Химический лазер
Химические лазеры — разновидность газовых лазеров, в которых источником энергии служат химические реакции между компонентами рабочей среды. Химические лазеры непрерывного действия могут достигать высокого уровня мощности и используются в промышленности для резки и создания отверстий.
Принцип действия
В химических лазерах происходит преобразование энергии химической реакции в энергию когерентного электромагнитного излучения (лазерного излучения). Для этого используются реакции, продуктами которых являются частицы в возбуждённых энергетических состояниях. При этом распределение частиц по энергетическим состояниям должно быть инверсным, то есть хотя бы в одном из состояний, обладающих большей энергией, число частиц должно быть выше, чем в одном из состояний с меньшей энергией. Энергетический переход с более высокого энергетического уровня на низкий сопровождается электромагнитным излучением. Скорость химической реакции должна быть выше, чем скорость достижения равновесного распределения по энергетическим уровням, иначе энергия химической реакции будет затрачена на разогрев газовой смеси, а не выделена в виде электромагнитного излучения. Как правило, такие высокие скорости достижимы с участием свободных атомов или радикалов в качестве активных центров. Особое значение имеют реакции, в которых активные центры воспроизводятся (цепные реакции) или размножаются (разветвлённые цепные реакции). На образование некоторого начального числа активных центров (инициирование реакции) необходимо затратить энергию, поэтому чем больше длина цепи, тем большее количество химической энергии может быть преобразовано в лазерное излучение. Особое значение имеет хемолазерная длина цепи, определяемая как отношение скорости роста цепи к скорости релаксации возбуждённых частиц, участвующих в генерации когерентного излучения. Таким образом, для создания эффективного химического лазера необходим процесс, в котором высокая скорость цепной реакции сочетается с длительным временем жизни возбуждённых частиц.
Классификация
Химические лазеры подразделяются по типу действия. Существуют химические лазеры импульсного и непрерывного (продолжительного) действия. В химических лазерах импульсного действия используют химически стабильную смесь газов. После поступления из смесителя в лазерную зону на смесь воздействуют инициирующим агентом (например, УФ-излучением, пучком электронов, газовым разрядом), запускающим быструю молекулярно-радикальную реакцию. При этом за счёт химических реакций выделяется энергия, освобождающаяся в виде короткого импульса когерентного излучения. Наиболее употребительны газовые смеси, содержащие фтор и водород (дейтерий) и стабилизированные кислородом. Частицами, генерирующими лазерное излучение, наиболее часто являются возбуждённые молекулы HF* (DF*).
В химических лазерах продолжительного действия осуществляют непрерывную закачку и откачку компонентов, что обеспечивает высокий удельный энергосъем и позволяет добиваться высокой мощности. При этом смена реагентов в реакторе должна быть организована за время, более короткое по сравнению со временем «тушения» возбуждённых состояний. Таким образом, уже при невысоких рабочих давлениях обычно необходимо использовать скорости, близкие к скорости звука или сверхзвуковые. Поскольку характерное время диффузии в ламинарном потоке сравнимо со временем жизни возбуждённых состояний или даже превышает его, в конструкции химических лазеров продолжительного действия необходимо обеспечить быстрое и глубокое перемешивание газовых струй. В таких лазерах зона генерации активных частиц (камера наработки, камера сгорания) и зона генерации лазерного излучения пространственно разделены. Основные виды химических лазеров продолжительного действия:
- НF(DF-)-лазер с тепловым инициированием реакции. В данных лазерах в качестве частицы, генерирующей лазерное излучение, выступает возбуждённое состояние молекулы фторида дейтерия DF*. В камере сгорания происходит сгорание водорода H2 (не дейтерия) в избытке фтора, причём за счёт большого числа выделяющейся энергии происходит диссоциация избыточного F2 с образованием исключительно активного атомарного фтора. Полученную смесь газов пропускают через сопловую решётку. При этом общий поток разбивается на множество струй диаметром 1-2 мм, разгоняется до сверхзвуковых скоростей и частично охлаждается. На выходе из сопловой решётки происходит смешение потока, поступающего из камеры сгорания, с потоком дейтерия D2 и образование генерирующих частиц по реакции: D2 + F = DF* + H. Фтористый дейтерий используют в качестве генерирующей частицы вместо фтористого водорода потому, что близкие молекулы «тушат» возбуждённые состояния. Таким образом, поток HF, образовавшегося в камере сгорания, дезактивировал бы возбуждённые молекулы HF* в лазерной зоне. Поскольку с лазерным излучением уходит лишь часть выделяющейся энергии, для снижения тепловых эффектов используют разбавление газовой смеси потоком инертного газа — гелия в соотношении 1:10-20. Длина волны когерентного излучения для возбуждённых молекул DF* составляет 3,8-4,2 мкм.
