Главная страница  Принципиальная схема лазера 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [ 15 ] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35]

->HF + F+F и рекомбинации Н + НчьНг, F + FFj. Отношение скорости наработки возбужденных молекул HF*(DF*) к скорости гибели активных центров называется лазерной длиной цепи v.T Эта величина характеризует количество элементарных актов химической реакции, полезных для получения лазерного излучения, которое позволит провести один активный центр.

Если не учитывать релаксационные процессы, приводящие к потере возбужденных молекул HF*(DF*), то для любой отдельно взятой реакции из (3.6) Гл=1- Теоретически эта величина может быть существенно больше, что открывает возможность реализации такой схемы лазера, которая почти не требует подвода энергии извне на образование активных центров. Поскольку оптимальные условия для создания инверсной населенности в активной среде лазера характеризуются умеренными температурами (300... 450 К) и давлениями (0,1... 0,5 кПа), то очевидно, что одной из важнейших проблем организации непрерывного лазерного процесса в HF(DF)-химическом лазере является перегрев рабочей смеси.

В настоящее время в рабочих процессах НЕ(ПЕ)-НХЛ используется только «холодная» реакция:

F + H2(D2)-HF*(DF*) + Н.

Образование активных центров реакции накачки атомов фтора происходит в процессе термической диссоциации фторсодержащих компонентов при их нагреве в камерах сгорания или плазмотронах (см. п. 2.4.3). Причем, как уже говорилось, в качестве первичного горючего используется дейтерий для HF-лаЗера и водород для лазера на DF. Это связано с тем, что, попадая вместе с рабочим телом в систему накачки, продукты сгорания (молекулы HF или DF в основном состоянии) могут поглощать фотоны, образующиеся в ходе излу-чательных переходов в активной среде, состоящей из возбужденных молекул HF*(DF*), а также приводить к ускоренной дезактивации последних в столкновительных реакциях.

В то же время из-за заметного отличия энергий излуча-тельных переходов молекул HF* (/гу = 7,04 • Ю-о д «2,8 мкм) и DF* (/гу = 5,28-10-20 д, =3,8 мкм) их взаимное влияние друг на друга незначительно.

Для того чтобы получить высокие степени диссоциаций окислителя (а<0,95), температура в камере сгорания должна превышать 1500 К при давлениях более 0,2 МПа, что суще-

ственно отличается от оптимальных условий образования активной среды. Поэтому необходимо разделить процессы образования активных центров, т. е. атомовF, и возбужденных частиц HF*(DF*). Кроме того, желательно организовать быстрое удаление «отработанных» молекул HF(Df) из зоны реакции, чтобы избежать теплового «запирания» процесса.

Техническим устройством, обеспечивающим решение практически всех перечисленных проблем, связанных с созданием активной среды НХЛ, является смесительный сопловой аппарат, конструктивно близкий к сопловым аппаратам газодинамических лазеров на смешении (рис. 45). Сопловой аппарат НХЛ решает ряд задач, необходимых для эффектив-


Рис. 45. Конструкция элемента соплового аппарата (а) и схема .смешения реагентов {б)



ной работы лазера. Первая и самая главная - создание окислительных струй фтора и струй горючего (водорода), которые после смешения вступают в реакцию, образуя колебательно возбужденные молекулы. Быстрая скорость перемешивания, необходимая для высокого значения КПД, достигается, как известно, использованием большого числа малых сопл. Геометрические параметры сопл подбираются таким образом, чтобы производить сверхзвуковой поток при темпера- туре и давлении, оптимальных для процесса накачки.

Вторая задача, решаемая соплом в НХЛ при работе только на «холодной» реакции, заключается в химическом «замораживании» молярной доли диссоциированных атомов фтора на уровне или вблизи его значения в камере сгорания.

Bg = 7J2 кДт/иоль


H + HF = 3

Рис. 46. Энергетическая схема возбуждения молекулы HF в химическом лазере

Таким образом, сопловой аппарат НХЛ устанавливает давление, температуру и состав смеси, необходимые для протекания реакций накачки. Кроме того, высокая скорость сверхзвукового потока увеличивает длину активной среды и обеспечивает быстрое удаление «отработавших» молекул. Известно много конструкций смесительных сопловых аппаратов НХЛ. Наиболее перспективными в настоящее время счита ются аппараты, построенные по трехструйиой схеме, когд между струями горючего и окислителя вдувается струя инерт ного газа - Не, что позволяет еще более растянуть активнуК зону и обеспечить в ней лучший тепловой режим.

Особенностью энергетической схемы накачки HF-лазер (рис. 46) является то, что энергия продуктов реакцик

(-AH-f£(t) достаточна для возбуждения молекулу HF вплоть до уровня v = 3. Расстояния между энергетическими уровнями для молекул HF ие совсем одинаковы, поэтому лазер на HF, если не предпринимать специальных мер, не монохроматический: в его спектре излучения существует боль-1}1ое число линий (каждый колебательный уровень имеет еще ряд вращательных состояний), занимающих диапазон длин волн в интервале от 2,6 до 3 мкм. Приведенная выше длина волны HF-лазера ?i = 2,8 мкм соответстйует середине этого :1нтервала. Наибольшая населенность при холодной реакции создается на уровне v = 2, что обеспечивает самый высокий коэффициент усиления лазера на колебательно-вращательных переходах в полосе v = 2->v= I.

