Chimic laser - enciclopedie fizică

Un laser chimic este un laser cu gaz, în care se formează inversarea populației ca rezultat al reacțiilor chimice. reacții. Abilitatea de a crea X. pe baza faptului că produsele multor exoterme. Chem. reacțiile se formează. în state excitate. Cele mai multe X. l. funcționează pe rotirea vibrațională. tranziții ale moleculelor diatomice. Moleculele excitate sunt formate eficient, în special, ca urmare a exotermelor. reacții de substituție:







și mijloace. partea d a energiei eliberate Se divide într-o excitație vibrațională. nivelurile moleculei AB. Ca urmare, se formează un gaz de non-echilibru al moleculelor diatomice AB, în care cf. valoarea este oscilantă. energia este mult mai mare decât cantitatea de energie furnizată. și vra-shchat. gradul de libertate a moleculelor. Un astfel de gaz de non-echilibru este un mediu activ cu o populație inversă pentru un număr mare de oscilații. tranziții (vezi Spectrele moleculare). În tabel. se dau câteva reacții care conduc la populația inversă, valorile lui D și d, precum și un interval de lungime de undă aproximativ l din radiația corespunzătoare.

Pentru munca lui H. l. este necesar să se creeze un anumit număr de radicali liberi reactivi care să stimuleze cursul chimiei. reacție. În acest scop, se folosesc toate metodele de influențare a moleculelor care conduc la disocierea lor: încălzirea directă, provocând căldură. disociere; iradierea cu lumină UV sau vizibilă, provocând fotodisocirea parțială sau completă a moleculelor; Chem. reacții însoțite de formarea de radicali liberi; o descărcare de gaz în care se formează radicali liberi în bază. în coliziuni de electroni cu molecule; iradiere chim. reactanți cu raze de electroni sau ioni rapizi, produse de reacții nucleare etc. Deoarece, ca urmare a reacțiilor care duc la excitarea lui X. l. se produc schimbări ireversibile. compoziția reactivilor inițiali, condiția necesară este lungă. PA-

bots de X. l. este reînnoirea continuă a substanței active.

În mediul activ, Ch. împreună cu reacția (1), apar o varietate de procese de ciocnire cu participarea moleculelor excitate vibrațional. Aceste procese oferă ființe. influențează asupra formării populațiilor și determină caracteristicile de ieșire ale lui X. l. Naib. este important procesul relaxării vibrațional-translaționale a moleculelor excitate vibrațional:


unde M sunt moleculele care fac parte din mediul activ X. l. u este numărul cuantic vibrațional al moleculei. Acest proces, ca rezultat al energiei vibrationale a moleculei formate în timpul fluxului exotermic. reacția este transformată în căldură, distruge inversarea populației în mediul activ. și limitează caracteristicile sale de ieșire. Eff. transformarea substanțelor chimice. energia în energia radiației laser este posibilă numai cu condiția ca timpul caracteristic al reacției (1) să nu depășească timpul caracteristic al procesului. relaxare (2). Deoarece este obișnuit ca chimia de fază gazoasă să curgă. reacție, condiția opusă este îndeplinită, doar nesemnificativă. numărul de sisteme care reacționează chimic este adecvat pentru utilizare ca mediu activ. cu caracteristici de ieșire mari.

Energia eliberată ca rezultat al fluxului exotermic. Chem. reacții, este de obicei distribuită în funcție de. numărul de oscilații. stările moleculei - produsul reacției. Natura acestei distribuții este determinată de relația dintre timpii de curgere chimici. reacția (1), oscilație. relaxare (2), precum și timpul caracteristic al procesului de schimbare a oscilațiilor. quanta în coliziunea moleculelor AB una cu cealaltă. Această relație depinde într-un mod foarte complicat de compoziția mediului activ al laserului, pe temperatura gazului și determină spectrul de emisie al fasciculului laser. În plus, moleculele aparținând determinantului. kolebat. stat, sunt distribuite în funcție de. numărul este rotit. state. În acest caz, datorită schimbului rapid de rotații. energie în coliziuni unele cu altele și cu molecule ale gazului tampon, distribuția moleculelor de-a lungul rotației. stări în mediul activ. este descrisă de formula Boltzmann:







unde Nu este concentrația moleculelor aparținând unei stări vibraționale date; În rândul său. molecula constanta; J -vraschat. numărul cuantic care caracterizează o anumită rotire. de stat; T este temperatura gazului. În aceste condiții, într-un mediu activ, Un mod de inversare parțială este realizat atunci când inversarea populației prin rotație vibrațională. tranzițiile ramificațiilor P (tranziții JJ + 1) se realizează atunci când este încălcată condiția Nu> Nu-1. Aceste circumstanțe afectează caracterul spectrului laser. care de obicei constă dintr-un număr mare de rotiri vibraționale. P-ramuri de tranziție aparținând mai multor. kolebat. benzi.

