СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МАГНИТОДИПОЛЬНОМ ПЕРЕХОДЕ ЙОДА Российский патент 1999 года по МПК H01S3/97 

Описание патента на изобретение RU2142185C1

Изобретение относится к лазерам, использующим стимулированное излучение в инфракрасной области спектра, в частности к способам возбуждения с использованием газового разряда газового лазера.

Известен способ получения лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода, включающий фотодиссоциацию алкилиодида CH3I или фтор алкилиодидов CF3I, C3F3I и т.п. под действием импульсных источников с широкой полосой излучения вблизи 270 нм. В результате воздействия излучения происходит перевод молекул в несвязанное возбужденное электронное состояние, а затем диссоциация их на фрагменты типа CnHm или CnFm (находящиеся в основном состоянии) и возбужденный атом йода I(2P1/2) с последующей генерацией лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода [1]:
I(2P1/2) _→ I(2P3/2)+hν.
Поскольку в известном способе используются импульсные источники ультрафиолетового излучения в области полосы поглощения при 270 нм, которые обладают относительно низкой эффективностью, КПД известного способа составляет не более 1%, а лазеры с использованием известного способа получения лазерного излучения характеризуются низкими удельными массогабаритными параметрами. Кроме того, в процессе работы с импульсными источниками ультрафиолетового излучения имеют место газодинамические возмущения активной среды, что в свою очередь оказывает отрицательное воздействие на качество лазерного излучения. Активная среда под воздействием ультрафиолетового излучения претерпевает качественные изменения и требуется ее частая замена.

Известен также способ получения лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода, включающий получение атомарного иода в основном электронном состоянии с последующим переводом его в электронно-возбужденное состояние методом резонансной передачи энергии [2].

Электронно-возбужденное состояние атомарного йода I(2P1/2) в известном способе создают резонансной передачей энергии при столкновениях с электронно-возбужденным молекулярным кислородом O2(1Δ):
I(2P3/2)+O2(1Δ) _→ I(2P1/2)+O2(3Σ),
при этом атомарный йод в основном электронном состоянии I(2P3/2) создают диссоциацией молекулярного йода I2 при столкновениях с электронно-колебательно-возбужденным молекулярным кислородом O2(1Δ,v = 1) и электронно-возбужденным молекулярным кислородом O2(1Δ):
O2(1Δ,v = 1)+I2_→ O2(3Σ)+I2(A3Π2u)
O2(1Δ)+I2(A3Π2u) _→ 2I2(2P3/2)+O2(3Σ),
а электронно-возбужденный молекулярный кислород создают в результате химической реакции типа:
H2O2+2NaOH+Cl2_→ 2H2O+2NaCl+O2(1Δ)
с последующим получением лазерной генерации на магнитодипольном переходе йода:
I(2P1/2) _→ I(2P3/2)+hν.
Известный способ предполагает работу с низкими давлениями газовой смеси, порядка 1-10 торр, в результате чего имеют место потери возбужденного йода I(2P1/2) при столкновениях со стенками лазерной кюветы и с парами воды генератора синглетного кислорода, а также потери электронно-возбужденного синглетного кислорода O2(1Δ) на диссоциацию молекулярного йода, что ведет к снижению коэффициента усиления активной среды и, следовательно, снижению КПД лазера и увеличению угловой расходимости лазерного луча в дальней зоне.

Применение известного способа связано с необходимостью использования высококонцентрированных высокотоксичных соединений типа щелочь, перекись водорода, хлор, и выбросом в атмосферу продуктов их реакций, что влечет за собой увеличение капитальных затрат и эксплуатационных расходов, так как требует создания сложных химических реакторов, специальных систем хранения, безопасности и контроля, что, кроме того, снижает удельные массогабаритные параметры лазера.

