Эффективные импульсные фтороводородные лазеры с инициированием ламповым фотолизом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ, ВШК1ЦИХ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИМПУЛЬСНЫХ ФТОРОВОДОРОДНЫХ ЛАЗЕРОВ НА ОСНОВЕ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ

§ I. Введение

§ 2. Инициирование электрическим разрядом

§ 3. Электронно пучковое инициирование

§ 4. Фотолитическое инициирование

Глава П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

§ I. Лазерная кювета

§ 2. Система газонапуска, вакуумирования и дегазации

§ 3. Система инициирования

§ 4. Выбор материала отражателя

§ 5. Определение активного объема

§ 6. Определение концентрации активных центров, создаваемых источником инициирования

§ 7. Оптическая схема и система регистрации параметров лазерного излучения

Глава Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ Н2-Р2 - ЛАЗЕРА

§ I. Теоретическое рассмотрение работы К^-Р^ - лазера в рамках упрощенной модели

§ 2. Влияние состава смеси и уровня инициирования

§ 3. Влияние выходной связи резонатора

§ 4. О расходимости излучения импульсных фтороводородных лазеров

Глава 1У. ИССйВДОВЛНИЕ Do-ïV-CO^ - JiAbEPA

ОСНОВНЫЕ РЕйУЖГАТи л ВЫВОДЫ . IÜ

Среди химических лазеров импульсного действия наибольший интерес в настоящее время представляют лазеры на основе цепной реакции фторирования водорода, в элементарных актах которой образуются колебательно-возбужденные молекулы НТ &>Р) /I/. Благодаря цепному механизму реакции каждый, образованный при инициировании, активный центр (обычно атом фтора) может создать при определенных условиях большое количество колебательно - возбужденных молекул фтористого водорода. Это означает, что во фтороводородных лазерах может реализовываться и, как будет показано ниже, реализуется большая лазерная длина цепи, которая показывает, какое количество молекул Ш? внесло вклад в когерентное излучение в расчете на один, созданный при инициировании, активный центр.Ее величина определяется отношением скорости продолжения цепи к скорости ее обрыва в тройных соударениях и к скорости дезактивации возбужденных молекул.

Модификацией ~ лазера, также представляющей интерес, является лазер, в котором в качестве рабочей молекулы используется молекула утлекислого газа, возбуждаемая в результате передачи колебательной энергии от молекул В? (у) /2/. Замена водорода на дейтерий здесь обусловлена меньшим дефектом энергий колебательно-вращательных переходов молекулы ВР и перехода 00°0 — — 00°1 молекулы С02. Этот лазер также обладает большой лазерной длиной цепи.

Чем больше лазерная длина цепи во фтороводородных лазерах , тем выше квантовый выход и КПД лазера. Следовательно,можно ожидать, что благодаря цепному механизму реакции накачки импульсные химические фтороводородные лазеры будут иметь КПД, в принципе зна чительно превосходящий по величине КПД других типов лазеров.Однако, как следует из экспериментальных работ, здесь не все так просто. Достижение высоких значений КПД химических фтороводородных лазеров является сложной физической задачей.

Несмотря на большое количество экспериментальных исследований " и ^ ~ лаз°Р0В с различными способами инициирования, выполненных до начала данной работы, анализ имеющихся данных показывает, что существует довольно большой разброс в результатах, полученных разными авторами. Недостаточно полная определенность начальных условий, в которых проводился тот или иной эксперимент, затрудняет проведение сравнительного анализа различных работ. Можно сделать вывод, что в настоящее время утвердились два способа инициирования импульсных фтороводородных лазеров: электронный пучок и фотолиз молекулярного фтора.Оба эти способа имеют свои положительные и отрицательные стороны, которые подробно будут рассмотрены в следующей главе. Здесь же лишь отметим, что КПД электронных ускорителей существенно выше, чем у фотоисточников. Однако электронные ускорители представляют собой сложные, дорогостоящие установки. При их использовании возникает необходимость в радиационной защите. Фотоисточники, несмотря на меньший КПД, являются в техническом отношении существенно более простыми источниками инициирования химических лазеров.Поэтому для решения ряда практических задач их использование может оказаться более предпочтительным.

