Способ получения лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода

 

Изобретение относится к лазерам, использующим стимулированное излучение в инфракрасной области спектра, в частности к способам возбуждения с использованием газового разряда газового лазера. Способ включает получение атомарного йода в основном электронном состоянии и последующий перевод атомарного йода в электронно-возбужденное состояние методом резонансной передачи энергии. Атомарный йод получают диссоциацией йодсодержащего соединения в смеси газов с давлением 10-3800 торр, которая содержит водород, йодсодержащее соединение и буферный газ, воздействуя на йодсодержащее соединение энергетическим пучком с энергией 4,8-10 эВ. Лазерное излучение получают за счет резонансной передачи энергии атомарному йоду от колебательно-возбужденного водорода, который получают воздействием на водород электрическим разрядом с энергией электронов 0,5-10 эВ. Технический результат изобретения - повышение КПД газового лазера на магнитодипольном переходе йода, повышение качества лазерного излучения, снижение затрат на изготовление и эксплуатацию, а также повышение экологической чистоты лазера. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к лазерам, использующим стимулированное излучение в инфракрасной области спектра, в частности к способам возбуждения с использованием газового разряда газового лазера.

Известен способ получения лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода, включающий фотодиссоциацию алкилиодида CH₃I или фтор алкилиодидов CF₃I, C₃F₃I и т.п. под действием импульсных источников с широкой полосой излучения вблизи 270 нм. В результате воздействия излучения происходит перевод молекул в несвязанное возбужденное электронное состояние, а затем диссоциация их на фрагменты типа C_nH_m или C_nF_m (находящиеся в основном состоянии) и возбужденный атом йода I(²P_1/2) с последующей генерацией лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода [1]: I(²P_1/2) _ I(²P_3/2)+h. Поскольку в известном способе используются импульсные источники ультрафиолетового излучения в области полосы поглощения при 270 нм, которые обладают относительно низкой эффективностью, КПД известного способа составляет не более 1%, а лазеры с использованием известного способа получения лазерного излучения характеризуются низкими удельными массогабаритными параметрами. Кроме того, в процессе работы с импульсными источниками ультрафиолетового излучения имеют место газодинамические возмущения активной среды, что в свою очередь оказывает отрицательное воздействие на качество лазерного излучения. Активная среда под воздействием ультрафиолетового излучения претерпевает качественные изменения и требуется ее частая замена.

Известен также способ получения лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода, включающий получение атомарного иода в основном электронном состоянии с последующим переводом его в электронно-возбужденное состояние методом резонансной передачи энергии [2].

Электронно-возбужденное состояние атомарного йода I(²P_1/2) в известном способе создают резонансной передачей энергии при столкновениях с электронно-возбужденным молекулярным кислородом O₂(¹): I(²P_3/2)+O₂(¹) _ I(²P_1/2)+O₂(³), при этом атомарный йод в основном электронном состоянии I(²P_3/2) создают диссоциацией молекулярного йода I₂ при столкновениях с электронно-колебательно-возбужденным молекулярным кислородом O₂(¹,v = 1) и электронно-возбужденным молекулярным кислородом O₂(¹): O₂(¹,v = 1)+I₂_ O₂(³)+I₂(A³_2u) O₂(¹)+I₂(A³_2u) _ 2I₂(²P_3/2)+O₂(³), а электронно-возбужденный молекулярный кислород создают в результате химической реакции типа: H₂O₂+2NaOH+Cl₂_ 2H₂O+2NaCl+O₂(¹) с последующим получением лазерной генерации на магнитодипольном переходе йода:
I(²P_1/2) _ I(²P_3/2)+h.
Известный способ предполагает работу с низкими давлениями газовой смеси, порядка 1-10 торр, в результате чего имеют место потери возбужденного йода I(²P_1/2) при столкновениях со стенками лазерной кюветы и с парами воды генератора синглетного кислорода, а также потери электронно-возбужденного синглетного кислорода O₂(¹) на диссоциацию молекулярного йода, что ведет к снижению коэффициента усиления активной среды и, следовательно, снижению КПД лазера и увеличению угловой расходимости лазерного луча в дальней зоне.

Применение известного способа связано с необходимостью использования высококонцентрированных высокотоксичных соединений типа щелочь, перекись водорода, хлор, и выбросом в атмосферу продуктов их реакций, что влечет за собой увеличение капитальных затрат и эксплуатационных расходов, так как требует создания сложных химических реакторов, специальных систем хранения, безопасности и контроля, что, кроме того, снижает удельные массогабаритные параметры лазера.

Задачей создания предлагаемого способа является повышение КПД газового лазера на магнитодипольном переходе йода, повышение качества лазерного излучения, при одновременном снижении затрат на изготовление и эксплуатацию лазера, а также повышении его экологической чистоты.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе получения лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода, включающем получение атомарного йода в основном электронном состоянии с последующим переводом его в электронно-возбужденное состояние методом резонансной передачи энергии, атомарный иод получают диссоциацией йодсодержащего соединения в смеси газов с давлением 10-3800 торр и следующим соотношением компонентов, об.%:
Водород - 1 - 89
Йодсодержащее соединение - 0,001 - 5
Буферный газ - 10 - 98
воздействием на йодсодержащее соединение энергетическим пучком с энергией 4,8-10 эВ, получают колебательно-возбужденный водород воздействием на водород электрическим разрядом с энергией электронов 0,5-10 эВ и получают лазерное излучение за счет резонансной передачи энергии от колебательно-возбужденного водорода атомарному йоду.

