Способ получения генерации стимулированного излучения на атомах иода

Изобретение относится к лазерной физике и оптике и может быть использовано в системах преобразования солнечной энергии в лазерное излучение с последующей передачей этой энергии потребителю. Способ генерации основан на взаимодействии йода с молекулами фуллерена в триплетном метастабильном состоянии. Смесь порошка фуллерена с йодом облучают светом широкополосного источника излучения, что приводит к нагреву, испарению смеси и возбуждению молекул фуллерена в метастабильное триплетное состояние. Взаимодействуя с молекулами йода в рабочей зоне лазера, метастабильные молекулы фуллерена передают свою энергию молекулам йода, вызывая диссоциацию молекул йода, а затем переводят атомы йода в метастабильное состояние ²Р_1/2. Изобретение обеспечивает упрощение способа.

 

Изобретение относится к лазерной физике и оптике и может быть использовано в системах эффективного преобразования Солнечной энергии в лазерное излучение с последующей передачей этой энергии потребителю.

Известен способ получения генерации стимулированного излучения на атомах йода, основанный на фотодиссоциации молекул типа C_nF_2n+1J при поглощении ими ультрафиолетового излучения с длинами волн 230-300 нм и образованием атома йода в возбужденном состоянии ²Р_1/2 [1]. Генерация осуществляется на переходе ²Р_1/2-²Р_3/2 на длине волны 1315 нм.

В работе [2] в качестве накачки используется ультрафиолетовое спектральное крыло Солнечного излучения, которое поглощается, так же как в работе [1], молекулами типа C_nF_2n+1J с образованием в результате их диссоциации атомов йода в верхнем состоянии ²Р_1/2. Описанный в [1, 2] способ генерации стимулированного излучения на атомах йода имеет низкую эффективность (отношение энергии излучения к энергии накачки), которая составляет порядка 1-2%, или менее одного процента, как в случае Солнечной накачки.

В работе [3] описан способ получения генерации стимулированного излучения на атомах йода, основанный на получении возбужденного йода в состоянии ²Р_1/2 при взаимодействии атомарного йода с молекулами синглетного кислорода ¹ΔО₂. Синглетный кислород получают химическим путем при взаимодействии молекулярного хлора с перекисью водорода в присутствии щелочи. Такой способ генерации стимулированного излучения на атомах йода основан на использовании энергии химической реакции. Данный способ генерации стимулированного излучения на атомах йода позволяет повысить эффективность йодного лазера, но не дает возможность использовать для генерации энергию оптического излучения, в том числе Солнца. Кроме того, при его применении возникают сложности при организации замкнутого цикла активной среды, так как требует регенерации исходных химических веществ.

В работе [4] развивается концепция фуллерен-кислородно-йодного лазера. В работе [4] способ генерации стимулированного излучения на атомах йода основан на взаимодействии йода с молекулами синглетного кислорода, что позволяет использовать в качестве источника первичной накачки оптическое излучение, например излучение Солнца. Этот способ заключается в том, что поток кислорода, молекулы которого находятся в основном состоянии, пропускают через смесь фуллеренов, облучаемую при этом источником оптического излучения, например Солнцем. Сам состав смеси фуллеренов подбирается так, что его спектр поглощения соответствует спектральному составу падающего на него излучения. Преимуществами метода является то, что в нем исключается химический реактор генерации синглетного кислорода, и то, что в нем возможно использование оптической накачки, в том числе Солнечной. Недостатком метода является сложность создания контура с прокачкой кислорода, а также сложность создания газопроницаемой мембраны с фуллеренами, сквозь которую прокачивают кислород.

Цель изобретения заключается в создании способа генерации стимулированного излучения на смеси паров фуллерена с молекулами йода, основанного на взаимодействии йода с молекулами фуллерена в триплетном метастабильном состоянии.

Поставленная цель достигается тем, что смесь порошка фуллерена с йодом облучают светом мощной лампы накачки (можно использовать солнечную накачку), что приводит к нагреву, испарению смеси и возбуждению молекул фуллерена в метастабильное триплетное состояние. Взаимодействуя с молекулами йода в рабочей зоне лазера, метастабильные молекулы фуллерена передают свою энергию молекулам йода, вызывая диссоциацию молекул йода, а затем переводят атомы йода в метастабильное состояние ²Р_1/2.

При облучении смеси фуллеренов фотонами в спектральном диапазоне 350-1100 нм фуллерены поглощают их энергию в канале синглетных состояний ¹F. Затем с временем порядка наносекунды происходит внутрисистемный безизлучательный переход с возбужденных синглетных состояний на нижнее триплетное метастабильное состояние Т₁ в канале триплетных состояний ³F [5]. Время жизни метастабильного состояния Т доставляет ~ 10^-2 с [6]. В присутствии тушителя время жизни состояния T₁ может сильно уменьшиться. Таким тушителем являются молекулы и атомы йода.

При столкновении с молекулами фуллерена в триплетном метастабильном состоянии молекула йода диссоциирует на 2 атома в состоянии ²Р_3/2, затем атом йода, туша фуллерен в триплетном состоянии, переходит в возбужденное состояние ²Р_1/2.

Энергия диссоциации J₂ с распадом на два невозбужденных атома йода равна 1,4 эВ, то есть практически попадает в резонанс с триплетным состоянием фуллерена (энергия триплетного метастабильного состояния С₆₀ равна 1,63 эВ). Следует отметить, что диссоциация молекулярного йода в кислородно-йодном лазере происходит при столкновении с синглетным кислородом и требует многоступенчатого процесса, поскольку молекула кислорода несет энергию недостаточную для диссоциации J₂ при одном столкновении [ 7] . В нашем случае молекулы йода диссоциируют при единичном столкновении с молекулой фуллерена в триплетном состоянии, возможна также дополнительная диссоциация под действием света. Наши оценки показывают, что константа реакции диссоциации велика и равна ≈ 10^-10 см³с^-1. Эффективность этого процесса в смеси паров фуллерена и молекул йода может существенно повысить эффективность всего процесса генерации стимулированного излучения.