Задачей создания предлагаемого способа является повышение КПД газового лазера на магнитодипольном переходе йода, повышение качества лазерного излучения, при одновременном снижении затрат на изготовление и эксплуатацию лазера, а также повышении его экологической чистоты.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе получения лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода, включающем получение атомарного йода в основном электронном состоянии с последующим переводом его в электронно-возбужденное состояние методом резонансной передачи энергии, атомарный иод получают диссоциацией йодсодержащего соединения в смеси газов с давлением 10-3800 торр и следующим соотношением компонентов, об.%:
Водород - 1 - 89
Йодсодержащее соединение - 0,001 - 5
Буферный газ - 10 - 98
воздействием на йодсодержащее соединение энергетическим пучком с энергией 4,8-10 эВ, получают колебательно-возбужденный водород воздействием на водород электрическим разрядом с энергией электронов 0,5-10 эВ и получают лазерное излучение за счет резонансной передачи энергии от колебательно-возбужденного водорода атомарному йоду.

Колебательно-возбужденный водород может быть получен в самостоятельном электрическом разряде с использованием в качестве энергетического пучка электронов газоразрядной плазмы.

Колебательно-возбужденный водород может быть также получен в несамостоятельном электрическом разряде с использованием в качестве энергетического пучка электронов газоразрядной плазмы и внешнего ионизирующего излучения.

Целесообразно воздействие энергетическим пучком на йодсодержащее соединение вне зоны электрического разряда.

Колебательно-возбужденный водород может быть получен в смеси газов с минимальным содержанием йодсодержащего соединения, к которой после зоны разряда добавляют смесь газов со следующим соотношением компонентов, об.%:
Йодсодержащее соединение - 0,01 - 10
Буферный газ - 90 - 99
и воздействием на полученную смесь энергетическим пучком для получения атомарного йода.

Лазерное излучение в предлагаемом способе получают за счет резонансной передачи энергии от колебательно-возбужденного молекулярного водорода H2 (v = 2) атомарному йоду I(2P3/2):
H2(v = 2)+I(2P3/2) _→ H2(v = 0)+I(P1/2). (1)
Диссоциация йодсодержащего соединения R-I может протекать в соответствии со следующими реакциями:
R-I+hν _→ R+(I2P1/2), (2)
R-I+e- ---> R+I(2 P1/2)+e-, (3)
R-I+e- ---> R+I-, (4)
где R - радикал йодсодержащего соединения;
I(2P1/2) - возбужденный атом йода;
I- - ион йода.

При энергии пучка, меньшей 4,8 эВ, имеет место реакция (4), в результате которой получаются ионы йода, которым не может быть осуществлена резонансная передача энергии от колебательно-возбужденного водорода в соответствии с реакцией (1).

Резонансная передача энергии от колебательно-возбужденного молекулярного водорода осуществляется только атому йода, который получается в результате реакций (2) или (3), протекающих при энергии пучка равной или превышающей 4,8 эВ. Использование пучков с энергией, превышающей 10 эВ, ведет к необоснованным энергетическим затратам, не оказывающим положительного воздействия на процесс диссоциации.

Колебательно-возбужденный молекулярный водород получают в процессе столкновения водорода с электронами плазмы электрического разряда:
H2(v = 0)+e-_→ H2(v = 2)+e-, (5)
H2(v = 0)+e-_→ H2(v = 1)+e-, (6)
H2(v = 1)+H2(v = 1) _→ H2(v = 0)+H2(v = 2) (7)
При средней энергии электронов разряда в диапазоне 1,5-2,5 эВ в колебательные степени свободы молекулярного водорода передается 65-70% энергии разряда. При энергии электронов разряда менее 0,5 эВ или свыше 10 эВ количество молекул водорода в колебательно-возбужденном состоянии недостаточно для эффективной передачи энергии атомарному йоду, что резко снижает коэффициент усиления лазера, так как энергии менее 0,5 эВ недостаточно для возбуждения водорода, а энергия более 10 эВ тратится на возбуждение электронных уровней водорода, так как значительно превышает уровень энергии, необходимый для колебательного возбуждения водорода.