- (DF-СО2)-лазер. В данных лазерах возбуждённые молекулы фторида дейтерия DF* быстро передают энергию молекулам CO2. Возбужденные молекулы CO2* релаксируют значительно медленнее, чем DF*, что обеспечивает большую хемолазерную длину цепи и, за счёт этого, более высокую эффективность лазера. Использование обычного водорода вместо дейтерия приводит к снижению генерируемой мощности, поскольку HF* передаёт энергию CO2 менее эффективно. Атомарный фтор генерируется в камере наработки за счёт низкотемпературной реакции NO + F2 = F + NOF. Реакция в камере наработки начинается сразу же после смешения потоков (F2+He) и (NO+CO2). Затем в полученную смесь добавляют дейтерий D2, который реагирует с атомарным фтором с образованием DF* и последующей передачей энергии от DF* к CO2. Возбужденные молекулы CO2* газовым потоком выносятся к оптическому резонатору, где и происходит испускание лазерного излучения. Гелий используется как для снижения тепловых эффектов, так и для «очищения» нижних рабочих уровней энергии в молекулах CO2. Оптимизированное соотношение реагентов составляет NO:F2:D2:CO2:He=1:6:5:45:100.
- Кислород-иодный лазер. В данном лазере в качестве генерирующей частицы выступает атомарный иод в состоянии 2P1/2. Первоначально, обычно в ходе реакции газообразного хлора Cl2 с водным раствором H2O2 и NaOH, происходит образование возбуждённого метастабильного синглетного состояния кислорода O2(a1Δg). Энергии синглетного состояния достаточно, чтобы обеспечить как процесс диссоциации молекулы I2, так и перевод атома иода в возбуждённое состояние. Часть кислорода в ходе прокачки из состояния O2(a1Δg) за счёт диспропорционирования переходит в высокоэнергетичное состояние O2(b1Σg+) и разбивает впрыснутые молекулы газообразного иода на атомы: 2O2(b1Σg+) + I2 = 2O2(X3Σg−) + 2I(2P3/2). Затем происходит образование генерирующей излучение частицы по реакции O2(a1Δg) + I(2P3/2) = O2(3Σ) + I(2P1/2). Лазерное излучение осуществляется по реакции: I(2P1/2) + nhv = I(2P3/2) + (n+1)hv. Длина волны когерентного излучения составляет 1,315 мкм.
Примечания
- Ораевский А. Н. Химические лазеры // Соросовский образовательный журнал. — 1999. — № 4. — С. 96—104. Архивировано 14 ноября 2016 года.
- Химическая энциклопедия в 5 томах, т.2 / глав. ред. Кнунянц И. Л.. — Москва: Советская энциклопедия, 1990. — С. 125-128.
- Башкин А. С., Игошин В. И., Ораевский А.Н., Щеглов В. А. Химические лазеры / под ред. Н. Г. Басова. — М.: Наука, 1982. — С. 274-275.
- Тарасов Л. В. Четырнадцать лекций о лазерах. — 2-е изд. — М.: Книжный дом "Либроком", 2011. — С. 95. — ISBN ISBN 978-5-397-01693-3.
- Аблеков, В. К., Денисов Ю. Н. Проточные химические лазеры. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — С. 79-80.
Библиография
- Аблеков, В. К. Проточные химические лазеры / В. К. Аблеков, Ю. Н. Денисов. — М. : Энергоатомиздат, 1987. — 176 с.
