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 CnHm или CnFm (находящиеся в основном состоянии) и возбужденный атом йода I(2P1/2) с последующей генерацией лазерного излучения на магнитодипольном переходе йода [1]: I(2P1/2) _ I(2P3/2)+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(2P1/2) в известном способе создают резонансной передачей энергии при столкновениях с электронно-возбужденным молекулярным кислородом O2(1): I(2P3/2)+O2(1) _ I(2P1/2)+O2(3), при этом атомарный йод в основном электронном состоянии I(2P3/2) 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(A32u) O2(1)+I2(A32u) _ 2I2(2P3/2)+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(2P1/2) _ I(2P3/2)+h.
Известный способ предполагает работу с низкими давлениями газовой смеси, порядка 1-10 торр, в результате чего имеют место потери возбужденного йода I(2P1/2) 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(2P3/2):
H2(v = 2)+I(2P3/2) _ H2(v = 0)+I(P1/2). (1)
Диссоциация йодсодержащего соединения R-I может протекать в соответствии со следующими реакциями:
R-I+h _ R+(I2P1/2), (2)
R-I+e- ---> R+I(2 P1/2)+e-, (3)
R-I+e- ---> R+I-, (4)
где R - радикал йодсодержащего соединения;
I(2P1/2) - 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 (CnHmI), фторалкилиодиды (CnFmI) 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в мощных технологических СO2-лазерах импульсно-периодического действия с предыонизацией лазерной среды ультрафиолетовым (УФ) излучением

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к газоразрядным приборам с холодным катодом, которые используются в лазерах

Изобретение относится к полупроводниковой квантовой электронике, а именно к конструкциям инжекционных лазеров, которые могут быть использованы в современных волоконно-оптических системах связи, для накачки твердотельных и волоконных лазеров, при создании медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании импульсно-периодических лазеров на основе KrF, ArF, HF, DF

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании импульсно-периодических лазеров на основе KrF, ArF, HF, DF

Изобретение относится к квантовой электронике

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в газовых лазерах, таких как СО2, азотные и эксимерные лазеры

Изобретение относится к области квантовой электроники, а также к областям физическая электроника и газовый разряд, и может быть использовано при разработке проточных лазеров

Изобретение относится к квантовой электронике и может использоваться при создании мощных технологических электроразрядных газовых лазеров импульсно-периодического действия

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании высокомощных лазеров с высоким качеством излучения

Изобретение относится к газовым проточным лазерам и может быть использовано при создании высокомощных лазеров

Изобретение относится к области квантовой электроники и может использоваться при создании мощных и сверхмощных газовых лазеров непрерывного и импульсно-периодического действия

Изобретение относится к области квантовой электроники, а также физической электронике и газовому разряду, и может быть использовано при разработке проточных лазеров

Изобретение относится к области лазерной техники и волоконной оптики и промышленно применимо в устройствах накачки волоконных усилителей сигналов, используемых в широкополосных волоконно-оптических системах связи вместо электронных ретрансляторов

Изобретение относится к устройствам со стимулированным излучением и, в частности, может быть использовано в газоразрядных CO-лазерах высокого давления с дозвуковым потоком рабочего газа

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к газоразрядным лазерам
Наверх