Наличие в составе газовой смеси буферного газа необходимо для создания электронов плазмы, которые необходимы для эффективного возбуждения водорода.

При содержании в смеси газов буферного газа более 98 об.% и, следовательно, водорода менее 1 об.% количество молекул водорода, находящихся в колебательно-возбужденном состоянии недостаточно для эффективной резонансной передачи энергии от колебательно-возбужденного водорода атомам йода, т.е. коэффициент усиления активной среды низок, а при содержании в смеси газов водорода свыше 89 об.% и, следовательно, буферного газа менее 10 об.% образуется недостаточное количество электронов плазмы для эффективного колебательного возбуждения молекулярного водорода.

Наличие в составе смеси газов йодсодержащего соединения в количестве менее 0,001 об.% количество образующихся атомов йода недостаточно для получения необходимого значения коэффициента усиления активной среды, а увеличение в составе смеси газов йодсодержащего соединения в количестве, превышающем 5 об. %, приводит к образованию молекул I2 и HI и увеличению скорости тушения возбужденного йода.

В предлагаемом способе колебательно-возбужденный водород получают путем воздействия на него электрического разряда (КПД которого достигает 85-90%); давление газовой смеси составляет 10-3800 торр, что исключает потери активных частиц при соударениях со стенками лазерной кюветы; для создания атомарного йода используют энергетический пучок от внешнего источника. Благодаря указанной совокупности факторов КПД лазера, основанного на применении предлагаемого способа, может достигать порядка 20%.

Высокое давление газовой смеси позволяет получить высокий коэффициент усиления активной среды, что в свою очередь позволяет применить малодобротные высокоселективные неустойчивые оптические резонаторы и, следовательно, уменьшить угловую расходимость лазерного луча в дальней зоне.

Возможность многократного использования исходной газовой смеси, не содержащей химически-активных, высокотоксичных компонентов, а также применение только электрических способов воздействия на активные компоненты газовой смеси позволяет снизить капитальные затраты, эксплуатационные расходы, улучшить массогабаритные параметры лазера и повысить его экологическую чистоту.

Электроны газоразрядной плазмы самостоятельного и несамостоятельного разряда могут быть использованы как для получения колебательно-возбужденного водорода, так и для получения атомарного йода диссоциацией йодсодержащего соединения.

Получение атомарного йода воздействием энергетического пучка вне зоны электрического разряда позволяет снизить энергию электронов электрического разряда, используемого для получения колебательно-возбужденного водорода.

Диссоциация йодсодержащего соединения при малых значениях энергии электронов электрического разряда протекает в соответствии с реакцией (4), что исключает возможность резонансной передачи энергии от колебательно-возбужденного водорода получаемым ионам йода, поэтому при этих условиях йодсодержащее соединение добавляют после зоны разряда, где и осуществляют воздействие на него энергетическим пучком для получения атомарного йода.

Предлагаемый способ был опробован в экспериментальном макете лазера. Была использована газовая смесь при давлении 760 торр следующего состава, об. %:
Водород - 30
Фторалкилиодид - 0,01
Аргон - 69,99
В качестве йодсодержащего соединения могут быть также использованы молекулярный йод (I2), алкилиодиды (CnHmI), фторалкилиодиды (CnFmI) и т.п., а также их смеси.

В качестве буферного газа могут быть также использованы гелий, неон, криптон, азот и т.п., а также их смеси.

Приведенная напряженность электрического поля в разряде составляла E/P = 3,5 В/см/торр, а плотность пучка внешнего электронного ускорителя 3-5 мА/см2.

Значение коэффициента усиления активной среды составляло 1,8-2,0-10-2 см-1, что значительные превышает коэффициент усиления активной среды йодкислородного лазера (1-3 • 10-3 см-1).

