглинання світла, решту частини — за рахунок поступальної енергії. Дійсно, при поглинанні молекулами могутнього випромінювання на нижньому рівні виявляється менше молекул, чим повинно бути в умовах термодинамічної рівноваги. При зіткненнях починає частіше відбуватися збудження кванта симетричного коливання за рахунок поступальної енергії, чим зворотний процес. Та енергія, яка при роботі лазера переходить в теплову, при поглинанні світла переходить в енергію коливань, викликаючи охолоджування газу.

       Охолоджування відбуватиметься до тих пір, поки не почнуться зворотні переходи збуджених  молекул в незбуджений стан з  виділенням кінетичній енергії. З газодинаміки відомо, що тепловідвід з надзвукового потоку супроводжується його прискоренням. Після гальмування надзвукового потоку охолодженого газу в дифузорі тиск його буде вищий, ніж було б, якби температура не змінилася. Щоб відновити тиск, газ необхідно розширити. Компресор для цього слід замінити турбіною, яка може здійснювати механічну роботу. Після розширення газ потрібно нагрівати до початкової температури.

       Щоб охолоджування газу при поглинанні світла не змінилося нагрівом, тобто щоб фотонний двигун взагалі міг працювати, час, протягом якого відбувається поглинання світла і стиснення газу, повинен бути задоволене рисим. Ті жорсткі вимоги, які в газодинамічному лазері пред'являються до тривалості розширення, у фотонному двигуні повинні пред'являтися до тривалості стиснення. Дифузор повинен бути зроблений з цією метою таким же рисим, як і сопло лазера. Щоб забезпечити велику витрату газу, доведеться використовувати блок таких дифузорів.

       Ефективність  перетворення світла в механічну роботу у фотонному двигуні принципово може бути близька до 1. Зрозуміло, його створення зв'язане з тими ж труднощами, які необхідно подолати, щоб побудувати лазер із замкнутим циклом. Поява таких машин відкрила б абсолютно фантастичні можливості у вирішенні проблеми передачі енергії на великі відстані і її подальшого використання. Перспективи їх застосування цілком виправдали б ті зусилля, які необхідно прикласти для їх створення. 

       Хімічні   лазери

       Газодинамічний  лазер, що порушується горінням різних палив, показує можливість перетворення хімічної енергії в світлову. Але відбувається це через проміжний етап теплової енергії. Виникає питання — чи можливе безпосереднє перетворення енергії хімічних реакцій у випромінювання? Так це питання було поставлене в самому початку розвитку фізики лазерів. Ученим-фахівцям в області фізичної хімії ще в початку 30-х років нашого сторіччя були добре відомі численні приклади хімічних реакцій, що протікають в умовах сильного порушення термодинамічної рівноваги. З появою лазерів почався пошук інверсної населеності серед продуктів хімічних реакцій.

       Багато  реакцій протікають з первинним  переходом енергії хімічних зв'язків  у внутрішню енергію продуктів. Це означає, що в початковій стадії таких реакцій, до тих пір, поки продуктів реакції ще рисо, і вони не встигли втратити енергію збудження, повинна виникати інверсна населеність. Для лазерної дії потрібне більше — інверсна населеність повинна бути достатньо великою, щоб посилення перевищувало втрати в резонаторі, і вона повинна зберігатися достатньо довгий час, порівнянне з часом протікання хімічної реакції. Тільки тоді можна чекати, що значна частина енергії хімічних зв'язків перейде у випромінювання. Нарешті, для хімічного лазера необхідно, щоб реакції, в яких виникає інверсна населеність, були такими, що самоподдерживающимися. Інакше енергетичні витрати на ініціацію реакцій значно перевищать енергію випромінювання.

       Ми  бачимо, що потрібний здійснення багатьох важкоздійснюваних умов, щоб хімічний лазер міг ефективно працювати. Але створення таких лазерів представлялося таким багатообіцяючим, що багато учених включилися в рішення цієї задачі. Перші успіхи були досягнуті вже давно. Ще в 1964 р. вдалося показати, що лазер, збуджений хімічною реакцією, може працювати. Робочою молекулою був хлористий водень, що утворюється в реакції молекулярного хлора і водню. Ініціація реакції здійснювалася могутнім спалахом світла. Атомарний хлор, що утворюється в результаті фотолізу, вступав в ланцюгову реакцію, одним з продуктів якої був хлористий водень в станах із збудженням декількох квантів коливань. Генерація виникала на ряду коливально-обертальних переходів цієї молекули. Але в повному розумінні цей лазер хімічним назвати було не можна: енергія, що витрачається на світловий спалах, у багато разів перевершувала енергію генерації когерентного випромінювання. У подальші роки з'явилася значна кількість реакцій, що дозволили отримувати генерацію як в безперервному; так і в імпульсному режимах. Інверсна населеність виникала в результаті реакцій заміщення. Як приклад ми приведемо ті з них, які вивчалися найінтенсивніше:

       F + Н₂ → HF* + Н,

       F + D₂ → DF* + D,

       CS  + О → СО* + S

       Зірочкою  ми відзначили молекулу, що з'являється  в збудженому коливальному стані. Енергія, яка вивільняється в цих реакціях, дуже велика. По-перше двох реакціях виділяється близько 32 ккал на 1 г/моль початкових речовин, в останній реакції — 75 ккал/г/моль. Більше половини виділяється у вигляді енергії коливань по-перше двох реакціях, і майже вся — в останній. У всіх реакціях однією з початкових речовин виявляється хімічний елемент в атомарному стані. Для того, щоб його отримати, необхідно ззовні витратити значну енергію.

       У безперервному режимі роботи, як ми побачимо далі, ця обставина не грає значної ролі. У імпульсному режимі необхідно звести до мінімуму енерговнесок на ініціацію реакцій. Використання ланцюгових реакцій, в яких спочатку створена концентрація активних атомів відтворюється в ході самої реакції, принципово дозволяє значно зменшити енергію ініціації. Ми спочатку зупинимося на роботі імпульсних хімічних лазерів.

       Після первинної демонстрації принципової  можливості хімічних лазерів учені  зосередили зусилля на вивченні тих  газових сумішей, в яких інверсія утворюється в результаті ланцюгових реакцій. Краще всього досліджена суміш водню або дейтерію з фтором, в якій, окрім приведеної вище реакції, відбувається і реакція за участю атома водню (дейтерію)

       Н + F₂

       У цій реакції знов з'являється  атом фтору. Реакція має ланцюговий характер і може продовжуватися після припинення дії, що ініціює. Енергія виділяється в кількості 98 ккал/г/моль, із збудженням аж до 10 квантів коливань. У суміші, що містить до 8% водню і фтору і 84% газу, що не взаємодіє з фтором і воднем (наприклад, азоту), при атмосферному тиску в результаті реакції в 1 л виділяється близько 1000 Дж у вигляді енергії коливань. Генерація спостерігається в діапазоні від 2,6 до 3,5 мкм у разі молекул HF і від 3,6 до 5,0 мкм у разі молекул DF.

       Вихід лазерної енергії, що експериментально спостерігається, виявляється значно менше, менше 1 % від теоретично можливого. Причини такого низького ККД до кінця ще зараз не ясні, але найважливіші з них наступні.