Химический кислородно-иодный лазер

Оглавление

 

Введение

Запуск в 1978 г. Химического кислородно-иодного  лазера (КИЛ) (англ. Chemical oxygen iodine laser, COIL) — инфракрасный химический лазер) был венцом многолетних усилий по созданию химического лазера на электронных переходах. Решающим моментом в этой работе явилась разработка химического генератора синглетного кислорода (СК), обеспечивающего высокое содержан6ие в газовом потоке и большую производительность, достаточную для создания лазеров мощностью несколько десятков киловатт.

Привлекательные особенности КИЛ – достаточно малая длина волны (λ = 1.315 мкм), однородность газовой активной среды (смеси кислорода с парами йода), узкая линия генерации и т. д. – сделали его объектом активного исследования в лабораториях США, Японии, России, КНР, Израиля, Франции, Чехии и других стран. Исследования КИЛ велись в различных направлениях – по созданию численной модели КИЛ, исследованию различных типов генераторов СК, изучению механизма диссоциации молекулярного иода в кислородно-иодной смеси, реализации импульсного режима работы КИЛ, поиску оптимальных конструкторских решений отдельных узлов и лазера в целом и т.д.

Затраченные усилия привели  к впечатляющим успехам во многих направлениях и позволили создать  лазеры не уступающие по основным характеристикам  лазерам других типов, а в ряде случаев их превосходящие. В то же время работу нельзя считать завершенной, т.к. остались невыясненными до конца некоторые принципиальные вопросы работы КИЛ.

Специфика химических лазеров заключается в том, что  исходные реагенты и продукты реакции, как правило, весьма токсичны и агрессивны (F2, HF, CL2, CS2, H2O2...), что требует специальных условий для работы с ними. Тем не менее последнее десятилетие отмечено активизацией работ, связанных с совершенствованием химического КИЛ. Это обусловлено многообещающими перспективами его использования в различных областях, включая военные.

 

 

1. Принцип работы КИЛ

В лазер подаются газообразный хлор, молекулярный йод, раствор перекиси водорода и гидроксида калия. В результате химической реакции раствора с хлором (помимо тепла и хлорида калия) образуется кислород в возбуждённом состоянии со средним временем жизни 45 минут. Этот т. н. синглетный дельта-кислород передаёт энергию возбуждения молекулам йода, впрыснутым в газовый поток; они примерно в резонансе с синглетным кислородом, поэтому передача энергии при столкновениях частиц происходит быстро. Затем в области оптического резонатора лазера происходит генерация на возбуждённом йоде на длине волны 1,315 мкм.

Лазер работает при сравнительно низких давлениях газа, но скорость его потока во время реакции должна приближаться к скорости звука; даже описаны конструкции со сверхзвуковым течением. Низкое давление и быстрый поток газа делают отвод тепла из области генерации простым по сравнению с высокоэнергетическими твердотельными лазерами. Продукты реакции — хлорид калия, вода и кислород; следы хлора и йода удаляются из отработанной смеси галогеновым скруббером (газопромывателем).

Инверсная населённость на уровнях  сверхтонкой структуры атома  йода была впервые использована для  получении генерации в лазере на основе фотодиссоциации алкилиодидов и перфторалкилиодидов. Результатом разработак фотодиссоционного иодного лазера являются такие установки как «Астерикс» в ФРГ и «Искра-5» в России.

Успехи, достигнутые  в развитии фотодиссоционных лазеров, показали, что атом иода является прекрасной лазерной частицей. Однако фотодиссоциация перфторалкилиодидов оказалась не лучшим способом создания инверсии в силу большой разницы энергий квантов УФ излучения (λ~250 нм), используемого для фотодиссоциации, и ИК излучения атома иода (λ = 1.315 нм). Альтернативный источник накачки атома иода был предложен Дервентом и Трашем, наблюдавшими быстрое тушение СК О₂(1∆) атомарным иодом. Передача энергии возбуждения первого электронного уровня молекулы кислорода основному состоянию атома иода

О₂(¹∆) + I(²Р_3/2) → I(²P_1/2) = O₂(³Σ)       (1)                 

является очень  быстрым процессом с константой скорости К₁ = 7.6*10^-11 см³/с,что обеспечивает эффективную накачку верхнего лазерного уровня I(²P_1/2). Структура верхнего и нижнего состояний атома йода вместе со схемой нижних электронных уровней молекулы кислорода представлена на рис.1