Для лазера на DF спектральный диапазон составляет от 3,6 до 4 мкм, что обеспечивает преимущества при использовании этих лазеров в атмосфере (см. подразд. 4.3).

Коэффициентом полезного действия химической накачки в HF-НХЛ можно считать отношение энергии, идущей иа возбуждение колебательных степеней молекулы HF* £о к полной энергии, выделяющейся в ходе реакции, £спрт ~ = -ЛН--£а. Для «холодной» реакции эта величина, как уже указывалось, составляет -0,7 (т]„«70 %). При этом EqIE. как видно нз рнс, 46, имеет смысл и квантового КПД tih. Однако для проточных газовых лазеров более показатель-юн оценкой процесса накачки является величина удельного и1сргозапаса (см. (3.5)), т. е. количество запасенной в ак-п}вной среде колебательной энергии £о, которая может быть преобразована в лазерное излучение, приходящееся на еди-.т массы активной среды:

[з] = - =• -71--- -П», (3.7)

де р,нр==20 кг/кмоль-молекулярная масса HF; = 0,15 - относительная концентрация молекул HF* в рабочей смесив

Для «холодной» реакции накачки HF-НХЛ 730 кДж/кг. Удельный энергозапас может быть рассчитан " другим способом. Если число фотонов, излучаемых одной возбужденной молекулой HF, равно k, концентрация возбужденных молекул HF* в рабочей смеси £, то для /г = 2 и ;-0,15:

(3.8) 97



где /iv = 7,04 • 10-2° Дж -энергия одного кванта излучения; ЛГа = 6,022- 102 кмоль- - число Авогадро.

Важность величины энергозапаса для проточных лазеров открытого цикла связана с оценкой необходимого количества рабочего тела.

Кроме непрерывных химических лазеров существуют химические лазеры импульсного действия. Рабочая смесь импульсного лазера готовится в специальном реакторе. Для приготовления смеси необходимо использовать взаимностабиль-ные компоненты, а затем инициировать реакцию созданием химически активных центров - свободных атомов или радикалов. В качестве инициирующих воздействий наибольшее распространение получили фотолиз (фотодиссоциация) и диссоциация молекул электронным ударом. Возбужденными молекулами, получающимися в результате химических реакций, как правило, являются HF*, DF*, НС1* и 0D*, которые могут излучать сами или передавать возбуждение другим молекулам (например, СО2).

Одним из наиболее перспективных мощных лазеров является химический кислородно-йодный лазер (ХКЙЛ). По существу это фотодиссоционный йодный лазер (см. п. 2.3.5) с химической накачкой. Особый интерес к этому лазеру объясняется тем, что в нем впервые успешно использована химическая накачка для получения инверсии на электронном переходе со сравнительно короткой длиной волны (%= = 1,315 мкм).

В рассмотренных выше НЕ(ПЕ)-химических лазерах энергия накачки высвобождается в процессе экзотермической химической реакции и реализуется в виде колебательного возбуждения молекул, причем создание активной среды связано с высокотемпературными процессами нагрева и течения газовых смесей. Действие ХКЙЛ основано на создании инверсной населенности уровней энергии в атомарном йоде J* за счет передачи энергии от молекулярного синглетного (см. п. 2.2.2) кислорода О2*:

y-t-o;w*-fo,.

(3.9)

Концентрация йода в лазерной рабочей смеси в 30-300 раз меньше концентрации кислорода, что позволяет уменьшить

затраты энергии, запасенной в синглетном кислороде на диссоциацию йода. При этом каждый атом йода многократно участвует в циклах передачи энергии и высвечивания лазерного кванта.

Газообразный синглетный кислород в количестве, достаточном для создания активной среды лазера, можно получать в химической газожидкостной реакции хлорирования щелочного раствора перекиси водорода: «

Cls + H20, + 2MOHiOj*+2MCH-2H,0. (3.10)

Для эффективного проведения этой реакции используют известные схемы массообменных аппаратов химической тех-!Юлогии. По способу организации поверхности контакта жидкость-газ аппараты делятся на пленочные, барботажные и аэрозольные. Наибольшая выходная мощ-ность ХКЙЛ (2 кВт) достигнута с помощью генератора синглетного кислорода барботажного типа.

Кислород О2* в синглетном состоянии может существовать достаточно долго, что обеспечивает возможность его транспортировки по трубопроводам длиною в несколько метров. Энергия О2* близка к энергии кванта лазерного перехода, что обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии синглетного кислорода в лазерное излучение.

В химическом кислород-йодном лазере с барботажным генератором синглетного кислорода (рис, 47) генератор представляет собой цилиндр, в который подается жидкий .50 %-ный раствор Н2О2 и KOH(NaOH). Газообразный СЬ прокачивается через этот раствор и при этом протекает реакция (3.10) с образованием синглетного кислорода. Синглетный кислород из газогенератора очищается от паров воды втруб-ятой ловушке. После расширителя, формирующего необходимую геометрию потока, он попадает в лазерную секцию, в которой происходит его смешение с молекулярным йодом. Подача разогретого в термостате и разбавленного аргоном йода осуществляется через смесительную систему, состоящую из перфорированных трубок и- обеспечивающую равномерное перемешивание компонентов и протекание реакций диссоциации йода и лазерной накачки (3.9).




[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [ 15 ] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35]

0.0122