ЛАЗЕРИ ХІМІЧНІ. пристрою для прямого перетворення енергії хім. р-ції в енергію когерентного елект-ромагн. випромінювання. Інверсія населеності рівнів обумовлена нерівновагим розподілом енергії хім. р-ції за ступенями свободи молекул продукту. Для створення лазерів хімічних використовують р-ції, швидкість яких брало перевищує швидкість встановлення рівноважного розподілу енергії, що виділяється. Як правило, це р-ції за участю хімічно активних атомів або радикалів. Серед них особливе місце займають ланцюгові і розгалужені ланцюгові р-ції, в яких брало хімічно активні центри (атоми і своб. Радикали) відтворюються (в розгалужених р-ціях - розмножуються) в ході р-ції. Для створення деякого початкового числа активних центрів (ініціювання ланцюгової р-ції) необхідно затратити енергію. Тому чим більше довжина ланцюга р-ції, тим більше у хім. енергії перетравиться в лазерне випромінювання і тим меншу роль гратимуть витрати енергії на створення активних центрів. При цьому вирішальне значення має т. Зв. хемолазерная довжина ланцюга, яка визначається як відношення швидкості продовження ланцюга до швидкості релаксації збуджених молекул. використовуваних для генерації когерентного випромінювання (але не до швидкості загибелі активних центрів). Чим більше хемолазерная довжина ланцюга, тим вище ефективність лазера по відношенню до витрат енергії на ініціювання р-ції. Початкова концентрація активних центрів м. Б. створена за допомогою нехім. видів енергії або чисто хім. способом, напр. в результаті термодіссоціаціі молекул газової суміші, що нагрівається до високої т-ри за рахунок енергії протікає в ній хім. р-ції, або шляхом використання розгалуженої ланцюгової р-ції. На нехім. ініціюванні заснована робота потужних лазерів хімічних імпульсної дії, в яких брало використовують заздалегідь приготовлену суміш газів при досить високому тиску (напр. атмосферному). Така суміш містить значить. запас енергії, але хімічно стабільна.
Мал. 1. Схема фтор-водородпого лазера з нехім. ініціюванням. 1 - змішувач; 2 - активна зона (реактор); 3 - вікна для виходу випромінювання; 4 і 5 - дзеркала (непрозоре і частково відображає); 6 - ініціює агент Q (УФ випромінювання або пучок електронів). Вказані основні процеси в реакторі; повний їх набір включає десятки процесів, в т. ч. релаксацію і загибель активних центрів.
З змішувача 1 (рис. 1) робоча суміш надходить в реактор 2, де під дією ультрафіолетового опромінювання або пучка електронів (який ініціює агент) ініціюється швидка молекулярно-радикальна р-ція, що вивільняє накопичену в суміші енергію у вигляді короткого імпульсу когерентного випромінювання. При одній і тій же мірі ініціювання чим більше хемолазерная довжина ланцюга р-ції, тим вище енергія лазерного імпульсу. наиб. споживані суміші, що містять молекулярні фтор і водень (дейтерій), стабілізовані киснем. Ці суміші мають наиб. хемолазерной ланцюгом. Генеруючими молекулами в них є колебательно порушені HF * (DF *). На рис. 2 представлена схема лазера хімічного з чисто хімічним способом ініціювання. працюючого на основі нецепной р-ції атомарного фтору з молекулярним воднем (або дейтерієм).
Мал. 2. Схема фтор-водневого лазера з хім. ініціюванням (термодіссоііаціей); 1 - камера згорання; 2 сопловий блок; 3 активна зона (реактор); 4 - вікна для виходу випромінювання; 5 і 6 - дзеркала.
