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另類特殊的光學儀器——化學激光器

作者:東譜科技(廣州)有限責任公司 瀏覽: 發表時間:2019-07-08 09:00:00 來源:光電資訊

化學激光器是另一類特殊的氣體激光器,即是一類利用化學反應釋放的能量來實現工作粒子數布居反轉(簡稱粒子數反轉)的激光器。化學反應產生的原子或分子往往處於激發態,在特殊情況下,可能會有足夠數量的原子或分子被激發到某個特定的能級,形成粒子數反轉,以緻出現受激發射而引起光放大作用。

其泵浦源為化學反應所釋放的能量。這類激光器大部分以分子躍遷方式工作,典型波長範圍為近紅外到中紅外譜區。最主要的有氟化氫(HF)和氟化氘(DF)兩種裝置。前者可以在2.6~3.3微米之間輸出15條以上的譜線;後者則約有25條譜線處於3.5~4.2微米之間。這兩種器件目前均可實現數兆瓦的輸出。其他化學分子激光器包括波長為4.0~4.7微米的溴化氫(HBr)激光器,波長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電子躍遷的化學激光器是氧碘激光器,它具有高達40%的能量轉換效率,而其1.3微米的輸出波長則很容易在大氣中或光纖中傳輸。

化學激光器有脈衝和連續兩種工作方式。脈衝裝置首先於1965年發明,連續器件則於4年後問世。其中氟化氫和氟化氘激光器由於可以獲得非常高的連續功率輸出,其潛在軍事應用很快引起人們的興趣。在“星球大戰”計劃的推動下,美國於80年代中期以3.8微米波長、2.2兆瓦功率的氟化氘激光器為基礎,研製出“中紅外先進化學激光裝置”,在戰略防禦倡議局1988年提交國會的報告中,稱其為當時“自由世界能量最大的高能激光系統”。而氧碘激光器則在材料加工中得到應用,並可望用於受控熱核聚變反應。化學激光器最近的發展方向包括以數十兆瓦為目標進一步增加連續器件的輸出功率;努力提高氟化氫激光的光束質量和亮度;並探索由氟化氫激光器獲得1.3微米左右短波長輸出的可能性。

產生化學激光的化學反應一般為放熱的原子交換反應:A+BCAB*+C。為使上述化學反應能迅速地進行,必須有大量的自由原子A來引發反應,產生自由原子 A的方法就稱為引發技術。以產生氟原子的引發技術為例,就有紫外線引發、電子引發、熱引發、化學反應引發等;前三種引發方式都需要外部能源。化學反應引發方式不需要外部能源,故又稱純化學激光器。

按躍遷機理,化學激光器可分為三種。

純轉動化學激光器

它是利用分子的同一振動能級中的轉動能級間的粒子數反轉,把轉動能變成相幹輻射能的一類化學激光器。這種化學激光的輸出波長大於10微米,最長可達數百微米。雖然在化學激光研究的早期(1967)即已被發現,但受到重視則是70年代末。現在已發現的能夠產生純轉動化學激光的雙原子物有HF(DF)、HCI(DC1)、HO(DO)、HN。目前流行的看法認為在轉動能級間形成的粒子數反轉主要是由上振動能級到下振動能級之間的傳能造成的。已發現某些惰性氣體原子或雙原子分子特別有利於這種傳能,從而有利於實現純轉動化學激光。純轉動化學激光有可能用作激光分離同位素的選擇性激發能源。此外轉動化學激光的研究還可以提供傳能的信息。

振轉躍遷化學激光器

是利用元反應的分子產物或自由基產物的振動- 轉動能級上的粒子數反轉,把反應釋放的能量轉化成為相幹輻射能的一類化學激光器。它是最早發現的一類化學激光器,迄今為止在化學激光中仍占有最重要的地位。已發現的激射物有 HF(DF)、HC1(DC1)、HBr(DBr)、HO(DO)、HCN、NO、CO、H2O、CO2等。這種激光的輸出波長主要是在2~10微米之間。抽運反應有以下幾種類型:①在雙分子反應中有利用氫原子提取分子中的鹵素原子或利用鹵素原子提取分子中的氫原子的反應,還有利用氧原子的氧化反應;②在單分子反應中有自由基 -自由基重合反應、消去反應、插入消去反應、加成消去反應、自由基-分子反應等多種類型;③在光化學反應中有光消去反應和光解離反應等。由於此種激光器可不用電能激勵並且其中的若幹個效率較高,可研製成連續波或脈衝運轉的大能量或大功率激光器,所以它仍然是有希望的可攜帶的用於空間的激光武器的重要候選者。在微觀反應動力學研究中它是三種公認的較成熟的研究元化學反應產物初始振動能分布的方法之一(另兩種是紅外化學發光和激光誘導熒光)。

電子躍遷化學激光器

利用化學反應釋放的能量將激射介質泵到電子激發態,並達到粒子數反轉,然後受激發射產生激光。電子激發態能量受到化學鍵能的限製,隻有3~4電子伏。如果電子激發態能量超過4電子伏,就必須借助於低能階電子激發態粒子與其他激發態粒子間的多次碰撞傳能才可能達到高能階電子激發態。 電子躍遷化學激光器的典型例子是氧- 碘傳能激光器。目前普遍采用的化學反應體系是用氫氧化鈉、氯和過氧化氫進行化學反應直接產生電子激發態氧O2(a′Δ)。它是禁戒躍遷態(自發發射壽命約45分鍾),實質上是一種貯能介質,必須將其能量傳遞給另一個激射介質,才能進行激射。被選中的激射介質是基態碘原子I(2P3/2),它與O2(a′Δ)通過共振傳能過程:O2(a′Δ)+I(2P3/2)─→O2(x3Σ)+I(2P┩)

得到電子激發態I(2P┩),然後受激發射產生1.315微米的碘激光。


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