В последнее время возрос интерес к химическим лазерам. Главная
особенность химических лазеров состоит в том, что в них происходит
прямое преобразование энергии, выделяющейся в процессе химической
реакции, в энергию когерентного излучения. Этим они отличаются от других
лазеров, например, газовых, в которых химические реакции, хотя и играют
существенную роль в процессе накачки, однако являются лишь
вспомогательным звеном, так как энергия черпается из других источников
не химического происхождения.
Внимание к химическим лазерам не случайно. Объясняется это тем, что
химическая энергия является одним из самых дешевых видов энергии,
используемых в настоящее время для накачки лазеров. Химические лазеры
позволяют сконцентрировать в единице объема рабочего вещества большое
количество энергии, и, кроме того, их спектр необычайно широк
(охватывает область от 1,3 до 26 мкм).
Идея химического лазера впервые была выдвинута и обоснована в 1960 г.
канадским химиком Дж. Полани. В 60-е гг. начались интенсивные поиски
путей создания лазеров с химической накачкой. В 1965 г. Дж. Каспером и
Г. Пименталем был создан первый химический лазер на смеси водорода и
хлора (НС1). Но КПД лазера оказался чрезвычайно мал, не более 10"
...10~4 %. Со временем стало ясно, что КПД можно повысить, если создать
такие условия, чтобы реакция протекала с большой скоростью и вместе с
тем смесь успевала до начала реакции заполнить весь объем оптического
резонатора. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют разветвленные
цепные реакции. Лазер на основе разветвленной химической реакции
молекулярных фтора и водорода (HF) впервые был запущен в Институте
химической физики АН СССР под руководством В. JI. Тальрозе в начале 1969
г.
Механизм реакции в HF лазере протекает по следующей схеме: H2+F2->--+F +
HF + H; F + H2-HF# + H; H+F2- ->HF* + F.
В начале реакции происходит зарождение атомов фтора. Вступая во
взаимодействие с водородом, они вызывают цепную реакцию, в ходе которой
образуются возбужденные молекулы HF*. При переходе в устойчивое
состояние молекулы HF выделяют энергию в спектральном диапазоне
2,6...3,3 мкм.
Работают HF лазеры как в непрерывном, так и в импульсном режимах.
Мощность их непрерывного излучения достигает 10 кВт, а энергия в
импульсе - до нескольких килоджоулей при КПД около 10 %.
Несмотря на общность механизма реакции, импульсные и непрерывные лазеры
работают по-разному. В лазерах импульсного действия инициирование
реакции H2-f-F2 достигается исключительно за счет внешнего воздействия,
например, в результате бомбардировки молекул фтора быстрыми электронами,
поступающими из ускорителя. Обладая высокой проникающей способностью,
электроны однородно возбуждают большой объем активной среды. В некоторых
лазерах разложение фтора осуществляется путем воздействия на смесь
световых импульсов или электрического разряда. Развитц&>дш*ичишшА лазе
ров
' 3 I
непрерывного действия идет, в основном, по двум направлениям: создания
лазеров с тепловым инициированием реакции и разработки чисто химических
лазеров с использованием вспомогательного реагента.
В лазерах с тепловым инициированием реакции необходимый для поджига
химически активный атомарный фтор получают при термической диссоциации
молекул F2 в плазмотронном нагревателе. Принип работы такого лазера
показан на рис. 13. Горячий поток атомарного фтора, пройдя через сопло,
приобретает сверхзвуковую скорость (до 103 м/с), охлаждается и после
смешивания с водородом поступает в объем оптического резонатора. Здесь в
результате цепной реакции образуются возбужденные молекулы фтористого
водорода, которые дают непрерывное излучение. Высокая скорость прокачки,
глубокое перемешивание газовой смеси повышают КПД лазера.
В чисто химических лазерах полностью отказались от использования
внешних источников энергии. Атомы фтора порождаются при реакции молекул
фтора и водорода в присутствии вспомогательного реагента, например N0.
Наряду с этим генерацию удалось получить также на смеси дейтерия с
фтором (Дг+Гз). Работает ДЕ лазер по той же схеме, что и HF лазер,
генерируя излучение в спектральном диапазоне 3,5-5 мкм, который
соответствует окну прозрачности атмосферы. Поэтому ДЕ лазер может
оказаться полезным, например, при дальнометрировании. Однако энергия ДЕ
лазеров в 2...2,5 раза меньше энергии HF лазера.
Дальнейшим шагом в развитии химических лазеров явилось использование
смеси Дг+Ег+СО2. Принцип работы такого лазера заключается в следующем.
Цепная химическая реакция Д2 с F2 приводит к образованию возбужденных
молекул flF*. Они отдают свою энергию молекулам СО2, которые становятся
источником энергии излучения с длиной волны 10,6 мкм.
Возникает вопрос: с какой целью передается энергия молекулам СОг, если
молекулы ДЕ могут излучать ее сами? Другими словами, если не брать во
внимание длину волны излучения, в чем состоит основное различие лазеров
на смесях Дг+ + F2 и fl2 + F2 + C02? flF-С02 лазер обладает более
длинной лазерной цепью, поэтому его квантовый выход выше. За счет
введения СО2 энергия излучения увеличивается более чем в 10 раз, а КПД
достигает 12 %. Подобно HF- и ДЕ лазерам, ДЕ-СО2 лазеры работают как в
импульсном, так и в непрерывном режиме. Импульсные ДЕ-СО2 лазеры более
эффективны при невысоких уровнях инициирования. С ростом уровня
инициирования, когда скорость реакции возрастает, происходит сильный
нагрев смеси. Это ведет к сокращению времени гашения возбуждения молекул
ДЕ, поэтому они уже не успевают передавать свою энергию молекулам СО2. В
результате часть энергии бесполезно теряется. В таких случаях
предпочтительнее ДЕ лазер.
Среди ДЕ-СО2 лазеров непрерывного действия следует различать дозвуковые
лазеры - со скоростью прокачки потока 200...400 м/с и сверхзвуковые. Для
под-жига реакции в дозвуковом лазере фтор
предварительно смешивают с окисью азота. В результате их взаимодействия
образуется атомарный фтор, который служит активным центром, начинающим
лазерно-химическую цепь в смеси Дг + Ег + СО2. Мощность дозвуковых
лазеров составляет 160-500 Вт. Переход к сверхзвуковым скоростям
прокачки смеси позволяет без заметного снижения КПД получать мощность
излучения (до 10 кВт), в десятки раз превышающую мощность дозвуковых
лазеров.
Существование цепной реакции, в принципе, возможно также в смесях
фторида йода с водородом и фторида хлора с водородом. Однако на практике
эти реакции не получили широкого применения.
В настоящее время часто говорят об эре <водородной энергетики>, которую
связывают с проблемой создания химического лазера, работающего на
реакции водорода с кислородом. Привлекает возможность прямого
преобразования термоядерной энергии в химическую, а затем в когерентное
излучение.