Активні центри - атоми фтору - напрацьовуються в камері згоряння в результаті теплової дисоціації надлишкового F2. к-рий одночасно служить окислювачем пального. Як пальне використовують в-ва, осн. вимога до яких полягає в тому, щоб продукти згоряння не гасили порушені молекули. утворюються в активній зоні і генеруючі лазерне випромінювання. З камери згоряння 1 атомарний фтор випускається через соплову грати 2, в якій він розганяється до надзвукових швидкостей і розбивається на дрібні струменя для ефективного змішування з Н2. к-рий подається в активну зону лазера. Р-ція між атомарними фтором і воднем приводить до утворення колебательно порушених молекул HF *, к-які генерують випромінювання з довжиною хвилі в діапазоні 2,7-3,2 мкм. Заміна водню дейтерієм дає можливість отримати когерентне випромінювання в діапазоні довжин хвиль 3,8 4,2 мкм. Висока т-ра в камері згоряння (
1800 к) дозволяє створити високошвидкісний надзвуковий потік реагентів. що збільшує потужність лазера. Гелій виконує роль газу-розріджувача, що перешкоджає катастрофич. підвищення т-ри в лазерної зоні, до-рої могло б привести до зриву генерації і тепловому замикання надзвукового потоку. При безперервної подачі і відкачування компонентів такі лазери хімічні працюють в безперервному режимі. Вирішальною обставиною при їх створенні є поділ в просторі процесів напрацювання хімічно активних центрів і отримання збуджених частинок, що генерують випромінювання. Високотемпературну камеру згоряння можна замінити низькотемпературної, якщо використовувати ланцюгову р-цію фтору з дейтерієм. Атомарний фтор для ініціювання ланцюгового процесу напрацьовується при низькотемпературної р-ції NO. + F. F. + NOF, що починається відразу при змішуванні їх потоків. Закінчення газів з камери ініціювання в лазерну зону відбувається з дозвуковій швидкістю, хоча можливі і надзвукові варіанти цього лазера хімічного. Генеруюча молекула - СО2. к-раю порушується шляхом передачі колебат. енергії від DF *. Збуджена молекула СО2 релаксує повільніше, ніж DF *, що забезпечує більшу хемолазерную довжину ланцюга. Заміна дейтерію на водень призводить до зниження потужності, що генерується, т. К. HF * передає енергію СО2 менш ефективно, ніж DF *. За своїм потужносним і енергетичних. показниками фторводородние лазери хімічні імпульсного і безперервного дії поки не мають рівних. Серед ін. Типів лазерів хімічних слід зазначити кисень-йодний лазер. в к-ром генеруюча частка - атомарний йод в стані 3 P1 / 2. Порушується він в цей стан шляхом передачі енергії від молекул О2 в збудженому синглетному стані 1 D. к-які утворюються при р-ції Сl2 з водним розчином Н2 О2 і NaOH. Освіта атомарного йоду з молекулярного відбувається при р-ції:
Основні р-ції, що призводять до формування активного середовища і генерації когерентного випромінювання, такі:
Довжина хвилі генерується когерентного випромінювання 1,315 мкм. Серед ін. Типів лазерів хімічних перспективні лазери на основі розгалуженої ланцюгової р-ції горіння CS2; генеруюча молекула-коливально-збуджений СО * (довжина хвилі лазерного випромінювання
5 мкм); ОН-СО2 - лазери хімічні на основі р-ції Н + О3. ВІН * + О2. Коливально-збуджений радикал ОН * передає енергію молекулі СО2. к-раю генерує лазерне випромінювання з довжиною хвилі
10 мкм. Можна очікувати створення лазерів хімічних, випромінює в видимому діапазоні довжин хвиль. Л Азері хімічні широко застосовують в наукових експериментах в хім. кінетики, лазерної хімії та спектроскопії. Це обумовлено перш за все тим, що в діапазоні довжин хвиль, рівних 3-4 мкм, немає інших досить інтенсивних джерел когерентного випромінювання. Техн. застосування лазерів хімічних знаходяться в процесі розробки. Розглядаються проекти використання потужних фтор-водневих і кисень-йодних лазерів хімічних для керованого термоядерного синтезу. Кисень-йодний лазер хімічний, що генерує випромінювання в ближньому ІЧ діапазоні, становить інтерес для обробки матеріалів. Спектр випромінювання фтор-водневих і кисень-йодних лазерів хімічних перекриває діапазон поглинання величезного числа разл. молекул. Можливість генерації великого набору частот в одному лазерному імпульсі робить ці лазери хімічні перспективними для створення систем діагностики і контролю складу газових сумішей, в т. Ч. Дистанційних локаторів складу і стану атмосфери - лидаров. Не виключено, що лазери хімічні, володіючи великою енергією випромінювання на одиницю маси витрачених реагентів. виявляться корисними при розвитку технології в космосі (напр. лазерного зварювання). В іноземній літературі обговорюються військові застосування лазерів хімічних.
===
Ісп. література для статті «ЛАЗЕРИ ХІМІЧНІ». Хімічні лазери. під ред. Р. Гросса і Дж. Ботта, пров. з англ. М. 1980; Хімічні лазери. під ред. Н. Г. Басова, М. 1982; Басов Н. Г. Ораевскій А.Н. Хімічні лазери. в кн. Наука і людство, М. 1983, с. 259 73. А.Н. Ораевскій.