Колебательно-возбужденный водород может быть получен в самостоятельном электрическом разряде с использованием в качестве энергетического пучка электронов газоразрядной плазмы.

Колебательно-возбужденный водород может быть также получен в несамостоятельном электрическом разряде с использованием в качестве энергетического пучка электронов газоразрядной плазмы и внешнего ионизирующего излучения.

Целесообразно воздействие энергетическим пучком на йодсодержащее соединение вне зоны электрического разряда.

Колебательно-возбужденный водород может быть получен в смеси газов с минимальным содержанием йодсодержащего соединения, к которой после зоны разряда добавляют смесь газов со следующим соотношением компонентов, об.%:
Йодсодержащее соединение - 0,01 - 10
Буферный газ - 90 - 99
и воздействием на полученную смесь энергетическим пучком для получения атомарного йода.

Лазерное излучение в предлагаемом способе получают за счет резонансной передачи энергии от колебательно-возбужденного молекулярного водорода H₂ (v = 2) атомарному йоду I(²P_3/2):
H₂(v = 2)+I(²P_3/2) _ H₂(v = 0)+I(P_1/2). (1)
Диссоциация йодсодержащего соединения R-I может протекать в соответствии со следующими реакциями:
R-I+h _ R+(I²P_1/2), (2)
R-I+e^- ---> R+I(² P_1/2)+e^-, (3)
R-I+e^- ---> R+I^-, (4)
где R - радикал йодсодержащего соединения;
I(²P_1/2) - возбужденный атом йода;
I^- - ион йода.

При энергии пучка, меньшей 4,8 эВ, имеет место реакция (4), в результате которой получаются ионы йода, которым не может быть осуществлена резонансная передача энергии от колебательно-возбужденного водорода в соответствии с реакцией (1).

Резонансная передача энергии от колебательно-возбужденного молекулярного водорода осуществляется только атому йода, который получается в результате реакций (2) или (3), протекающих при энергии пучка равной или превышающей 4,8 эВ. Использование пучков с энергией, превышающей 10 эВ, ведет к необоснованным энергетическим затратам, не оказывающим положительного воздействия на процесс диссоциации.

Колебательно-возбужденный молекулярный водород получают в процессе столкновения водорода с электронами плазмы электрического разряда:
H₂(v = 0)+e^-_ H₂(v = 2)+e^-, (5)
H₂(v = 0)+e^-_ H₂(v = 1)+e^-, (6)
H₂(v = 1)+H₂(v = 1) _ H₂(v = 0)+H₂(v = 2) (7)
При средней энергии электронов разряда в диапазоне 1,5-2,5 эВ в колебательные степени свободы молекулярного водорода передается 65-70% энергии разряда. При энергии электронов разряда менее 0,5 эВ или свыше 10 эВ количество молекул водорода в колебательно-возбужденном состоянии недостаточно для эффективной передачи энергии атомарному йоду, что резко снижает коэффициент усиления лазера, так как энергии менее 0,5 эВ недостаточно для возбуждения водорода, а энергия более 10 эВ тратится на возбуждение электронных уровней водорода, так как значительно превышает уровень энергии, необходимый для колебательного возбуждения водорода.

Наличие в составе газовой смеси буферного газа необходимо для создания электронов плазмы, которые необходимы для эффективного возбуждения водорода.

При содержании в смеси газов буферного газа более 98 об.% и, следовательно, водорода менее 1 об.% количество молекул водорода, находящихся в колебательно-возбужденном состоянии недостаточно для эффективной резонансной передачи энергии от колебательно-возбужденного водорода атомам йода, т.е. коэффициент усиления активной среды низок, а при содержании в смеси газов водорода свыше 89 об.% и, следовательно, буферного газа менее 10 об.% образуется недостаточное количество электронов плазмы для эффективного колебательного возбуждения молекулярного водорода.

Наличие в составе смеси газов йодсодержащего соединения в количестве менее 0,001 об.% количество образующихся атомов йода недостаточно для получения необходимого значения коэффициента усиления активной среды, а увеличение в составе смеси газов йодсодержащего соединения в количестве, превышающем 5 об. %, приводит к образованию молекул I₂ и HI и увеличению скорости тушения возбужденного йода.

В предлагаемом способе колебательно-возбужденный водород получают путем воздействия на него электрического разряда (КПД которого достигает 85-90%); давление газовой смеси составляет 10-3800 торр, что исключает потери активных частиц при соударениях со стенками лазерной кюветы; для создания атомарного йода используют энергетический пучок от внешнего источника. Благодаря указанной совокупности факторов КПД лазера, основанного на применении предлагаемого способа, может достигать порядка 20%.

