ХІМІЧНИЙ ЛАЗЕР-газовий лазер, в к-ром інверсія населенностей утворюється в результаті хім. реакцій. Можливість створення X. л. заснована на тому, що продукти багатьох екзотерміч. хім. реакцій утворюються переважно. в збуджених станах. Більшість X. л. працює на колебательно-вращат. переходах двоатомних молекул. Збуджені молекули ефективно утворюються, зокрема, в результаті екзотерміч. реакцій заміщення:
причому значить. частина d виділяється енергії Dідёт на збудження колебат. рівнів молекули АВ. В результаті утворюється нерівноважний газ двоатомних молекул АВ, в к-ром пор. величина колебат. енергії значно перевищує величину енергії, що припадає на поступат. і вра-щат. ступеня свободи молекул. Такий нерівноважний газ є активним середовищем з інверсної населеністю для великої кількості колебат. переходів (див. Молекулярні спектри). У табл. наведені нек-риє реакції, що ведуть до инверсной населеності, величини D і d, а також приблизний діапазон довжин хвиль l відповідного випромінювання.
Для роботи х.л. необхідно створити недо-рої кількість хімічно активних вільних радикалів, що стимулюють протікання хім. реакції. З цією метою використовуються всі способи впливу на молекули, що призводять до їх дисоціації: прямий нагрів, що викликає тримаючи. дисоціацію; опромінення УФ-або видимим світлом, що викликає часткову або повну фотодисоціація молекул; хім. реакції, що супроводжуються утворенням вільних радикалів; газовий розряд, в к-ром вільні радикали утворюються в осн. при зіткненнях електронів з молекулами; опромінення хім. реагентів пучками швидких електронів або іонів, продуктами ядерних реакцій і ін. Оскільки в результаті реакцій, що призводять до порушення X. л. відбуваються незворотні зміни хім. складу вихідних реагентів, необхідною умовою довгих. ра-
боти X. л. є безперервне відновлення робочої речовини.
В активному середовищі х.л. поряд з реакцією (1) протікають різноманітні зіткнень процеси за участю колебательно збуджених молекул. Ці процеси мають істот. вплив на формування заселений і визначають вихідні характеристики X. л. Наїб. важливим є процес колебательно-поступальної релаксації коливально збуджених молекул:
де М - молекули, що входять до складу активного середовища X. л. u - коливальний квантове число молекули. Зазначений процес, в результаті к-якого коливальна енергія молекули, що утворилася при протіканні екзотерміч. реакції, перетворюється в тепло, руйнує інверсію населенностей в активному середовищі X. л. і обмежує його вихідні характеристики. Еф. перетворення хім. енергії в енергію лазерного випромінювання можливо тільки за умови, якщо характерний час протікання реакції (1) не перевищує характерного часу процесу колебат. релаксації (2). Оскільки зазвичай при протіканні газофазних хім. реакцій виконується протилежне умова, лише незначну. число хімічно реагуючих систем придатне для використання в якості активного середовища X. л. з високими вихідними характеристиками.
Енергія, що виділяється в результаті протікання екзотерміч. хім. реакцій, зазвичай розподілена по значить. числу колебат. станів молекули - продукту реакції. Характер цього розподілу визначається співвідношенням між часом протікання хім. реакції (1), колебат. релаксації (2), а також характерним часом процесу обміну колебат. квантами при зіткненні молекул АВ між собою. Це співвідношення досить складним чином залежить від складу активного середовища лазера, темп-ри газу і визначає спектр випромінювання X. л. Крім того, молекули, що належать потужність. колебат. станом, розподілені по значить. числу вращат. станів. При цьому в силу швидкого обміну вращат. енергією при зіткненнях один з одним і з молекулами буферного газу розподіл молекул по вращат. станів в активному середовищі X. л. зазвичай описується ф-лій Больцмана:
де Nu концентрація молекул, що належать даному коливального стану; У -вращат. постійна молекули; J -вращат. квантове число, що характеризує дане вращат. стан; Т-темп-pa газу. У цих умовах в активному середовищі X. л. реалізується режим часткової інверсії, коли інверсія населенностей на колебательно-вращат. переходах Р -ветві (переходи JJ + 1) реалізується при порушенні умови Nu> Nu-1. Зазначені обставини впливають на характер спектра генерації X. л. к-рий зазвичай складається з великого числа колебательно-вращат. переходів Р -ветві, що належать дек. колебат. смугах.
