ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР Российский патент 1996 года по МПК H01S3/95 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке мощных источников монохроматического излучения.

Известен химический лазер [1] содержащий источник газа-окислителя, источник горючего газа, источник газа-разбавителя и расположенные последовательно по направлению потока газа электродуговую камеру, камеру термической диссоциации, переходную камеру со смесителем, реакционную камеру и выхлопную систему, причем реакционная камера размещена в оптическом резонаторе, источник газа-разбавителя соединен с полостями электродуговой камеры и камеры термической диссоциации, источник газа-окислителя с камерой термической диссоциации, а источник горючего газа со смесителем, который выполнен в виде системы отверстий, расположенных либо на стенках переходной камеры, либо на стенках трубок, установленных в переходной камере поперек газового потока. Работа известного непрерывного химического лазера основана на осуществлении химической реакции накачки активной среды в ходе реакции
F+Н₂(D₂) ->> НF*(DF)*+Н (D) (1) с образованием возбужденных молекул НF*(DF*). Для получения активной среды сначала осуществляется нагрев газа-разбавителя до температуры 4000-5000 К в электродуговой камере. Нагретый газ-разбавитель Не(N₂) поступает в камеру термической диссоциации, в которую подается дополнительное количество газа-разбавителя для снижения его температуры до 3000 К и газ-окислитель, в качестве которого используется фторсодержащий газ SF₆. В результате тепловой диссоциации молекул SF₆ образуются атомы фтора и серы. Атомы фтора вместе с газом-разбавителем и другими продуктами диссоциации поступают в переходную камеру, в которой осуществляется введение в поток горючего газа Н₂(D₂). Смешение реагентов и последующая химическая реакция (1) между ними обеспечивают наработку в активной среде молекул НF* в возбужденном состоянии, которые, попадая в область оптического резонатора, испускают вынужденное излучение с длиной волны, равной 2,5-3 (3,5-4) мкм. Отработанная газовая смесь поступает в выхлопную систему, содержащую вакуумный насос и средства для дегазации токсичных продуктов выхлопа.

Недостаток этого химического лазера заключается в низком КПД, так как, во-первых, эффективность тепловой диссоциации молекул SF₆ низка, во-вторых, необходимость восстановления давления отработанной газовой среды (от уровня давления в области оптического резонатора, равного 1-20 мм рт.ст. до атмосферного давления) требует дополнительных больших затрат энергии на работу насоса, а в-третьих, известный химический лазер требует эффективного охлаждения камер.

Известен также химический лазер [2] содержащий источник газа-окислителя, источник горючего газа, источник газа-разбавителя, первый и второй газодинамические тракты, снабженные насосами, и последовательно соединенные электроразрядную камеру, камеру смешения, кювету, расположенную в оптическом резонаторе, и нейтрализатор-сепаратор, причем источники газа-окислителя и газа-разбавителя через управляемые клапаны соединены с первым газодинамическим трактом, а источник горючего газа также через управляемый клапан с вторым газодинамическим трактом, вход которого подключен к первому выходу нейтрализатора-сепаратора, а выход к камере смешения. Вход первого газодинамического тракта соединен с вторым выходом нейтрализатора-сепаратора, а выход с электроразрядной камерой. Работа этого непрерывного химического лазера основана также на осуществлении химической реакции накачки активной среды в ходе химической реакции (1). Газ-окислитель SF₆ и газ-разбавитель Не из баллонов поступают в первый газодинамический тракт. Далее газовая смесь, содержащая SF₆ и Не, поступает в электроразрядную камеру, где осуществляется поперечный к направлению газового потока дуговой (или близкой к дуговому) разряд. Поток газовой смеси, проходя через разряд, нагревается до температуры, достаточной для диссоциации SF₆ и, следовательно, для образования атомов фтора. Далее атомы фтора вместе с газом-разбавителем и другими продуктами диссоциации поступают в камеру смешения, к которой подсоединен второй газодинамический тракт, связанный с источником горючего газа. В камере смешения горючий газ смешивается с газовой смесью, содержащей атомы фтора, а последующая химическая реакция (1) между фтором и горючим газом обеспечивает наработку в активной среде молекул НF* в возбужденном состоянии. После этого активная среда поступает в кювету, расположенную в оптическом резонаторе, где происходит генерация вынужденного оптического излучения. Расстояние между камерой смешения и кюветой выбирается таким, чтобы имела место минимальная дезактивация возбужденных молекул НF*. Выбор этого расстояния производится также и с учетом наиболее полной сепарации образующейся при диссоциации SF₆ свободной серы и ее соединений на охлаждаемых стенках газового канала, расположенных перед кюветой. Для повторного использования непрореагировавшей части исходного потока газов и удаления из потока продуктов реакции газовая смесь пропускается через нейтрализатор и сепаратор. В нейтрализаторе, заполненном гранулами гидроокиси натрия, осуществляется поглощение молекул НF, а в сепараторе, имеющем проницаемую мембрану из серебра или рутения с палладием, происходит отделение молекулярного водорода, оставшегося после реакции. Газ-окислитель после отделения от горючего газа, через насос поступает в первый газодинамический тракт, а отделенный в сепараторе водород через другой насос поступает во второй газодинамический тракт, где стационарное давление водорода поддерживается за счет подпитки малых количеств водорода из баллона. Так как газ-окислитель на входе в электроразрядную камеру не должен содержать примеси горючего газа, то в устройстве предусмотрены дополнительные средства очистки газового потока от водорода (поглотитель, содержащий цеолит с катализатором на молекулярной основе).

