Кинетические модели химических лазеров и их приложения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ П.Н.ЛЕБЕДЕВА

На правах рукописи

ИГОШИН ВАЛЕРИЙ ИВАНОВИЧ

КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ХИМИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ И

ИХ ПРИЛОЖЕНИЯ

01.04.21 Лазерная физика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА-1997

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ. 7

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ КИНЕТИКИ ХИМИЧЕСКИХ

ЛАЗЕРОВ И ПРОБЛЕМЫ ИХ ЧИСЛЕННОГО 30

МОДЕЛИРОВАНИЯ.

§1 .Качественный анализ работы химических лазеров. 30

1 .Удельная мощность излучения 31 2.3акономерности развития инверсной населенности при

химической накачке. 38 3.Энергетические характеристики химического лазера и их

зависимость от физико-химического механизма. 44

§2.Неравновесное возбуждение при химических реакциях. 50 §З.Инверсия населенностей и усиление излучения при

колебательно-вращательных переходах. 55 1 .Условие усиления, понятие о полной и частичной инверсии населенностей. 55 2.Коэффициент усиления. 58 §4.Элементарные процессы колебательной релаксации. 59 §5.Основные уравнения, описывающие физико-химические

процессы в лазерной среде. 65

1 .Радиационные процессы. 66

2.Химическая кинетика. 69

3.Колебательно-вращательная кинетика. 70

4.Уравнение сохранения энергии. 76

5.Генерация излучения в газовых потоках. 77 §6.0сновные задачи численного кинетического моделирования

химических лазеров. 82

ГЛАВА 2. ТЕОРИЯ ГЕНЕРАЦИИ И УСИЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В КОЛЕБАТЕЛЬНО-ВРАЩАТЕЛЬНОМ СПЕКТРЕ 84 МОЛЕКУЛ.

§1 .Вычислительно эффективная квазистационарная модель многоуровнего лазера: приближение вращательного равновесия. 84

§2.Теория химического лазерного усилителя мощности на

основной гармонике и обертонах молекулярных колебаний. 101 1 .Постановка задачи. 101

2.Эффективность преобразования химической энергии в световую на обертонах. 102

3.Усиление излучения на основной гармонике и обертонах в условиях нестационарной накачки. 108

§3.Вычислительно эффективная квазистационарная модель многоуровневого химического лазера, учитывающая вращательную неравновесность и ангармонизм колебаний молекул. 115

1.0 возможности анализа энергетики многоуровневого химического лазера с помощью эквивалентной двухуровневой схемы возбуждения. 115

2.Формулировка модели вращательного резервуара для расчета характеристик химического лазера, решение урав- 119 нений.

3.Обобщение кинетической модели на ангармонические осцилляторы 121

§4.06 эффективности лазеров с колебательно-вращательной

инверсией населенностей. 126

§5.Многолинейчатая квазистационарная модель молекулярных и

химических лазеров. 137

ГЛАВА 3. НСЬ-ЛАЗЕР НА РЕАКЦИЯХ Н2+СХ2, Н+СЬ2. 141

§1 .Импульсный химический НС1-лазер на реакции Н2+СЛ2. 141

1 .Кинетическая схема реакции Н2+С12- 141 2.Интегрирование кинетических уравнений и обсуждение

результатов. 142

§2.Пути увеличения эффективности НС1-лазера. 152

ГЛАВА 4. НГ-ЛАЗЕР НА РЕАКЦИИ Н2+¥2. 157

§1 .Механизм реакции водорода со фтором, взрывные пределы. 157

§2.Обзор основных теоретических и экспериментальных

результатов по фтороводородному лазеру (ФВЛ). 161

§З.Расчетно-кинетические модели фтороводородного лазера. 171

1.Моделирование в приближении вращательно-равновесного гармонического осциллятора (модель 1). 171

2.Моделирование ФВЛ с учетом вращательной неравновесности и ангармонизма излучающих молекул (модель 2). 178

§4.Расчет влияния основных факторов на энергетику и динамику излучения импульсного ФВЛ, сравнение теории с экспериментом, генерация на обертонах. 181

260

ГЛАВА 5. HF-HCl-ЛАЗЕР НА ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ C1F+H2. 220