- Аблеков, В. К. Химические лазеры / В. К. Аблеков, Ю. Н. Денисов, В. В. Прошкин. — М. : Энергоатомиздат, 1980. — 224 с.
- Лазеры на электронных и колебательных переходах молекул // Энциклопедия низкотемпературной плазмы / отв. ред. С. И. Яковленко. — М. : Физматлит, 2005. — Т. XI-4. Газовые и плазменные лазеры. — С. 697-763.
Ссылки
- Физическая энциклопедия
- [www.xumuk.ru/encyklopedia/2258.html Химическая энциклопедия]
- http://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/reports/2006/R921.pdf
- https://fas.org/irp/agency/dod/jason/visible.pdf
- Процессы в химических лазерах, А. В. Елецкий, 1981
Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист. |
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Химический лазер, Что такое Химический лазер? Что означает Химический лазер?
Himicheskie lazery raznovidnost gazovyh lazerov v kotoryh istochnikom energii sluzhat himicheskie reakcii mezhdu komponentami rabochej sredy Himicheskie lazery nepreryvnogo dejstviya mogut dostigat vysokogo urovnya moshnosti i ispolzuyutsya v promyshlennosti dlya rezki i sozdaniya otverstij Princip dejstviyaV himicheskih lazerah proishodit preobrazovanie energii himicheskoj reakcii v energiyu kogerentnogo elektromagnitnogo izlucheniya lazernogo izlucheniya Dlya etogo ispolzuyutsya reakcii produktami kotoryh yavlyayutsya chasticy v vozbuzhdyonnyh energeticheskih sostoyaniyah Pri etom raspredelenie chastic po energeticheskim sostoyaniyam dolzhno byt inversnym to est hotya by v odnom iz sostoyanij obladayushih bolshej energiej chislo chastic dolzhno byt vyshe chem v odnom iz sostoyanij s menshej energiej Energeticheskij perehod s bolee vysokogo energeticheskogo urovnya na nizkij soprovozhdaetsya elektromagnitnym izlucheniem Skorost himicheskoj reakcii dolzhna byt vyshe chem skorost dostizheniya ravnovesnogo raspredeleniya po energeticheskim urovnyam inache energiya himicheskoj reakcii budet zatrachena na razogrev gazovoj smesi a ne vydelena v vide elektromagnitnogo izlucheniya Kak pravilo takie vysokie skorosti dostizhimy s uchastiem svobodnyh atomov ili radikalov v kachestve aktivnyh centrov Osoboe znachenie imeyut reakcii v kotoryh aktivnye centry vosproizvodyatsya cepnye reakcii ili razmnozhayutsya razvetvlyonnye cepnye reakcii Na obrazovanie nekotorogo nachalnogo chisla aktivnyh centrov iniciirovanie reakcii neobhodimo zatratit energiyu poetomu chem bolshe dlina cepi tem bolshee kolichestvo himicheskoj energii mozhet byt preobrazovano v lazernoe izluchenie Osoboe znachenie imeet hemolazernaya dlina cepi opredelyaemaya kak otnoshenie skorosti rosta cepi k skorosti relaksacii vozbuzhdyonnyh chastic uchastvuyushih v generacii kogerentnogo izlucheniya Takim obrazom dlya sozdaniya effektivnogo himicheskogo lazera neobhodim process v kotorom vysokaya skorost cepnoj reakcii sochetaetsya s dlitelnym vremenem zhizni vozbuzhdyonnyh chastic KlassifikaciyaHimicheskie lazery podrazdelyayutsya po tipu dejstviya Sushestvuyut himicheskie lazery impulsnogo i nepreryvnogo prodolzhitelnogo dejstviya V himicheskih lazerah impulsnogo dejstviya ispolzuyut himicheski stabilnuyu smes gazov Posle postupleniya iz smesitelya v lazernuyu zonu na smes vozdejstvuyut iniciiruyushim agentom naprimer UF izlucheniem