CS229846B1 - Způsob získávání inverze chemického laseru - Google Patents

Abstract

Vynález se týká způsobu získání inverze chemického laseru, který by umožňoval využití vysoké hustoty energie obsažené v metastahilních stavech molekul, vznikajících například chemickou reakcí, pro získání inverze vybuzením aktivních center s dostatečnou rychlostí pro použití v impulsních laserech vysokých energií. Jako aktivní centra mohou sloužit například volné atomy. Takovéto lasery se používají pro výzkum řízené termojaderné syntézy. Požadované světelné impulsy se pohybují v oblasti jednotek až desítek nanosekund a jejich energie do desítek kj.

Description

Vynález se týká způsobu' získání inverze chemického laseru, který by umožňoval využití vysoké hustoty energie obsažené v metastabilních stavech molekul, vznikajících například chemickou reakcí, pro získání inverze vybuzením aktivních center s dostatečnou rychlostí pro použití v impulsních laserech vysokých energií. Jako aktivní centra mohou sloužit například volné atomy. Takovéto lasery se používají pro výzkum řízené termojaderné syntézy. Požadované světelné impulsy se pohybují v oblasti jednotek až desítek nanosekund a jejich energie do desítek kj.

V současné době se využívá například rezonančního přenosu energie mezi metastabilní úrovní molekuly kyslíku O₂(a¹A_g) a atomem jodu I:

O₂(aU_g) + l(^zP3/2) - I* (²Pi/2) + O₂(X³£g-) (1) ki = 7.6.10“¹¹ cm³/s

Přirozená doba života O2(a¹A_gj je 45 min., lze ho proto připravovat chemickou cestou, například chemickou reakcí:

Cl2 + H2O2 + 2NaOH-O2(aU_q) + 2NaCl + + 2HaO (2j s účinností 95 + 5 °/o. Atomární jod pro reakci (lj se získává na základně reakcí:

O2*(a¹Ag) + 02*(a¹Ag) - O2**(bQ)g⁺) + + O2(X³£_g~) k3 — 2 . ΊΟ-w cm³/s

G₂**(b¹2g⁺) + I2 -* O2(X³2Jg^_) + 2Ι(²Ρ3/2) (4) ká == 2.3.TO^-10 cm³/s

Proto je možné získávat potřebnou inverzi v tomto laseru směšováním par molekulárního jodu s proudícím kyslíkem O2(a¹A_gj. Tímto způsobem bylo dosaženo kontinuálního l trežimu činnosti laseru o výkonu 100 W.

Provoz tohoto laseru probíhal při parciálním tlaku 02(aUJ ási 130 Pa. Pro činnost

- tohoto laseru platí některé omezující faktory, které znemožňují zvýšit koncentraci I* (²Pj/₂) a tím dosáhnout požadované úrovně inverze pro impulsní režim výsokých výkonů. Především je důležitá malá koncentrace O2**(biŠ₈ ⁺L která neumožňuje zvýšit množství I2 v systému. Projevuje se negativní vliv rychlé reakce:

1*(²Pi/2) + I2- I(²P3/2) + I2 (5) ks — 3.6.10-11 _om3/_s

Se zvyšováním koncentrace Óaj a^lA) se zkracuje doba života tohoto stavu a systém vyžaduje technický obtížně dosažitelné rychlosti míchání par jodu s kyslíkem. Projevuje se vliv reakcím

O₂*(aiA_g) + I*(²P_j/2) -02‘JbiL/] + + l(²P₃/₂) (6) ks = 2.6 . IO-1⁴ cm3/s O,2**(b.i2;g⁺) ->O2(X³Xg-j + hv (7) k7== 7.7.10-2.S-1 Oz**(bi£g⁺) +M-O2(aiA_g) + M (8) k& = 1.0.10~i7 cm³/s

Dále se projevuje vliv příměsí v plynech a zhášení metastabilních stavů srážkami molekul se stěnami. V zahraničí byla navržena teoretická možnost zvýšení akumulované hustoty energie při současném zachování života ,na technicky reálné hodnotě na základě podstatného podchlazení směsi laseru, aby se snížily vhodným způsobem rychlosti jednotlivých reakcí. Byla odhadnuta celková účinnost, včetně regenerace použitých chemikálií v okolí 6 %. Předpokládaná extrahovaná energie 100 kj (15 J/lj s dvacetinásobným průchodem světla zesilovačem. Doba mezi jednotlivými průchody světla asi 200 ns, aby mohlo dojít k výměně energie podle rovnice (lj.

