РАБОЧАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ЙОДНОГО ФОТОДИССОЦИОННОГО ЛАЗЕРА Российский патент 2012 года по МПК H01S3/95 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании йодных фотодиссоционных лазеров с оптической накачкой.

К таким лазерам относится йодный фотодиссоционный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используются различные перфторйодиды (Кормер С.Б. "Фотодиссоционные лазеры для управляемого термоядерного синтеза", Изв. АН СССР, Сер. физ, т.44, №10, 1980, с.2002…2017).

При эксплуатации этого лазера встают вопросы поднятия энергетики на выходе и воспроизводимости этой энергии. Йодный фотодиссоционный лазер работает следующим образом.

При инициировании рабочей среды оптическим излучением происходит фотолиз йодосодержащего вещества, который может быть представлен в следующем виде:

где RI - перфторйодид, hν_н - квант оптической накачки, I* - йод в возбужденном состоянии (I(²P_1/2)), R - радикал CF₃, C₂F₅, C₃F₇ и др. Генерация происходит по схеме:

где hv_г - рабочий квант излучения лазера (λ=1.315 мкм), I - атом йода в основном состоянии (I(²Р_3/2)), но на работу йодного лазера влияют и вторичные химические реакции, такие как рекомбинация рабочего вещества

т.е. атомы не накапливаются на нижнем лазерном уровне, в результате чего образуются молекулы исходного рабочего йодида, например, C₃F₇I, CF₃I и т.д., которые вновь фотодиссоциируют по схеме (1). Реакция рекомбинации играет определяющую роль в кинетике йодных фотодиссоционных лазеров.

В рабочей среде протекают и "вредные" процессы, такие как процессы тушения возбужденных атомов йода как исходными продуктами, так и возникающими в процессе фотолиза

сопровождающиеся наработкой молекулярного йода (I₂) и загрязнением стеклянных поверхностей, а также процесс димеризации, снижающий роль реакции (3), т.е. образующийся в процессе фотолиза из радикалов димер (R₂), уводит из процесса необходимые для рекомбинации радикалы R:

Для решения вопроса очистки, например, использовались дорогостоящие установки замкнутого цикла по очищению рабочей смеси от продуктов фотолиза и, в частности, от молекулярного йода, являющегося, кроме того, сильнейшим тушителем возбужденного йода. Применение таких установок не решило радикально стоящие вопросы (Борович Б.Л., Зуев B.C., Катулин В.А. и др. "Сильноточные излучающие разряды и газовые лазеры с оптической накачкой". - М.: Итоги науки и техники, сер. Радиотехника, т.15, 1978).

Известна рабочая смесь для йодного фотодиссоционного лазера, применение которой частично решает вопрос поднятия энергетики йодного фотодиссоционного лазера (Srinivasan R., Lankard J.R. J. Phys. Chem. "The Role of CF₃-Radicals in the Photochemical Iodine Laser", v.78, №10, 1974, р.951). Рабочая смесь содержит основное рабочее вещество перфторйодид CF₃I и в качестве инжектора радикалов гексафлюороазометан CF₃NNCF₃. Находясь в рабочем объеме лазера и подвергаясь воздействию световой накачки, добавка гексафлюороазометан CF₃NNCF₃ фотодиссоциирует по следующей схеме

создавая избыток радикалов CF₃, которые рекомбинируют по схеме (3) в рабочий йодид CF₃I.

Недостатком известной рабочей смеси является нерешенность проблемы загрязнения рабочего объема продуктами фотолиза, что отрицательно сказывается на энергетическом выходе лазера.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение энергетического выхода лазера и снижение загрязненности рабочего объема твердыми продуктами фотолиза.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в следующем:

- увеличение энергии на выходе лазера;

- обеспечение малой расходимости и хорошей однородности лазерного пучка с увеличением энергии на выходе: эффективный градиент показателя преломления рабочей среды при максимальной накачке составляет dn/dx~8·10^-7 см^-1 и при L=100 см расходимость составляет ~8·10^-5 рад.

- снижение загрязнения рабочего объема твердыми продуктами фотолиза.

Для решения поставленной задачи и достижения технического результата рабочая смесь для йодного фотодиссоционного лазера, включающая газообразный перфторйодид и инжектор дополнительных радикалов CF₃, согласно изобретению в качестве инжектора радикалов CF₃ содержит газообразный перфторуксусный ангидрид (CF₃CO)₂О при парциальном давлении 0,05-0,5 от парциального давления перфторйодида. Рабочая смесь может дополнительно содержать буферный газ.

В качестве йодосодержащего вещества могут использоваться различные перфторйодиды: i-C₃F₇I, n-C₃F₇I, t-C₄F₉I, C₂F₅I, CF₃I и т.д. В качестве буферного газа выбираются химически инертные газы (Не, Ne, Ar, Kr, Xe, N₂, SF₆ и др.).