При рассмотрении результатов исследования фтороводородных лазеров можно заметить, что почти все эксперименты проводились о о на малых объемах активной среды —10 см , например, /3 - 12/. Зто объясняется, вероятно, тем, что основной целью авторов было определение удельных характеристик лазера. Так, например, в /8/ проведено детальное исследование удельных энергетических характеристик инициируемого электронным пучком фтороводородного лазет г ° ра с активным объемом Ул = 120 см°. Сообщается о достижении величины физического КПД (КПД по отношению ко вложенной в рабочую среду энергии инициирования) ^ = 940% при удельном энергосъеме &л = 91 мДж/см'. Эксперименты с большим объемом активной сре-л я ды ~10 см были проведены в /13,14/. Наилучший результат был получен в работе /14/. Исследование Hg-Fg - лазера с активным объемом V> 32 л позволило ее авторам получить максимальное vJ. Q значение полной лазерной энергии Ел = 4,2'10 Дж. Однако величина КПД по отношению ко вложенной энергии электронного пучка составила при этом всего лишь ю.>. = 180%.

Следует отметить, что ни в одной из работ по исследованию фтороводородных лазеров с электроннопучковым инициированием не приводится данных о полном КПД этих лазеров. Вероятно, это связано с тем, что при инициировании лазера электронным пучком наиболее просто измерять величину поглощенной средой энергии пучка и, следовательно, определять физический КПД. Полный КПД такого лазера будет определяться степенью технического совершенства электронного ускорителя и степенью полноты вложения энергии пучка в рабочую среду. Поэтому исследователи ограничиваются определением физического КПД лазеров с инициированием электронным пучком.Вопрос достижения высоких значений полного КПД остается пока без внимания.

У фтороводородных лазеров с инициированием импульсным фотолизом ситуация несколько иная. В этом случае измерение вложенной в рабочую среду энергии инициирования представляет значительную трудность и поэтому, в основном, в работах приводились данные о величине не физического, а полного КПД лазера. Следует отметить низкий уровень полученных результатов. В основном, значения полного КПД составляли дож /10,15,16/ или единицы процентов /11,12, 17/. Были известны лишь две работы, в которых КПД лазера превышал 10$. В /18/ сообщалось о достижении полного КПД ~ ла~ зера, равного = 12$ при величине удельного энергосъема Е.л = = 19 Дж/л. Максимальное значение ^ т ~ лазеРа» полученное в /19/, составило 29$ при = 23 Дж/л. Такое существенное повышение КЦЦ объясняется тем, что в /18,19/ эксперименты проводились с большими объемами активной среды, 10 л /18/ и 12,8 л /19/. Использование больших активных объемов является необходимым условием получения высоких значений полного КПД лазера, поскольку позволяет эффективно вкладывать в рабочую среду энергию инициирования.

Однако в этих работах отсутствовало детальное исследование зависимостей энергетических характеристик лазера от различных начальных параметров. Было непонятно, являются ли полученные значения КПД предельными или существуют пути их увеличения.Недостатком указанных работ является также отсутствие данных об уровне инициирования. Между тем, несмотря на сложность определения, объективным параметром, необходимым для проведения аккуратного сравнения характеристик различных лазеров, отличающихся даже способом инициирования, является концентрация активных центров, созданная источником за время импульса (при условии, что импульс инициирования заканчивается раньше, чем импульс генерации). Кроме того, значение уровня инициирования также необходимо для проведения сравнения результатов расчета с экспериментальными данными, определения квантового выхода, физического КПД и для понимания физики работы лазера.

Важным моментом, который нужно учитывать при решении указанной задачи, является нестабильность рабочей смеси фтороводород-ного лазера вследствие протекания темповой реакции в процессе приготовления смеси. Контроль темновой реакции является методически очень сложным процессом, поэтому косвенным показателем того, что лазер работает примерно в одних и тех же начальных условиях , должна быть, по-видимому, воспроизводимость результатов.