§1 .Состояние эксперимента. 220

§2.Кинетическая модель HF-HCl-лазера на цепной реакции

C1FcH2. 221

§3.Расчет индуцированного излучения в системе C1F-H2 и

интерпретация механизма работы лазера. 228

ГЛАВА 6. СО2-ЛАЗЕР НА ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ D2+F2 С ПЕРЕДАЧЕЙ ЭНЕРГИИ ОТ МОЛЕКУЛ DF(DF-C02-ЛАЗЕР). 243

§1 .Качественное обсуждение кинетической схемы химической

накачки с передачей энергии. 243

§2.Кинетика элементарных процессов и методика расчета

лазерных характеристик. 246

§3.Расчет влияния основных факторов на энергетику DF-CO2-лазера.

§4.Механизм возбуждения и тушения генерации. 272

§5.Сравнение расчетной удельной энергии генерации с данными

эксперимента. 279

§6.0 возможности использования энергетического разветвления цепи для генерации когерентного излучения с высоким квантовым выходом 281

ГЛАВА 7. ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ АВТОНОМНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ НА ФОТОН-НО-РАЗВЕТВЛЕННЫХ ЦЕПНЫХ РЕАКЦИЯХ. 286

§1 .Об инициировании химических лазеров ИК-излучением,

состояние эксперимента. 286

§2.Новые методы получения свободных атомов под действием

ИК-излучения. 288

§3.Основные результаты расчетов характеристик лазерных

ОР-С02-усилителей на ФР цепных реакциях. 294

§4.Обоснование возможности создания химического

H2-F2-лазера, инициируемого испарением мелкодисперсных частиц под действием ИК-излучения. 308 §5.Импульсные химические HF и DF-CO2 лазеры на фотонно-

разветвленной цепной реакции, инициируемой термическим разложением мелкодисперсных частиц NaN3. 315

§6.Моделирование однопроходного HF-усилителя на ФР реакции

с помощью уравнения переноса излучения. 327

§7.Фотонно-разветвленный процесс в телескопическом резонато-

ре, оптическая схема лазерной системы с усилением по энергии 10^. 328

§8.Волновая оптика усилителя на автоволновой фотонно-

разветвленной реакции в неустойчивом телескопическом резонаторе. 335

§9.Инициирование химического Н2-Р2-лазера при резонансном

колебательном возбуждении молекул НР. 342

ГЛАВА 8. ПРИМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ АТОМНО -

МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ГАЗАХ. 346

§1 .Лазерные методы исследования элементарных процессов. 346

1 .Метод максимального усиления. 346

2. Метод температуры равного усиления. 346

3.Метод температуры нулевого усиления. 347

4.Метод зондирования усиливающей среды в лазерной

системе генератор-усилитель. 347

5.Метод измерения времени задержки сигнала генерации. 348

6.Метод измерения времени затухания индуцированного излучения. 349

7.Метод измерения энергии излучения в зависимости от давления релаксанта. 350

§2.Исследование процессов передачи энергии при столкновении

молекул с помощью химических лазеров. 350

1.УУ-обмен энергии в хлористом водороде. 350

2.Передача энергии от ББ к С02 и от ОБ к СО2. 354 §3.Определение констант скорости химических реакций по

индуцированному излучению образующихся молекул. 361

ГЛАВА 9. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРАКТИЧЕСКИХ

ПРИМЕНЕНИЙ ХИМИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ. 364

§1.Основания для применения химических лазеров в лазерной

технологии и термоядерном синтезе. 364

§2.Расчет характеристик короткоимпульсного ФВЛ;

концептуальные схемы лазера, перспективные для целей ЛТС и лазерной технологии; химико-эксимерный лазер. 368

§3.Численный анализ кислородно-йодного лазера (ХКЙЛ). 387

1 .Экспериментальные результаты. 387

2.Анализ энергетики ХКЙЛ в непрерывном и импульсном режимах работы. 389

3.Численный анализ расходимости излучения ХКЙЛ. 403

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 413

ПРИЛОЖЕНИЕ. 420

1 .Листинг программы расчета характеристик химического лазера на цепной реакции фтора с водородом. 420

2.Расчетно-кинетическая модель фотонно-разветвленного цепного процесса в системе В2-Р2-С02-Не-СНзР. 430

3.Кинетика КгР-лазера, инициируемого ИК излучением химического лазера. 441

4.Листинг программы расчета характеристик КгР-лазера, возбуждаемого ИК излучением химического лазера . 443