puchkom elektronov gazovym razryadom zapuskayushim bystruyu molekulyarno radikalnuyu reakciyu Pri etom za schyot himicheskih reakcij vydelyaetsya energiya osvobozhdayushayasya v vide korotkogo impulsa kogerentnogo izlucheniya Naibolee upotrebitelny gazovye smesi soderzhashie ftor i vodorod dejterij i stabilizirovannye kislorodom Chasticami generiruyushimi lazernoe izluchenie naibolee chasto yavlyayutsya vozbuzhdyonnye molekuly HF DF V himicheskih lazerah prodolzhitelnogo dejstviya osushestvlyayut nepreryvnuyu zakachku i otkachku komponentov chto obespechivaet vysokij udelnyj energosem i pozvolyaet dobivatsya vysokoj moshnosti Pri etom smena reagentov v reaktore dolzhna byt organizovana za vremya bolee korotkoe po sravneniyu so vremenem tusheniya vozbuzhdyonnyh sostoyanij Takim obrazom uzhe pri nevysokih rabochih davleniyah obychno neobhodimo ispolzovat skorosti blizkie k skorosti zvuka ili sverhzvukovye Poskolku harakternoe vremya diffuzii v laminarnom potoke sravnimo so vremenem zhizni vozbuzhdyonnyh sostoyanij ili dazhe prevyshaet ego v konstrukcii himicheskih lazerov prodolzhitelnogo dejstviya neobhodimo obespechit bystroe i glubokoe peremeshivanie gazovyh struj V takih lazerah zona generacii aktivnyh chastic kamera narabotki kamera sgoraniya i zona generacii lazernogo izlucheniya prostranstvenno razdeleny Osnovnye vidy himicheskih lazerov prodolzhitelnogo dejstviya NF DF lazer s teplovym iniciirovaniem reakcii V dannyh lazerah v kachestve chasticy generiruyushej lazernoe izluchenie vystupaet vozbuzhdyonnoe sostoyanie molekuly ftorida dejteriya DF V kamere sgoraniya proishodit sgoranie vodoroda H2 ne dejteriya v izbytke ftora prichyom za schyot bolshogo chisla vydelyayushejsya energii proishodit dissociaciya izbytochnogo F2 s obrazovaniem isklyuchitelno aktivnogo atomarnogo ftora Poluchennuyu smes gazov propuskayut cherez soplovuyu reshyotku Pri etom obshij potok razbivaetsya na mnozhestvo struj diametrom 1 2 mm razgonyaetsya do sverhzvukovyh skorostej i chastichno ohlazhdaetsya Na vyhode iz soplovoj reshyotki proishodit smeshenie potoka postupayushego iz kamery sgoraniya s potokom dejteriya D2 i obrazovanie generiruyushih chastic po reakcii D2 F DF H Ftoristyj dejterij ispolzuyut v kachestve generiruyushej chasticy vmesto ftoristogo vodoroda potomu chto blizkie molekuly tushat vozbuzhdyonnye sostoyaniya Takim obrazom potok HF obrazovavshegosya v kamere sgoraniya dezaktiviroval by vozbuzhdyonnye molekuly HF v lazernoj zone Poskolku s lazernym izlucheniem uhodit lish chast vydelyayushejsya energii dlya snizheniya teplovyh effektov ispolzuyut razbavlenie gazovoj smesi potokom inertnogo gaza geliya v sootnoshenii 1 10 20 Dlina volny kogerentnogo izlucheniya dlya vozbuzhdyonnyh molekul DF sostavlyaet 3 8 4 2 mkm DF SO2 lazer V dannyh lazerah vozbuzhdyonnye molekuly ftorida dejteriya DF bystro peredayut energiyu molekulam CO2 Vozbuzhdennye molekuly CO2 relaksiruyut znachitelno medlennee chem DF chto obespechivaet bolshuyu hemolazernuyu dlinu cepi i za schyot etogo bolee vysokuyu effektivnost lazera Ispolzovanie obychnogo vodoroda vmesto dejteriya privodit k snizheniyu generiruemoj moshnosti poskolku HF peredayot energiyu CO2 menee effektivno Atomarnyj ftor generiruetsya v kamere