СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНВЕРСИОННОЙ НАСЕЛЕННОСТИ НА АТОМАХ ЙОДА
METHOD OF OBTAINING POPULATION INVERSION ON IODINE ATOMS

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для создания кислородно-йодных лазеров.
Широко известен способ создания инверсной населенности на переходе тонкой структуры атомов йода в активной среде кислородно-йодном лазере, в котором поток газа с молекулами синглетного кислорода, полученный в результате реакции хлорирования щелочного раствора перекиси водорода, смешивается с потоком газа, содержащим молекулы йода [US 4267526 C, опубл. 12.05.1981, МПК Н018 3/095]. В результирующем газовом потоке происходит цепочка химических и энергообменных реакций, которые приводят к образованию атомов йода и образованию инверсной населенности на переходе тонкой структуры атома йода. Для получения синглетного кислорода в таком случае используются опасные химические реагенты - хлор, перекись водорода, щелочь. Организовать замкнутую прокачку активной среды в данном случае не представляется возможным.
2
2
1
1
Инверсную населенность на атомах йода в активной среде кислородно-йодном лазере можно создать при смешении йодосодержащего потока газа с кислородосодержащим потоком газа, в котором высокое содержание молекул синглетного кислорода O(aΔ) можно сделать различными физическими и химическими способами. Поток газа с молекулами синглетного кислорода O(aΔ) можно получить путем поглощения излучения около длины волны 634 нм димолями кислорода [US 6658038, опубл. 02.12.2003, МПК H01S 3/095] или в результате поглощения излучения около длины волны 762 нм молекулами кислорода [US 6570903, опубл. 27.05.2003, МПК H01S 3/095]. В данном способе не допускается примесей атомов и молекул йода в исходном кислородосодержащем потоке, что не позволяет осуществить замкнутую прокачку рабочей среды в кислородно-йодном лазере.
2
1
Поток газа с молекулами синглетного кислорода O(aΔ) можно получить в плазме высокочастотного самостоятельного разряда [RU 2369950, опубл. 27.05.2009, МПК H01S 3/095], постоянного тока [Ivanov V.V., Klopovsky K.S., Lopaev D.V. et al., (1999) IEEE Transactions of plasma science, V.27, p.1279], несамостоятельного электрического разряда [RU 2206495, опубл. 20.06.2003, МПК С01В 13/00]. Электрический разряд осуществляется в кислородсодержащем потоке, в котором до смешения не допускается примесей атомов или молекул йода. Для замкнутой рециркуляции рабочей среды в кислородно-йодном лазере необходимо тщательно очищать отработанную среду от следов йодосодержащих веществ, что представляет значительную техническую проблему и усложняет эксплуатацию лазерной системы. В противном случае в послеразрядной смеси образуются примеси, которые разрушают инверсную населенность. Энергетическая эффективность кислородно-йодных лазеров с электроразрядным способом получения синглетного кислорода находится на довольно низком уровне.
2
1
Поток газа с молекулами синглетного кислорода O(aΔ) можно получить путем передачи энергии молекулам кислорода от частиц (роза бенгальская, порфирин, фуллерен), возбуждаемых светом [RU 2290364, опубл. 27.08.2004, МПК С01В 13/02], [Н.В. Шинкаренко, В.Б. Алесковский. Синглетный кислород, методы получения и обнаружения. Успехи химии, 1981, Том 50, Номер 3, Страницы 406-428].
Наиболее близким к заявляемому является способ создания инверсной населенности на переходе тонкой структуры атомов йода в активной среде кислородно-йодном лазере, в котором поток газа с молекулами синглетного кислорода получают путем передачи энергии от молекул фуллерена, возбуждаемых светом [RU 2181224, опубл. 10.04.2002, МПК H01S 3/095].
2
1
В данном способе получения молекул O(aΔ) не допускается наличие следов атомов и молекул йода в исходном кислородосодержащем потоке, что не позволяет осуществить замкнутую прокачку рабочей среды в кислородно-йодном лазере. Данный факт является основным недостатком прототипа.
Цель изобретения заключается в создании способа получения инверсной населенности на переходе тонкой структуры атома йода при помощи двухэтапной оптической накачки, осуществляемой, например, при помощи световых диодов.
