Vegyi lézer
A kémiai lézerek olyan gázlézerek , amelyekben a munkaközeg összetevői közötti kémiai reakciók szolgálnak energiaforrásként . A folyamatos kémiai lézerek nagy teljesítményszintet érhetnek el, és az iparban lyukak vágására és létrehozására használják.
Hogyan működik
A kémiai lézerekben a kémiai reakció energiája a koherens elektromágneses sugárzás (lézersugárzás) energiájává alakul. Ehhez olyan reakciókat használnak, amelyek termékei gerjesztett energiaállapotú részecskék. Ebben az esetben a részecskék energiaállapotok közötti eloszlásának inverznek kell lennie, vagyis legalább az egyik nagyobb energiájú állapotban a részecskék számának nagyobbnak kell lennie, mint az alacsonyabb energiájú állapotok valamelyikében. A magasabb energiaszintről az alacsonyabbra való energiaátmenet elektromágneses sugárzással jár együtt. A kémiai reakció sebességének nagyobbnak kell lennie, mint az energiaszintek közötti egyensúlyi eloszlás elérésének sebessége, különben a kémiai reakció energiája a gázelegy melegítésére költődik, és nem szabadul fel elektromágneses sugárzás formájában. Általában ilyen magas arányok érhetők el szabad atomok vagy gyökök aktív helyként való részvételével. Különösen fontosak azok a reakciók, amelyekben az aktív centrumok szaporodnak ( láncreakciók ) vagy szaporodnak (elágazó láncreakciók). Egy bizonyos kezdeti számú aktív centrum kialakítására (reakció beindítására) energiát kell fordítani, ezért minél hosszabb a lánc, annál nagyobb mennyiségű kémiai energiát lehet lézersugárzássá alakítani. Különösen fontos a kemolézer lánchossza, amelyet a lánc növekedési sebességének a koherens sugárzás létrehozásában részt vevő gerjesztett részecskék relaxációs sebességéhez viszonyított arányaként határoznak meg. Így egy hatékony kémiai lézer létrehozásához olyan eljárásra van szükség, amelyben a nagy láncreakció sebességet a gerjesztett részecskék hosszú élettartamával kombinálják.
Osztályozás
A kémiai lézereket a hatás típusa szerint osztályozzák. Léteznek impulzusos és folyamatos (folyamatos) hatású kémiai lézerek [1] . Az impulzusos kémiai lézerek kémiailag stabil gázkeveréket használnak. A keverőből a lézerzónába való belépés után a keveréket iniciáló ágensnek (például UV-sugárzásnak , elektronsugárnak, gázkisülésnek ) tesszük ki, amely gyors molekuláris gyökös reakciót indít el. Ebben az esetben a kémiai reakciók következtében energia szabadul fel, amely rövid koherens sugárzás impulzus formájában szabadul fel. A leggyakrabban használt gázkeverékek fluort és hidrogént ( deutériumot ) tartalmaznak, és oxigénnel vannak stabilizálva. A lézersugárzást generáló részecskék leggyakrabban gerjesztett HF* (DF*) molekulák [2] .
A hosszan tartó kémiai lézerekben az alkatrészek folyamatos szivattyúzása és kiszivattyúzása történik, ami nagy fajlagos energiateljesítményt biztosít és nagy teljesítmény elérését teszi lehetővé. Ebben az esetben a reaktorban a reagensek cseréjét rövidebb idő alatt kell megszervezni, mint a gerjesztett állapotok "kioltásának" ideje. Így már alacsony üzemi nyomáson általában hang- vagy szuperszonikus sebességhez közeli sebességet kell alkalmazni. Mivel a lamináris áramlásban a jellemző diffúziós idő összemérhető a gerjesztett állapotok élettartamával, sőt meg is haladja azt, ezért a nagy hatótávolságú kémiai lézerek tervezésénél biztosítani kell a gázsugarak gyors és mély keveredését [3] . Az ilyen lézerekben az aktív részecskegeneráló zóna (termelőkamra, égéskamra) és a lézersugárzást előállító zóna térben elkülönül. A hosszú távú kémiai lézerek fő típusai [1] :
- HF(DF-) lézer termikus reakció iniciálással. Ezekben a lézerekben a deutérium-fluorid DF* molekula gerjesztett állapota olyan részecskeként működik, amely lézersugárzást generál . Az égéstérben a hidrogén H 2 (nem deutérium) égetik el fluorfeleslegben, és a felszabaduló nagy energiamennyiség miatt a felesleges F 2 disszociál , rendkívül aktív atomi fluor képződésével. A keletkező gázkeveréket egy fúvóka rácson vezetik át. Ebben az esetben a teljes áramlás több, 1-2 mm átmérőjű, szuperszonikus sebességre gyorsított és részben lehűtött sugárra oszlik. A fúvóka rostélyának kimeneténél az égéstérből érkező áramlás összekeveredik a D 2 deutériumárammal , és a következő reakció szerint keletkező részecskék képződnek: D 2 + F = DF * + H. Deutérium-fluoridot generálnak. részecske a hidrogén-fluorid helyett , mert a közeli molekulák "kioltják" a gerjesztett állapotokat. Így az égéstérben kialakuló HF áramlás deaktiválná a gerjesztett HF* molekulákat a lézerzónában. Mivel a felszabaduló energiának csak egy része vész el lézersugárzás hatására, a hőhatások csökkentésére a gázelegy hígítását inert gáz- hélium áramlással 1:10-20 arányban [1] alkalmazzák . A gerjesztett DF* molekulák koherens sugárzásának hullámhossza 3,8-4,2 µm [2] .
