СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕНЕРАЦИИ СТИМУЛИРОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА АТОМАХ ИОДА Российский патент 2002 года по МПК H01S3/95 

Изобретение относится к лазерной физике и оптике и может быть использовано в системах эффективного преобразования солнечной энергии в лазерное излучение с последующей передачей этой энергии потребителю.

Известен способ получения генерации стимулированного излучения на атомах иода, основанный на фотодиссоциации молекул типа C_nF_2n+1I при поглощении ими ультрафиолетового излучения с длинами волн 230-300 нм и образованием атомарного иода в возбужденном состоянии ²P_1/2. Генерация осуществляется на переходе ²P_1/2-²Р_3/2 с длиной волны 1315 нм [1]. Этот способ в [2] применен для генерации стимулированного излучения атомами иода при использовании в качестве накачки ультрафиолетового спектрального крыла солнечного излучения, которое поглощается, также как в [1], молекулами типа C_nF_2n+1I с образованием в результате их диссоциации атомов иода в верхнем состоянии ²P_1/2. Следует отметить, что описанный в [1,2] способ генерации стимулированного излучения на атомах иода имеет низкую эффективность (отношение энергии излучения к энергии накачки), которая составляет порядка 1-2%, или менее одного процента, как в случае солнечной накачки. Основная причина столь низкой эффективности здесь являются:
- большая величина, так называемых, стоксовых потерь, которые определяются отношением фотона накачки к энергии фотона генерации; в способе [1,2] величина стоксовых потерь составляет примерно 5;
- в случае солнечной накачки, сильная несогласованность спектра излучения Солнца с полосой поглощения вышеуказанной молекулы алкилиодида и использовании лишь относительно слабого ультрафиолетового спектрального крыла солнечного излучения.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения генерации стимулированного излучения на атомах иода, основанный на получении возбужденного иода в состоянии ²P_1/2 при взаимодействии атомарного иода с молекулами синглетного кислорода ¹ΔO₂[3]. В этом случае стоксовы потери малы и составляют всего ~ 1,04. Сам синглетный кислород получают в [3] химическим способом при взаимодействии молекулярного хлора с перекисью водорода в присутствии щелочи (КОН). Указанный в [3] способ генерации стимулированного излучения на атомах иода использует энергию химической реакции. В литературе его называют, как правило, COIL (chemical oxygen iodine laser). COIL не дает возможность использовать для генерации энергию оптического излучения, в том числе излучение Солнца. Кроме того, способ, указанный в [3], создает большие трудности при необходимости организации замкнутого цикла активной среды, так как требует регенерации исходных химических веществ.

Цель изобретения заключается в создании способа генерации стимулированного излучения на атомах иода, основанного на взаимодействии иода с молекулами синглетного кислорода, позволяющего использовать в качестве источника первичной накачки оптическое излучение, в том числе излучение Солнца.

Поставленная цель достигается тем, что поток кислорода, молекулы которого находятся в основном (триплетном) состоянии, пропускают через смесь фуллеренов, которая при этом облучается источником оптического излучения, в том числе широкополосного излучения, например, Солнцем. Сам состав смеси фуллеренов подбирается так, что его спектр поглощения соответствует спектральному составу падающего на него излучения.

Заявляемый здесь способ назван авторами FOIL (fullerene oxygen iodine laser) или, при использовании накачки Солнца, SUN LIGHT FOIL или SLFOIL.

Сущность изобретения легче будет понять с помощью кинетической схемы SLFOIL, представленной на чертеже. При облучении смеси фуллеренов (С₆₀, С₇₀, С₇₆, C₈₀), фотонами в спектральном диапазоне 350-1100 нм, фуллерены поглощают их энергию в канале синглетных состояний ¹F. Затем с временем порядка наносекунды, происходит внутрисистемный безизлучательный переход с возбужденных синглетных состояний на нижнее триплетное метастабильное состояние фуллерена T₁ в канале триплетных состояний ³F [4]. Время жизни метастабильного состояния T₁ велико и составляет ~10^-2сек [5]. В присутствии тушителя время жизни состояния T₁ может сильно уменьшиться. Одним из наиболее сильных тушителей здесь является молекулярный кислород, находящийся в основном (триплетном) состоянии. При прохождении потока кислорода через облучаемую светом смесь фуллеренов, в результате взаимодействия (см. чертеж) образуется синглетный кислород ¹ΔO₂. В соответствии с [6], квантовый выход синглетного кислорода составляет ~0,96 при облучении видимым светом. В ультрафиолетовом диапазоне спектра (λ~355нм) квантовый выход синглетного кислорода также достаточно велик и находится в области 0,76-0,81 [6]. При этом время жизни метастабильного трипплетного состояния фуллерена T₁ уменьшается до 330 нсек. Следует специально отметить, что использование смеси фуллеренов позволяет реализовать условия практически полного поглощения широкополосной оптической накачки в указанном диапазоне и, в частности, наиболее эффективно использовать солнечную накачку.