Данная задача решается за счет того, что в способе получения инверсной населенности на атомах йода, заключающемся в оптической накачке газового потока, согласно изобретению оптическую накачку производят в два этапа, на первом этапе газовый поток облучают светом с длиной волны 490±10 нм, осуществляя частичную 1-10% диссоциацию молекул йода, с последующим облучением газового потока излучением с длиной волны 1315 нм до полной диссоциации молекул йода, а затем производят газодинамическое охлаждение.
Основными достоинствами предлагаемого способа являются отсутствие необходимости использования опасных реагентов (таких как хлор) и возможность осуществления непрерывной прокачки рабочей среды.
пор
пор
пор
1/2
2
3/2
2
пор
пор
2
пор
1
1
3
-1
2
3
2
1
1
Инверсная населенность и лазерный эффект на переходе тонкой структуры атома йода наступают только при выполнении соотношения Y>Y, где Y - отношение концентрации кислорода в состоянии aΔ к его суммарной концентрации в состояниях aΔ и ХΣ, а величина Y (T)=(1+1,5ехр(401/T))есть пороговое содержание синглетного кислорода при температуре Т. Величина порогового содержания Y следует из равновесия обратимой реакции обмена электронной энергии между атомами кислорода и йода: I(P)+O(ХΣ)↔I(P)+O(aΔ). При T=300K пороговое содержание Y=0.15, а при T=150K пороговое содержание Y=0.044. Таким образом, создание инверсной населенности на переходе тонкой структуры атомов йода заключается в создании газовой среды с атомами йода и молекулами кислорода с относительной долей синглетного кислорода O(aΔ), большей порогового значения Y.
2
3/2
3/2
1/2
3/2
1/2
1/2
2
3/2
2
2
1/2
2
1/2
2
3/2
2
2
2
3/2
3/2
2
1
1
пор
1
1
2
1
1
пор
2
2
2
2
2
2
1
2
3
2
1
1
2
1
2
1
2
1
1
1
2
2
3
Сущность изобретения можно понять из кинетической схемы физико-химических процессов в кислородно-йодной среде и схемы устройства для реализации предложенного способа получения инверсной населенности, представленного на чертеже. Газ, содержащий молекулы йода и молекулы кислорода, поступает в камеру 1, в которой облучается светом с длиной волны 490 нм, под действием которого молекулы йода диссоциируют. Фотодиссоциацию схематично можно описать реакцией I+фотон (λ≈490 нм)=>I(P)+I(P). Из камеры 1 кислородно-йодный поток поступает в камеру 2, где он облучается светом с длиной волны 1315 нм, под действием которого атомы йода возбуждаются в состояние P, что схематично можно представить реакцией I(P)+фотон (λ≈1315 нм)→I(P). Возбужденные атомы йода передают энергию молекулам кислорода в состояние аΔ, что можно схематично представить реакцией I(P)+O(ХΣ)→I(P)+O(aΔ). После этого в результате взаимодействия молекул O(aΔ) и атомов йода I(P) образуются молекулы кислорода O(bΣ), что можно схематично представить реакцией I(P)+O(aΔ)→I(P)+O(bΣ). Столкновение молекул кислорода в состоянии bΣ с молекулами йода приводит к их дальнейшей диссоциации в реакции I+O(Σ)→I(Р)+I(Р)+O(Σ). Описанная цепочка реакций в кислородно-йодной среде, облучаемой излучением с длиной волны 1315 нм, продолжается до практически полной диссоциации молекул йода. В конце камеры 2 практически все молекулы йода диссоциируют на атомы, среда приобретает температуру T, а содержание синглетного кислорода Y доводится до значения, близкого к величине Y(T)=Y(T). Оптимальные размеры камер 1 и 2, при которых в кислородно-йодной среде будет достигнута полная диссоциация молекул йода и содержание молекул, равное Y(T), определяется скоростью, давлением, составом, температурой исходной среды и плотностью потока излучений. Затем кислородно-йодная среда вытекает в камеру 4 со сверхзвуковой скоростью, которая создается с помощью устройства 3, например сопла Лаваля или решетки сопел Лаваля. В камере 4 температура кислородно-йодной среды понижается до температуры T, меньшей температуры T, реализуется неравенство Y(T)>Y(T) и в кислородно-йодной среде образуются инверсная населенность. Полученная активная кислородно-йодная среда может быть использована в кислородно-йодном лазере. В предлагаемом способе отработанная активная среда кислородно-йодного лазера не претерпевает изменения химического состава, не содержит никаких посторонних вредных примесей и может повторно быть использована для создания инверсной населенности.