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. 447

Введение

Фундаментальные работы Н.Г.Басова, А.М.Прохорова и Ч.Таунса с сотрудниками £ 1-6^ , в которых был открыт новый принцип усиления и генерации электромагнитного излучения, стимулировали широкий прогрессирующий интерес к поиску и исследованию различных способов создания инверсно возбужденных (лазерных) сред. На этом пути в течение последних десятилетий были созданы мощные газовые лазеры с тепловым, электрическим,оптическим и химическим возбувдением. Интерес к химическим методам создания неравновесности проявился еще до появления первого лазера ^7,8^ . В настоящее время исследования и разработки по химическим лазерам составляют крупное научно-техническое направление.

Химические реагенты являются емкими накопителями энергии. Так, удельный энергетический запас в стехиометрической смеси фтора с водородом составляет 13,5 кДж/г или 11,1 кДж/л атм. При перестройке химических связей в широком классе реакций запасенная химическая энергия освобождается в форме неравновесного возбуждения образующихся веществ. Идея химического лазера (химической накачки) состоит в том, чтобы осуществить прямое преобразование энергии, выделяющейся в процессе химической реакции, в энергию лазерного излучения без рассеяния в тепло. По режиму работы химические лазеры могут быть лазерами как импульсного (импульсно-периодического) так и непрерывного действия. В импульсных химических лазерах используется метастабильная смесь реагентов, находящихся в реакторе, которая выводится из состояния равновесия внешним инициирующим воздействием. В химических лазерах непрерывного действия генерация происходит при смешении потоков реагентов,вступающих в химическую реакцию.

В идеале химический лазер - это автономный источник когерентного излучения, для которого не требуется подвода дополнительной энергии, либо её величина ничтожно мала. Потенциально высокая удельная энергетика, относительная простота введения энергии в большие объёмы в сочетании с автономностью определяют интерес к лазерам с химическим возбуждением. Химические лазеры могут найти широкие применения в лазерной технологической обработке материалов, промышленной химии, лазерном термоядерном синтезе и других областях. В будущем мыслится применение химических лазеров в космической технологии. По всей вероятности существенное расширение применений химических лазеров в технологии тесно связано с путями развития энергетики. В настоящее время серьёзно рассматриваются преимущества прямого преобразования атомной и термоядерной энергии в химическую и затем в другие виды энергии. В этом случае химический лазер был бы наиболее подходящим типом лазера для получения когерентного излучения, поскольку при химической накачке требуется минимальное число ступеней энергетических превращений: термоядерная (атомная) энергия - химическая энергия - когерентное излучение.

Преимущества химических лазеров могут проявиться, если преобразование химической энергии в когерентное излучение осуществляется достаточно эффективно. Однако в первых экспериментах, в которых удалось наблюдать индуцированное излучение при химических превра-щениях[9] , полезный энергетический выход составлял лишь 10

о

Дж/см . В течение нескольких последующих лет не было достигнуто существенного прогресса и перспективность идеи химического лазера оставалась проблематичной.

По инициативе Н.Г.Басова в лаборатории Квантовой радиофизики ФИАНа в конце 60-х годов были начаты широкие исследования по

химическим лазерам, включающие поиск перспективных химических реакций, оптимальных способов их инициирования и направленные в целом на создание мощных источников когерентного излучения. Эти исследования стимулировали постановку и данной работы, выполненной в лаборатории Квантовой радиофизики ФИАНа (1969 - 1980г.г.) и в теоретическом секторе Самарского филиала ФИАМа (1980 - 1997г.г.).

В процесс преобразования химической энергии в когерентное излучение вовлечены сложные конкурирующие взаимодействия разной природы: большая совокупность элементарных химических реакций, столк-новительная релаксация возбуждённых квантовых состояний, индуцированное излучение в многоуровневой лазерной среде. Поэтому ответ на вопрос о возможности и условиях эффективного превращения химической энергии в когерентное излучение не очевиден.

