Электроразрядный кислородно-йодный лазер с буферным газом

Изобретение относится к лазерной технике. В электроразрядном кислородно-йодном лазере в газовый поток непосредственно на выходе генератора молекул синглетного кислорода O₂(¹Δ) и перед сверхзвуковым соплом подмешивается газ X (CO₂, SF₆, SiF₄ и т.д.), состоящий из молекул, тушащих возбужденный озон $$O_3^{\ast }$$ , с концентрацией, превышающей концентрацию молекул O₂(¹Δ) более чем в 5×10^-11/k раз, где k - константа скорости тушения процесса $$X+O_3^{\ast }\to X+O_3$$ в единицах см³/сек. Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности лазера. 3 ил.

 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке электроразрядных кислородно-йодных лазеров.

Кислородно-йодный лазер действует на спин-орбитальном переходе атомарного йода I(²P_1/2)→I(²P_3/2) с длиной волны излучения 1,315 мкм. Лазерный переход инвертируется в ходе передачи электронной энергии от молекулы синглетного кислорода O₂(¹Δ). Известна установка электроразрядный кислородно-йодный лазер (ЭКИЛ) [1], в которой молекулы O₂(¹Δ) нарабатываются в электроразрядном генераторе 1 (фиг.1). На вход генератора 1 подается смесь газов O₂/He/NO. В ходе протекания плазмохимических реакций в генераторе 1 нарабатываются электронно-возбужденный молекулярный синглетный кислород O₂(¹Δ) и атомарный кислород. Относительное содержание молекул O₂(¹Δ) в кислородном потоке может достигать 17% при полном давлении кислорода 20 Торр [2]. Атомарный кислород является побочным продуктом и его относительное содержание в кислородном потоке может достигать нескольких процентов.

С выхода генератора 1 газовый поток течет по тракту транспортировки 2 к входу сверхзвукового сопла 3. В газовый поток через порт 6 инжектируются пары молекулярного йода с несущим его буферным газом He. Молекулярный йод диссоциирует на атомы в последовательности химических реакций:

I₂+O→IO+I

IO+O→I+O₂.

Перед соплом 3 в газовый поток вводится буферный газ азот для получения сверхзвукового потока с высоким значением числа Маха (отношение скорости газового потока к скорости звука). Активная среда лазера охлаждается в ходе расширения в сверхзвуковом сопле 3. Оптическая ось резонатора 4 перпендикулярна направлению газового потока и пересекает его в точке с максимальным значением коэффициента усиления активной среды. Газовый поток покидает резонатор в направлении 5.

Для повышения эффективности работы ЭКИЛ необходимо поднимать давление кислорода на выходе генератора [2]. Однако рост давления O₂ сопровождается падением относительной доли O₂(¹Δ). Это обусловлено присутствием на выходе электроразрядного генератора атомов кислорода O. Атомарный кислород играет двоякую роль в ЭКИЛ. Он обеспечивает диссоциацию молекулярного йода, но он также дезактивирует O₂(¹Δ) [3, 4].

В ходе рекомбинации атомов кислорода в процессе:

образуется либо электронно- [5] либо колебательно-возбужденный [6] озон $$O_3^{\ast }$$ , который эффективно реагирует с молекулярным синглетным кислородом в реакции:

с константой скорости реакции k₃=5×10^-11 см³/сек [7].

На фиг.2 представлена временная зависимость относительной концентрации O₂(¹Δ) для нескольких составов смеси при фотолизе смеси O₃-O₂-CO₂ при давлении кислорода 460 Торр, начальном давлении озона 1 Торр для нескольких давлений углекислого газа, взятой из работы [7]. Как видно на фиг.2, для смеси O₃-O₂ (нижняя кривая) относительная концентрация O₂(¹Δ) падает со временем почти в три раза из-за его тушения в процессе (3). Экспериментально обнаружено, что скорость тушения O₂(¹Δ) в системе кислородно-озоновой смеси замедляется при добавлении в эту смесь компонент, хорошо тушащих возбужденный озон, таких как углекислый газ и гелий. Например, при добавлении в смесь 13 Торр углекислого газа выход O₂(¹Δ) увеличивается более чем в 2 раза по сравнению со смесью, не содержащей этой добавки. И наоборот, добавление слабого тушителя $$O_3^{\ast }$$ , например Ar, практически не сказывается на скорости тушения O₂(¹Δ) [3, 7].