Осн. параметри, що характеризують ефективність X. л., - його хім. ккд hх (відношення енергії лазерного випромінювання до величини енергії, що виділяється в результаті хім. реакції) і т. н. елект. ккд hе (відношення енергії лазерного випромінювання до енергії, що витрачається на ініціювання хім. реакції). Т. к. Енергія, необхідна для ініціювання мн. екзотерміч. реакцій, менше енергії, до-раю виділяється в результаті протікання таких реакцій, то величина hе не має принципових обмежень зверху і може перевищувати 100%. Напр. елект. ккд X. л. на основі ланцюгової реакції фтору з воднем (або дейтерієм)
в определ. умовах досягає 1000%. Це пов'язано з особливостями протікання ланцюгової хім. реакції, для ініці-
ювання к-рій досить створення незначит. кол-ва хімічно активних радикалів. Однак величина hх лазерів з настільки високим значенням hе відносно невелика (
1%), оскільки при малій поч. ступеня дисоціації молекул F2 час протікання ланцюгової реакції виявляється багато більше характерної часу руйнування инверсной населеності в результаті міжмолекулярних зіткнень, що супроводжуються колебат. релаксацією. Таким чином, ці величина hx лазера на основі ланцюгової реакції фтору з воднем зі зменшенням поч. ступеня дисоціації молекул e спадає за законом hх
, в той час як для hе справедлива залежність hе
1 / Звідси випливає, що використання ланцюгової реакції не дозволяє здійснити скільки-небудь повне перетворення хім. енергії в енергію лазерного випромінювання. У зв'язку з цим наиб. потужні X. л. на основі HF, що володіють високим значенням hх (до 10%), працюють на основі простих реакцій заміщення (табл.). Макс. енергія ізлуче-
ня HF-лазерів в імпульсному режимі досягає 10 кДж при тривалості імпульсу в дек. десятків нс. Наїб. потужні X. л. на HF безперервної дії працюють при прокачуванні активної речовини через резонатор з надзвуковою швидкістю і характеризуються вихідною потужністю в неск. кВт при hе
Поряд з колебательно збудженими молекулами в результаті протікання екзотерміч. реакцій можуть утворюватися електронно збуджені молекули, випромі-чательно розпад яких брало також може скласти основу роботи хім. лазера. З великого числа обговорювалися в літературі конкретних хім. механізмів створення електронно збуджених атомів або молекул в якості активного середовища X. л. практичну реалізацію знайшов механізм створення інверсної заселеності на переході між станами тонкої структури атома йоду I (2 P1 / 2) і I (2 P3 / 2) з довжиною хвилі 1,315 мкм. Заселення верх. стану лазерного переходу здійснюється в результаті передачі збудження від молекули синглетного кисню:
У свою чергу синглетний кисень отримують в результаті протікання реакції хлору з перекисом водню в лужному середовищі. Т. о. киснево-йодний лазер немає тре
бует для своєї роботи зовн. джерела енергії, споживаючи виключно хім. енергію реагентів. Вихідна потужність цього лазера досягає дек. сотень ват в безперервному режимі при ККД в дек. відсотків. Привабливі якості лазера цього типу пов'язані з довжиною хвилі через лучения відповідної макс. прозорості оптич. пристроїв на кремнієвій основі, а також з наиб. найвищим серед X. л. якістю лазерного променя, що обумовлено незначит. енерговиділенням в активному середовищі лазера.
В основі застосувань X. л. лежать, з одного боку, їх високі ККД та потужність генерації, а з іншого боку-можливість отримання генерації на великому числі переходів в широкій області ІЧ-спектра. Поряд з ін. Типами потужних лазерів X. л. використовуються в технології обробки матеріалів, в установках по дослідженню лазерного керованого термоядерного синтезу, в системах лазерного зондування атмосфери, в лазерної спектроскопії, лазерної хімії та лазерному поділі ізотопів, а також при дослідженні процесів молекулярних зіткнень зі зміною колебат. і вращат. станів молекул.
Літ .: Хімічні лазери, під ред. Н. Г. Басова, М. 1982; Єлецький А. В. Процеси в хімічних лазерах, "УФН", 1981, т. 134, ст. 2, с. 237; Хімічні лазери, під ред. Р. Гросса і Дж. Ботта, пров. з англ. М. 1980; Аблеков В. К. Денисов Ю. Н. Прошкін В. В. Хімічні лазери, М. 1980.