Способ получения инверсионной населенности на атомах йода

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для создания кислородно-йодных лазеров. Способ получения инверсной населенности на атомах йода заключается в оптической накачке газового потока. Оптическую накачку производят в два этапа, на первом этапе газовый поток облучают светом с длиной волны 490±10 нм, осуществляя частичную 1-10% диссоциацию молекул йода, с последующим облучением газового потока излучением с длиной волны 1315 нм до полной диссоциации молекул йода, а затем производят газодинамическое охлаждение. Основными достоинствами предлагаемого способа являются отсутствие необходимости использования опасных реагентов (таких как хлор) и возможность осуществления непрерывной прокачки рабочей среды. 1 ил.

 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для создания кислородно-йодных лазеров.

Широко известен способ создания инверсной населенности на переходе тонкой структуры атомов йода в активной среде кислородно-йодном лазере, в котором поток газа с молекулами синглетного кислорода, полученный в результате реакции хлорирования щелочного раствора перекиси водорода, смешивается с потоком газа, содержащим молекулы йода [US 4267526 C, опубл. 12.05.1981, МПК Н018 3/095]. В результирующем газовом потоке происходит цепочка химических и энергообменных реакций, которые приводят к образованию атомов йода и образованию инверсной населенности на переходе тонкой структуры атома йода. Для получения синглетного кислорода в таком случае используются опасные химические реагенты - хлор, перекись водорода, щелочь. Организовать замкнутую прокачку активной среды в данном случае не представляется возможным.

Инверсную населенность на атомах йода в активной среде кислородно-йодном лазере можно создать при смешении йодосодержащего потока газа с кислородосодержащим потоком газа, в котором высокое содержание молекул синглетного кислорода O2(a1Δ) можно сделать различными физическими и химическими способами. Поток газа с молекулами синглетного кислорода O2(a1Δ) можно получить путем поглощения излучения около длины волны 634 нм димолями кислорода [US 6658038, опубл. 02.12.2003, МПК H01S 3/095] или в результате поглощения излучения около длины волны 762 нм молекулами кислорода [US 6570903, опубл. 27.05.2003, МПК H01S 3/095]. В данном способе не допускается примесей атомов и молекул йода в исходном кислородосодержащем потоке, что не позволяет осуществить замкнутую прокачку рабочей среды в кислородно-йодном лазере.

Поток газа с молекулами синглетного кислорода O2(a1Δ) можно получить в плазме высокочастотного самостоятельного разряда [RU 2369950, опубл. 27.05.2009, МПК H01S 3/095], постоянного тока [Ivanov V.V., Klopovsky K.S., Lopaev D.V. et al., (1999) IEEE Transactions of plasma science, V.27, p.1279], несамостоятельного электрического разряда [RU 2206495, опубл. 20.06.2003, МПК С01В 13/00]. Электрический разряд осуществляется в кислородсодержащем потоке, в котором до смешения не допускается примесей атомов или молекул йода. Для замкнутой рециркуляции рабочей среды в кислородно-йодном лазере необходимо тщательно очищать отработанную среду от следов йодосодержащих веществ, что представляет значительную техническую проблему и усложняет эксплуатацию лазерной системы. В противном случае в послеразрядной смеси образуются примеси, которые разрушают инверсную населенность. Энергетическая эффективность кислородно-йодных лазеров с электроразрядным способом получения синглетного кислорода находится на довольно низком уровне.

Поток газа с молекулами синглетного кислорода O2(a1Δ) можно получить путем передачи энергии молекулам кислорода от частиц (роза бенгальская, порфирин, фуллерен), возбуждаемых светом [RU 2290364, опубл. 27.08.2004, МПК С01В 13/02], [Н.В. Шинкаренко, В.Б. Алесковский. Синглетный кислород, методы получения и обнаружения. Успехи химии, 1981, Том 50, Номер 3, Страницы 406-428].

Наиболее близким к заявляемому является способ создания инверсной населенности на переходе тонкой структуры атомов йода в активной среде кислородно-йодном лазере, в котором поток газа с молекулами синглетного кислорода получают путем передачи энергии от молекул фуллерена, возбуждаемых светом [RU 2181224, опубл. 10.04.2002, МПК H01S 3/095].

В данном способе получения молекул O2(a1Δ) не допускается наличие следов атомов и молекул йода в исходном кислородосодержащем потоке, что не позволяет осуществить замкнутую прокачку рабочей среды в кислородно-йодном лазере. Данный факт является основным недостатком прототипа.