Таким образом, задача повышения КПД химических фтороводородных лазеров является многоплановой и включает в себя, в частности, отработку методики приготовления однородной по объему, стабильной рабочей смеси реагентов, правильный выбор и организацию инициирования, отработку методики определения концентрации активных центров, создаваемых источником инициирования.

Цель диссертационной работы

Проведение экспериментальных исследований, направленных на выявление условий достижения значений КПД фтороводородных лазеров с инициированием ламповым фотолизом, близких к предельным, и создание на основе полученных результатов высокоэффективных 9

- и В~ лазеР0В с энергией >10 Дж.

Научная новизна работы

Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование фотоинициируемых фтороводородных лазеров в широком диапазоне изменения парциальных давлений реагентов в условиях контролируемого уровня инициирования реакции. Проведена оптимизация состава смеси и уровня инициирования с целью получения максимальных значений физического и полного КПД указанных лазеров. Достигнутые в экспериментах величины КПД существенно превышают полученные ранее в других работах.

Определены факторы, ограничивающие рост энергии лазера с увеличением уровня инициирования при работе на энергоемких смесях.

Проведено сравнение эффективности Hp-Fp Dp-Fp -■ и Dp--Fp-COp - лазеров.

Практическая ценность работы

Созданы высокоэффективные фтороводородные лазеры с инициированием ламповым фотолизом, которые могут работать в широком диапазоне изменения уровня инициирования с полным КПД, превышающим 20% при величине удельного энергосьема более 30 Дж/л.Полная энергии лазеров составляет сотни даоулей.

Найденные в работе условия достижения предельных КПД могут быть использованы при создании мощных эффективных фтороводородных лазеров .для решения тех задач, где необходимо мощное излучение в диапазоне длин волк Л = 2,7 - 4,5 мкм и ~10 мкм, в частности в лазерной химии, в спектроскопии, для зондирования атмосферы.

На защиту выносятся следующие положения

1. Методика определения концентрации активных центров (атомов фтора), создаваемых излучением импульсных ламп, основанная на измерении поглощения УФ излучения радикалами ГОр, образующимися в результате реакции атомарного фтора с кислородом.

2. Экспериментальное определение условий достижения максимальных значений КПД Нp-Fp ~ и D~ лазеР°в с ламповым инициированием, равных 49$ (Еп = 195 Дж) и 10% (Е = 177 Дж).

Л JL

3. Экспериментальное обнаружение факта ограничения рсота энергии фтороводородного лазера возникновением паразитной генерации в активном объеме при высоких уровнях инициирования ([F]

I016 см~3).

Апробация "Работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах.

1. П-ой Симпозиум по лазерной химии, Звенигород, 1980.

2. Международная конференция "Optlcq - 80", Будапешт, 1980.

3. 1У-я Международная конференция "Лазеры и их применение", Лейпциг, 1981.

4. Международная конференция "Laser - 81", Ylew 0r£e.0iias , Louisiana. , 1981.

5. П-я Всесоюзная конференция "Оптика лазеров", Ленинград,

1982.

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

1. Батовский О.М., Васильев Г. К., Ыарков E.w., Тальрозе В.Л. Химичесв:ип лазер на разветвленной цепной реакции фтора с водородом. - Письма в i,i3Ty>, 1.60, т.З, Р'б, с.341.

2. Aprahamian R. , Wang J.H.S., Betts J.A., Barth R.W. Pulsed electron-beam-initiated chemical laser operating on the Hg/Pg chain reaction. Appl. Phys. Lett., 1974, v.24, p.239.

3. Greiner H.R., Blair L.S., Bird P.P. A 0,2-GW Pulsed Hg-Fg Chemical Laser Initiated by an Electron Beam. IEEE J.Quant. Electron., 1974, v.QE-10, p.646.

4. Mangano J.A., Limpaecher R.L., Daugherty J.D., Russel P. Efficient electrical initiation of an HP chemical laser. -Appl. Phys. Lett., 1975, v.27, p.293.

