11.2.2. Химическая накачка
Инверсная населенность может быть создана за счет неравновесного распределения среди продуктов химической реакции, происходящей в газовой среде непосредственно в объеме лазерного резонатора. Прибор, работающий по такому принципу, называли химическим лазером.
Энергия, высвобождающаяся при экзотермической реакции через перестраиваемую в ходе реакции химическую связь, локализуется в виде колебательной энергии молекул. В газовой фазе релаксация верхних возбужденных колебательных состояний может происходить медленнее, чем нижних. Это и приводит к возникновению инверсной населенности. Такая ситуация возникает в реакции:
F + H2 HF* + H.
В этой реакции 70% выделившейся энергии преобразуется в колебательную энергию, при этом относительные населенности трех нижних колебательных состояний составляют 0,31, 1,0, 0,48. Длина волны генерации – 2,7 мкм. Аналогичная ситуация возникает во всех реакциях образования галогенводородов: F + D2 ( = 4,3 мкм) H2 + Cl2, ( = 3,7 мкм) H2 + Br2 ( = 4,2 мкм) и т.д.
Колебательная инверсия, возникающая в акте перестройки внутримолекулярной связи, может существовать только в течение некоторого определенного времени. Установление термодинамического равновесия в системе, возникающего в результате обмена энергией при столкновениях приводит к постепенному исчезновению инверсии. При колебательно-поступательной релаксации, для установления равновесия требуется много сотен или тысяч газокинетических столкновений.
После достижения инверсии все свойства химических лазеров совпадают со свойствами газоразрядных молекулярных лазеров.
Интересно, что энергия кванта DF – лазера совпадает с энергией колебания 0001 молекулы СО2. Поэтому химически возбужденный DF может использоваться для создания химического СО2 – лазера путем резонансной передачи энергии.
Рис. 11. Схема химического DF – CO2 лазера непрерывного действия.
В основе работы лазера, показанного на рис. 11 положена реакция дейтерия с фтором с последующей передачей возбуждения на СО2. Для поджига химической реакции в качестве вспомогательного реагента применялась окись азота, существующего при комнатной температуре в виде устойчивого радикала NO. При смешении этого радикала с молекулой фтора образуется атомарный фтор, который и служит активным центром, инициирующим цепь химических реакций, приводящих к возбуждению СО2:
NO + F2 NOF + F; F + D2 DF* + D; D + F2 DF* + F;
DF* + CO2(0000) DF + CO2 (0001).
Особенности этого процесса обусловливают определенную последовательность смешения реагентов. Вначале должны быть смешаны NO и F2. Последующий ввод в смесь СО2 и D2 обеспечивает весь необходимый набор компонентов для получения лазерной генерации.
Для получения непрерывного режима работы химического лазера необходимо обеспечить достаточно быструю прокачку продуктов реакции через объем лазерного резонатора. При низком давлении реагентов (~ 10-3 мм рт.ст.) и поперечном размере резонатора в несколько сантиметров скорость прокачки должна составлять ~ 1 м/с. При давлении в несколько мм. рт. ст. необходимые скорости прокачки возрастают до звуковых скоростей 104 .. 105 м/с.
Химический СО2 лазер при оптимальном составе подаваемых в зону реакции реагентов генерирует общую непрерывную мощность до 1 кВт. Удельная мощность – 50 Вт/(г/с). Недостатком такого лазера является высокая токсичность отработанных газов и взрывоопасность используемых смесей газов.