Полагая концентрацию фуллеренов (в основном синглетном состоянии) [⁰F]~ 3,10²¹см^-3, а сечение поглощения ~10^-17см^-2, толщина смеси, в которой накачка поглощается практически полностью составит ~ (0,5-1)•10^-4см. Или, примерно 500-1000 монослоев фуллеренов. Таким образом, речь идет о газопроницаемой мембране из фуллеренов, облучаемой светом накачки. Учитывая, что в этих условиях (без тушителя) время жизни метастабильного триплетного состояния фуллерена (T₁) не менее нескольких миллисекунд (это было измерено в сходных концентрационных условиях, в рамках подготовки настоящего патента), понятно, что при типичных величинах потоков фотонов накачки S~ 10²⁰см^-2сек^-1, практически все фуллерены в вышеуказанном слое будут в состоянии Т₁. При скорости потока кислорода (сквозь смесь фуллеренов) порядка нескольких метров в секунду, слой, толщиной (0,5-1)•10^-4см, кислород проходит за время менее 10^-6сек, то есть за время, несколько превышающее время жизни состояния Т₁ фуллерена в присутствии кислорода (~330 нсек [4]). Это, практически, идеальные условия для взаимодействия кислорода с возбужденным фуллереном и появления в объеме лазерной системы синглетного кислорода. Понятно, что процесс образования синглетного кислорода здесь становится, практически, поверхностным.

Ключевыми параметрами оценки эффективности предлагаемого способа SLFOIL являются:
- величина концентрационного соотношения между синглетным кислородом и обычным кислородом в потоке на выходе из смеси фуллеренов, и
- величина потока синглетного кислорода, который можно получить при облучении смеси фуллеренов в виде мембраны потоком фотонов, который соответствует, например, солнечному излучению, проходящему через 1м² поверхности (солнечная постоянная ~1370 Вт/м²).

Учитывая, что возможность технологии допускает сведение практически к нулю инородных примесей в смеси фуллеренов, кинетика получения синглетного кислорода может быть сведена к 3-м процессам:
1) поглощение фотонов накачки фуллеренами в канале синглетных состояний с образованием триплетного метастабильного состояния Т¹; сечение этого процесса оценивается величиной σ~10^-17см² [4], в предположении, что синглет-трипплетный внутрисистемный переход произошел мгновенно с квантовым выходом единица;
2) образование синглетного кислорода в реакции ³F+O₂ = ¹ΔO+⁰F, где ⁰F - фуллерен в основном синглетном состоянии; константа этой реакции k₂~ 3,3•10^-12см³cек^-1 [6];
3) тушение синглетного кислорода фуллереном ⁰F с преобразованием этой энергии в тепло; константа этого процесса k₃ ~8•10^-16см³сeк^-1 [6].

На основании разработанной кинетики в условиях стационарного решения концентрация синглетного оценивается величиной [¹ΔO₂]~(σS/k₃), где величины σ, S и k₃ указаны выше. В этих условиях соотношение концентраций синглетного кислорода и обычного кислорода оценивается величиной ([¹ΔO₂]/[O₂]~(k₂[³F]/k₃[⁰F]). Поток синглетного кислорода, получаемый при использовании, например, cолнечного излучения, пересекающего 1м² поверхности, оценивается величиной I₀(¹ΔO₂)~{σS₀v/k₃}, где S₀ - cолнечная постоянная, измеряемая в числе фотонов через 1 м² поверхности в 1 сек; v - скорость потока кислорода, которая в случае плотно упакованной мембраны из фуллеренов выбирается из условия: v~D³σ^-1t^-1, где D - диаметр фуллерена, t - время жизни триплетного состояния Т₁ фуллерена в присутствии кислорода, остальные величины указаны выше.