5. Башкин A.G., Ораевскли А.Н., Томашов В.И. Энергетические характеристики химического ПР~ лазера, возбуждаемого электронным пучком. Квантовая электроника, 1977, т.4, с.169.

6. Башкин А.С., Коношенко A. v., Ораевский А.Н., Томашов 3.II., йрышев II.il. Исследование химического Нр/?0- лазера, возбуждаемого электронным пучком. Препринт ¿ПАН, - Ы., 1978,.з274.

7. Poehler Т.О., Shandor M., Walker R.E. High-Pressure PulsedC02 Chemical Transfer Laser. Appl. Phys. Lett., 1972,v.20,497«

8. Chen H.L., Taylor R.L., Wilson J., Lewis P., Fyfe W. Atmospheric pressure pulsed HP chemical laser. J. Chem. Phys,, 1974, v.61, p.306.

9. Gerber R.A., Patterson E.L., Blair L.S., Greiner N.R. Multikilo joule HP laser using intense-electron-beam initiation of H2-P2 mixtures. Appl. Phys. Lett., 1974, v.25, p.281.

10. Gerber R.A., Patterson E.L. Studies of a high-energy HP laser using an electron-beam-excited mixture of high-pressure P2 and H2. J. Appl. Phys., 1976, v.47, p.3524.

11. Агроскин Б.л., Васильев Г.К., Кирьянов В.И., Тальрозе В.Ji. Сравнительное исследование импульсных химических HF- и D±--00^ лазеров. - Квантовая электроника, 1978, т.5, с.2436.

12. Агроскин В.Я., Васильев Г.К., хшрьянов В.И., Тальрозе В.Л. Параметрический анализ импульсного EU-F9 лазера. - КвантоО i-^jвая электроника, 1976, т.З, с.1932.

13. Батовский ü.M., Гурьев В.И. Импульсный шотоинициируемый лазер на HF. Квантовая электроника, 1974, т.1, с.1446.

14. Parker J.V., Hess L.D. Transfer chemical laser delivers 13% efficiency. IEEE International Electron Devices Meeting.Washington, 1973 (IEEE, New York, 1973).

15. Nickols D.B., Hall R.B., McClure J.D. Photoinitiated F2+ R^/Dg chain-reaction laser with high electrical efficiency. -J. Appl. Phys., 1976, v. 47, p.4026.

16. Basov N.G., Galochkin V.T., Kulakov L.V. , Igoshin V.l.»Markin E.P., Nikitin A.I., Oraevsky A.N. Spectra of Stimulated Emission in the Hidrogen-Fluorine Reaction Process and Energy Transfer from DF to GOg. Appl. Opt., 1971, v.10, p.1814.

17. Батовский О.Ы., Гурьев Б.И. Исследование спектра лазера на HP ( Di1). Квантовая электроника, 1974, т.1, с.676.

18. Suchard S.N. basing from the upper vibrational levels of a flash-initiated H2~F2 laser. Appl. Phys. Lett., 1973, v.23» p.68.

19. Басов К.Г., Башкин A.C., Григорьев П.Г., Ораевскии А.Н., Породинков O.E. Химический квантовый DF-COg усилительс высокими удельными параметрами. Квантовая электроника, 1976, т.З, с.2067.

20. Turner R., Poehler Т.О. Electrocally initiated pulsed chemical DF-C02 and DF lasers. J. Appl. Phys., 1976,v.47,p.3038,

21. Parker J.V., Stephens R.R. Pulsed HP chemical laser with high electrical efficiency. Appl. Phys. Lett., 1973, v.22, p.450.

22. Grün A.E. Lumineszenz-photometrishe Messungen der Energieabsorption im Strahlungsfeld von Elektronenquellen Eindimensionaler Fall in Luft. Zeits für Naturforschungen, 1957, v.l2a, n.2, s.89.

23. Whittier J.S., Kerber R.L. Perfomance of an HF Chain-Reaction Laser with High Initiation Efficiency. IEEE J.Quant.Electr.,1974, v.QE-10, p.844.