Цель изобретения заключается в создании способа получения инверсной населенности на переходе тонкой структуры атома йода при помощи двухэтапной оптической накачки, осуществляемой, например, при помощи световых диодов.

Данная задача решается за счет того, что в способе получения инверсной населенности на атомах йода, заключающемся в оптической накачке газового потока, согласно изобретению оптическую накачку производят в два этапа, на первом этапе газовый поток облучают светом с длиной волны 490±10 нм, осуществляя частичную 1-10% диссоциацию молекул йода, с последующим облучением газового потока излучением с длиной волны 1315 нм до полной диссоциации молекул йода, а затем производят газодинамическое охлаждение.

Основными достоинствами предлагаемого способа являются отсутствие необходимости использования опасных реагентов (таких как хлор) и возможность осуществления непрерывной прокачки рабочей среды.

Инверсная населенность и лазерный эффект на переходе тонкой структуры атома йода наступают только при выполнении соотношения Y>Yпор, где Y - отношение концентрации кислорода в состоянии a1Δ к его суммарной концентрации в состояниях a1Δ и Х3Σ, а величина Yпор (T)=(1+1,5ехр(401/T))-1 есть пороговое содержание синглетного кислорода при температуре Т. Величина порогового содержания Yпор следует из равновесия обратимой реакции обмена электронной энергии между атомами кислорода и йода: I(2P1/2)+O23Σ)↔I(2P3/2)+O2(a1Δ). При T=300K пороговое содержание Yпор=0.15, а при T=150K пороговое содержание Yпор=0.044. Таким образом, создание инверсной населенности на переходе тонкой структуры атомов йода заключается в создании газовой среды с атомами йода и молекулами кислорода с относительной долей синглетного кислорода O2(a1Δ), большей порогового значения Yпор.

Сущность изобретения можно понять из кинетической схемы физико-химических процессов в кислородно-йодной среде и схемы устройства для реализации предложенного способа получения инверсной населенности, представленного на чертеже. Газ, содержащий молекулы йода и молекулы кислорода, поступает в камеру 1, в которой облучается светом с длиной волны 490 нм, под действием которого молекулы йода диссоциируют. Фотодиссоциацию схематично можно описать реакцией I2+фотон (λ≈490 нм)=>I(2P3/2)+I(2P3/2). Из камеры 1 кислородно-йодный поток поступает в камеру 2, где он облучается светом с длиной волны 1315 нм, под действием которого атомы йода возбуждаются в состояние 2P1/2, что схематично можно представить реакцией I(2P3/2)+фотон (λ≈1315 нм)→I(2P1/2). Возбужденные атомы йода передают энергию молекулам кислорода в состояние а1Δ, что можно схематично представить реакцией I(2P1/2)+O23Σ)→I(2P3/2)+O2(a1Δ). После этого в результате взаимодействия молекул O2(a1Δ) и атомов йода I(2P1/2) образуются молекулы кислорода O2(b1Σ), что можно схематично представить реакцией I(2P1/2)+O2(a1Δ)→I(2P3/2)+O2(b1Σ). Столкновение молекул кислорода в состоянии b1Σ с молекулами йода приводит к их дальнейшей диссоциации в реакции I2+O2(1Σ)→I(2Р3/2)+I(2Р3/2)+O2(3Σ). Описанная цепочка реакций в кислородно-йодной среде, облучаемой излучением с длиной волны 1315 нм, продолжается до практически полной диссоциации молекул йода. В конце камеры 2 практически все молекулы йода диссоциируют на атомы, среда приобретает температуру T1, а содержание синглетного кислорода Y доводится до значения, близкого к величине Y(T1)=Yпор(T1). Оптимальные размеры камер 1 и 2, при которых в кислородно-йодной среде будет достигнута полная диссоциация молекул йода и содержание молекул, равное Y(T1), определяется скоростью, давлением, составом, температурой исходной среды и плотностью потока излучений. Затем кислородно-йодная среда вытекает в камеру 4 со сверхзвуковой скоростью, которая создается с помощью устройства 3, например сопла Лаваля или решетки сопел Лаваля. В камере 4 температура кислородно-йодной среды понижается до температуры T2, меньшей температуры T1, реализуется неравенство Y(T1)>Yпор(T2) и в кислородно-йодной среде образуются инверсная населенность. Полученная активная кислородно-йодная среда может быть использована в кислородно-йодном лазере. В предлагаемом способе отработанная активная среда кислородно-йодного лазера не претерпевает изменения химического состава, не содержит никаких посторонних вредных примесей и может повторно быть использована для создания инверсной населенности.