DOS. parametrii care caracterizează eficacitatea lui X. l., - chimicale sale. eficiența hx (raportul dintre energia radiației laser și energia eliberată ca urmare a reacției chimice) și așa mai departe. Electrice. (raportul dintre energia radiației laser și energia consumată la inițierea reacției chimice). Deoarece energia necesară pentru a iniția o mulțime. este exotermă. reacție, mai puțină energie, care este eliberată ca urmare a unor astfel de reacții, valoarea ei nu are limite principale de sus și poate depăși 100%. De exemplu. Electrice. eficiența lui X. l. bazată pe reacția în lanț a fluorului cu hidrogen (sau deuteriu)


în definiție. condițiile atinge 1000%. Acest lucru se datorează particularităților chimiei lanțului. reacție, pentru inițiere

Învățarea suficientă de a învăța să nu-i facă nimic înseamnă nimic. numărul de radicali activi chimic. Totuși, valoarea laserelor hx cu o valoare atât de ridicată a h este relativ mică (

1%), deoarece pentru un început mic. gradul de disociere a moleculelor F2, timpul de reacție în lanț este mult mai lung decât timpul caracteristic de distrugere a populației inverse ca urmare a coliziunilor intermoleculare însoțite de vibrații. relaxare. Având în vedere această circumstanță, valoarea hx a laserului bazată pe reacția în lanț a fluorului cu hidrogen cu începutul scăderii. gradul de disociere a moleculelor scade conform legii hx

, iar pentru el dependența e

1 / Rezultă că utilizarea unei reacții în lanț nu permite o transformare completă a substanței chimice. energie în energia radiației laser. În legătură cu acest naib. puternic X. l. bazat pe HF, având o valoare ridicată a hx (până la 10%), lucrează pe baza reacțiilor simple de substituție (tabelul). Max. energia radiației


din laserele HF în regimul impulsic ajunge la 10 kJ la o durată de impuls de câteva bucăți. zeci de ns. Naib. puternic X. l. cu privire la acțiunea de acțiune continuă HF atunci când substanța activă este pompată printr-un rezonator cu o viteză supersonică și este caracterizată prin puterea de ieșire în mai multe. kW la h

Împreună cu moleculele excitate vibrațional ca urmare a fluxului exotermic. reacțiile pot forma molecule excitate pe cale electronică, căderea radiantă a acestora poate forma și baza muncii chimice. cu laser. Din numărul mare de chimii specifice discutate în literatură. mecanisme pentru crearea de atomi sau molecule excitate electronic ca mediu activ. implementarea practică a constatat mecanismul creării unei populații inversate în tranziția dintre stările structurii fine a atomului de iod I (2 P1 / 2) și I (2 P3 / 2) cu o lungime de undă de 1.315 microni. Deșeuri de top. starea tranziției cu laser este realizată ca urmare a transferului excitației din molecula oxigenului singlet:


La rândul său, oxigenul singlet este obținut ca rezultat al reacției clorului cu peroxid de hidrogen într-un mediu alcalin. Astfel. Laserul cu oxigen-iod nu este

buet pentru munca sa externă. sursă de energie, consumând exclusiv produse chimice. energia reactivilor. Puterea de ieșire a acestui laser ajunge la mai multe. sute de wați în mod continuu cu eficiență în mai multe. procente. Calitățile atractive ale unui laser de acest tip sunt legate de lungimea de undă a radiației de la valoarea maximă corespunzătoare. transparență optică. dispozitive pe bază de siliciu, precum și cu naib. ridicat printre X. l. calitatea fasciculului laser, care se datorează nesemnificativității. eliberarea energiei în mediul activ al laserului.

În centrul aplicațiilor lui X. l. pe de o parte, eficiența lor ridicată și puterea de generare, iar pe de altă parte, posibilitatea obținerii de lasere pe un număr mare de tranziții într-o regiune largă a spectrului IR. Împreună cu alte tipuri de lasere de mare putere. utilizate în tehnologia de prelucrare a materialelor, în setările de cercetare pentru dispozitive de fuziune cu laser în sisteme laser, simțind atmosfera in spectroscopie laser, chimie cu laser, cu laser de separare a izotopilor, precum și pentru studierea coliziunile moleculare cu kolebat schimbare. și se rotește. stări de molecule.

REFERINȚE Laser lasere, ed. NG Basova, M. 1982; Eletskii AV Procese în lasere chimice, "UFN", 1981, v. 134, c. 2, p. 237; Chimerii lasere, ed. R. Gross și J. Bott, trans. cu engleza. M. 1980; Ablekov VK Denisov Yu. N. Proshkin VV Chemical lasers, M. 1980.







Articole similare

Trimiteți-le prietenilor: