КИСЛОРОД-ЙОДНЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 2008 года по МПК H01S3/953 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании источников когерентного излучения на переходах состояний атомов йода и, дополнительно, молекул окиси углерода.

Изобретение решает задачу создания газоразрядного кислород-йодного лазера с расширенным спектральным диапазоном и улучшенными эксплуатационными характеристиками, генерирующего излучение как на переходах атома йода(I), так и на переходах молекулы окиси углерода (СО).

Известны химические кислород-йодные лазеры, например, (D.Furman, D.D.Barmashenko, S.Rosenwaks. // An efficient supersonic chemical oxygen - iodine laser operating without buffer gas and simple nozzle geometry. Appl. Phys. Lett. 70. (18). 2341. 1997), в которых электронно-возбужденная молекула кислорода (синглетный кислород), необходимая для перевода на лазерный уровень атома йода, получается с участием химически агрессивных веществ. Лазер такого типа в качестве основных узлов содержит химический реактор, в котором происходит наработка молекул синглетного кислорода, лазерный объем, содержащий в себе оптический резонатор, герметично связанный с химическим реактором, необходимый для получения лазерного излучения.

В химическом кислород-йодном лазере для наработки синглетного кислорода в химический реактор подают газообразный хлор и щелочной раствор перекиси водорода, предварительно охлажденный до температуры -15÷-20°С. В реакторе щелочной раствор перекиси водорода взаимодействует с газообразным хлором, образуя кислород с возбужденным первым электронным уровнем O₂(a¹Δ_g), (синглетный кислород). Синглетный кислород подают в лазерный объем одновременно с атомами йода, где происходит передача энергии возбуждения от синглетного кислорода атомам йода с последующей генерацией в оптическом резонаторе когерентного излучения (λ=1,315 мкм) на магнитно-дипольном переходе йода в соответствии с уравнением I(²P_1/2)→I(²P_3/2)+hν. Здесь I(²P_1/2) - атом йода, резонансно возбужденный на уровень ²P_1/2 при переходе к нему энергии от молекулы синглетного кислорода O₂(a¹Δ_g); I(²Р_3/2) - излучающий атом йода. Инверсия между уровнями ²P_1/2 и ²P_3/2 приводит к излучению кванта hν длиной волны 1.315 мкм.

Йодный лазер с химической накачкой описан в заявке Японии №4-16955 В4, Н01S 3/095, опубликованной 25.03.1992 года. Основными узлами лазера являются химический генератор синглетного кислорода и оптический резонатор, в который поступает синглетный кислород (с другими продуктами реакции, в частности с хлором) и атомарный йод, и в котором, в результате резонансной передачи энергии от молекул кислорода, образуются атомы йода в состоянии I(²P_1/2).

Эксплуатация такого лазера требует применения специальных мер химической безопасности, в частности применения специальных материалов и индивидуальной защиты обслуживающего персонала, поскольку исходные реагенты химически агрессивны, а газовая смесь, выходящая из реактора, содержит, кроме кислорода и паров воды, перекись водорода и непрореагировавший хлор. Кроме того, поскольку газообразные продукты химической реакции не конвертируются в исходные химические компоненты, лазер такого типа имеет незамкнутый газовый контур, что требует применения специальных устройств утилизации продуктов химических реакций.

Сущность изобретения заключается в конструкции кислород-йодного лазера, содержащего камеру смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом, устройство подачи йода в камеру смешения, оптический резонатор для генерации когерентного излучения на длине волны 1.315 мкм на магнитно-дипольном переходе атома йода с уровня I(²Р_1/2) на уровень I(²P_3/2), отличающейся тем, что в нее введены устройство подачи в газовый контур смеси газов, содержащей кислород, устройство сверхзвукового истечения газа, разрядная камера с источником питания и с широкоапертурным ускорителем электронов, управляющим несамостоятельным разрядом в упомянутой разрядной камере, в которой происходит газоразрядная наработка синглетного кислорода.

В этом лазере используется одна из следующих газовых сред: (O₂:Ar), (O₂:Не), (O₂:CO:Ar), (O₂:H₂:Ar), (O₂:D₂:Ar). В качестве газовой среды могут быть использованы также смеси кислорода с другими инертными газами, в состав которых могут входить молекулярные газы, способствующие, как и молекулы СО, Н₂, D₂, повышению устойчивости разряда за счет уменьшения вероятности развития прилипательно-дрейфовой неустойчивости (А.Н.Васильева, К.С.Клоповский, А.С.Ковалев и др. Генерация синглетного кислорода в несамостоятельном разряде. // Физика плазмы, 2005, том 31, 4, 361-375). Заявляемый лазер может быть выполнен с замкнутым газовым контуром, включающим дополнительно сверхзвуковой диффузор для перевода сверхзвукового потока в дозвуковой режим, теплообменники, систему удаления йода из газовой смеси, устройство прокачки газа и поворотные колена. Кроме того, при использовании смеси (О₂:СО:Ar) после разрядной камеры может быть расположен дополнительный оптический резонатор СО-лазера. В этом исполнении предлагаемая конструкция будет, кроме излучения на переходах атома йода(I) с длиной волны λ=1,315 мкм (на магнитно-дипольном переходе атома йода), генерировать излучение на переходах молекулы окиси углерода (СО) с длиной волны λ=2,7 мкм.

Последовательность расположения оптических резонаторов кислород-йодного и СО-лазера может определяться назначением заявляемого лазера. Если требуется достичь максимальной эффективности получения когерентного излучения СО-лазера, сразу за разрядной камерой целесообразно расположить резонатор СО-лазера, а затем резонатор кислород-йодного лазера. И наоборот, если требуется достичь максимальной эффективности получения когерентного излучения кислород-йодного лазера, сразу за разрядной камерой целесообразно расположить резонатор кислород-йодного лазера, а затем резонатор СО-лазера. Данное условие определяется тем, что при генерации когерентного излучения, происходит сопутствующее выделение тепловой энергии с нагревом рабочей смеси газов, а чем выше температура, тем меньше инверсная заселенность лазерных уровней.

В заявляемом газоразрядном кислород-йодном лазере практически отсутствуют молекулы воды, которые эффективно тушат возбужденные атомы йода. В то же время в кислород-йодном лазере с химическим генератором синглетного кислорода молекулы воды присутствуют всегда в активной среде и в значительном количестве (А.С.Борейшо и др. Высокоэффективный непрерывный химический кислород-йодный лазер трансзвуковой инжекцией иода и азотом в качестве буферного газа. // Квантовая электроника. 2005. Т.35. №6. С.495-503.) Следовательно, в предлагаемом газоразрядном кислород-йодном лазере выше эффективность использования энергии синглетного кислорода.

Технический результат изобретения заключается в создании газоразрядного кислород-йодного лазера, работающего на длине волны 1,315 мкм, (излучение на переходах атома йода (I₂)), при эксплуатации которого отпадает необходимость использования химических реакторов, требующих специальных мер химической безопасности, и который может быть выполнен в виде комбинированного лазера с устройством для дополнительной генерации когерентного излучения на длине волны 2,7 мкм (излучение на колебательных переходах молекулы СО).

На прилагаемых чертежах приведены примеры возможной реализации изобретения.

Конструктивная схема лазера с газоразрядным получением синглетного кислорода (Фиг.1) включает:

1 - устройство подачи в газовый контур смеси газов, выполненное, в частности, в виде объема высокого давления, содержащего кислородную смесь, например одну из следующих газовых сред (O₂:Ar), (O₂:Не), (O₂:СО:Ar), (O₂:Н₂:Ar), (O₂:D₂:Ar);

2 - устройство сверхзвукового истечения газа;

3 - разрядная камера;

4 - широкоапертурный ускоритель электронов, генерирующий электронный пучок;

5 - источник питания;

6 - камера смешения атомарного йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом;

7 - устройство подачи йода;

8 - оптический резонатор для генерации излучения на длине волны 1,315 мкм.

В конструкции лазера (Фиг.1) смесь кислорода с инертным газом и молекулярным газом, повышающим устойчивость разряда, например (O₂:СО:Ar), из объема 1 подается в устройство сверхвукового истечения газа 2 для разгона газа до сверхзвуковой скорости. Устройством 2 может быть сопловая решетка, использующаяся, например, в конструкции СО-лазера для газодинамического охлаждения рабочей смеси (С.А.Лосев. Газодинамические лазеры. М., Наука. 1977, 335 с). На выходе такого устройства можно получить криогенную температуру, регулируя ее величину степенью расширения потока. Охлажденная кислородная газовая смесь поступает в разрядную камеру 3, в которой разряд контролируется электронным пучком от широкоапертурного ускорителя 4. В качестве широкоапертурного ускорителя целесообразно использовать ускоритель, разработанный, в частности, для СО-лазера (Аброян М.А., Акулов В.В., Богомазов П.М. и др. Устройство ионизации для сверхзвукового СО-лазера. //Квантовая электроника, 23, 751, 1996). Напряжение на электроды разрядной камеры 3 подается от регулируемого источника питания 5 высокого напряжения. В разряде такого типа высокие энерговклады можно получить при слабых электрических полях (E/N=10^-16 В/см²), которые необходимы для эффективного получения синглетного кислорода (А.А.Ionin, Yu M Klimachev, A.A. Kotkov, and all. Non-self-susteined electric discharge in oxygen gas mixtures: singlet delta oxygen production. J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 982) (А.Н.Васильева, К.С.Клоповский, А.С.Ковалев и др. Генерация синглетного кислорода в несамостоятельном разряде. // Физика плазмы. 2005. Т.31. №4. С.361-375.). Охлаждение газа в устройстве (2) до разрядной камеры, необходимо для повышения инверсии между уровнями I(²P_1/2) и I(²P_3/2), которое можно вычислить по формуле

где Y - величина инверсии между уровнями I(²P_1/2) и I(²Р_3/2); Т - температура газовой смеси; [O₂(a^lΔ_g)] - концентрация синглетного кислорода; [O₂(Х³Σ)] - концентрация молекул кислорода в основном состоянии (А.Н.Васильева, К.С.Клоповский, А.С.Ковалев и др. Генерация синглетного кислорода в несамостоятельном разряде. // Физика плазмы. 2005. Т.31. №4. С.361-375.). При температурах Т=100, 200, 250, 300 К порог инверсной заселенности равен соответственно Y=0,012; 0,63; 0,1; 0,15, т.е. снижение температуры до 100 К существенно понижает порог инверсной заселенности по синглетному кислороду и повышает эффективность кислород-йодного лазера. Из разрядной камеры 3 газовая смесь с наработанным синглетным кислородом поступает в камеру 6 смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом, в которой происходит передача энергии от молекул синглетного кислорода атомам йода с заселением уровня I(²Р_1/2).

Йод в камеру смешения 6 поступает из устройства подачи йода (7). После камеры смешения рабочая смесь поступает в оптический резонатор 8, в котором на магнитно-дипольном переходе йода с уровня I(²Р_1/2) на уровень I(²Р_3/2) генерируется когерентное излучение с длиной волны λ=1,315 мкм.

Эффективность получения синглетного кислорода в разряде, контролируемом электронным пучком, была показана в ряде работ. Например, в работе (А.Н.Васильева, К.С.Клоповский, А.С.Ковалев и др. Генерация синглетного кислорода в несамостоятельном разряде. // Физика плазмы. 2005. Т.31. №4. С.361-375) было показано, что в смеси кислорода с инертными газами (Ar и Не) существуют условия для превышения пороговой величины инверсии Y между уровнями I(²Р_1/2) и I(²Р_3/2). В работе (А.А.Ionin, Yu M. Klimachev, A.A. Kotkov, and all. Non-self-susteined electric discharge in oxygen gas mixtures: singlet delta oxygen production. J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 982) показано, что концентрацию синглетного кислорода [O₂(a¹Δ_g)]=25%, которая на 10% превышает пороговый уровень, требуемый для работы кислород-йодного лазера, можно получить в смесях кислорода с молекулами СО, H₂ или D₂ и инертного газа. Эффективность получения синглетного кислорода в разряде, контролируемом электронным пучком, может превышать 40%.

Таким образом, представленная на Фиг.1 конструкция лазера, оснащенная устройством газодинамического охлаждения газа для понижения порогового уровня инверсии между уровнями I(²Р_1/2) и I(²Р_3/2), позволяет реализовать газоразрядный кислород-йодный лазер.

Газоразрядный кислород-йодный лазер можно реализовать и с замкнутым газовым контуром, поскольку на выходе из резонатора 8 исходная смесь, поступающая из устройства 1 (Фиг.1), содержит в себе дополнительно только йод, который при низких температурах превращается в кластеры, которые можно удалить из смеси пассивной (фильтры) или принудительной сепарацией (центрифуга). Схема конструкции газоразрядного кислород-йодного лазера с замкнутым газовым контуром представлена на Фиг.2, где

1 - устройство подачи в газовый контур смеси газов, выполненное, в частности, в виде объема высокого давления, содержащего кислородную смесь, например одну из следующих газовых сред (O₂:Ar), (O₂:He), (O₂:CO:Ar), (O₂:H₂:Ar), (O₂:D₂:Ar);

2 - устройство сверхзвукового истечения газа;

3 - разрядная камера;

4 - широкоапертурный ускоритель электронов, генерирующий электронный пучок;

5 - источник питания;

6 - камера смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом;

7 - устройство подачи йода;

8 - оптический резонатор для генерации излучения на длине волны 1.315 мкм;

9 - сверхзвуковой диффузор;

10 - теплообменник;

11 - система удаления йода;

12 - устройство прокачки газа;

13, 14 - теплообменники;

15, 16, 17, 18 - поворотные колена.

В данной конструкции кислородная рабочая газовая смесь, например (O₂:СО:Ar), из устройства 1 напускается в замкнутый газовый контур лазера до достижения заданного давления. При включении устройства прокачки 12 (например, компрессора или вентилятора) и при выходе на заданный режим газовая смесь прокачивается по газодинамическому контуру лазера. Газовая смесь в устройстве 2 разгоняется до сверхзвуковой скорости с целью ее охлаждения до заданного уровня, охлажденный газ поступает в разрядную камеру 3, разряд в которой контролируется электронным пучком от широкоапертурного ускорителя электронов 4, регулируемое напряжение на разрядную камеру подается от источника питания 5, смешение синглетного кислорода и йода производится в камере смешения 6, йод поступает в камеру смешения из устройства подачи йода 7, генерация когерентного излучения на длине волны 1,315 мкм производится в оптическом резонаторе 8, обратный перевод потока в дозвуковой режим производится в сверхзвуковом диффузоре 9. Перевод потока в дозвуковой режим в сверхзвуковом диффузоре 9 производится для уменьшения гидравлических потерь на элементах газового контура и улучшения условий работы устройства прокачки 12. Поскольку при торможении потока в сверхзвуковом диффузоре 9 происходит повышение температуры газа, которая может заметно превысить начальное значение из-за вложенной в газ энергии в разрядной камере, за сверхзвуковым диффузором 9 расположен теплообменник 10, понижающий температуру газа до уровня, при котором происходит интенсивное образование кластеров йода, например до 260К. Удаление йода из газовой смеси происходит в системе 11, путем осаждения и фильтрования, или центробежного разделения, или электростатическим осаждением, либо другим способом. Для создания оптимального теплового режима на входе в устройство прокачки 12 и на входе в устройство сверхзвукового истечения газа 2, в газовом контуре могут быть предусмотрены темплообменники 13, 14. Поворот потока осуществляется поворотными коленами 15, 16, 17, 18.

Использование смесей (O₂:СО:Ar), (О₂:Н₂:Ar), (O₂:D₂:Ar) обусловлено тем, что газы СО, Н₂ или D₂ уменьшают вероятность развития прилипательно-дрейфовой неустойчивости разряда, повышая энерговклад в его объем. Установлено также, что в смеси O₂:СО:Ar происходит эффективное заселение колебательных уровней молекулы СО (А.А.Ionin, Yu M. Klimachev, A.A. Kotkov, and all. Non-self-sustained electric discharge in oxygen gas mixtures: singlet delta oxygen production. J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 982). Использование смесей (O₂:СО:Ar), (O₂:H₂:Ar), (O₂:D₂:Ar) обусловлено тем, что газы СО, Н₂ или D₂ уменьшают вероятность развития прилипательно-дрейфовой неустойчивости разряда, повышая энерговклад в его объем. Установлено также, что в смеси O₂:СО:Ar происходит эффективное заселение колебательных уровней молекулы СО (А.А.Ionin, Yu M. Klimachev, A.A. Kotkov, and all. Non-self-sustained electric discharge in oxygen gas mixtures: singlet delta oxygen production. J. Phys. D: Appl. Phys. 36 (2003) 982). Поскольку в предлагаемой конструкции разряд, контролируемый электронным пучком, функционирует при условиях, характерных для газоразрядного СО-лазера, а температура 100÷150К, при которой высокая инверсия между уровнями I(²Р_1/2) и I(²Р_3/2), является также рабочей температурой для СО-лазера, включение в конструкцию дополнительного оптического резонатора СО-лазера (позиция 9, Фиг.3) позволит наряду с излучением на длине волны кислород-йодного лазера λ=1,315 мкм генерировать дополнительно излучение на длине волны СО-лазера λ=2,7 мкм.

Схема конструкции такого комбинированного газоразрядного кислород-йодного лазера и СО-лазера с открытым газовым контуром представлена на Фиг.3, где

1 - устройство подачи в газовый контур смеси газов, выполненное, в частности, в виде объема высокого давления, содержащего кислородную смесь, например одну из следующих газовых сред (О₂:Ar), (O₂:Не), (O₂:СО:Ar), (O₂:Н₂:Ar), (O₂:D₂:Ar);

2 - устройство сверхзвукового истечения газа;

3 - разрядная камера;

4 - широкоапертурный ускоритель электронов, генерирующий электронный пучок;

5 - источник питания;

6 - камера смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом;

7 - устройство подачи йода;

8 - оптический резонатор для генерации излучения на длине волны 1,315 мкм;

19 - оптический резонатор СО-лазера для генерации излучения на длине волны 2,7 мкм.

Схема конструкции комбинированного газоразрядного кислород-йодного лазера и СО-лазера с замкнутым газовым контуром представлена на Фиг.4, где

1 - устройство подачи в газовый контур смеси газов, выполненное, в частности, в виде объема высокого давления, содержащего кислородную смесь, например одну из следующих газовых сред (O₂:Ar), (O₂:Не), (O₂:CO:Ar), (O₂:H₂:Ar), (O₂:D₂:Ar);

2 - устройство сверхзвукового истечения газа;

3 - разрядная камера;

4 - широкоапертурный ускоритель электронов, генерирующий электронный пучок;

5 - источник питания;

6 - камера смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом;

7 - устройство подачи йода,

8 - оптический резонатор для генерации излучения на длине волны 1.315 мкм;

9 - сверхзвуковой диффузор,

10 - теплообменник,

11 - система удаления йода;

12 - устройство прокачки газа;

13, 14 - теплообменники;

15, 16, 17, 18 - поворотные колена;

19 - оптический резонатор СО-лазера для генерации излучения на длине волны 2,7 мкм.

Кислород-йодный лазер содержит камеру смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом, устройство подачи йода в камеру смешения, оптический резонатор для генерации когерентного излучения на длине волны 1,315 мкм, на магнитно-дипольном переходе атома йода с уровня I(²P_1/2) на уровень I(²Р_3/2). А также устройство подачи в газовый контур смеси газов, содержащей кислород, устройство сверхзвукового истечения газа. В него введены разрядная камера с источником питания и с широкоапертурным ускорителем электронов, управляющим несамостоятельным разрядом в упомянутой разрядной камере, в которой происходит газоразрядная наработка синглетного кислорода, а также введен оптический резонатор СО-лазера для дополнительной генерации излучения с длиной волны λ=2,7 мкм на колебательно-вращательных переходах состояний молекулы окиси углерода, расположенный за разрядной камерой или после оптического резонатора для генерации когерентного излучения на длине волны 1,315 мкм. В качестве смеси газов используется одна из следующих газовых сред: (O₂:Ar), (O₂:Не), (O₂:CO:Ar), (O₂:H₂:Ar), (O₂:D₂:Ar). Кроме того, кислород-йодный лазер выполнен с замкнутым газовым контуром, включающим дополнительно сверхзвуковой диффузор, теплообменники, систему удаления йода из рабочей смеси, устройство прокачки газа и поворотные колена. Технический результат - создание газоразрядного кислород-йодного лазера, работающего на длине волны 1,315 мкм, (излучение на переходах атома йода (I₂)), при эксплуатации которого отпадает необходимость использования химических реакторов, требующих специальных мер химической безопасности, и который может быть выполнен в виде комбинированного лазера с устройством для дополнительной генерации когерентного излучения на длине волны 2,7 мкм (излучение на колебательных переходах молекулы СО). 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Кислород-йодный лазер, содержащий камеру смешения йода с газовой средой, обогащенной синглетным кислородом, устройство подачи йода в камеру смешения, оптический резонатор для генерации когерентного излучения на длине волны 1,315 мкм, на магнитно-дипольном переходе атома йода с уровня I(²P_1/2) на уровень I(²Р_3/2), устройство подачи в газовый контур смеси газов, содержащей кислород, устройство сверхзвукового истечения газа, отличающийся тем, что в него введены разрядная камера с источником питания и с широкоапертурным ускорителем электронов, управляющим несамостоятельным разрядом в упомянутой разрядной камере, в которой происходит газоразрядная наработка синглетного кислорода, а также введен оптический резонатор СО-лазера для дополнительной генерации излучения с длиной волны Δ=2,7 мкм на колебательно-вращательных переходах состояний молекулы окиси углерода, расположенный за разрядной камерой или после оптического резонатора для генерации когерентного излучения на длине волны 1,315 мкм.2. Кислород-йодный лазер по п.1, отличающийся тем, что в качестве смеси газов используется одна из следующих газовых сред: (O₂:Ar), (O₂:Не), (O₂:CO:Ar), (O₂:H₂:Ar), (O₂:D₂:Ar).3. Кислород-йодный лазер по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с замкнутым газовым контуром, включающим дополнительно сверхзвуковой диффузор, теплообменники, систему удаления йода из рабочей смеси, устройство прокачки газа и поворотные колена.