CS229846B1 - A method for obtaining a chemical laser inversion - Google Patents
A method for obtaining a chemical laser inversion Download PDFInfo
- Publication number
- CS229846B1 CS229846B1 CS102083A CS102083A CS229846B1 CS 229846 B1 CS229846 B1 CS 229846B1 CS 102083 A CS102083 A CS 102083A CS 102083 A CS102083 A CS 102083A CS 229846 B1 CS229846 B1 CS 229846B1
- Authority
- CS
- Czechoslovakia
- Prior art keywords
- laser
- molecules
- inversion
- energy
- obtaining
- Prior art date
Links
Landscapes
- Lasers (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
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.The invention relates to a method for obtaining inversion of a chemical laser, which would allow the use of high energy density contained in metastable states of molecules, arising, for example, by a chemical reaction, to obtain inversion by exciting active centers with a sufficient speed for use in high-energy pulsed lasers. Free atoms, for example, can serve as active centers. Such lasers are used for research into controlled thermonuclear fusion. The required light pulses range in the range of units to tens of nanoseconds and their energy to tens of 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.The present invention relates to a method of obtaining a chemical laser inversion that allows the use of the high energy density contained in metastable states of molecules, for example resulting from a chemical reaction, to obtain inversion by activating active centers with sufficient speed for use in high energy pulsed lasers. For example, free atoms can serve as active centers. Such lasers are used for the research of controlled thermonuclear fusion. The required light pulses range in units of up to tens of nanoseconds and their energy to tens of kj.
V současné době se využívá například rezonančního přenosu energie mezi metastabilní úrovní molekuly kyslíku O2(a1Ag) a atomem jodu I:For example, resonant energy transfer between the metastable level of the oxygen molecule O 2 (and 1 A g ) and the iodine I atom is currently being used:
O2(aUg) + l(zP3/2) - I* (2Pi/2) + O2(X3£g-) (1) ki = 7.6.10“11 cm3/sO 2 (aU g ) + 1 ( from P3 / 2) - I * ( 2 Pi / 2) + O 2 (X 3 £ g-) (1) ki = 7.6.10 “ 11 cm 3 / s
Přirozená doba života O2(a1Agj je 45 min., lze ho proto připravovat chemickou cestou, například chemickou reakcí:The natural lifetime of O2 (a 1 A g j is 45 min.) Can therefore be prepared chemically, for example by chemical reaction:
Cl2 + H2O2 + 2NaOH-O2(aUq) + 2NaCl + + 2HaO (2j s účinností 95 + 5 °/o. Atomární jod pro reakci (lj se získává na základně reakcí:Cl2 + H2O2 + 2NaOH-O2 (aU q ) + 2NaCl + + 2HaO (2j with an efficiency of 95 + 5 ° / o. Atomic iodine for the reaction (1j is obtained on the basis of reactions:
O2*(a1Ag) + 02*(a1Ag) - O2**(bQ)g+) + + O2(X3£g~) k3 — 2 . ΊΟ-w cm3/sO2 * (Ag 1) + 02 * (1 Ag) - O2 ** (BQ) + g) + O2 (3 X £ g ~) k3 - 2nd ΊΟ-w cm 3 / sec
G2**(b12g+) + I2 -* O2(X32Jg_) + 2Ι(2Ρ3/2) (4) ká == 2.3.TO-10 cm3/sG ** 2 (b 1 + 2 g) + I2 - * O2 (X 3 _ 2Jg) + 2Ι (Ρ3 2/2) (4) k == 2.3.TO -10 cm 3 / s
Proto je možné získávat potřebnou inverzi v tomto laseru směšováním par molekulárního jodu s proudícím kyslíkem O2(a1Agj. Tímto způsobem bylo dosaženo kontinuálního l trežimu činnosti laseru o výkonu 100 W.Therefore, it is possible to obtain the necessary inversion in this laser by mixing the molecular iodine vapors with the flowing O2 (a 1 A g j).
Provoz tohoto laseru probíhal při parciálním tlaku 02(aUJ ási 130 Pa. Pro činnostThis laser was operated at a partial pressure of 02 (aUJ 130 130 Pa. For operation)
- 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:- This laser has some limiting factors that make it impossible to increase the I * ( 2 Pj / 2 ) concentration and thereby achieve the desired inversion level for the high power pulse mode. Above all, the low concentration of O2 ** (biŠ 8 + L) is important, which does not allow to increase the amount of I2 in the system.
