Потужні молекулярні лазери і їх застосування

       Відомо, що суміш фтору з воднем в широкому діапазоні тиску абсолютно нестійка і мимоволі вибухає. Самозаймання відбувається тому, що, окрім приведених двох реакцій, в суміші зрідка відбуваються реакції за участю сильних збуджених молекул, що коливаються, в ході яких утворюються не один, а два атоми, здатних брати участь в ланцюговій реакції. В ході цих реакцій ланцюг розгалужується, відбувається не тільки заповнення активних атомів, але і їх розмноження. В результаті навіть реакція, що поволі протікає із-за невеликого початкового числа атомів, самоускоряется до вибуху. Зрозуміло, що такі суміші не придатні для лазерів. Щоб подавити самозаймання, суміш розбавляють інертним газом і додають речовини-інгібітори, наприклад кисень, які переривають послідовність ланцюгової реакції, приєднуючи до себе активні атоми. Суміші набуває стійкість в широкому діапазоні тиску. Проте, розплатою за стійкість стає риса довжина ланцюга, а отже, або неповне протікання реакції, або необхідність в інтенсивнішій ініціації.

       Швидкість переходу енергії коливань молекул  HF і DF в теплову при зіткненнях один з одним виявилася надзвичайно високою. Втрата кванта коливань для нижнього збудженого стану відбувається всього за 100—150 зіткнень. Із збільшенням енергії коливань молекули швидкість втрати енергії теж швидко зростає. Тому інтенсивність генерації з верхніх коливальних рівнів, що порушуються реакцією за участю атомарного водню або дейтерію, виходить низькою.

       Незбуджені  молекули, що утворюються в ході реакції, сильно поглинають світло на частоті переходу, з першого коливального рівня, погіршуючи умови генерації  на цьому переході. Не дивлячись на те, що через цей рівень проходять всі молекули, як при індукованих переходах, так і при релаксації, генерація на цьому переході спостерігається рідко, і її інтенсивність швидко падає в процесі накопичення незбуджених молекул.

       В області рисого тиску роль всіх цих чинників можна звести до мінімуму, збільшуючи інтенсивність ініціації, а значить, і швидкість протікання реакції.

       Поліпшення  енергетичних характеристик вимагає  підвищення тиску. Щоб зберегти на колишньому рівні відносні швидкості протікання реакції і релаксації, необхідно підвищувати енергію ініціації і зменшувати його тривалість. Вимоги до джерела ініціації виявляються важкоздійснюваними. Це в основному пояснює причину низького енерговиходу лазерів.

       Одним з можливих шляхів подолання цих  труднощів може бути ініціація короткими імпульсами електричного струму великої сили. Це напрям ще слабо вивчений. Попередні результати ряду досліджень показують, що такий спосіб ініціації реакції в суміші водню з фтором дозволяє отримати у вигляді випромінювання не менше енергії, чим вкладається в розряд. Це означає, що імпульсний лазер може стати дійсно хімічним з рисим зовнішнім енерговнеском.

       Дуже  цікавим напрямом вдосконалення  хімічних лазерів стала реалізація ідеї лазера з передачею збудження. Ми вже бачили, що передача збудження від азоту до вуглекислого газу дозволила створити дуже могутні і ефективні лазери. Учені недавно виявили, що передача збудження від фтористого дейтерію, DF, до вуглекислого газу виявилася надзвичайно швидкою. Мабуть, це найбільш швидкий з відомих процес міжмолекулярної передачі енергії. Причому енергія передається антисиметричному типу коливань молекули СО₂, тобто верхньому лазерному рівню. Посилення і генерацію отримують в діапазоні 10,6 мкм. Лазер на суміші дейтерію, фтору, вуглекислого газу і гелію став найбільш ефективним серед решти хімічних лазерів.

       Використання  передачі збудження вуглекислому газу дозволило значно зменшити роль недоліків  фтор-водородной суміші. Процеси розгалуження в ланцюговій реакції виявляються в даному випадку дуже рідкісними: концентрація збуджених молекул DF зменшується, їх енергію перехоплюють молекули вуглекислого газу. Суміші набуває стійкість до самозаймання. Вуглекислий газ отримує енергію зі всіх збуджених рівнів DF швидше, ніж вона перетвориться в теплову. Зокрема, використовується енергія, що підводиться на нижній коливальний рівень DF. Всі ці чинники, разом узяті, дозволяють працювати при атмосферному тиску і отримувати питомі об'ємні енергетичні характеристики лазерів цього типу, що наближаються до показників кращих газорозрядних імпульсних СО₂-лазерів.