В качестве источника света с длиной волны излучения около 490 нм могут быть использованы световые диоды. Интенсивное излучение с длины волны около 1315 нм может быть получено при помощи диодных лазеров. Кислородно-йодный лазер, основанный на таком способе получения инверсной населенности и усиления света, в данном случае будет преобразовывать излучение многих некогерентных источников в однопучковое когерентное излучение. Пространственно зоны облучения кислородно-йодной среды светом около 490 нм и 1315 нм могут частично перекрываться.

Поясним работоспособность способа предлагаемого получения инверсной населенности на конкретном примере. В камеру 1 длиной Х1=1 см втекает газовый поток химического состава Не:O2:I2=2:1:0.02 со скоростью U=110 м/с при полном давлении 37 мм рт.ст. и начальной температуре 450K. В камере 1 газовый поток освещается излучением с плотностью мощности J490=20 Вт/см2 около длины волны 490 нм в пределах спектральной полосы шириной 20 нм. В результате облучения на выходе из камеры 1 будет диссоциирована доля молекул йода, равная J490σ490t1/(4·10-19 Дж)≈0.01, и концентрация атомов йода будет равна 1014 см-3. Здесь 4·10-19 Дж - энергия фотона с длиной волны 490 нм, σ490=2.7·10-18 см2 [Окабе X. Фотохимия малых молекул: Пер. с англ. - М.: Мир, 1981. - 504 с.] - сечение фото диссоциации молекул йода, t1=X1/U - время облучения. Далее газовый поток поступает в камеру 2 длиной Х2=10 см по потоку, в которой он облучается излучением с плотностью мощности 104 Вт/см2 в спектральном диапазоне 300 МГц в пределах длины волны оптического перехода в тонкой структуре атома йода. Под действием этого излучения атомы йода возбуждаются в состояние 2P1/2, передают энергию возбуждения молекулам кислорода в состоянии a1Δ. В процессе взаимодействия возбужденных атомов йода и молекул кислорода в состоянии a1Δ образуются молекулы кислорода в состоянии b1Σ. Столкновение молекул кислорода в состоянии b1Σ с молекулами йода вызывает их диссоциацию. Незначительная часть образующихся молекул кислорода в состоянии b1Σ дезактивируется. В результате расчеты показывают, что на выходе из камеры 2 температура кислородно-йодной смеси составит значение примерно Т1=500 K, более чем 99% йода будет разложено на атомы. Доля молекул кислорода в состоянии a1Δ на выходе камеры 2 составит значение Y=0.21, которое несколько меньше значения Y(T1=500 K)=(1+1.5exp(401/T1))-1=0.23. При этом более 60% энергии излучения на длине волны 1315 нм, поглощенной кислородно-йодной средой, переходит в энергию молекул синглетного кислорода. На выходе камеры 2 установлено устройство типа сопла Лаваля, создающее в камере 4 сверхзвуковой поток газа с числом Маха М=3. В результате в камере 4 температура кислородно-йодной смеси будет равна Т2=175 K, при которой пороговая доля синглетного кислорода Yпор=0.063, а концентрация атомов йода будет равна 7.5·1014 см-3. В камере 4 выполняется условие Y>Yпор, поэтому на переходе тонкой структуры атома йода образуется инверсная населенность и коэффициент усиления ~4.5·10-4 см-1.

Камера 4 может быть активной зоной резонатора кислородно-йодного лазера. После экстракции части энергии, запасенной в молекулах синглетного кислорода, в лазерное излучение и выхода газового потока из камеры 4 содержание молекул синглетного кислорода упадет до нуля, атомы йода рекомбинируют в молекулы йода. Отработанная лазерная среда будет иметь химический состав, как и на входе в камеру 1, но с более высокой температурой и пониженным давлением. Поэтому отработанный поток кислородно-йодной среды после сжатия в компрессоре, охлажденный в теплообменнике, может вновь быть возвращен в камеру 1 и использован для создания инверсной населенности. Эффективность преобразования излучения накачки в энергию возбуждения молекул синглетного кислорода составляет величину ~60%.