Целью настоящей работы является развитие научного направления - разработка и исследование кинетических моделей химических лазеров. Основная проблема состоит в создании аналитических и вычислительно эффективных компьютерных моделей химических лазеров, изучении на их основе механизмов лазерной генерации при химических превращениях и определении условий наиболее эффективного преобразования химической энергии в энергию когерентного излучения. Следует отметить, что раскрыть резервы химической накачки возможно лишь на основе глубокого изучения кинетики процессов, протекающих в химических лазерах. Кинетические модели дают возможность выдвинуть и обосновать наиболее рациональные кинетические принципы, ведущие к созданию мощных автономных источников лазерного излучения, целенаправленно подойти к постановке эксперимента.

Химические лазеры в своём развитии прошли через несколько этапов.

Первые попытки найти пути создания "чисто химического" (ав-

тономного) лазера относятся к началу 60-х годов. В[7] было указано на возможность использования колебательно возбужденных молекул, образующихся, в частности, в элементарных химических реакциях, для создания лазеров инфракрасного диапазона, введено представление о полной и частичной инверсии населенностей колебательно-вращательных состояний и на этой основе предсказана возможность индуцированного излучения НС1 при колебательном возбуждении в химической реакции Н + С1£ НС1'У' + С1. На этой реакции впоследствии и был создан первый химический лазер £9] . В это же время идея химического лазера стала разрабатываться в нашей стране. В [ю] было отмечено, что быстропротекающие химические процессы могут привести к инверсии за счёт различных скоростей релаксации подсистем энергетических уровней в молекулах, т.е. фактически выдвинуты соображения, родственные идее о частичной инверсии. Важное значение имели работы £ II, , в которых впервые предпринят анализ кинетики химических лазерных систем и обращено внимание на перспективность использования в химических лазерах простых цепных £ п] и разветвлённых цепных 12] реакций. Впоследствие была показана возможность использования теплового взрыва для создания химического лазера £13]. Кинетические преимущества цепных и разветвлённых цепных реакций виделись в возможности достижения высоких скоростей реакции и реализации пороговых условий генерации. Однако ещё не обсуждался вопрос о соотношении между затратами энергии на инициирование реакции и излучённой энергией. Неявно предполагалось, что энергетические затраты на инициирование в самоподдерживающихся процессах будут малы. Кроме того, дискуссии о химических лазерах в £"11,12] велись вокруг электронно-возбуждённых состояний, т.е. ещё не было достигнуто объединения идеи колебательного химического возбуждения с идеей использования цепных реакций для создания химического ла-

зера. Реально же создание первых химических лазеров, их последующее развитие и наиболее важные достижения связаны с колебательным возбуждением молекул. Значительно позже был создан первый химический лазер на электронном переходе атомарного йода £ 14] »причём его действие основано на других кинетических принципах. Кинетическое моделирование показало, что этот лазер обладает потенциально высокой энергетикой и этот прогноз вполне оправдался. Начальный, поисковый этап по химическим лазерам (1960-1965г.г.) отражён в сборниках £l6,I7]. Говоря об итогах, можно константировать, что в этот период (период первых идей|~8] ) предложена идея химических лазеров, проведено обсуждение ряда важных аспектов этой проблемы, привлечено внимание широкой научной общественности к задаче создания лазеров с химической накачкой.

Новый этап в развитии химических лазеров - период создания первых приборов (1965-1969г.г.) - начался с успешного запуска импульсного химического лазера на хлористом водороде HCl, образующемся в процессе реакции Hg + Gig [9]. Вскоре были созданы импульсные лазеры на реакциях атомов CI с HI [18], атомов р с Hg, СН^ и другими молекулами £ 19-21 ] . Эти исследования доказали практическую осуществимость идеи химической накачки. Однако они не привели к решающему успеху, поскольку во всех первых экспериментах преобразование химической энергии в когерентное излучение осуществлялось с очень малой эффективностью. Наиболее неудовлетворительным было то, что энергетические затраты на инициирование реакции превосходили на 6-8 порядков величины энергию лазерного излучения. Особое удивление это вызвало в случае реакции водорода с хлором, протекающей по цепному механизму:

CI 4- Н2 HCl + Н, Н + GI2 HCl""* Gl, ...

В принципе, подобный цепной процесс мог бы давать много возбуждённых молекул продукта реакции HCIV, что позволило бы получить энергию излучения, блльшую энергии, идущей на образование свободного атома CI, инициирующего цепь. Поскольку в экспериментах этого не наблюдалось, то встала проблема более глубокого рассмотрения кинетики химических лазеров с тем, чтобы выявить какие факторы определяют эффективность генераци