24. Ео'сашшш B.C., Гордон Е.Б., Горохов В. В., Карелин В. И., Матюшенко В.И., Репин П. Б., Сизов В.Д. Импульсный химический HF лазер высокого давлении с олектроразрядным инициированием. - Квантовая электроника, 1982, т.9, с.1489.

25. Башкин А.С., Никитин В.10., Ораевский А.П., Породинков О.Е., Томашов В.И., Фролов Ы.Н., Црышев П.Н. Химические фтороводородные лазеры: насколько мы понимаем их возможности. Известия АН СССР, серия физическая, 1982, т.46, Ш, с.1528.

26. Басов Н.Г., Башкин А.С., Игошин В.И., Ораевский А.Н. Химические лазеры и возможность их применения для термоядерного синтеза. Тезисы докладов на П Всесоюзном симпозиуме по физике газовых лазеров. - Новосибирск, 16-18 июня, 1975.

27. Басов Н.Г., Башкин А.С., Мгошин Б.П., Никитин B.1-J., Ораевский А.Н. 0 возможности применения химических фтороводородных лазеров ь лазерном управляемом термоядерном синтезе. -- Препринт 1ИАН, м., 1975, А»171.

28. Басов Н.Г., Башкин А.С., Иго шин В.И., Никитин В.Ю., Ораевский А.Н. 0 возможности применения химических сТ/гороводородных лазеров в лазерном управляемом термоядерном синтезе. Система генератор-усилитель. Препринт ГНАЛ, - LI., 1976, М4.

29. Wilson J., Chen Н.Ъ., Fyfe W. , Taylor R.L., Little R., Lowell R. Electron beam dissociation of fluorine. J. Appl. Phys., 1973, v.44, p.5447.

30. V/hittier J. S. , Lundquist M.L. , Ching A., Thornton G.E. , Hofland R., Jr. Dissociation efficiency of electron-beam-triggered discharged for initiating atmospheric-pressure Hg-I^lasers. J. Appl. Phys., 1976, v.47, p.3542.

31. Бапжин A.C., Игошин В.И., Никитин jj.L., Ораевскии А.Н. Ü возможности получения коротких импульсов лазерного излучения при фотолизе охлажденной смеси Н.,-Р9. Квантовая электроника, 1978, т.5, с.907.

32. Басов II. Г., Ьаворотный С. И., Маркин E.H., Никитин А. И., Ора-евский А.Н. Импульсный химический лазер высокого давления на смеси В9-Р9-С0о. Письма в ЖЭТФ, ±972, т.15, с.135.С» /Сг К*

33. Александров А.Ф., Рухадзе A.A. Сильноточные электроразрядные источники света. ¿'iH, 1974, т. 112, с.193.

34. Башкин A.C., Григорьев П.Г., Ораевскии А.Н., Скворцов А.Б. Мощный источник излучения длительностью около I мке дляIlki —накачки газовых лазеров. Квантовая электроника, 1976, т.З, 0.1824.

35. Basov U.G. , Bashkin A.S., Grigoriev P.G., Oraevsky А.Ж. , Porodinkov O.E. Quantum Chemical DF-C02 Amplifier with High-Power Photoinitiation. Preprint No.62, P.N.Lehedev Physical Institute, 1976.

36. Hokasono H. , Hishinuma K. , Watanabe К. , Obara M. , Fujioka T. A high efficiency HP (Hg/Fg) chemical laser initiated witha surface-spark ultraviolet flesh. J. Appl. Phys., 1982, v.53, p.1359.

37. Furumoto H.W. , Geccon II.L. Optical Pumps for Organic Dye Lasers. Appl. Opt., v.8, p.1613*

38. Маршак И.О. и др. Имиульсные источники света. М.: Энергия, 1978.

39. Волков Б.Н., Зубарев П.Г., Сорокин Б.Н. Высокотемпературная лампа-вспышка с обратным: симметричными проводами. П1С, 1972, т.17, с.735.

40. Башкин А.С., Ораевский А.Н., Пазки B.C., Породинков О.Б., Юрышев Н.Н. Исследование эффективности ламповых источников фотоинициирования для импульсных фтороводородных лазеров.- Квантовая электроника, 1979, т.6, с.2^77.