Способ получения инверсной населенности на атомах йода, заключающийся в оптической накачке газового потока, отличающийся тем, что оптическую накачку производят в два этапа, на первом этапе газовый поток облучают светом с длиной волны 490±10 нм, осуществляя частичную 1-10% диссоциацию молекул йода, с последующим облучением газового потока излучением с длиной волны 1315 нм до полной диссоциации молекул йода, а затем производят газодинамическое охлаждение.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер на парах щелочных металлов с диодной накачкой содержит лазерную камеру с внутренней полостью с прозрачными торцевыми окнами, замкнутый герметичный контур для циркуляции активной среды, проходящий через внутреннюю полость камеры в направлении, поперечном к оптической оси камеры, источник излучения накачки на основе лазерных диодов и оптические средства формирования и фокусировки излучения накачки во внутреннюю полость камеры.

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к компактным импульсно-периодическим эксимерным лазерам с УФ предыонизацией. .

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке активных элементов лазеров на парах галогенидов металлов, например, бромида меди.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке технологических химических кислородно-йодных лазеров и лазеров специального назначения.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при разработке и создании мощных и эффективных эксимерных лазеров с импульсом излучения длительностью 20-40 нс.

Изобретение относится к лазерной физике и может быть использовано для повышения мощности и эффективности генерации электроразрядных СО лазеров, а также для создания мощного компактного электроразрядного СО лазера или усилителя ИК-излучения.

Изобретение относится к области создания мощной лазерной техники для технологических целей, преимущественно фотоионизационных CO2(СО)-лазеров, а также лазеров на основе Ar:Хе, O2:I2, и может быть использовано при возбуждении плазмохимических сред и создании плазмохимических реакторов различного назначения.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при разработке и создании эксимерных лазеров с импульсом излучения короткой длительности и малой расходимости.

Устройство и способ работы авиационного газотурбинного двигателя включающий процесс сжатия в компрессорах, подвода тепла в камере сгорания, расширения на турбинах и реактивном сопле.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании газодинамического тракта непрерывного химического лазера с выхлопом лазерного газа в атмосферу, а также элементов системы восстановления давления (СВД) этих лазеров.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании источников когерентного излучения на переходах состояний атомов йода и, дополнительно, молекул окиси углерода.

Изобретение относится к лазерной технике, к конструкциям сопловых блоков для проточных газовых лазеров. .

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности к газовым лазерам, которые могут быть использованы в различных отраслях народного хозяйства для технологических целей.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании сопловых блоков газодинамических лазеров. .

Изобретение относится к области лазерной техники, а точнее к проблеме создания электрогазодинамических СО-лазеров с практически непрерывным временем работы. .

Группа изобретений относится к боевой авиации, на борту которой устанавливается лазерное оружие. В способе работы авиационного газотурбинного двигателя, включающем процесс сжатия воздуха в компрессорах, подвод тепла в камере сгорания, расширение газового потока для получения сверхзвуковой скорости осуществляют через бинарную систему, состоящую из турбины низкого давления, лопатки которой выполнены в виде сопел Лаваля, и установленного за ней кольцевой неподвижной закритической расширяющейся части сопла Лаваля. В авиационном газотурбинном двигателе рабочие лопатки турбины низкого давления выполнены в виде сопел Лаваля, создающих на выходе турбины сверхзвуковой газовый поток с углом выхода, близким к 90 градусов. С минимальным зазором за турбиной низкого давления установлена неподвижная часть, за срезом которой расположен проточный оптический резонатор с зеркальной системой фокусировки и вывода лазерного луча на систему прицеливания. Достигается увеличение секундного расхода газа, выходящего из оптического резонатора, приводящего к увеличению мощности лазера и тяги двигателя, а также повышение надежности лазера. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для создания кислородно-йодных лазеров. Способ получения инверсной населенности на атомах йода заключается в оптической накачке газового потока. Оптическую накачку производят в два этапа, на первом этапе газовый поток облучают светом с длиной волны 490±10 нм, осуществляя частичную 1-10 диссоциацию молекул йода, с последующим облучением газового потока излучением с длиной волны 1315 нм до полной диссоциации молекул йода, а затем производят газодинамическое охлаждение. Основными достоинствами предлагаемого способа являются отсутствие необходимости использования опасных реагентов и возможность осуществления непрерывной прокачки рабочей среды. 1 ил.

Наверх