Химические лазеры

реакции замещения между атомарным фтором и
молекулой водорода, находящимися в газовой фазе:

F+H2→HF+H

Выделяемая теплота - 32 ккал/моль (приблизительно 70 % от нее идет на
возбуждение колебательных состояний фторида водорода)

Цепные реакции - один из продуктов реакции может повторно вступать в
химическую реакцию:

A+B2→AB*+B
A2+B→AB*+A и т. д.

В качестве молекул активной среды необходимо использовать наиболее
простые (желательно, двухатомные) молекулы

течение определенного периода времени
населенность 2-го колебательного уровня приблизительно в 3 раза
превышает населенность 1-го уровня - на переходе 2→1 возникает генерация

Второй тип реакции: F2+H→HF+F

Выделяемая теплота - 98 ккал/моль - возбуждаются колебательные уровни
вплоть до 10-го

Генерация происходит на нескольких колебательных переходах в
диапазоне уровней от 1-го до 6-го в диапазоне от 2.7 мкм до 3.3 мкм

Особенности генерации

в спектре наблюдается колебательно-вращательная структура

наличие каскадной генерации

имеется только частичная инверсия между соседними
колебательными уровнями

процессам для молекулярных лазеров,
работающих на колебательных переходах

Происходят процессы
VV-обмена и VT-релаксации

В возбужденных колебательных состояниях
очень быстро устанавливается равновесное
распределение по вращательным состояниям

Скорости колебательно-вращательной релаксации в молекулах существенно
меньше по сравнению со скоростями электронной релаксации

В результате реакций в процессе образования новых молекул
перестраиваются химические связи, и высвобождаемая энергия идет на
перестраивание этих химических связей через колебательные состояния

В многоатомных молекулах высвобождаемая в химической реакции энергия
будет идти на возбуждение множества состояний, и инверсную населенность
между какой-нибудь парой уровней получить сложно

столкновениях молекулы
SF6 (или NF3, UF6) с электроном в электрическом разряде

диссоциация молекул фтора и водорода на атомы в результате
облучения УФ излучением

Использование смеси, состоящей только из молекул фтора и водорода,
опасно вследствие ее высокой взрывоопасности. Поэтому в исходные
газовые смеси обычно добавляется молекулярный кислород

Источники УФ излучения: кварцевые лампы и искровые разряды

Электрический разряд используется, как правило, в импульсных лазерах,
а УФ воздействие чаще применяется для обеспечения работы лазера в
непрерывном режиме

Эффективность УФ диссоциации выше по сравнению с использованием
электрического разряда

В электрическом разряде удается достигать заметно более коротких времен
диссоциации

ближний ИК диапазон в области длин волн 3.5 - 5 мкм

Наибольшая выходная мощность получена в DF-лазере – до нескольких
МВт в непрерывном режиме

Величины энергосъема с единицы объема активной среды достигают
сотней джоулей с литра при атмосферном давлении газовой смеси

Иодный лазер

Инверсная населенность в атомарном иоде достигается в реакции
фотолиза молекулы CF3I:

CF3I+hν→I*+CF3

Источником излучения для этой реакции могут служить кварцевые лампы

Длина волны генерации 1.315 мкм

CF3I, что приводит к высоким
величинам энергосъема

Поглощение проходит в широкой спектральной полосе, обусловленной
множеством энергетических состояний молекулы CF3I, имеющей большое
количество колебательных степеней свободы

Для накачки могут использоваться открытые разряды

Вследствие наличия релаксационных процессов реакция фотодиссоциации
должна протекать быстро. Поэтому накачка включается в импульсном
режиме

Кроме молекулы CF3I, могут использоваться молекулы C3F7I и CH3I

рассмотренный ранее
CO2 лазер. Однако в данном случае механизм создания инверсной
населенности принципиально иной и состоит в прохождении
следующей последовательности реакций:

Сначала смешиваются молекулы оксида азота и фтора, в результате чего
происходит образование атомарного фтора:

NO+F2 → NOF+F

Далее фтор взаимодействует с молекулярным дейтерием, и происходит
образование молекулы DF в возбужденном колебательном состоянии:

F+D2 → DF*+D

Образовавшийся атом дейтерия может провзаимодействовать с
непрореагировавшим молекулярным фтором также с образованием
возбужденной молекулы DF:

D+F2 → DF*+F

в
результате резонансной передачи энергии заселяется верхний лазерный
уровень CO2:

DF*+ CO2 → DF+ CO2*

NO

F2

D2

CO2

NOF, F

DF, CO2

CO2*