- (DF-CO 2 ) lézer. Ezekben a lézerekben a gerjesztett deutérium-fluorid molekulák DF* gyorsan energiát adnak át a CO 2 molekuláknak . A gerjesztett CO 2 * molekulák sokkal lassabban ellazulnak, mint a DF*, ami nagy kemolézer lánchosszt és ennek köszönhetően nagyobb lézerhatékonyságot biztosít. A hagyományos hidrogén használata deutérium helyett a megtermelt teljesítmény csökkenését eredményezi, mivel a HF* kevésbé hatékonyan ad át energiát a CO 2 -nek [2] . Az alacsony hőmérsékletű NO + F 2 = F + NOF reakció következtében atomi fluor keletkezik a gyártókamrában . A reakció a gyártókamrában az áramlások (F 2 +He) és (NO+CO 2 ) összekeverése után azonnal megindul. Ezután a kapott elegyhez D 2 deutériumot adunk , amely reakcióba lép az atomos fluorral, DF*-et képezve, majd energiaátadást a DF* -ről CO 2 -re. A gerjesztett CO 2 * molekulákat a gázáram az optikai rezonátorba szállítja, ahol a lézer sugárzást bocsátanak ki. A héliumot a hőhatások csökkentésére és a CO 2 molekulák alacsonyabb működési energiaszintjének „tisztítására” egyaránt használják [4] . A reagensek optimalizált aránya NO:F 2 :D 2 :CO 2 :He=1:6:5:45:100.
- Oxigén-jód lézer . Ebben a lézerben az atomos jód 2 P 1/2 állapotban generáló részecskeként működik . Kezdetben, általában a gáznemű klór Cl 2 reakciója során H 2 O 2 és NaOH vizes oldatával, az oxigén O 2 gerjesztett metastabil szingulett állapota ( a 1 Δ g ) képződik. A szingulett állapot energiája elegendő ahhoz, hogy biztosítsa mind az I 2 molekula disszociációs folyamatát, mind a jódatom gerjesztett állapotba való átvitelét. Az O 2 állapotból történő szivattyúzás során az oxigén egy része ( a 1 Δ g ) az aránytalanság miatt nagy energiájú O 2 ( b 1 Σ g + ) állapotba kerül, és atomokra bontja a befecskendezett gáz-halmazállapotú jód molekulákat: 2O 2 ( b 1 Σ g + ) + I 2 = 2O 2 ( X 3 Σ g − ) + 2I( 2 P 3/2 ). Ekkor az O 2 ( a 1 Δ g ) + I( 2 P 3/2 ) = O 2 ( 3 Σ) + I( 2 P 1/2 ) reakcióval részecske sugárzást generál . A lézersugárzást a következő reakció szerint hajtjuk végre: I( 2 P 1/2 ) + nhv = I( 2 P 3/2 ) + ( n +1) hv. A koherens sugárzás hullámhossza 1,315 µm [5] .
Jegyzetek
- ↑ 1 2 3 Oraevsky A. N. Kémiai lézerek // Soros Oktatási Lapja . - 1999. - 4. sz . - S. 96-104 .
- ↑ 1 2 3 Kémiai enciklopédia 5 kötetben, 2. kötet / fejezet. szerk. Knunyants I. L. . - Moszkva: Szovjet Enciklopédia, 1990. - S. 125-128.
- ↑ Bashkin A.S. , Igoshin V.I. , Oraevsky A.N. , Shcheglov V. A. Kémiai lézerek / szerk. N. G. Basova . — M .: Nauka, 1982. — S. 274-275.
- ↑ Tarasov L. V. Tizennégy előadás a lézerekről . - 2. kiadás - M . : Könyvesház "Librokom", 2011. - S. 95 . — ISBN ISBN 978-5-397-01693-3 .
- ↑ Ablekov, V.K. , Denisov Yu.N. Flow kémiai lézerek. - M . : Energoatomizdat, 1987. - S. 79-80.
Bibliográfia
- Ablekov, V. K. Flow kémiai lézerek / V. K. Ablekov , Yu. N. Denisov . — M .: Energoatomizdat, 1987. — 176 p.
- Ablekov, V. K. Kémiai lézerek / V. K. Ablekov , Yu. N. Denisov , V. V. Proshkin . — M .: Energoatomizdat, 1980. — 224 p.
- Molekulák elektronikus és vibrációs átmenetén alapuló lézerek // Alacsony hőmérsékletű plazma / lyukak enciklopédiája. szerk. S. I. Jakovlenko . - M. : Fizmatlit, 2005. - T. XI-4. Gáz- és plazmalézerek. — S. 697-763.
Linkek