       Звернемося  тепер до хімічних лазерів безперервної дії. Можливість створення лазера, що безперервно перетворює енергію хімічних зв'язків безпосередньо в світлову без всяких зовнішніх джерел, була продемонстрована у ряді дослідницьких центрів. При такому режимі роботи немає необхідності в швидкій ініціації реакції одночасно за всім обсягом. Активні центри можна отримати в потрібній кількості шляхом термічної дисоціації при спалюванні палива або за допомогою допоміжних хімічних реакцій.

       Один  з можливих типів хімічного лазера па реакції фтору з воднем працює таким чином. У потік суміші фтору з гелієм инжектируется через велику кількість дрібних отворів газ N0, який швидко перемішується з рештою потоку. У суміші, що утворилася, відбувається реакція утворення атомарного фтору F₂ + N0 → NOF + F. Коли концентрація атомарного фтору досягає максимуму, в потік инжектируется водень. В процесі ланцюгової реакції фтору з воднем, що ініціюється атомарним фтором, утворюються молекули фтористоводневої кислоти, що сильно коливаються, на ряду коливально-обертальних переходів якої виникає інверсна населеність. У зоні перемішування розташований оптичний резонатор. Витрачені молекули віддаляються з робочої зони. Швидкість протікання хімічної реакції настільки велика, що вона повністю закінчується у вузьких областях поблизу межі струменів, що перемішуються. Нові молекули, що не прореагували, дифундують з внутрішніх областей струменів і вступають в реакцію нижче по потоку газу до тих пір, поки не будуть витрачені всі реагенти. Довжина активної зони визначається швидкістю потоку і часом поперечної дифузії молекул до перетину сусідніх струн. У таких умовах інтервал часу до закінчення реакції визначається швидкістю перемішування газів, а не кінетикою реакції.

       У лазерах, сконструйованих так само, отримана генерація на переходах  молекул HF і DF, а також з передачею збудження молекулам вуглекислого газу. У останньому випадку вуглекислий газ инжектируется разом з N0, а нижче по потоку подається дейтерій. Якнайкращі результати досягнуті у варіанті з передачею збудження. Схема цього лазера показана на рис. 10.

       Лазер, побудований для дослідницьких  цілей, з поперечними розмірами потоку 2,5 X 15 см з генерував потужність, що перевищує 500 Вт, що відповідало 55 кДж на кожен кілограм робочого газу. Такі показники досягнуті в дозвуковому потоці при низькому тиску близько 15 мм рт. ст.

       Дослідники  припускають, що використання фтор-дейтериевой суміші з вуглекислим газом і гелієм може дозволити значно збільшити потужність при переході до надзвукової швидкості потоку і вищого тиску газу в резонаторі. У надзвуковому хімічному лазері часткова дисоціація фтору досягається за рахунок високої температури при спалюванні окислу вуглецю в кисні. При згоранні виходить близько половини вуглекислого газу, необхідного для роботи лазера. Решта вуглекислого газу в суміші з гелієм подається в камеру згорання незалежно. Далі в гарячий газ инжектируется фтор. Нарешті, в хімічно активну суміш поблизу критичних перетинів масиву надзвукових сопел вводиться дейтерій. За час розширення газу і розгону його до швидкості близько 2 км/с дейтерій перемішується з рештою суміші, температура знижується до кімнатної, і надзвуковий потік хімічно реагуючого газу потрапляє в оптичний резонатор.

       У цьому лазері частково використана  та ж послідовність процесів, що і в газодинамічному. Проте це схожість зовнішня. У газодинамічному  лазері відбувається розширення первинно термодинамічно рівноважній суміші газів, при цьому порушується лише рівновага між поступальними і коливальними мірами свободи. У хімічному ж лазері при розширенні порушується і хімічна рівновага, в холодному швидкоплинному газі «заморожується» також і концентрація атомарного фтору, відповідна високій температурі в камері згорання. Хімічно нерівноважний склад суміші створює можливість отримання в резонаторі більшої частини енергії за рахунок ланцюгової реакції.

       Очікується, що декілька перероблений газодинамічний лазер, який генерував від 4 до 5 кВт  світловій потужності, в хімічному варіанті (з підведенням фтору і дейтерію) дозволить досягти рівня 40 кВт.

       Хімічні лазери, що працюють на таких агресивних сумішах, як фтор-водородные, навряд чи стануть широко поширеним джерелом лазерної енергії. Подальше їх вдосконалення може, проте, зробити їх застосування дуже бажаним в умовах, де необхідне досягнення значної потужності при мінірисьній вазі установки і робочої речовини і відсутності зовнішніх, джерел енергії. Такі умови існують, наприклад, в космічних умовах. Широкого ж поширення хімічні лазери можуть набути лише при переході до нетоксичних і менш агресивним робочим речовинам. Робота в цьому напрямі поки тільки почата. Вже продемонстровані можливості хімічних лазерів дозволяють розраховувати на значні успіхи і в цьому напрямі.