1*(2Pi/2) + I2- I(2P3/2) + I2 (5) ks — 3.6.10-11 om3/s 1 * (2 Pi / 2) + I I2- (2 P3 / 2) + I2 (5) ks - 3.6.10-11 om 3 / s
Se zvyšováním koncentrace Óaj alA) se zkracuje doba života tohoto stavu a systém vyžaduje technický obtížně dosažitelné rychlosti míchání par jodu s kyslíkem. Projevuje se vliv reakcímWith increasing concentration OAU and L A) shortens the lifetime of this state and the system requires technically difficult reachable speed agitation iodine vapors with oxygen. There is an influence of reactions
O2*(aiAg) + I*(2Pj/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(aiAg) + M (8) k& = 1.0.10~i7 cm3/sO 2 * (AIA g) + I * (P 2 j / 2) -02'JbiL /] + L (2 P 3/2) (6) ks = 6.2 IO-1 4 cm3 / s 0.2 ** (b.i2; g + ) -> O2 (X 3 Xg-j + hv (7) k7 == 7.7.10-2.S-1 Oz ** ( bi £ g + ) + M-O 2 (aiA g ) + M (8) k & = 1.0.10 ~ 17 cm 3 / 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.Furthermore, the effect of admixtures in gases and quenching of metastable states by collisions of molecules with walls is apparent. Abroad, a theoretical possibility has been proposed to increase the accumulated energy density while preserving life, at a technically fair value on the basis of substantial supercooling of the laser mixture, in order to reduce the rate of individual reactions in an appropriate manner. The overall efficiency was estimated, including the recovery of used chemicals around 6%. Estimated extracted energy of 100 kj (15 J / lj with twenty times the light pass through the amplifier. The time between each light pass is about 200 ns, so that the energy can be exchanged according to equation (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).The disadvantage of this system is the sophisticated cooling system and the need for rapid mechanical mixing of the iodine vapor with oxygen, which limits the increase in the concentration [OW] [I] and thus the reaction rate (lj). Extracting energy from the amplifier Shortening this time would also simplify the design of the amplifier Obtaining atomic iodine based on reaction (4) is also not optimal due to the low concentration Ο2 ** (^ 2 ? + ] and reaction (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.At present, a photodissociating iodine laser is also used in which excited states of iodine atoms are obtained by photodissociation with UV radiation of C3F7I type compounds. The laser iodine transition corresponds to a wavelength of 1.315 µm and the UV radiation corresponding to the maximum cross section of the photodissociation has a wavelength of 273 nm. Useful UV bandwidth 41 nm.
Nevýhodou fotodisociačního laseru je nízká účinnost způsobená nevýhodným poměrem energie kvant potřebných pro fotodisociaci (lna) a kvanty laserového záření (hia)·' = 4.82 hvL The disadvantage of the photodissociation laser is its low efficiency due to the disadvantageous ratio of the energy of the quantities needed for photodissociation (flax) and the quantum of laser radiation (hia) · '= 4.82 h in 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.There is also a low efficiency of the UV sources needed for photodissociation and the low energy stored in capacitor batteries. Current capacitors achieve 100 J / l (0.1 J / g) and a laser efficiency of 0.1%. Thus, a 10 kJ laser amplifier requires a 10 MJ capacitor battery, which is technically very difficult to implement. By way of comparison, current exits oxygen chemical generators allow to generate energy of 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(a1Ag) 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:These drawbacks of the purely chemical laser and of the phiotodissociation laser do not have the present invention, the object of which is to provide an inversion of a chemical laser utilizing energy transfer from metastable state molecules to active centers whose excited states are used for stimulated laser emission. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a process in which free active centers are obtained by photodissociation of molecules containing these centers in the working volume of molecules in the metastable state. The invention further relates to a process in which, in the metastable state, ozone molecules ( I ) and atoms (I) obtained by photodissociation of iodide are treated. The present invention utilizes a so-called hybrid inversion pumping process comprising adding a compound containing active centers in the bound inactive state to a mixture comprising molecules in the metastable state. After filling the appropriate cuvette of the laser system with this mixture, by photodissociation of this compound, the required concentration of free active centers for resonant energy transfer from the metas-tabular states of the molecules is obtained in a pulsed manner in the volume of the working medium. These excited centers can be used for stimulated emission in the laser system. The long lifetime of the molecules in the metastable states in the absence of active centers before the start of the photodissociation and the small effect of the compounds containing these centers on the lifetime of the molecules in the metastable state are used to obtain the inversion. An example of a hybrid inversion pumping method is a mixture containing oxygen in the metastable state of O2 (a 1 A g ) and an RI type compound used in photodissociating iodine lasers (eg C3F7IJ) utilizing resonance energy transfer to active centers formed by iodine atoms obtained by photodissociation:
RI + hv -> R + I* (10)RI + hv -> R + I *
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.On the first pass of the laser beam, the atoms return to the ground state due to stimulated emission and are again energized by resonant energy transfer from metastable levels of O 2 (O 2) according to equation (1). The stored energy at the metastable levels of the molecules is converted to the light energy of the laser radiation at each pass of laser light.
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).An advantage of the arrangement according to the invention is that it eliminates the need for rapid mechanical mixing of the mixture that requires a conventional chemical laser. It allows for a fast pulsed method of obtaining inversion across the entire volume of working medium required for the pulse mode of the laser, while maintaining the advantages of the high energy density of chemical lasers. In the pulsed method of obtaining active centers in the working volume of the molecules in the metastable state, higher concentrations of these molecules can be used, thereby increasing the energy density stored in the laser system and increasing the energy transfer rate between metastable states of the molecules and active centers. This solution also eliminates the disadvantage of the photodissociation laser and hence the low efficiency, since most of the stored energy is contained in the metastable levels of the molecule and only a fraction of the energy is obtained by photodissociation. Molecules at metastable levels can be obtained chemically with up to 100% yield. This solution also eliminates the need for significant cooling of the mixture, since real mixing time is not a determining factor in achieving high energy densities, as in conventional chemical lasers. Removing large capacitor batteries, reducing cooling requirements, and laser gas velocities will greatly simplify the technical implementation of large laser modules (for 10 kj energies).