Таким образом, процесс (3) приводит к падению концентрации O₂(¹Δ) в ходе его транспортировки к соплу 3 в схеме ЭКИЛ, предложенного в работе [1]. Потери O₂(¹Δ) при его транспортировке в процессе (3) приводят к уменьшению эффективности ЭКИЛ. Добавление в газовый поток на выходе генератора компонента X, тушащего возбуждение в озоне, будет приводить к стабилизации озона в процессе:

Потери O₂(¹Δ) будут незначительными, если скорость процесса (4) будет превышать скорость процесса (3). Это условие будет выполняться, если отношение содержания в смеси компонента [X] к содержанию O₂(¹Δ) на выходе генератора будет превышать величину 5×10^-11/k, где k - константа скорости процесса (4) в единицах см³/сек.

Целью изобретения является увеличение производительности ЭКИЛ. Это достигается тем, что на выходе генератора 1 в газовый поток через порт 6 (фиг.3) в смесь добавляется газ X (CO₂, SF₆, SiF₄ и т.д.), состоящий из молекул, тушащих возбужденный озон $$O_3^{\ast }$$ , в соотношении к синглетному кислороду более чем 5×10^-11/k раз.

На фиг.3 изображена принципиальная схема устройства ЭКИЛ. В поток газа, выходящего из генератора 1, через порт 6, расположенного непосредственного на выходе генератора, подмешивается газ X. Газ X состоит из молекул, хорошо тушащих возбужденный озон $$O_3^{\ast }$$ (CO₂, SF₆, SiF₄ и т.д.). Через порт 7 в газовый поток добавляются пары молекулярного йода с несущим его буферным газом, в качестве которого может служить также газ X. Молекулярный йод диссоциирует на атомы при взаимодействии с атомарным кислородом. Активная среда лазера охлаждается в ходе расширения в сверхзвуковом сопле 3. Энергия, запасенная в O₂(¹Δ), конвертируется в лазерное излучение в резонаторе 4. Газовый поток покидает резонатор в направлении 5.

На фиг.1 схематично изображена принципиальная схема элекроразрядного кислородно-йодного лазера.

На фиг.2 представлены временные зависимости относительных концентраций молекул синглетного кислорода в смеси O-O₂-CO₂ при давлении кислорода 460 Торр, атомов кислорода около 1 Торр для различных давлений CO₂.

На фиг.3 изображена принципиальная схема заявляемого элекроразрядного кислородно-йодного лазера с буферным газом.

Литература:

1. D.L. Carroll, J.T. Verdeyen, D.M. King, J.W. Zimmerman, J.K. Laystrom, B.S. Woodard, G.F. Benavides, K. Kittell, D.S. Stafford, M.J. Kushner and W.C. Solomon, "Continuous-wave laser oscillation on the 1315 nm transition of atomic iodine pumped by O₂(a ¹Δ) produced in an electric discharge," Appl. Phys. Lett., 86, 111104, 2005.

2. О.V. Braginsky, A.S. Kovalev, D.V. Lopaev, О.V. Proshina, Т.V. Rakhimova, A.T. Rakhimov and A.N. Vasilieva, "High pressure electro-discharge singlet oxygen generator (ED SOG) with high efficiency and yield," J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 41, no.17, pp.172008-1-172008-5, 2008.

3. Azyazov V.N., Mikheyev P.A., Postell D., Heaven M.C., "O₂(a¹Δ) quenching in the O/O₂/O₃ system", Chem. Phys. Lett. 482(1-3), 56-61 (2009).

4. Vasiljeva A.N., Klopovskiy K.S., Kovalev A.S., Lopaev D.V., Mankelevich Y.A., Popov N.A., Rakhimov A.T., Rakhimova T.V., J. Phys. D: Appl. Phys., 2004, vol. 37, p.2455-2468

5. Shi J., Barker J.R., "Emission from ozone excited electronic states", J. Phys. Chem., vol. 94, 8390-8393, 1990;

6. C.W. vonRosenberg, D.W. Trainor, "Vibrational excitation of ozone formed by recombination", J. Chem. Phys., vol. 61, 2442-2456, 1974.

7. Azyazov V.N., Mikheyev P.A., Heaven M.C., "On the O₂(a ¹Δ) quenching by vibrationally excited ozone", Proc. SPIE 7751, 77510E (2010).

Электроразрядный кислородно-йодный лазер, характеризующийся тем, что в газовый поток непосредственно на выходе генератора молекул синглетного кислорода O₂(¹Δ) и перед сверхзвуковым соплом подмешивается газ X (CO₂, SF₆, SiF₄ и т.д.), состоящий из молекул, тушащих возбужденный озон $$O_3^{\ast }$$ , с концентрацией, превышающей концентрацию молекул O₂(¹Δ) более чем в 5×10^-11/k раз, где k - константа скорости тушения процесса $$X+O_3^{\ast }\to X+O_3$$ в единицах см³/сек.