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化学激光器原理及其工作方式

    化学激光器是用化学反应来产生激光的。如氟原子和氢原子发生化学反应时,能生成处于激发状态的氟化氢分子。这样,当两种气体迅速混合后,便能产生激光,因此不需要别的能量,就能直接从化学反应中获得很强大的光能 。 
    
    化学激光器是另一类特殊的气体激光器,其泵浦源为化学反应所释放的能量。这类激光器大部分以分子跃迁方式工作,典型波长范围为近红外到中红外谱区。最主要的有氟化氢(HF)和氟化氘(DF)两种装置。前者可以在2.6~3.3微米之间输出15条以上的谱线;后者则约有25条谱线处于3.5~4.2微米之间。这两种器件目前均可实现数兆瓦的输出。其他化学分子激光器包括波长为4.0~4.7微米的溴化氢(HBr)激光器,波长4.9~5.8微米的一氧化碳(CO)激光器等。迄今唯一已知的利用电子跃迁的化学激光器是氧碘激光器,它具有高达40%的能量转换效率,而其1.3微米的输出波长则很容易在大气中或光纤中传输。 

    工作方式 

    化学激光器有脉冲和连续两种工作方式。脉冲装置首先于1965年发明,连续器件则于4年后问世。其中氟化氢和氟化氘激光器由于可以获得非常高的连续功率输出,其潜在军事应用很快引起人们的兴趣。在“星球大战”计划的推动下,美国于80年代中期以3.8微米波长、2.2兆瓦功率的氟化氘激光器为基础,研制出“中红外先进化学激光装置”,在战略防御倡议局1988年提交国会的报告中,称其为当时“自由世界能量最大的高能激光系统”。而氧碘激光器则在材料加工中得到应用,并可望用于受控热核聚变反应。化学激光器最近的发展方向包括以数十兆瓦为目标进一步增加连续器件的输出功率;努力提高氟化氢激光的光束质量和亮度;并探索由氟化氢激光器获得1.3微米左右短波长输出的可能性。 
 
    引发技术   产生化学激光的化学反应一般为放热的原子交换反应:A+BCAB*+C。为使上述化学反应能迅速地进行,必须有大量的自由原子A来引发反应,产生自由原子 A的方法就称为引发技术。以产生氟原子的引发技术为例,就有紫外线引发、电子引发、热引发、化学反应引发等;前三种引发方式都需要外部能源。化学反应引发方式不需要外部能源,故又称纯化学激光器。  

    运转类型   1964年G.C.皮门塔尔等首先实现碘和氯化氢化学激光,80年代已发展按下列各种类型运转的化学激光。  
 
    光解离型   这类体系(例如CF3I或C3F7I)主要靠外界紫外线提供能量,被激励为激发态分子 (CF3I* 或C3F7I*),然后通过它本身的单分子解离反应,获得激发态I*原子,并且实现粒子数反转而产生激光。  

    原子态激励型  为了保证化学激励进行得足够快,使之不落后于碰撞弛豫过程,必须利用自由原子(或自由基)参加的元反应作为激光泵反应,这是此类体系的主要特点。它依靠外界电、光、热等能源(例如电弧加热、闪光光解、横向放电或电子束引发)得到所需要的自由原子(氟、氢、氯或氧);然后,这些自由原子与第二种分子反应物(例如氢、氟、二硫化碳或臭氧)发生元反应,获得反应产物的粒子数反转而产生激光。

    纯化学型  这种运转方式要比上述的原子态激励型更为先进和实用。其特点是不需要外界各种能源,完全靠体系本身的化学反应自由能(见吉布斯函数)来得到所需要的自由原子。例如用NO+F2或D2+F2燃烧解离来得到氟原子。然后,氟原子与氢分子(或氘分子)反应,获得激发态的HF*(或DF*)的粒子数反转而产生激光。CS2+O2燃烧体系也属此类。  
 
    传能转移型  这类体系〔例如DF-CO2或 O2(a′Δ)-I〕的特点是化学反应产生的激发态粒子〔DF 或 O2(a′Δ)〕通过共振传能过程,将所储能量转移给激光工作粒子二氧化碳或碘原子实现反转而产生激光,O2(a′Δ)为电子激发态氧。  