Nevýhodou tohoto systému je náročná chladicí soustava a nutnost rychlého mechanického míchání par jodu s kyslíkem, která omezuje zvýšení koncentrace [OW] [I] a tím zvýšení rychlosti reakce (lj. Zvýšení rychlosti této reakce by umožnilo zkrácení doby mezi průchody světla zesilovačem a zvýšilo účinnost extrakce energie ze zesilovače. Zkrácení této doby by také zjednodušilo konstrukci zesilovače. Získání atomárního jodu na základě reakce (4) není také Optimální, vzhledem k nízké koncentraci Ο2**(^2_? ⁺] a reakci (5).

V současné době se také používá fotodisociační jodový laser, v kterém se získávají vybuzené stavy atomů jodu fotodisociací UV zářením sloučenin typu C3F7I. Laserový přechod jodu odpovídá vlnové délce 1.315 ,um a UV záření odpovídající maximu účinného průřezu fotodisociace má vlnovou délku 273 nm. Užitečná šířka UV pásma 41 nm.

Nevýhodou fotodisociačního laseru je nízká účinnost způsobená nevýhodným poměrem energie kvant potřebných pro fotodisociaci (lna) a kvanty laserového záření (hia)·' = 4.82 hv_L

Také se projevuje malá účinnost zdrojů UV záření potřebných píro fotodisociaci a imalá hustato uchované energie v kondenzátorových bateriích. V současných kondenzátorech se dosahuje 100 J/l (0.1 J/g) a účinnost laseru 0.1 %. Tedy pro 10 kj laserový zesilovač je třeba kondenzátorová baterie 10. MJ, což je technicky velice obtížně realizovatelné. Pro srovnání, současné chemické generátory exitovamého kyslíku umožňují generovat energii 100 J/g.

Uvedené nedostatky čistě chemického laseru a fiotodisociáčního laseru nemá tento vynález, jehož předmětem· jest způsob získávání inverze chemického laseru využívajícího přenosu energie od molekul v metastabilním stavu na aktivní centra, jejichž vybuzených stavů je využíváno pro stimulovanou emisi laseru. Podstatou vynálezu je postup, při kterém volná aktivní centra jsou získávána v objemu pracovní náplně molekul v metastabilním stavu fotodisociaci molekul obsahujících tato centra. Podstatou je dále postup, při kterém v metastabilním stavu se působí molekulami Ozfa¹^) a atomy I, získanými fotodisociaci jodidu. Při řešení podle vynálezu se využívá tzv. hybridního způsobu čerpání inverze, spočívajícího v tom, že se do směsi obsahující molekuly v metastabilním stavu přidává sloučenina obsahující aktivní centra ve vázaném neaktivním stavu. Po naplnění příslušné kyvety laserového systému touto směsí se fotodisociací této sloučeniny získává impulsním způsobem v objemu pracovní látky potřebná koncentrace volných aktivních center pro rezonanční přenos energie od metas-tabilních stavů molekul. Tato vybuzená centra lze využít pro stimulovanou emisi v laserovém systému. Pro získání inverze se využívá dlouhé doby života molekul v metastabilních stavech za nepřítomnosti aktivních center před zahájením fotodisociace a malého vlivu sloučenin obsahujících tyto centra na dobu života molekul v metastabilním stavu. Jako příklad hybridního způsobu čerpání inverze může sloužit směs obsahující kyslík v metastabilním stavu O2(a¹A_g) a sloučeniny typu RI používané ve fotodisociačníoh jodových laserech (napr. C3F7IJ, kde se využívá rezonančního přenosu energie na aktivní centra tvořená atomy jodu získané fotodisociaci:

RI + hv -> R + I* (10)

Při prvním průchodu laserového svazku se atomy vlivem stimulované emise vrací zpět do základního stavu a jsou opět vybuzeny na základě rezonančního přenosu energie od metastabilních úrovní 02(0^) podle rovnice (1). Uložená energie v metastabilnrch úrovních molekul je při jednotlivých průchodech laserového světla přeměňována na světelnou energii laserového záření.