 

Дефект энергии между  состояниями О₂(¹∆) и I(²P_1/2) составляет всего 402 К. Процесс I(²P_1/2) (1) является обратимым и устанавливает равновесие в смеси кислорода и атомарного иода. Поскольку в соотношении (1) в обеих частях стоят одни и те же химические компоненты, то константа равновесия Кeq определяется только электронными статистическими суммами компонентов:

Keq = [I(²P_1/2)][O₂(³Σ)]/[ О₂(¹∆)][ I(²Р_3/2)]  = 3/4exp(402 K/T)    (2)

Условие существование  инверсии на переходе атома иода I(²P_1/2) → I(²Р_3/2)

[I(²P_1/2)]/[ I(²Р_3/2)]>1/2         (3)

Определяет  необходимое содержание η СК в  системе О₂-I:

η_th = [О₂(¹∆)]/{[О₂(¹∆)]+[O₂(³Σ)]}>1/(1+2 Keq).     (4)

При температуре 300 К имеем  Keq=2,84 и η_th =0,15.

Отметим,что η_th=0,15 соответствует идеальным услвиям отсутствия релаксационных процессов. В реальных условиях при наличии, например, релаксации иода с характерным временем τ_r положительное усиление в системе наблюдается при содержании СК

η_{th =}          (5)

где τ₁^-1 = К₁[О₂(¹∆)] – характерное время накачки атома йода.

Коэффициент усиления на переходе I(²P_1/2) → I(²Р_3/2)

g = σ {[ I(²P_1/2)]-1/2[I(²Р_3/2)]},        (6)

где σ – сечение перехода. Для сильнейшего перехода F=3→F=4 имеем:

σ34= (λA₃₄(πln2)^1/2/(4π²∆υ_D))exp(∆υ₁/(∆υ_D²ln2))erfc(∆υ₁/(∆υ_Dln(2)^1/2))  (7)

где ∆υ_D = 1,48*10⁷Т^1/2 – ширина доплеровского контура в герцах, Т-температура в кельвинах, ∆υ₁ – ударная ширина линии, А₃₄ – коэффициент Эйнштейна. При комнатной температуре доплеровская ширина ∆υ_D = 250 МГц, и именно она определяет спектр генерации в типичных условиях работы лазера.

Ударное уширение зависит не только от рабочего давления, но и состава газовой смеси. Характерные  коэффициенты ударного уширения для  кислорода и аргона, составляющих обычно основную часть газовой смеси, равны 5,7 и 4,7 МГц/мм рт.ст.

Как следует  из (6), коэффициент усиления кислородно-иодной среды зависит от концентрации атомов йода в основном и возбуждённом состояниях, которая в свою очередь, определяется содержанием СК η. В условиях, когда η велико, практически весь иод находится в возбуждённом состоянии и коэффициент усиления определяется концентрацией атомарного иода. Для диапазона η = 0,5-0,8 коэффициент усиления (в обратных сантиметрах) на переходе 3→4

g = (4-6)*10^-18[I],          (8)

где [I] взято в обратных кубических сантиметрах. Таким образом, для получения среды с высоким усилением необходимо создать требуемую концентрацию атомов иода в смеси с высоким содержанием СК.

2. Применение КИЛ

Обладая длиной волны излучения, близкой к длине волне Nd-лазера и мощностью, сравнимой с мощностью СО₂-лазеров, КИЛ являются весьма привлекательными для использования в промышленности, где они могут конкурировать с лазерами указанных выше типов. Очевидно, что создание лазера, удовлетворяющего жестким требованиям промышленности по надежности, безопасности, ресурсу и т. д., является довольно сложным делом, требующим значительных капиталовложений, привлечения широкого круга разработчиков и проведения специальных исследований КИЛ. Однако в силу специфики КИЛ как химического лазера круг специалистов, работающих с ним, невелик. Тем не менее усилия, направленные на создание технологического КИЛ, привели к созданию японской фирмой «КАВАСАКИ» первого образца такого лазера (рис.2).