В качестве источника света с длиной волны излучения около 490 нм могут быть использованы световые диоды. Интенсивное излучение с длины волны около 1315 нм может быть получено при помощи диодных лазеров. Кислородно-йодный лазер, основанный на таком способе получения инверсной населенности и усиления света, в данном случае будет преобразовывать излучение многих некогерентных источников в однопучковое когерентное излучение. Пространственно зоны облучения кислородно-йодной среды светом около 490 нм и 1315 нм могут частично перекрываться.
1
490
490
490
1
490
1
1
2
1/2
1
1
1
2
пор
пор
2
-19
14
-3
-19
-18
2
4
2
2
1
1
1
1
1
1
-1
14
-3
-4
-1
Поясним работоспособность способа предлагаемого получения инверсной населенности на конкретном примере. В камеру 1 длиной Х=1 см втекает газовый поток химического состава Не:O2:I2=2:1:0.02 со скоростью U=110 м/с при полном давлении 37 мм рт.ст. и начальной температуре 450K. В камере 1 газовый поток освещается излучением с плотностью мощности J=20 Вт/см около длины волны 490 нм в пределах спектральной полосы шириной 20 нм. В результате облучения на выходе из камеры 1 будет диссоциирована доля молекул йода, равная Jσt/(4·10 Дж)≈0.01, и концентрация атомов йода будет равна 10 см. Здесь 4·10 Дж - энергия фотона с длиной волны 490 нм, σ=2.7·10 см [Окабе X. Фотохимия малых молекул: Пер. с англ. - М.: Мир, 1981. - 504 с.] - сечение фото диссоциации молекул йода, t=X/U - время облучения. Далее газовый поток поступает в камеру 2 длиной Х=10 см по потоку, в которой он облучается излучением с плотностью мощности 10 Вт/см в спектральном диапазоне 300 МГц в пределах длины волны оптического перехода в тонкой структуре атома йода. Под действием этого излучения атомы йода возбуждаются в состояние P, передают энергию возбуждения молекулам кислорода в состоянии aΔ. В процессе взаимодействия возбужденных атомов йода и молекул кислорода в состоянии aΔ образуются молекулы кислорода в состоянии bΣ. Столкновение молекул кислорода в состоянии bΣ с молекулами йода вызывает их диссоциацию. Незначительная часть образующихся молекул кислорода в состоянии bΣ дезактивируется. В результате расчеты показывают, что на выходе из камеры 2 температура кислородно-йодной смеси составит значение примерно Т=500 K, более чем 99% йода будет разложено на атомы. Доля молекул кислорода в состоянии aΔ на выходе камеры 2 составит значение Y=0.21, которое несколько меньше значения Y(T=500 K)=(1+1.5exp(401/T))=0.23. При этом более 60% энергии излучения на длине волны 1315 нм, поглощенной кислородно-йодной средой, переходит в энергию молекул синглетного кислорода. На выходе камеры 2 установлено устройство типа сопла Лаваля, создающее в камере 4 сверхзвуковой поток газа с числом Маха М=3. В результате в камере 4 температура кислородно-йодной смеси будет равна Т=175 K, при которой пороговая доля синглетного кислорода Y=0.063, а концентрация атомов йода будет равна 7.5·10 см. В камере 4 выполняется условие Y>Y, поэтому на переходе тонкой структуры атома йода образуется инверсная населенность и коэффициент усиления ~4.5·10 см.
Камера 4 может быть активной зоной резонатора кислородно-йодного лазера. После экстракции части энергии, запасенной в молекулах синглетного кислорода, в лазерное излучение и выхода газового потока из камеры 4 содержание молекул синглетного кислорода упадет до нуля, атомы йода рекомбинируют в молекулы йода. Отработанная лазерная среда будет иметь химический состав, как и на входе в камеру 1, но с более высокой температурой и пониженным давлением. Поэтому отработанный поток кислородно-йодной среды после сжатия в компрессоре, охлажденный в теплообменнике, может вновь быть возвращен в камеру 1 и использован для создания инверсной населенности. Эффективность преобразования излучения накачки в энергию возбуждения молекул синглетного кислорода составляет величину ~60%.