       СО-лазери

       Лазери  на коливально-обертальних переходах  молекули окислу вуглецю    займають особливе місце по своєрідності дуже цікавого механізму утворення інверсної  населеності робочих рівнів і  його дуже великій ефективності. Інверсна населеність, посилення і генерація виникають на  високо розташованих коливальних рівнях молекули. Число збуджених квантів перевищує 5 і досягає 13—14. Внутрішній рух так молекул, що сильно коливаються, і характер їх обміну енергією при Зіткненнях з іншими такими ж молекулами в значній мірі залежать від особливостей їх будови і кінетичної енергії їх відносного руху.

       Ми  вже бачили, що нижні коливальні рівні відокремлені один від одного майже однаковим інтервалом енергії. Квант коливань лише трохи зменшується  у міру зростання енергії. Але коли енергія стає великою, число збуджених квантів досягає 10 і більш, відмінність у величині квантів, відповідних переходу молекули з незбудженого стану на перший коливальний рівень і із стану з п квантами в стан з п + 1 квантами, стає значним. Якщо відмінність у величині квантів перевищує відносну енергію теплового руху молекул, то характер обміну енергією при столкновєниях сильно і слабо збуджених молекул різко змінюється в порівнянні з обміном енергією в. випадку майже однакового ступеня збудження. У останньому випадку молекули легко і часто обмінюються квантами коливань. У першому випадку слабо збуджена молекула майже також легко і часто передає свій квант енергії сильно збудженій молекулі. Зворотний же процес утруднений, оскільки при низькій температурі невелике число молекул, що володіють запасом кінетичної енергії, достатнім для того, щоб заповнити відмінність в енергії квантів. В результаті відбувається збільшення числа сильно збуджених молекул, виникає направлений потік енергії збудження на верхні рівні.

       Ясно, що так справа може йти лише при  достатньо великій енергії коливань всіх молекул в цілому. Тільки тоді збуджені стани заселені в такому ступені, що потік енергії на верхні рівні досягає великої величини, З іншого боку, чим нижче температура газу, тим нижче розташовані ті рівні енергії, на яких починає переважати направлений потік енергії. Іншими словами, потрібне дуже сильне порушення термодинамічної рівноваги молекулярного газу.

       Розібраний  нами механізм в принципі міг би привести до виникнення інверсної населеності високолежачих коливальних рівнів. Насправді цього не спостерігається. Причина полягає в тому, що завжди існують необоротні втрати енергії молекулами, що коливаються, як в процесі зіткнень, так і в результаті спонтанного випромінювання світла. Роль цих втрат значно зростає у міру збільшення енергії коливань, перешкоджаючи виникненню інверсної населеності коливальних рівнів. Проте населеності сусідніх коливальних рівнів виявляються майже однаковими.

       У подібних умовах в молекулярних газах все ж таки може виникати інверсна населеність. Ця можливість пов'язана з квантовим характером обертального руху молекул.

       Розподіл  молекул по рівнях енергії обертання  нерівномірно. Населеність рівнів з  рисою енергією обертання досить риса. У міру зростання енергії населеність рівнів зростає, досягає максимуму, а потім знову швидко зменшується. Відповідно до законів квантової механіки випромінювальні переходи в коливально-обертальному спектрі можуть відбуватися тільки при зміні обертального квантового числа на ± 1 або без його зміни. При збільшенні квантового числа на +1 населеність ряду нижніх коливально-обертальних рівнів може опинитися менше, ніж верхніх, якщо енергія обертання достатньо велика, а повні населеності коливальних рівнів енергії майже однакові. В цьому випадку говорять, що немає повної інверсної населеності, але є часткова інверсна населеність. Тоді посилення існує лише на частини коливально-обертальних переходів.

       Тепер ясно, яким умовам повинні задовольняти двоатомні молекули, утворення інверсної населеності, що дозволяють реалізувати розглянутий механізм. Перш за все це повинні бути несиметричні молекули, тоді можливі коливально-обертальні переходи з випромінюванням світла. Енергія їх коливань винна дуже поволі переходити в поступальну енергію. Згущування рівнів коливального спектру із зростанням енергії коливань повинне відбуватися достатньо швидко, щоб направлений потік енергії вгору по коливальних рівнях міг переважати над обміном квантами при можливо вищій температурі і мінірисьній енергії збудження.