Был также опробован способ получения лазерного излучения вне зоны электрического разряда. Смесь газов, содержащая следующее количественное соотношение компонентов, об.%:
Водород - 30
Фторалкилиодид - 0,001
Аргон - 69,999,
пропускали через зону электрического разряда с приведенной напряженностью электрического поля в разряде E/P = 3,5 В/см/торр, и плотностью пучка внешнего электронного ускорителя 3-5 мА/см2. После зоны разряда добавляли смесь газов со следующим количественным соотношением компонентов, об.%:
Фторалкилиодид - 20
Аргон - 80
Полученную смесь газов облучали импульсной лампой с широкой полосой излучения вблизи 270 нм.

Значение коэффициента усиления активной среды составляло 3,8-5,0•10-2 см-1, что также значительно превышает коэффициент усиления активной среды йодкислородного лазера (1-3•10-3 см-1).

Источники информации
1. Kasper J.V.V., Pimentel G.C., Appl. Phys. Lett., 5, 231, (1964).

2. Derwent R. G. , Kearns D.R., Thrush B.A. Chem. Phys. Lett., 6, 115, (1970).

Похожие патенты RU2142185C1

название год авторы номер документа
КИСЛОРОД-ЙОДНЫЙ ЛАЗЕР 2006
  • Баранов Геннадий Алексеевич
  • Аброян Марьям Артуровна
  • Смирнов Сергей Александрович
RU2321118C2
ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ КИСЛОРОДНО-ЙОДНЫЙ ЛАЗЕР С БУФЕРНЫМ ГАЗОМ 2013
  • Азязов Валерий Николаевич
  • Загидуллин Марсель Вакифович
  • Михеев Павел Анатольевич
RU2558648C2
УСТРОЙСТВО С НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫМ РАЗРЯДОМ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ОЗОНА И КОМПЛЕКСНОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ 1991
  • Сиротинкин В.В.
  • Туманов И.А.
  • Шанский В.Ф.
  • Шапиро В.Б.
RU2033962C1
ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫМ РАЗРЯДОМ И ПРОДОЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ ПРОКАЧКИ ГАЗОВОЙ СМЕСИ 1993
  • Бодакин Л.В.
  • Макаревич А.А.
  • Манукян Г.Ш.
  • Туманов И.А.
RU2065242C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНВЕРСИОННОЙ НАСЕЛЕННОСТИ НА АТОМАХ ЙОДА 2013
  • Загидуллин Марсель Вакифович
  • Азязов Валерий Николаевич
  • Малышев Михаил Сергеевич
RU2548622C1
УСТРОЙСТВО НАКАЧКИ МОЩНОГО ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА 1998
  • Баранов Г.А.
  • Кучинский А.А.
  • Котов С.М.
  • Гордейчик А.Г.
  • Томашевич В.П.
RU2141708C1
Способ получения атомов йода 2016
  • Михеев Павел Анатольевич
  • Демьянов Андрей Владимирович
  • Азязов Валерий Николаевич
  • Загидуллин Марсель Вакифович
  • Уфимцев Николай Иванович
  • Гильдина Анна Руслановна
RU2649025C2
ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ 1993
  • Иванов Б.А.
  • Косогоров С.Л.
  • Шапиро В.Б.
  • Щеголихин Н.П.
RU2091991C1
СПОСОБ ФОТОТЕРАПИИ ВИРУСНОГО ГЕПАТИТА 1996
  • Овсянников В.А.
  • Петров И.Б.
  • Пусташева Н.Н.
  • Сологуб Т.В.
RU2153905C2
ЦИКЛОТРОН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РАДИОАКТИВНЫХ ГАЗОВ 1992
  • Степанов А.В.
RU2057405C1

Реферат патента 1999 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МАГНИТОДИПОЛЬНОМ ПЕРЕХОДЕ ЙОДА