Данный лазер, несмотря на очевидное преимущество перед предыдущим, обусловленное замкнутым циклом работы, имеет также следующие недостатки. Во-первых, в нем мощность излучения можно изменять лишь в узком диапазоне, так как наличие камеры смешения фиксированной длины не позволяет изменять расход газов в широком диапазоне, а следовательно, и концентрацию возбужденных молекул НF* в области оптического резонатора. Во-вторых, лазер характеризуется использованием дорогостоящих компонентов-катализаторов. В-третьих, его использование связано со значительными затратами электрической энергии на поддержание разряда, охлаждение электроразрядной камеры и электродов. В-четвертых, за счет осаждения паров серы на охлаждаемых стенках камеры в процессе эксплуатации лазера требуется периодическая очистка камер и кюветы.

В основу изобретения поставлена задача разработать химический лазер с замкнутым рабочим циклом с такой системой формирования и возбуждения активной среды, конструктивное выполнение которой обеспечило бы при существенном упрощении конструкции, повышении эффективности смешения газовых компонентов для реакции накачки и повышении производительности реакции накачки активной среды повышение КПД и диапазона генерируемой мощности излучения.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в химический лазер, содержащий источник газа-окислителя, источник горючего газа, источник газа-разбавителя, оптический резонатор с кюветой, выход которой через последовательно соединенные нейтрализатор-сепаратор и насос связан с входом газодинамического тракта, согласно изобретению введены источник лазерного излучения, двухвходовой ресивер, управляемый клапан, трехвходовая форкамера и реакционная камера, выполненная в виде сверхзвукового щелевого сопла, выполненного с двумя оптическими окнами, расположенными напротив друг друга и оптически сопряженными с источником лазерного излучения, при этом выходы источников газа-окислителя и горючего газа подключены к входам ресивера, выход которого через управляемый клапан соединен с первым входом форкамеры, второй вход которой соединен с выходом источника газа-разбавителя, выход форкамеры через реакционную камеру соединен с входом кюветы, расположенной в оптическом резонаторе, а третий вход форкамеры соединен с выходом газодинамического тракта, причем сепаратор выполнен в виде фильтра частиц серы.

Предпочтительно в качестве газа-окислителя использовать SF₆, в качестве горючего газа Н₂, в качестве газа-разбавителя гелий и чтобы источник лазерного излучения был выполнен с возможностью изменения величины мощности излучения в спектральном интервале вблизи 10,6 мкм. Выгодно в лазер ввести два отсечных клапана, чтобы выход насоса через первый отсечной клапан был связан с входом газодинамического тракта, а через второй отсечной клапан с атмосферой. Целесообразно, чтобы срез сверхзвукового щелевого сопла был сопряжен со стенкой кюветы.