    原子态激励型和传能转移型可以连续波或脉冲方式工作;光解离型以脉冲方式工作;纯化学型以连续波方式工作。  

    反转方式  化学激光器通过化学反应来实现粒子数的反转,而且有不同的反转方式,在反应初始阶段往往出现全反转分布,即反应产生的分子产物的高振动能级的分子数Nv+1比低振动能级的分子数Nv多,即振动能级之间存在粒子数反转状态。此时激光腔内P支(ΔJ=-1)、Q支(ΔJ=0)、R支(ΔJ=+1)辐射跃迁,都可能产生激光。随着分子间相互碰撞交换能量以及级联辐射跃迁,这种全反转分布会逐步过渡到部分反转分布,直至最后反转完全消失。此外,还有些反应甚至一开始就产生部分反转分布。其意义在于,即使高振动能级的分子数Nv+1比低振动能级的分子数Nv少,振动能级之间可以不存在粒子数反转,但其中某些振动-转动能级之间的分子数,仍然存在着(Nv+1,J/gJ)>(Nv,J+1/gJ+1)的关系(J为转动能级的量子数;g为能级简并度),即局部振转能级之间依旧存在着粒子数反转状态。 此时激光腔内只能以P支跃迁发射激光,增益也不如全反转为高。反应过程所以能出现这种部分反转现象,是由于振动自由度的弛豫速率远比转动自由度为慢,两者之间未能及时建立平衡,振动温度往往远高于转动温度;Nv+1比起Nv又少不了多少,因而 P支反转就有可能发生。这是气体或化学分子激光中粒子数反转的一种特殊情况。氟化氢和一氧化碳化学激光体系就是按上述的反转方式发射激光的。除振动-转动能级外,某些分子的电子-振动能级也可能产生部分反转现象。 
  
    器件类型  按跃迁机理,化学激光器可分为三种。  
 
    纯转动化学激光器  它是利用分子的同一振动能级中的转动能级间的粒子数反转,把转动能变成相干辐射能的一类化学激光器。这种化学激光的输出波长大于10微米,最长可达数百微米。虽然在化学激光研究的早期(1967)即已被发现,但受到重视则是70年代末。现在已发现的能够产生纯转动化学激光的双原子物有HF(DF)、HCI(DC1)、HO(DO)、HN。目前流行的看法认为在转动能级间形成的粒子数反转主要是由上振动能级到下振动能级之间的传能造成的。已发现某些惰性气体原子或双原子分子特别有利于这种传能,从而有利于实现纯转动化学激光。纯转动化学激光有可能用作激光分离同位素的选择性激发能源。此外转动化学激光的研究还可以提供传能的信息。  
 
    振转跃迁化学激光器  是利用元反应的分子产物或自由基产物的振动- 转动能级上的粒子数反转,把反应释放的能量转化成为相干辐射能的一类化学激光器。

    它是最早发现的一类化学激光器,迄今为止在化学激光中仍占有最重要的地位。已发现的激射物有 HF(DF)、HC1(DC1)、HBr(DBr)、HO(DO)、HCN、NO、CO、H2O、CO2等。这种激光的输出波长主要是在2~10微米之间。抽运反应有以下几种类型:①在双分子反应中有利用氢原子提取分子中的卤素原子或利用卤素原子提取分子中的氢原子的反应,还有利用氧原子的氧化反应;②在单分子反应中有自由基 -自由基重合反应、消去反应、插入消去反应、加成消去反应、自由基-分子反应等多种类型;③在光化学反应中有光消去反应和光解离反应等。由于此种激光器可不用电能激励并且其中的若干个效率较高,可研制成连续波或脉冲运转的大能量或大功率激光器,所以它仍然是有希望的可携带的用于空间的激光武器的重要候选者。在微观反应动力学研究中它是三种公认的较成熟的研究元化学反应产物初始振动能分布的方法之一(另两种是红外化学发光和激光诱导荧光)。  
 
    电子跃迁化学激光器  利用化学反应释放的能量将激射介质泵到电子激发态,并达到粒子数反转,然后受激发射产生激光。电子激发态能量受到化学键能的限制,只有3~4电子伏。如果电子激发态能量超过4电子伏,就必须借助于低能阶电子激发态粒子与其他激发态粒子间的多次碰撞传能才可能达到高能阶电子激发态。  
 
    电子跃迁化学激光器的典型例子是氧- 碘传能激光器。目前普遍采用的化学反应体系是用氢氧化钠、氯和过氧化氢进行化学反应直接产生电子激发态氧O2(a′Δ)。它是禁戒跃迁态(自发发射寿命约45分钟),实质上是一种贮能介质,必须将其能量传递给另一个激射介质,才能进行激射。被选中的激射介质是基态碘原子I(2P3/2),它与O2(a′Δ)通过共振传能过程:  

    O2(a′Δ)+I(2P3/2)─→O2(x3Σ)+I(2P┩) 

    得到电子激发态I(2P┩),然后受激发射产生1.315微米的碘激光。

(编辑:文静)

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