Изобретение относится к лазерам, использующим стимулированное излучение в инфракрасной области спектра, в частности к способам возбуждения с использованием газового разряда газового лазера. Способ включает получение атомарного йода в основном электронном состоянии и последующий перевод атомарного йода в электронно-возбужденное состояние методом резонансной передачи энергии. Атомарный йод получают диссоциацией йодсодержащего соединения в смеси газов с давлением 10-3800 торр, которая содержит водород, йодсодержащее соединение и буферный газ, воздействуя на йодсодержащее соединение энергетическим пучком с энергией 4,8-10 эВ. Лазерное излучение получают за счет резонансной передачи энергии атомарному йоду от колебательно-возбужденного водорода, который получают воздействием на водород электрическим разрядом с энергией электронов 0,5-10 эВ. Технический результат изобретения - повышение КПД газового лазера на магнитодипольном переходе йода, повышение качества лазерного излучения, снижение затрат на изготовление и эксплуатацию, а также повышение экологической чистоты лазера. 4 з.п. ф-лы.

Формула изобретения RU 2 142 185 C1

1. Способ получения лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода, включающий получение атомарного йода в основном электронном состоянии с последующим переводом его в электронно-возбужденное состояние методом резонансной передачи энергии, отличающийся тем, что атомарный йод получают диссоциацией йодсодержащего соединения в смеси газов с давлением 10 - 3800 Торр и следующим соотношении компонентов, об.%:
Водород - 1 - 89
Йодсодержащее соединение - 0,001 - 5
Буферный газ - 10 - 98
воздействием на него энергетическим пучком с энергией 4,8 - 10 эВ, получают колебательно-возбужденный водород воздействием на водород электрическим разрядом с энергией электронов 0,5 - 10 эВ и получают лазерное излучение за счет резонансной передачи энергии от колебательно-возбужденного водорода атомарному йоду.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что колебательно-возбужденный водород получают в самостоятельном электрическом разряде, при этом в качестве энергетического пучка используют электроны газоразрядной плазмы. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что колебательно-возбужденный водород получают в несамостоятельном электрическом разряде, при этом в качестве энергетического пучка используют электроны газоразрядной плазмы и внешнее ионизирующее излучение. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что энергетический пучок воздействует на йодсодержащее соединение вне зоны электрического разряда. 5. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что колебательно - возбужденный водород получают в смеси газов с минимальным содержанием йодсодержащего соединения и последующим добавлением после зоны разряда смеси газов со следующим количественным соотношением компонентов, об.%:
Йодсодержащее соединение - 0,01 - 10
Буферный газ - 90 - 99
а затем воздействуют на полученную смесь энергетическим пучком.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1999 года RU2142185C1

Derwent R.G., Kearns D.R
Thrush B.A
The excitation of iodine bysinglet molecular oxygen, Chemical Physics Letters, vol
Приспособление для точного наложения листов бумаги при снятии оттисков 1922
  • Асафов Н.И.
SU6A1
Вагин Н.П
и др
Импульсный химический кислородно-йодный лазер с объемной наработкой атомов йода в электрическом разряде
- Квантовая электроника, т.22, N 8, 1995, c.776-777
Дзябенко О.В
и др
Импульсный фотолиз йодидов в присутствии тушащих газов
- Квантовая электроника, т.21, N 3, 1994, c.225-226
JP 04015972 A, 21.01.92
Способ автоматического управления процессом сушки сыпучих материалов 1982
  • Ануфриев Виктор Васильевич
  • Баженов Владимир Дмитриевич
  • Елфимов Виктор Васильевич
  • Андриенко Галина Михайловна
SU1089379A1
US 5301203 A, 05.04.94
JP 63245979 A, 13.10.88.

RU 2 142 185 C1

Авторы

Манукян Г.Ш.

Туманов И.А.

Сербин А.Р.

Валуев В.В.

Ротинян М.А.

Шанский В.Ф.

Казаченко Н.И.

Усанов В.А.

Даты

1999-11-27Публикация

1998-04-27Подача