Высокое давление газовой смеси позволяет получить высокий коэффициент усиления активной среды, что в свою очередь позволяет применить малодобротные высокоселективные неустойчивые оптические резонаторы и, следовательно, уменьшить угловую расходимость лазерного луча в дальней зоне.

Возможность многократного использования исходной газовой смеси, не содержащей химически-активных, высокотоксичных компонентов, а также применение только электрических способов воздействия на активные компоненты газовой смеси позволяет снизить капитальные затраты, эксплуатационные расходы, улучшить массогабаритные параметры лазера и повысить его экологическую чистоту.

Электроны газоразрядной плазмы самостоятельного и несамостоятельного разряда могут быть использованы как для получения колебательно-возбужденного водорода, так и для получения атомарного йода диссоциацией йодсодержащего соединения.

Получение атомарного йода воздействием энергетического пучка вне зоны электрического разряда позволяет снизить энергию электронов электрического разряда, используемого для получения колебательно-возбужденного водорода.

Диссоциация йодсодержащего соединения при малых значениях энергии электронов электрического разряда протекает в соответствии с реакцией (4), что исключает возможность резонансной передачи энергии от колебательно-возбужденного водорода получаемым ионам йода, поэтому при этих условиях йодсодержащее соединение добавляют после зоны разряда, где и осуществляют воздействие на него энергетическим пучком для получения атомарного йода.

Предлагаемый способ был опробован в экспериментальном макете лазера. Была использована газовая смесь при давлении 760 торр следующего состава, об. %:
Водород - 30
Фторалкилиодид - 0,01
Аргон - 69,99
В качестве йодсодержащего соединения могут быть также использованы молекулярный йод (I₂), алкилиодиды (C_nH_mI), фторалкилиодиды (C_nF_mI) и т.п., а также их смеси.

В качестве буферного газа могут быть также использованы гелий, неон, криптон, азот и т.п., а также их смеси.

Приведенная напряженность электрического поля в разряде составляла E/P = 3,5 В/см/торр, а плотность пучка внешнего электронного ускорителя 3-5 мА/см².

Значение коэффициента усиления активной среды составляло 1,8-2,0-10^-2 см^-1, что значительные превышает коэффициент усиления активной среды йодкислородного лазера (1-3 10^-3 см^-1).

Был также опробован способ получения лазерного излучения вне зоны электрического разряда. Смесь газов, содержащая следующее количественное соотношение компонентов, об.%:
Водород - 30
Фторалкилиодид - 0,001
Аргон - 69,999,
пропускали через зону электрического разряда с приведенной напряженностью электрического поля в разряде E/P = 3,5 В/см/торр, и плотностью пучка внешнего электронного ускорителя 3-5 мА/см². После зоны разряда добавляли смесь газов со следующим количественным соотношением компонентов, об.%:
Фторалкилиодид - 20
Аргон - 80
Полученную смесь газов облучали импульсной лампой с широкой полосой излучения вблизи 270 нм.

Значение коэффициента усиления активной среды составляло 3,8-5,010^-2 см^-1, что также значительно превышает коэффициент усиления активной среды йодкислородного лазера (1-310^-3 см^-1).

Источники информации
1. Kasper J.V.V., Pimentel G.C., Appl. Phys. Lett., 5, 231, (1964).

2. Derwent R. G. , Kearns D.R., Thrush B.A. Chem. Phys. Lett., 6, 115, (1970).

Формула изобретения

1. Способ получения лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода, включающий получение атомарного йода в основном электронном состоянии с последующим переводом его в электронно-возбужденное состояние методом резонансной передачи энергии, отличающийся тем, что атомарный йод получают диссоциацией йодсодержащего соединения в смеси газов с давлением 10 - 3800 Торр и следующим соотношении компонентов, об.%:
Водород - 1 - 89
Йодсодержащее соединение - 0,001 - 5
Буферный газ - 10 - 98
воздействием на него энергетическим пучком с энергией 4,8 - 10 эВ, получают колебательно-возбужденный водород воздействием на водород электрическим разрядом с энергией электронов 0,5 - 10 эВ и получают лазерное излучение за счет резонансной передачи энергии от колебательно-возбужденного водорода атомарному йоду.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что колебательно-возбужденный водород получают в самостоятельном электрическом разряде, при этом в качестве энергетического пучка используют электроны газоразрядной плазмы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что колебательно-возбужденный водород получают в несамостоятельном электрическом разряде, при этом в качестве энергетического пучка используют электроны газоразрядной плазмы и внешнее ионизирующее излучение.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что энергетический пучок воздействует на йодсодержащее соединение вне зоны электрического разряда.

5. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что колебательно - возбужденный водород получают в смеси газов с минимальным содержанием йодсодержащего соединения и последующим добавлением после зоны разряда смеси газов со следующим количественным соотношением компонентов, об.%:
Йодсодержащее соединение - 0,01 - 10
Буферный газ - 90 - 99
а затем воздействуют на полученную смесь энергетическим пучком.