Под воздействием излучения накачки фотодиссоциация с перфторуксусным ангидридом протекает по следующей схеме (Кузнецова С.В., Маслов А.И. "Исследование реакций радикала CF₃ с атомарным и молекулярным хлором". Химия высоких энергий, т.13, №5, 1979, с.448):

т.е. в результате фотодиссоциации в рабочей смеси образуется избыток радикалов (CF₃) и буферные газы (CO₂ и СО). Появление в рабочей среде химически активных молекул СО может способствовать переводу нелетучих загрязняющих продуктов фотолиза в летучие и тем самым способствовать очищению стеклянных поверхностей рабочего объема. Далее, что очень важно, в рабочем объеме с вновь образовавшимися радикалами и йодом (в основном состоянии) по схеме (3) происходит процесс рекомбинации:

и получившееся новое рабочее вещество - перфторйодид CF₃I фотодиссоциирует по схеме (1), как и основной рабочий перфторйодид, использующийся в конкретном случае, такой как, например, i-C₃F₇I, n-C₃F₇I, t-C₄F₉I и т.д.

Кроме увеличения энергии на выходе лазера, экспериментально установлено, что предлагаемый перфторуксусный ангидрид удовлетворяет требованиям к рабочей смеси йодного лазера по времени появления оптических неоднородностей в рабочем объеме.

Предлагаемая рабочая смесь имеет оптимум по давлению составляющих компонентов. Сам перфторуксусный ангидрид является хоть и слабым (по сравнению с молекулярным йодом I₂), но тушителем возбужденного йода (I(²Р_1/2)). С повышением давления ангидрида процесс рекомбинации (3) будет конкурировать с процессами тушения (4, 5). Кроме того, из-за совпадения полос поглощения с основным рабочим веществом, ангидрид будет как бы экранировать основное рабочее вещество. Этим и определяется диапазон используемых давлений.

На чертеже показаны экспериментальные данные по отработке рабочих смесей для йодного фотодиссоционного лазера, а именно приведена зависимость лазерной энергии от парциального давления перфторуксусного ангидрида (CF₃CO)₂O:

зависимость 1-30 Торр i-C₃F₇I+705 Торр SF₆;

зависимость 2-40 Торр i-C₃F₇I+705 Торр SF₆.

Для определения динамического диапазона применения перфторуксусного ангидрида было приготовлено некоторое количество составов рабочих смесей, два из них приведены на чертеже. Первоначально готовилась рабочая смесь: 30 Торр i-C₃F₇I+705 Торр SF₆ и далее к этой (основной) смеси добавлялся порциями перфторуксусный ангидрид. В результате срабатывания лазером получена экспериментальная зависимость (кривая 1). Первоначально заметен рост выходной лазерной энергии, а затем спад. Максимум выходной энергии наблюдается при ~8 Торр перфторуксусного ангидрида, а при 15 Торр рост прекращается, что составляет 0,5 от давления рабочего перфторйодида. Во втором случае (кривая 2) первоначально готовилась рабочая смесь: 40 Торр i-C₃F₇I+705 Торр SF₆. Максимум выходной энергии наблюдается при ~10 Торр перфторуксусного ангидрида, а при 20 Торр рост прекращался, что также составляет 0,5 от давления рабочего перфторйодида. Таким образом, была зафиксирована динамическая пропорция основного рабочего вещества и перфторуксусного ангидрида, при которой регистрируется рост лазерной энергии высокого качества. В результате вариаций парциальными давлениями газов незначительный прирост выходной энергии компенсировался достижением высокого качества лазерной энергии, т.е. малой расходимостью и хорошей однородностью лазерного пучка. Направленность излучения лазера определяется степенью однородности показателя преломления рабочей среды в зоне генерации (усиления). В частности, направленность (расходимость) излучения в усилительном режиме определяется выражением

где dn/dx - поперечный градиент показателя преломления рабочей среды, L - освещаемая лампой накачки длина кюветы йодного лазера. В нашем случае эффективный градиент показателя преломления рабочей среды при максимальной накачке составлял dn/dx~8·10^-7 см^-1 и при L=100 см расходимость составляла ~8-10^-5 рад.

По результатам экспериментов окончательно была определена рабочая смесь йодного фотодисоционного лазера, которая содержит йодосодержащее вещество, инжектор радикалов и буферный газ в качестве разбавителя при следующих соотношениях парциальных давлений компонентов:

Йодосодержащее вещество 1 Инжектор радикалов 0.05-0.5 Буферный газ 3-200

при этом полное давление рабочей среды йодного лазера может составлять 100-1000 Торр.

Рабочая смесь для йодного фотодиссоционного лазера включает перфторйодид и инжектор дополнительных радикалов CF₃. В качестве инжектора радикалов CF₃ рабочая смесь содержит газообразный перфторуксусный ангидрид - (CF₃CO)₂О при парциальном давлении 0.05-0.5 от парциального давления перфторйодида. Дополнительно рабочая смесь может содержать инертный буферный газ. Технический результат заключается в обеспечении малой расходимости и хорошей однородности лазерного пучка с увеличением энергии на выходе, а также в снижении загрязнения рабочего объема твердыми продуктами фотолиза. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Рабочая смесь для йодного фотодиссоционного лазера, включающая перфторйодид и инжектор дополнительных радикалов CF₃, отличающаяся тем, что в качестве инжектора радикалов CF₃ она содержит газообразный перфторуксусный ангидрид - (CF₃CO)₂О при парциальном давлении 0,05-0,5 от парциального давления перфторйодида.

2. Рабочая смесь по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит инертный буферный газ.