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.A particular embodiment of the invention can be illustrated by the construction of a photodissociation laser pumped by a discharge lamp, wherein the quartz cuvette with the working charge is illuminated by UV radiation of pulsed xenon lamps. In such a laser, photodissociation of the excited iodine concentration of 4.10 16 cim -3 is achieved. The working substance used is n-C3F7l with a concentration of 5.10 17 cm 3 . This corresponds to the gain for the small signal g = 0.04 cm -1 . The method of obtaining an inversion according to the invention consists of impregnating oxygen in the metastable state of OztaiAg) at a partial pressure of 2 kPa with n-CsF7l vapors in a ratio of 1: 1 into the cuvette of said arrangement sc. iodine concentration obtained by photodissociation after lamp exposure. Therefore, the extracted energy in the laser radiation will also be in a corresponding ratio higher than for a classical photodissociation 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.Currently iodine photodissociation lasers with energies of 1 kj are realized. Using the proposed hybrid inversion acquisition method, it is possible to increase the energy and efficiency of these lasers so that they become perspective for the realization of a controlled thermonuclear reaction. Because the energy flux density of chemical generators of molecules in metastable states is very high (MJ / L), these generators, together with the proposed method of obtaining inversion of high repetition rate lasers and energies of 100 J, make relatively simple and inexpensive technical means possible. Such lasers are promising in industry as a source of X-rays for lithography, or for annealing semiconductors after implant implantation.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CS102083A CS229846B1 (en) | 1983-02-15 | 1983-02-15 | A method for obtaining a chemical laser inversion |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CS102083A CS229846B1 (en) | 1983-02-15 | 1983-02-15 | A method for obtaining a chemical laser inversion |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CS229846B1 true CS229846B1 (en) | 1984-06-18 |
Family
ID=5343503
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CS102083A CS229846B1 (en) | 1983-02-15 | 1983-02-15 | A method for obtaining a chemical laser inversion |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CS (1) | CS229846B1 (en) |
-
1983
- 1983-02-15 CS CS102083A patent/CS229846B1/en unknown
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Juris et al. | Ru (II) polypyridine complexes: photophysics, photochemistry, eletrochemistry, and chemiluminescence | |
| Pollack et al. | Upconversion‐pumped infrared erbium laser | |
| Seely | Density-sensitive dielectronic satellite lines in microballon neon spectra | |
| US4648951A (en) | Photoionization technique to enrich mercury isotopes and apparatus therefor | |
| US4087763A (en) | Method and apparatus for secondary laser pumping by electron beam excitation | |
| CS229846B1 (en) | A method for obtaining a chemical laser inversion | |
| US5110562A (en) | Laser isotope separation apparatus | |
| Miyasaka et al. | Picosecond 266 nm multiphoton laser photolysis of liquid alkyl chlorides: Production of ionic species | |
| Behar et al. | Flash photolysis of hydrogen peroxide I: the reaction of ozonide with hydrogen peroxide | |
| Krupke et al. | Advanced lasers for fusion applications | |
| Eden et al. | Devices: Visible and UV lasers: Problems and promises: New families of gas lasers are expected to deliver a range of pulse intensities, durations, and wavelengths for diverse applications | |
| Hemmati et al. | XeI* production via laser absorption processes at 193 nm: Quenching kinetics | |
| Schäfer | Lasers for chemical applications | |
| Tanaka et al. | Observation of the Xe S charge transfer emission in crystal Xe doped with OCS | |
| Khorana et al. | Electronic processes in ultraviolet and pulse irradiated halide ion systems. The effect of heavy atoms | |
| Angelov et al. | Efficiency of two-stage photolysis of DNA bases by high-powerultraviolet laser radiation | |
| O'Connor et al. | Luminescence and dynamics in Tm3+: NaYF4 | |
| Schilowitz et al. | State-specific production of electronically excited potassium atoms in the ultraviolet photolysis of potassium iodide | |
| Konak et al. | Characteristics of nuclear-pumped lasers based on the 3p—3s transitions in the neon atom | |
| RU2248652C2 (en) | Method for generating stimulated radiation on iodine atoms | |
| Zietek et al. | Cyclooctatetraene as a triplet quencher in Dye lasers | |
| Schafer | Lasers for chemical applications | |
| Bokhan et al. | Collision gas-discharge laser utilizing europium vapor. I. Observation of self-terminating oscillations and transition from cyclic to quasicontinuous operation | |
| Miley | Nuclear pumping of the iodine laser revisited | |
| RU2142185C1 (en) | Method for producing laser beams at iodine magnetic dipole transition |