На основании вышесказанного нетрудно показать, что скорость потока кислорода может быть выбрана ~5 м/сек. При этом поток синглетного кислорода оценивается величиной I₀~0,05 Моль/сек при отношении концентраций синглетного кислорода и обычного кислорода (на выходе смеси фуллеренов)~10. Полученная здесь величина потока сиглетного дает возможность (на основании, например, [7]) построить йодный лазер с мощностью ~450-700 Вт. Если разделить полученную оценку мощности на величину солнечной постоянной, не трудно увидеть, что предлагаемый способ генерации стимулированного излучения на атомах иода позволяет увеличить эффективность йодного лазера с солнечной накачкой до ~35-50%.

Учитывая, что синглетный кислород получается без применения химических реакций и в качестве исходного вещества используется обычный кислород, молекулы которого испытывают лишь изменение электронных и колебательно-вращательных состояний, предлагаемый способ существенно упрощает организацию замкнутого цикла активной среды кислород-йодного лазера.

ЛИТЕРАТУРА
1. J.V.V. Kasper, G.C. Pimental, "Iodine photodissociative laser", Appl. Phys.Lett., vol.5, p.p. 231-233, (1964).

2. В.Ю.Залесский, "Йодный лазер с Солнечной накачкой". Квантовая электроника, том 10, стр. 1097-1107, (1983).

3. R.J. Richardson, J.D. Kelly, C.E Wiswall O₂(a¹Δ_g) generation mechanisms in chemically pumped iodine laser", J. Appl.Phys.,vol. 52, p.p.1066-1071, (1981).

4. В. П. Белоусов, И.М. Белоусова, В.П. Будтов, В.В. Данилов, О.Б. Данилов, А.Г. Калинцев, А.А. Мак, "Фуллерены: структурные, физико-химические и нелинейно-оптические свойства". Оптический журнал, том 64, 12, стр. 3-37, (1997).

5. H. T. Etheridge, R.B. Weisman, "C₇₀ Triplet Eximers: Evidence from Transient Absorbtion Kinetics", J. Phys. Chem., vol. 99, p.p. 2782-2787 (1995).

6. J. W. Arbogast, A.P. Darmanian, Ch. S. Foote et. al., "Photophysical Properties of С₆₀", J.Phys.Chem., vol. 95, p.p. 11-12, (1991).

7. V.V.Kalinovsky, G.A.Kirillov, V.D.Nikolaev, "High power oxygen iodine laser", SPIE, vol. 1980, p.p. 138-147, (1992).

Изобретение относится к лазерной физике и оптике и может быть использовано в системах эффективного преобразования солнечной энергии в лазерное излучение. Способ генерации стимулированного излучения на атомах иода, основанный на взаимодействии иода с молекулами синглетного кислорода, позволяет использовать в качестве источника оптическое излучение, в том числе излучение Солнца. Для этого, для получения синглетного кислорода, поток кислорода, молекулы которого находятся в основном состоянии, пропускают через смесь фуллеренов, которая облучается светом накачки, например, Солнцем. Состав смеси фуллеренов подбирают так, чтобы его спектр поглощения соответствовал спектральному составу падающего излучения. Для достижения максимальной эффективности предлагаемого способа скорость потока кислорода v выбирают из условия v~D³(σ^-1•t)^-1, где D - поперечный размер молекулы фуллерена, σ - сечение поглощения молекулы фуллерена оптического излучения накачки, t - время жизни нижнего, метастабильного, триплетного состояния молекулы фуллерена в присутствии молекулярного кислорода. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения генерации на атомах иода, длина волны 1315 нм, основанный на получении возбужденного иода в состоянии ²Р₁ при взаимодействии иода с молекулами синглетного кислорода ¹ΔO₂, отличающийся тем, что поток молекулярного кислорода пропускают через смесь фуллеренов, которая при этом облучается источником широкоспектрального излучения, например Солнцем, при этом состав смеси фуллеренов подбирают так, что его спектр поглощения соответствует спектральному составу падающего на них излучения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость потока кислорода выбирают из условия
v~D³(σ•t)^-1,
где D - поперечный размер молекулы фуллерена;
σ - сечение поглощения молекулы фуллерена;
t - время жизни нижнего, метастабильного, триплетного состояния молекул фуллерена в присутствии молекулярного кислорода.