narabotki za schyot nizkotemperaturnoj reakcii NO F2 F NOF Reakciya v kamere narabotki nachinaetsya srazu zhe posle smesheniya potokov F2 He i NO CO2 Zatem v poluchennuyu smes dobavlyayut dejterij D2 kotoryj reagiruet s atomarnym ftorom s obrazovaniem DF i posleduyushej peredachej energii ot DF k CO2 Vozbuzhdennye molekuly CO2 gazovym potokom vynosyatsya k opticheskomu rezonatoru gde i proishodit ispuskanie lazernogo izlucheniya Gelij ispolzuetsya kak dlya snizheniya teplovyh effektov tak i dlya ochisheniya nizhnih rabochih urovnej energii v molekulah CO2 Optimizirovannoe sootnoshenie reagentov sostavlyaet NO F2 D2 CO2 He 1 6 5 45 100 Kislorod iodnyj lazer V dannom lazere v kachestve generiruyushej chasticy vystupaet atomarnyj iod v sostoyanii 2P1 2 Pervonachalno obychno v hode reakcii gazoobraznogo hlora Cl2 s vodnym rastvorom H2O2 i NaOH proishodit obrazovanie vozbuzhdyonnogo metastabilnogo singletnogo sostoyaniya kisloroda O2 a1Dg Energii singletnogo sostoyaniya dostatochno chtoby obespechit kak process dissociacii molekuly I2 tak i perevod atoma ioda v vozbuzhdyonnoe sostoyanie Chast kisloroda v hode prokachki iz sostoyaniya O2 a1Dg za schyot disproporcionirovaniya perehodit v vysokoenergetichnoe sostoyanie O2 b1Sg i razbivaet vprysnutye molekuly gazoobraznogo ioda na atomy 2O2 b1Sg I2 2O2 X3Sg 2I 2P3 2 Zatem proishodit obrazovanie generiruyushej izluchenie chasticy po reakcii O2 a1Dg I 2P3 2 O2 3S I 2P1 2 Lazernoe izluchenie osushestvlyaetsya po reakcii I 2P1 2 nhv I 2P3 2 n 1 hv Dlina volny kogerentnogo izlucheniya sostavlyaet 1 315 mkm PrimechaniyaOraevskij A N Himicheskie lazery Sorosovskij obrazovatelnyj zhurnal 1999 4 S 96 104 Arhivirovano 14 noyabrya 2016 goda Himicheskaya enciklopediya v 5 tomah t 2 glav red Knunyanc I L Moskva Sovetskaya enciklopediya 1990 S 125 128 Bashkin A S Igoshin V I Oraevskij A N Sheglov V A Himicheskie lazery pod red N G Basova M Nauka 1982 S 274 275 Tarasov L V Chetyrnadcat lekcij o lazerah 2 e izd M Knizhnyj dom Librokom 2011 S 95 ISBN ISBN 978 5 397 01693 3 Ablekov V K Denisov Yu N Protochnye himicheskie lazery M Energoatomizdat 1987 S 79 80 BibliografiyaAblekov V K Protochnye himicheskie lazery V K Ablekov Yu N Denisov M Energoatomizdat 1987 176 s Ablekov V K Himicheskie lazery V K Ablekov Yu N Denisov V V Proshkin M Energoatomizdat 1980 224 s Lazery na elektronnyh i kolebatelnyh perehodah molekul Enciklopediya nizkotemperaturnoj plazmy otv red S I Yakovlenko M Fizmatlit 2005 T XI 4 Gazovye i plazmennye lazery S 697 763 SsylkiFizicheskaya enciklopediya www xumuk ru encyklopedia 2258 html Himicheskaya enciklopediya http www rand org content dam rand pubs reports 2006 R921 pdf https fas org irp agency dod jason visible pdf Processy v himicheskih lazerah A V Eleckij 1981Nekotorye vneshnie ssylki v etoj state vedut na sajty zanesyonnye v spam list Eti sajty mogut narushat avtorskie prava byt priznany neavtoritetnymi istochnikami ili po drugim prichinam byt zapresheny v Vikipedii Redaktoram sleduet zamenit takie ssylki ssylkami na sootvetstvuyushie pravilam sajty ili bibliograficheskimi ssylkami na pechatnye istochniki libo udalit ih vozmozhno vmeste s podtverzhdaemym imi soderzhimym Spisok problemnyh ssylokwww xumuk ru encyklopedia 2258 html