41. Воронкова Е.М., Гречушныков Б.Н., Дистлер Г.И., Петров И.П.Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука, 1965, с.92.

42. Матвеев В.В., Соколов А.Д. Фотоумножители в оцинтилляционных счетчиках. Ы., Госатомиздат, 1962, с. 144.

43. Химия плазмы. Под редакцией Б.М.Смирнова М.: Атомиздат, 1975, вып.2.

44. Негодаев II.П. Импульсный фотолиз газовых фторкислородных смесей. Канд.дисс.филиал НИФХИ им.Л.Я.Карпова,Обнинск,1974.

45. Башкин A.C., Вагин П.II., Коношенко А.^., Пазюк B.C., Поро-динков O.E., Прищепа М.И., То машо в В.II., Юрышев H.H. Поиск новых систем и смесей с целью улучшения характеристик химических лазеров. Отчет ФИАЛ, 1979.

46. Башкин A.C., Вагин H.H., Золотарев Б.А., Киселевский А.Л., Фролов М.П. Измерение абсолютной концентрации атомов фтора по поглощению УФ излучения радикалами РОр. Квантовая электроника, 1983, т.lu, с.1693.

47. Башкин A.C., Вагин H.H., Назыров O.P., Ораевскпй А.П., Пазюк B.C., Породинков O.E., юрышев H.H. Исследование химического Ilg-Pp лазера большого объема с инициированием импульсными лампами. - Квантовая электроника, 1980, т.7, с.1821.

48. Игошин Б.И., Никитин Б.10., Ораевскпй А.II. Влияние основных факторов на эффективность когерентного излучения в процессе реакции водорода со фгором. Квантовая электроника, 1977,^ ÏOOOт.4, с.

49. Башкин A.C., Игошнн Б. И., Ораевскпй A.II., Щеглов В.А. Химические лазеры. Ы.: Паука, 1982, с.139.

50. Игошин 13.И., Ораевскии A.n. Эффективность химического лазера в условиях вращательного равновесия и при отклонении от него. В со.: Краткие сообщения но физике ^ЙАН. - hl,, 1976, вып.7, с.27.

51. Игошин В.И., Курдоглян М.С., Ораевский А.И. Влияние вращательной неравновесности на энергетику импульсных химических лазеров с цепными решениями накачки. Тезисы докладов И симпозиума по лазерной химии. - Звенигород, 1930.

52. Ищенко Е.Ф., хОшмков io.ki. Оптические квантовые генераторы.- Li.: Советское радио, i960, с.360.

53. Кулаков Л.В. Исследование химического лазера на основе цепной реакции фторирования водорода (дейтерия). Кандидатская .диссертация, 1ИАН, М., 1974.

54. Игошин В.й., Никитин B.L)., Ораевскии А.Н. 0 возможности увеличения квантового выхода генерации и удельного энергосъема в химическом Dx/CO^- лазере. В сб.: Краткие сообщения по физике чЖН. - М., 1978, вып.6, с.20.

55. Игошин В.И., Никитин B.w., Ораевскии А.Н. Численный анализ режимов генерации химического Dr-Jü. лазера. - Квантовая электроника, 1980, т.7, с.1438.

56. Банков З.У., Башкин А.О., Гамзатов П., Нородинков O.E. Численная многопараметрическая оптимизация импульсного химического Dq-xv.-CCo лазера. - Препринт УШ1 - М., 1984 J/2167

57. Агроскин В.Я., Бравый Б.Г., Васильев Г.К., Кирьянов В.И. Анализ расчетной модели импульсного химического J)F-C0r,С/- лазера. Квантовая электроника, 1979, т.6, с.281.

58. Борисов Б.П., Великанов С.д., Квачев В.Д., Корыер С.Б., Синицын i/1.В., Тачаев Г.В., ¿ролов ki.ll. Хиыическип D? -- лазер с дифракционной расходшлостью излучения. Квантовая электроника, 1981, т.В, с.1208.