Другой важный процесс в этой схеме - это возбуждение атомов йода, образовавшихся в результате диссоциации в состояние ²Р_1/2. Наши оценки показывают, что вероятность этого процесса того же порядка, что и вероятность возбуждения атома йода синглетным кислородом, константа скорости реакции передачи энергии от фуллерена в триплетном состоянии к атомарному йоду порядка 1,5· 10^-2 см³ с^-1. Была сделана также оценка константы тушения возбужденного состояния атома йода при столкновении с молекулой фуллерена, которая негативно влияет на процесс генерации стимулированного излучения. Эта реакция имеет значительный дефект резонанса Δ Е=0,72 эВ, что приводит к тому, что вероятность этого процесса тушения незначительна.

Нами были сделаны оценки нагрева, испарения порошка фуллерена и его возбуждения в триплетное состояние с помощью излучения газоразрядной лампы.

Результаты расчета показали, что при облучении порошка фуллерена излучением от импульсной лампы с яркостной температурой Т=6000 К, длительностью 40 мкс массы фуллерена 10 мг к концу импульса полная концентрация фуллерена достигает N=8* 10¹⁶ cм^-3, а концентрация фуллерена в триплетном состоянии составляет N_T=2· 10¹⁶ см^-3. Длительность импульса 40 мкс является предпочтительной с точки зрения накопления фуллерена в триплетном состоянии, поскольку время разрушения метастабильного триплетного состояния фуллерена составляет 40 мкс. Предполагалось также, что все излучение попадает на порошок фуллерена. Такую ситуацию можно создать, используя т.н. “световой котел”, разработанный при создании твердотельных лазеров с оптической накачкой. Возможно добавление в смесь газов или испаряемых твердых веществ, способствующих передачи энергии от фуллерена йоду.

Оценим коэффициент усиления на переходе ²Р_1/2-²Р_3/2. Будем считать, что концентрация молекул фуллерена должна быть вдвое выше, чем концентрация молекул йода (один фуллерен - на диссоциацию, другой - на возбуждение атома йода). Будем также предполагать, что происходит полная диссоциация молекул йода.

Усиление оценим по формуле

α ≈ σ [J* ]=0,5σ [F_t]

Средняя за импульс концентрация фуллерена в триплетном состоянии N=10¹⁶ cм^-3, сечение индуцированного излучения на данном переходе σ =7,4· 10^-18 см²[8] . Тогда для коэффициента усиления получаем α ≈ 3,7· 10^-2 cм^-1, что выше, чем типичное значение коэффициента усиления в фуллерен-кислородно-йодном лазере.

Выводы

Молекулы фуллерена в триплетном состоянии могут эффективно диссоциировать молекулы йода и возбуждать атомы йода на верхний лазерный уровень.

Обычная газоразрядная лампа с длительностью импульса порядка 40 мкс может испарить достаточное количество порошка фуллерена и одновременно возбудить не менее половины его молекул в триплетное состояние.

Оценки коэффициента усиления, получаемого в йодно-фуллереновой газовой среде, дают приемлемые результаты для получения генерации на атомах йода на переходе ²Р_1/2-²Р_3/2.

Литература

1. J.V.V.Kasper, G.C.Pimental, “Jodine photodissociative laser”, Appl.phys.lett., vol.5, p.p.231-233, (1964).

2. В.Ю.Залесский, “Йодный лазер с Солнечной накачкой”. Квантовая электроника, том 10, стр.1097-1107, (1983).

3. R.J.Richardson, J.D.Kelly, C.E.Wiswall,” generation mechanisms in chemically pumped iodine laser”, J.APPl.Phys., vol.52, p.p.1066-1071, (1981).

4. И.М.Белоусова, О.Б.Данилов, А.А.Мак, “Способ получения генерации стимулированного излучения на атомах йода”. Патент № 2181224.

5. В.П.Белоусов, И.М.Белоусова, В.П.Будтов, В.В.Данилов, О.Б.Данилов, А.Г.Калинцев, А.А.Мак, “Фуллерены: структурные, физико-химические и нелинейно-оптические свойства”. Оптический журнал. Том 64, N 12, стр.3-37, (1997).

6. H.T.Etheridge, R.W. Weisman, “C70 Triplet Eximers: Evidence from Transient Absorbtion Kinetics”, J.Phys.Chem., vol.99, p.p.2782-2787, (1995).

7. Аязов В.Н., Сафонов B.C., Уфимцев Н.И. “Диссоциация J₂ и колебательная кинетика в кислородно-йодном лазере”, Квантовая Электроника, том 30, № 8, стр.687-693, (2000).

8. Н.Н.Юрышев. “Кислородно-йодный лазер с химической накачкой”, Квантовая электроника, том 23, № 7, стр.583-597 (1996).

Способ получения лазерной генерации на атомах йода на длине волны 1315 нм, основанный на получении возбужденного йода в состоянии ²Р_1/2 при облучении фуллерена широкополосным источником света с переводом фуллерена в метастабильное состояние, отличающийся тем, что облучают смесь порошка фуллерена с йодом, что приводит к нагреву, испарению и возбуждению молекул фуллерена в метастабильное состояние, энергия которого передается йоду, переводя его в состояние ²Р_1/2.