Преимущество предложенного химического лазера заключается в том, что в качестве инициатора химической реакции накачки в предварительно подготовленной смеси газов используется лазерное излучение. В отличие от тепловой диссоциации молекул SF₆, осуществляемой как с помощью плазмотрона, так и непосредственно в дуговом разряде, лазерный нагрев обеспечивает более эффективное вложение энергии в процесс диссоциации, так как в этом случае диссоциация молекул SF₆ происходит в условиях, не характеризующихся тепловым равновесием компонентов газовой смеси. Дело в том, что резонансное поглощение лазерного излучения молекулами SF₆ приводит к их диссоциации, но при этом не происходит перераспределения энергии ни внутри молекул, ни между другими компонентами газовой среды. Это обстоятельство позволяет получить атомы фтора в уже полностью перемешенном газовом потоке при более низкой температуре потока и с большей скоростью (скорость диссоциации молекул SF₆ порядка 0,5 мкс при воздействии лазерного излучения), что очень важно для эффективного протекания лазерных процессов. Кроме того, использование лазерного излучения для инициации химической реакции накачки позволяет создать условия для снижения влияния теплового эффекта реакции накачки на давление и температуру газового потока. Выполнение камеры фотореактора в виде щелевидного сверхзвукового сопла позволяет осуществить воздействие лазерного излучения на SF₆ в условиях расширяющегося, радиального течения смеси газов, иными словами обеспечить стабильность температуры и давления в потоке при интенсивном тепловыделении и тем самым обеспечить накопление инверсии в активной среде. Предложенное техническое решение позволяет также обеспечить работу химического лазера по замкнутому циклу без необходимости разделения непрореагировавших компонентов, существенно снизить затраты энергии на охлаждение элементов конструкции, расширить диапазон изменения выходной мощности и реализовать как непрерывный, так и импульсный режимы работы лазера.

На чертеже изображена принципиальная схема химического лазера.

Химический лазер содержит насос 1, баллон 2 с газом-окислителем, первый клапан 3, баллон 4 с горючим газом, второй клапан 5, баллон 6 с газом-разбавителем, третий клапан 7, ресивер 8, управляемый клапан 9, форкамеру 10, реакционную камеру 11, кювету 12, оптические окна 13, фокусирующую линзу 14, источник 15 лазерного излучения, выходные окна 16 химического лазера, зеркала 17 и 18 оптического резонатора, нейтрализатор-сепаратор 19, первый отсечной клапан 20, второй отсечной клапан 21 и газодинамический тракт 22. Баллон 2 с газом-окислителем и баллон 4 с газом-разбавителем через соответственно первый клапан 3 и второй клапан 5 подключены к входам ресивера 8, выход которого через управляемый клапан 9 подключен к первому входу форкамеры 10. К второму входу форкамеры 10 через третий клапан 7 подключен баллон 6 с горючим газом. Выход форкамеры 10 соединен с входом реакционной камеры 11, которая выполнена с двумя оптическими окнами 13, расположенными соосно источнику 15 лазерного излучения. Камера 11 выполнена в виде щелевидного сверхзвукового сопла, срез которого сопряжен со стенкой кюветы 12, которая соединена с нейтрализатором-сепаратором 19. Вход насоса 1 подключен к выходу нейтрализатора-сепаратора 19, а выход через первый отсечной клапан 20 и газодинамический тракт 22 соединен с третьим входом форкамеры 10.

Химический лазер работает следующим образом.

Химический лазер предварительно откачивается с помощью насоса 1, при этом первый отсечной клапан 20 находится в закрытом состоянии, а второй отсечной клапан 21 в открытом состоянии. После откачки второй отсечной клапан 21 и управляемый клапан 9 переводятся в закрытое состояние, а первый отсечной клапан 20 в открытое состояние. После герметизации химического лазера осуществляется наддув всей системы газом-разбавителем (Не) из баллона 6 через третий клапан 7 до получения заданного уровня давления газа-разбавителя в откаченной системе. Далее при закрытом управляемым клапане 9 и ресивере 8 запасается топливная смесь нужного состава путем дозированной подачи газа-окислителя из баллона 2 и горючего газа из баллона 4. На этом этап подготовки химического лазера к работе заканчивается.