Výhodou uspořádání podle vynálezu je ío, že odstraňuje nutnost rychlého mechanického míchání směsi, které vyžaduje klasický chemický laser. Umožňuje rychlý impulsní způsob získání inverze v celém objemu pracovní látky, nutný pro impulsní režim laseru při zachování výhod vysoké hustoty toku energie běžné v chemických laserech. Při impulsním způsobu získávání aktivních center v pracovním objemu molekul v metastabilním stavu je možné použít vyšších koncentracích těchto molekul, tím zvýšit hustotu energie uloženou v laserovém systému a zvýšit rychlost přenosu energie mezi metastabilními stavy molekul a aktivními centry (viz rovnice /1/). Uvedeným řešením se také odstraňuje nevýhoda fotodisociačního laseru a tím nízká účinnost, protože větší část uložené energie je obsažena v metastabilních úrovních molekuly a pouze zlomek energie je získáván fotodisociaci. Molekuly v metastabilních úrovních lze získávat chemickou cestou až se 100% výtěžkem. Uvedené řešení odstraňuje také nutnost významného chlazení směsi, protože reálná doba míchání není určujícím faktorem dosažení vysokých hustot energií, jako v klasických chemických laserech. Odstranění velkých kondenzátorových baterií, snížení požadavků na chlazení a rychlosti proudění plynů v laseru podstatně zjednoduší technickou realizaci velkých laserových modulů (pro energie 10 kj).

Konkrétní provedení vynálezu je možné ilustrovat na konstrukci fotodisociačního laseru čerpaného výbojkami, kdy je křemenná kyveta s pracovní náplní osvětlována UV zářením impulsních xenonových lamp. V takovémto laseru se dosahuje fotodisociaci koncentrace vybuzeného jodu 4.10¹⁶ cim^-3. Jako pracovní látka se používá n-C3F7l o koncentraci 5.10¹⁷ cm“³. Tomu odpovídá zisk pro malý signál g = 0,04 cm'¹. Způsob získávání inverze podle vynálezu spočívá v tom, že do kyvety uvedeného uspořádání sc napouští kyslík v metastabilním stavu OztaiAg) o parciálním tlaku 2 kPa s párami n-CsF7l v poměru 1: 1. Tedy koncentrace kyslíku v metastabilním stavu je asi 10 X vyšší než koncentrace jodu získaná fotodisociací po expozici lampami. Proto bude také extrahovaná energie v laserovém záření v odpovídajícím poměru vyšší, než pro klasický fotodisociační laser.

V současné době jsou realizovány jodové fotodisociační lasery s energiemi 1 kj. Použitím navrženého hybridního způsobu získávání inverze je možné zvýšit energii a účinnost těchto laserů tak, že se stávají perspektivní pro realizaci řízené termojaderné reakce. Vzhledem k tomu, že hustota toku energie chemických generátorů molekul v metastabilních stavech je velice vysoká (MJ/1), umožňují tyto generátory společně s navrženým způsobem získávání inverze konstrukce laserů s vysokými opakovacími frekvencemi a energiemi 100 J relativně jednoduchými a levnými technickými prostredky. Takovéto lasery jsou perspektivní v průmyslu jako zdroj rentgenovského záření pro litografii, nebo pro žíhání polovodičů po implantaci lontů.

Claims (2)

1. předmEt

   1. Způsob získávání inverze chemického laseru využívajícího přenosu od molekul v metastabilním stavu na aktivní centra, jejichž vybuzených stavů je využíváno pro stimulovanou emisi laseru, vyznačený tím, že volná aktivní centra jsou získávána v objemu pracovní náplně molekul v metastabilYNÁLEZU ním stavu fotodisociací molekul obsahujících tato centra.
2. 2. Způsob získávání inverze chemického laseru podle bodu 1, vyznačený tím, že v metastabilním stavu se působí molekulami Ozíaků») a atomy I., získanými fotodisociací jodldu.