Рис.2 Промышленный КИЛ фирмы 2Кавасаки» мощностью 1 кВт

Лазер, предназначенный для резки, сверления и сварки деталей сложной формы, генерирует излучение мощность 1 кВт. С помощью волоконного световода диаметром 0,3 мм излучение с эффективностью 90% передаётся к обрабатывающей головке, размещённой над рабочим столом размером 680*680 мм, который позволяет обрабатывать детали весом до 150 кг. Управление осуществляется с помощью компьютера. Система обеспечивает нестабильность выходной мощности 3%. Лазер был применён для резки нержавеющей стали толщиной 5 мм. Плотность мощности на обрабатываемом материале достигала 1,64 МВт/см², а скорость резания – 2 м/мин. Следует отметить высокий для дозвуковых систем химический КПД лазера(30%). Развитие работ предполагает создание сверхзвукового КИЛ на базе струйного ГСК

В этом же направлении ведутся работы в Аэрокосмическом центре в Германии, где создан сверхзвуковой лазер на основе плёночного ГСК с вращающимися дисками. В настоящее время наряду с исследованием работы лазера в режиме коротких (20 с) пусков проводятся работы по совершенствованию его конструкции с целью обеспечения долговременной работы.

Сравнительный анализ капитальных и эксплуатационных затрат (см. таблицу), проведённый для лазеров 4-х типов показывает, что при сравнимых капитальных затратах расходы на эксплуатацию КИЛ гораздо больше. При этом основная их доля падает на реагенты, в то время как удельный вес электроэнергии для системы откачки и охлаждения может составлять не более 3%. Отметим, что стоимость реагентов может быть значительно снижена при их производстве специально для КИЛ.

Увеличение  эксплуатационных расходов может компенсироваться выигрышем в производительности КИЛ при сварке и резке толстых металлов, особенно обладающих высокой отражательной способностью (Al, Cu). Очевидно, что в полной мере все преимущества КИЛ могут быть реализованы в том случае, когда качество излучения не будет уступать достигнутому в лазерах других типов. Конечно, КИЛ трудно конкурировать с Nd – лазером в диапазоне мощностей порядка киловатта, особенно если мы примем во внимание успехи, достигнутые в области диодной накачки. Однако если говорить о мощностях порядка десятков киловатт и более, то тут КИЛ может стать конкурентоспособным в самое ближайшее время.

Недостатком КИЛ  является использование в них токсичных и агрессивных компонентов. По этой причине применение КИЛ оправданно там, где они дают эффект, недостижимый другими способами. Одной из таких областей является военная авиация, поскольку высокая эффективность, а также длина волны генерации КИЛ, соответствующая окну прозрачности атмосферы, позволяют рассматривать КИЛ как основу для бортового оружия авиации.

Это оружие и  программа по его созданию называется просто "Лазер воздушного базирования" (Airborne Laser — ABL).

 

 

Готовый лазер COIL(Боевой лазер – инфракрасный химический, кислородно-иодный (Chemical Oxygen Iodine Laser)), смонтированный, пока ещё, в фюзеляже списанного самолёта, для наземных испытаний (фото USAF).

В 1996, TRW Inc. удалось создать лазер мощностью в сотни киловатт, работающий в непрерывном режиме несколько секунд. Двадцати-киловаттный лазер был испытан ВВС США около 1998 г. (RADICL: Research Assessment, Device Improvement Chemical Laser).

 Химический лазер на стенде

Заключение

Выполнены обширные теоретические исследования химических процессов идущих в активной среде  КИЛ. Однако до сих пор некоторые  ключевые процессы понятны недостаточно. Одним из них является диссоциация молекулярного иода.

Несмотря на значительные успехи в разработке химических ГСК (генераторов синглетного кислорода),поиск  альтернативных способов получения  СК, которые были бы лишены недостатков, присущих реакции хлорирования щелочного раствора перекиси водорода, является весьма актуальным. Очевидно, что создание альтернативных и безопасных источников СК позволили бы КИЛ завоевать более прочные позиции в области их промышленного применения. Этому способствовало бы также и повышение химической эффективности КИЛ, т.е. уменьшение расхода реагентов на единицу мощности.

Из объекта  чисто научных исследований КИЛ  превращается в базу для создания различных устройств как промышленного, так и военного назначения, что  приводит к открытию новых направлений и исследований.

 

 

Список литературы:

1. Квантовая Электроника, 1996, Том 23, № 7, с. 583-600. Кислородно-иодный лазер с химической накачкой. Н. Н. Юрышев.
2. Материал из Википедии — свободной энциклопедии http://wikipedia.org.ru
3. http://www.publishe.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=1465