Для подачи топливной смеси в систему, заполненную газом-разбавителем, открывается управляемый клапан 9. Топливная смесь из ресивера 8 поступает сначала в форкамеру 10, где происходит смешение ее с газом-разбавителем, а затем в реакционную камеру 11. Через оптическое окно 13 в камеру 11 вводится сфокусированное линзой 14 излучение источника 15, в качестве которого используется СО₂-лазер. Излучение СО₂-лазера с длиной волны, равной 10,6 мкм, резонансно поглощается молекулами SF₆, и если энергия воздействия достаточно велика > 4 Дж/см², то имеет место многофотонное возбуждение молекул SF₆ вплоть до их диссоциации. Для диссоциации молекул SF₆ достаточно примерно 35 фотонов. В результате реакции фотодиссоциации
SF₆+35hν ->> 6F+S в потоке образуются атомы фтора и серы. Атомы фтора реагируют с молекулами Н₂ и в ходе химической реакции накачки среды (1) образуются возбужденные молекулы НF*. Далее поток с возбужденной активной средой поступает в кювету 12, которая расположена внутри оптического резонатора, образованного зеркалами 17 и 18. В резонаторе происходит генерация излучения с длиной волны, равной ≈3 мкм, которое выходит через полупрозрачное зеркало 17 оптического резонатора.

Отработанный газ, содержащий НF, SF₆, Н₂, Не и S, поступает в нейтрализатор-сепаратор 19, где происходит реакция поглощения молекул НF химическим поглотителем и осаждение из потока твердых частиц серы. Из нейтрализатора-сепаратора 19 газовый поток, содержащий непрореагировавшие SF₆ и Н₂, откачивается насосом 1, а затем с повышенным давлением по газодинамическому тракту 22 подается в форкамеру 10. В форкамере происходит подпитка газового потока топливной смесью, причем вводимое количество топливной смеси должно быть равно количеству топливной смеси, прореагировавшей в ходе химической реакции накачки (1), для обеспечения непрерывности работы химического лазера.

В предложенном химическом лазере изменение выходной мощности может быть осуществлено как за счет изменения мощности СО₂-лазера, так и за счет изменения расхода компонентов. Одновременное изменение указанных выше параметров позволяет изменять выходную мощность химического лазера в очень широком диапазоне.

Использование: в квантовой электронике при разработке мощных источников монохроматического излучения. Сущность изобретения: химический лазер с замкнутым рабочим циклом содержит последовательно расположенные форкамеру, реакционную камеру, кювету, нейтрализатор-сепаратор, насос, газодинамический тракт. Топливная смесь SF₆/H₂ запасается в ресивере, который через управляемый клапан соединен с форкамерой. Источник газа разбавителя соединен с форкамерой через клапан. 4 з. п. ф-лы. 1 ил.

1. ХИМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР, содержащий источник газа-окислителя, источник горючего газа, источник газа-разбавителя, оптический резонатор с кюветой, выход которой через последовательно соединенные нейтрализатор-сепаратор и насос связан с входом газодинамического тракта, отличающийся тем, что в него введены источник лазерного излучения, двухвходовой ресивер, управляемый клапан, трехвходовая форкамера и реакционная камера, выполненная в виде сверхзвукового щелевого сопла, снабженного двумя оптическими окнами, расположенными напротив друг друга и оптически сопряженными с источником лазерного излучения, выходы источников газа-окислителя и горючего газа подключены к входам ресивера, выход которого через управляемый клапан соединен с первым входом форкамеры, второй вход которой соединен с выходом источника газа-разбавителя, выход форкамеры через реакционную камеру соединен с входом кюветы, расположенной в оптическом резонаторе, а третий вход форкамеры соединен с выходом газодинамического тракта, причем сепаратор выполнен в виде фильтра частиц серы. 2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газа-окислителя используют SF₆, в качестве горючего газа - водород, а в качестве газа-разбавителя - гелий. 3. Лазер по п. 2, отличающийся тем, что источник лазерного излучения выполнен с возможностью изменения мощности излучения в спектральном интервале около 10,6 мкм. 4. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что в него введены два отсечных клапана, причем выход насоса связан с входом газодинамического тракта через первый отсечной клапан, а через второй отсечной клапан - с атмосферой. 5. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что срез сверхзвукового щелевого сопла сопряжен со стенкой кюветы.